Відпал, гартування та старіння – це основні види термічної обробки алюмінієвих сплавів. Відпал – це пом'якшувальна обробка, метою якої є забезпечення однорідності та стабільності складу та структури сплаву, усунення деформаційного зміцнення та відновлення пластичності сплаву. Гартування та старіння – це зміцнювальна термічна обробка, метою якої є підвищення міцності сплаву, яка в основному використовується для алюмінієвих сплавів, які можна зміцнити термічною обробкою.
1 Відпал
Залежно від різних виробничих вимог, відпал алюмінієвих сплавів поділяється на кілька видів: гомогенізаційний відпал злитків, відпал заготовок, проміжний відпал та відпал готової продукції.
1.1 Відпал гомогенізації злитків
В умовах швидкої конденсації та нерівноважної кристалізації злиток повинен мати неоднорідний склад і структуру, а також високі внутрішні напруження. Щоб змінити цю ситуацію та покращити оброблюваність злитка гарячою обробкою, зазвичай потрібен гомогенізаційний відпал.
Для сприяння атомній дифузії для гомогенізаційного відпалу слід вибирати вищу температуру, але вона не повинна перевищувати низьку температуру евтектичного плавлення сплаву. Зазвичай температура гомогенізаційного відпалу на 5~40℃ нижча за температуру плавлення, а час відпалу здебільшого становить від 12 до 24 годин.
1.2 Відпал заготовок
Відпал заготовок – це відпал перед першою холодною деформацією під час обробки тиском. Мета полягає в тому, щоб заготовка отримала збалансовану структуру та максимальну здатність до пластичної деформації. Наприклад, температура кінця прокатки гарячекатаного сляба алюмінієвого сплаву становить 280~330℃. Після швидкого охолодження при кімнатній температурі явище зміцнення не може бути повністю усунене. Зокрема, для термічно оброблених зміцнених алюмінієвих сплавів після швидкого охолодження процес рекристалізації не завершується, перенасичений твердий розчин не повністю розкладається, і частина ефекту зміцнення та гартування все ще зберігається. Безпосереднє холодне прокатку без відпалу важко проводити безпосередньо, тому потрібен відпал заготовок. Для нетермічно оброблених зміцнених алюмінієвих сплавів, таких як LF3, температура відпалу становить 370~470℃, а охолодження на повітрі проводиться після витримки в теплі протягом 1,5~2,5 годин. Температура заготовки та відпалу, що використовується для обробки холоднотягнутих труб, повинна бути відповідно вищою, і верхня межа температури може бути вибрана. Для алюмінієвих сплавів, які можна зміцнити термічною обробкою, таких як LY11 та LY12, температура відпалу заготовки становить 390~450℃, витримується при цій температурі протягом 1~3 годин, потім охолоджується в печі до температури нижче 270℃ зі швидкістю не більше 30℃/год, а потім охолоджується на повітрі поза печтю.
1.3 Проміжний відпал
Проміжний відпал – це відпал між процесами холодної деформації, метою якого є усунення деформаційного зміцнення для сприяння подальшій холодній деформації. Загалом, після відпалу матеріалу буде важко продовжувати холодну обробку без проміжного відпалу після проведення холодної деформації 45~85%.
Процес проміжного відпалу в основному такий самий, як і відпал заготовок. Залежно від вимог до ступеня холодної деформації, проміжний відпал можна розділити на три типи: повний відпал (загальна деформація ε≈60~70%), простий відпал (ε≈50%) та легкий відпал (ε≈30~40%). Перші дві системи відпалу такі ж, як і відпал заготовок, а остання нагрівається до 320~350℃ протягом 1,5~2 годин, а потім охолоджується на повітрі.
1.4. Відпал готового виробу
Відпал готового виробу – це остаточна термічна обробка, яка надає матеріалу певних організаційних та механічних властивостей відповідно до вимог технічних умов виробу.
Відпал готової продукції можна розділити на високотемпературний відпал (виробництво м'яких виробів) та низькотемпературний відпал (виробництво напівтвердих виробів у різних станах). Високотемпературний відпал має забезпечити повну рекристалізаційну структуру та добру пластичність. За умови забезпечення гарної структури та характеристик матеріалу час витримки не повинен бути занадто довгим. Для алюмінієвих сплавів, які можна зміцнити термічною обробкою, швидкість охолодження слід суворо контролювати, щоб запобігти ефекту гартування внаслідок охолодження на повітрі.
Низькотемпературний відпал включає відпал для зняття напруги та частковий відпал з розм'якшенням, які в основному використовуються для чистого алюмінію та зміцнених алюмінієвих сплавів, що не пройшли термічну обробку. Розробка системи низькотемпературного відпалу є дуже складним завданням, яке вимагає не лише врахування температури відпалу та часу витримки, але й впливу домішок, ступеня легування, холодної деформації, проміжної температури відпалу та температури гарячої деформації. Для розробки системи низькотемпературного відпалу необхідно виміряти криву зміни між температурою відпалу та механічними властивостями, а потім визначити діапазон температур відпалу відповідно до показників продуктивності, зазначених у технічних умовах.
2 Гартування
Гартування алюмінієвого сплаву також називають обробкою на розчин, яка полягає у розчиненні якомога більшої кількості легуючих елементів у металі як другої фази у твердому розчині шляхом нагрівання при високій температурі з подальшим швидким охолодженням для запобігання осадженню другої фази, тим самим отримуючи перенасичений α-твердий розчин на основі алюмінію, який добре підготовлений до наступної обробки старінням.
Передумовою отримання перенасиченого α твердого розчину є те, що розчинність другої фази в сплаві алюмінію повинна значно зростати зі збільшенням температури, інакше мета обробки твердим розчином не може бути досягнута. Більшість легуючих елементів в алюмінії можуть утворювати евтектичну фазову діаграму з цією характеристикою. Візьмемо, наприклад, сплав Al-Cu, евтектична температура якого становить 548 ℃, а розчинність міді в алюмінії при кімнатній температурі менше 0,1%. При нагріванні до 548 ℃ її розчинність збільшується до 5,6%. Таким чином, сплави Al-Cu, що містять менше 5,6% міді, потрапляють в область однофазної α після того, як температура нагрівання перевищує лінію розчинності, тобто друга фаза CuAl2 повністю розчиняється в матриці, і після гартування можна отримати один перенасичений α твердий розчин.
Гартування є найважливішою та найвимогливішою операцією термічної обробки алюмінієвих сплавів. Ключовим є вибір відповідної температури гартування та забезпечення достатньої швидкості охолодження під час гартування, а також суворий контроль температури печі та зменшення деформації під час гартування.
Принцип вибору температури гартування полягає в максимально можливому підвищенні температури гартування, забезпечуючи при цьому відсутність перегорання алюмінієвого сплаву та надмірного зростання зерен, щоб збільшити перенасичення твердого розчину α та міцність після старіння. Як правило, точність контролю температури для нагрівання алюмінієвого сплаву повинна бути в межах ±3 ℃, а повітря в печі змушене циркулювати для забезпечення рівномірності температури печі.
Перегорання алюмінієвого сплаву спричинене частковим плавленням низькоплавких компонентів усередині металу, таких як бінарні або багатоелементні евтектики. Перегорання не тільки призводить до зниження механічних властивостей, але й має серйозний вплив на корозійну стійкість сплаву. Тому, після перегорання алюмінієвого сплаву, його не можна утилізувати, і сплав слід утилізувати. Фактична температура перегорання алюмінієвого сплаву головним чином визначається складом сплаву та вмістом домішок, а також пов'язана зі станом обробки сплаву. Температура перегорання виробів, що пройшли пластичну деформацію, вища, ніж у виливків. Чим більша деформаційна обробка, тим легше нерівноважним низькоплавким компонентам розчинятися в матриці при нагріванні, тому фактична температура перегорання підвищується.
Швидкість охолодження під час гартування алюмінієвого сплаву має значний вплив на здатність до старіння та корозійну стійкість сплаву. Під час гартування LY12 та LC4 необхідно забезпечити, щоб твердий розчин α не розкладався, особливо в температурній області 290~420℃, і потрібна достатньо велика швидкість охолодження. Зазвичай передбачається, що швидкість охолодження повинна бути вище 50℃/с, а для сплаву LC4 вона повинна досягати або перевищувати 170℃/с.
Найпоширенішим гартуючим середовищем для алюмінієвих сплавів є вода. Виробнича практика показує, що чим більша швидкість охолодження під час гартування, тим більші залишкові напруження та залишкова деформація гартованого матеріалу або заготовки. Тому для невеликих заготовок простої форми температура води може бути трохи нижчою, зазвичай 10~30℃, і не повинна перевищувати 40℃. Для заготовок складної форми та великих відмінностей у товщині стінок, щоб зменшити деформацію та розтріскування під час гартування, температуру води іноді можна підвищити до 80℃. Однак слід зазначити, що зі збільшенням температури води в гартуючому резервуарі відповідно знижуються міцність та корозійна стійкість матеріалу.
3. Старіння
3.1 Організаційна трансформація та зміни продуктивності під час старіння
Перенасичений α твердий розчин, отриманий шляхом гартування, має нестабільну структуру. При нагріванні він розкладається та перетворюється на рівноважну структуру. Візьмемо, наприклад, сплав Al-4Cu, його рівноважну структуру має бути α+CuAl2 (θ фаза). Якщо однофазний перенасичений α твердий розчин після гартування нагрівають для старіння, то за достатньо високої температури θ фаза буде безпосередньо осаджуватися. В іншому випадку це буде відбуватися поетапно, тобто після деяких проміжних перехідних стадій може бути досягнута кінцева рівноважна фаза CuAl2. На рисунку нижче показано характеристики кристалічної структури кожної стадії осадження під час процесу старіння сплаву Al-Cu. Рисунок a. показує структуру кристалічної решітки в загартованому стані. У цей час це однофазний α перенасичений твердий розчин, а атоми міді (чорні крапки) рівномірно та хаотично розподілені в матричній решітці алюмінію (білі крапки). Рисунок b показує структуру решітки на ранній стадії осадження. Атоми міді починають концентруватися в певних областях матричної решітки, утворюючи область Гіньє-Престона, яка називається областю GP. Зона GP надзвичайно мала та має форму диска, діаметром приблизно 5~10 мкм та товщиною 0,4~0,6 нм. Кількість зон GP у матриці надзвичайно велика, а щільність розподілу може досягати 10¹⁷~10¹⁸см⁻³. Кристалічна структура зони GP залишається такою ж, як і матриці, обидві є гранецентрованими кубічними, і вона підтримує когерентний інтерфейс з матрицею. Однак, оскільки розмір атомів міді менший, ніж у атомів алюмінію, збагачення атомами міді призведе до стиснення кристалічної решітки поблизу цієї області, що спричинить її спотворення.
Схематична діаграма змін кристалічної структури сплаву Al-Cu під час старіння
Рисунок a. Загартований стан, однофазний α-твердий розчин, атоми міді (чорні точки) розподілені рівномірно;
Рисунок b. На ранній стадії старіння формується зона GP;
Рисунок c. На пізній стадії старіння утворюється напівкогерентна перехідна фаза;
Рисунок d. Старіння за високих температур, осадження некогерентної рівноважної фази
Зона GP є першим продуктом передосадження, який з'являється під час процесу старіння алюмінієвих сплавів. Збільшення часу старіння, особливо підвищення температури старіння, також призведе до утворення інших проміжних перехідних фаз. У сплаві Al-4Cu після зони GP є фази θ” та θ', і, нарешті, досягається рівноважна фаза CuAl2. θ” та θ' є перехідними фазами фази θ, а кристалічна структура має квадратну ґратку, але постійна ґратки відрізняється. Розмір θ більший, ніж у зони GP, вона все ще має форму диска, діаметром приблизно 15~40 нм та товщиною 0,8~2,0 нм. Вона продовжує підтримувати когерентний інтерфейс з матрицею, але ступінь спотворення ґратки є більш інтенсивним. При переході від фази θ” до θ' розмір збільшується до 20~600 нм, товщина становить 10~15 нм, а когерентна поверхня розділу також частково руйнується, перетворюючись на напівкогерентну поверхню, як показано на рисунку c. Кінцевим продуктом старіння внаслідок осадження є рівноважна фаза θ (CuAl2), в цей час когерентна поверхня розділу повністю руйнується і стає некогерентною, як показано на рисунку d.
Згідно з вищезазначеною ситуацією, порядок старіння сплаву Al-Cu такий: αs→α+зона GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. Стадія старіння структури залежить від складу сплаву та специфікації старіння. Часто в одному стані знаходиться більше одного продукту старіння. Чим вища температура старіння, тим ближче до рівноважної структури.
Під час процесу старіння зона GP та перехідна фаза, що виділяються з матриці, мають невеликий розмір, високо дисперсні та нелегко деформуються. Водночас вони викликають спотворення кристалічної решітки в матриці та утворюють поле напружень, що суттєво гальмує рух дислокацій, тим самим збільшуючи опір пластичній деформації сплаву та покращуючи його міцність і твердість. Це явище зміцнення внаслідок старіння називається дисперсійним зміцненням. На рисунку нижче крива ілюструє зміну твердості сплаву Al-4Cu під час гартування та старіння. Стадія I на рисунку представляє твердість сплаву в його початковому стані. Через різну історію гарячої обробки твердість початкового стану буде змінюватися, зазвичай HV=30~80. Після нагрівання при 500℃ та гартування (стадія II) всі атоми міді розчиняються в матриці, утворюючи однофазний перенасичений α-твердий розчин з HV=60, що вдвічі твердіше, ніж у відпаленому стані (HV=30). Це результат зміцнення твердого розчину. Після гартування його поміщають при кімнатній температурі, і твердість сплаву постійно зростає завдяки безперервному утворенню зон GP (стадія III). Цей процес старіння та гартування при кімнатній температурі називається природним старінням.
I—початковий стан;
II — твердий розчин;
III – природне старіння (зона GP);
IVa — регресійна обробка при 150~200℃ (повторно розчинена в зоні GP);
IVb — штучне старіння (фаза θ”+θ');
V — перестаріння (фаза θ”+θ')
На стадії IV сплав нагрівають до 150°C для старіння, і ефект зміцнення є більш очевидним, ніж ефект природного старіння. На цьому етапі продуктом осадження є переважно фаза θ”, яка має найбільший ефект зміцнення в сплавах Al-Cu. Якщо температура старіння ще більше підвищується, фаза осадження переходить з фази θ” у фазу θ', ефект зміцнення послаблюється, а твердість зменшується, переходячи на стадію V. Будь-яка обробка старінням, яка вимагає штучного нагрівання, називається штучним старінням, і стадії IV та V належать до цієї категорії. Якщо твердість досягає максимального значення твердості, якого може досягти сплав після старіння (тобто стадія IVb), це старіння називається піковим старінням. Якщо пікове значення твердості не досягнуто, це називається недостарінням або неповним штучним старінням. Якщо пікове значення перетинається і твердість зменшується, це називається надмірним старінням. Обробка стабілізуючим старінням також належить до надмірного старіння. Зона GP, що утворюється під час природного старіння, дуже нестабільна. При швидкому нагріванні до вищої температури, наприклад, близько 200°C, і короткочасному витримуванні в теплі зона GP знову розчиняється в твердому розчині α. Якщо її швидко охолодити (загартувати) перед випаданням інших перехідних фаз, таких як осад θ” або θ', сплав можна відновити до початкового загартованого стану. Це явище називається «регресією», що являє собою падіння твердості, позначене пунктирною лінією на стадії IVa на рисунку. Алюмінієвий сплав, який зазнав регресії, все ще має таку ж здатність до старіння.
Старіння є основою для розробки термічно оброблюваних алюмінієвих сплавів, а його здатність до старіння безпосередньо пов'язана зі складом сплаву та системою термічної обробки. Бінарні сплави Al-Si та Al-Mn не мають ефекту дисперсійного твердіння, оскільки рівноважна фаза безпосередньо осаджується під час процесу старіння, і є алюмінієвими сплавами, які не піддаються термічній обробці. Хоча сплави Al-Mg можуть утворювати зони GP та перехідні фази β', вони мають певну здатність до дисперсійного твердіння лише у сплавах з високим вмістом магнію. Сплави Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si та Al-Zn-Mg-Cu мають сильну здатність до дисперсійного твердіння у своїх зонах GP та перехідних фазах і наразі є основними системами сплавів, які можна термічно обробити та зміцнити.
3.2 Природне старіння
Як правило, алюмінієві сплави, які можна зміцнити термічною обробкою, мають природний ефект старіння після гартування. Зміцнення внаслідок природного старіння спричинене зоною GP. Природне старіння широко використовується в сплавах Al-Cu та Al-Cu-Mg. Природне старіння сплавів Al-Zn-Mg-Cu триває занадто довго, і часто потрібно кілька місяців, щоб досягти стабільної стадії, тому система природного старіння не використовується.
Порівняно зі штучним старінням, після природного старіння межа текучості сплаву нижча, але пластичність і в'язкість кращі, а стійкість до корозії вища. Ситуація з надтвердим алюмінієм системи Al-Zn-Mg-Cu дещо відрізняється. Стійкість до корозії після штучного старіння часто краща, ніж після природного старіння.
3.3 Штучне старіння
Після штучного старіння алюмінієві сплави часто можуть досягти найвищої межі текучості (головним чином зміцнення в перехідній фазі) та кращої організаційної стабільності. Надтвердий алюміній, кований алюміній та литий алюміній переважно піддаються штучному старінню. Температура та час старіння мають важливий вплив на властивості сплавів. Температура старіння здебільшого становить від 120 до 190 ℃, а час старіння не перевищує 24 годин.
Окрім одностадійного штучного старіння, алюмінієві сплави також можуть використовувати поступову систему штучного старіння. Тобто нагрівання виконується двічі або більше разів за різних температур. Наприклад, сплав LC4 можна старіти при температурі 115~125℃ протягом 2~4 годин, а потім при температурі 160~170℃ протягом 3~5 годин. Поступове старіння може не тільки значно скоротити час, але й покращити мікроструктуру сплавів Al-Zn-Mg та Al-Zn-Mg-Cu, а також значно покращити стійкість до корозії під напругою, втомну міцність та в'язкість руйнування без суттєвого зниження механічних властивостей.
Час публікації: 06 березня 2025 р.
