Термическая обработка алюминиевых сплавов

Структура алюминиевых промышленных сплавов в равновесном состоянии, соответствующем диаграмме, должна представлять собой алюминиевый α-твердый раствор с включениями интерметаллидных фаз 0 (СиА1₂), S (Al₂CuMg), Mg₂Si и др. Однако в реальных условиях затвердевания промышленных слитков, а также под действием внешних сил (нагрузки и тепла) происходит изменение равновесного состояния, структуры и свойств сплавов. Получить требуемый комплекс механических и технологических свойств алюминиевых сплавов можно путем термической обработки: отжига, закалки, старения.

Отжиг. Применяется для устранения неравновесного структурного состояния. Поскольку образование неравновесных структур может быть вызвано различными причинами.

Гомогенизирующий отжиг устраняет неравновесные структурные составляющие, возникающие в сплаве вследствие неполноты протекания диффузионных процессов при кристаллизации слитков. Так как в промышленных условиях скорость кристаллизации слитка всегда выше равновесной, в литом металле наблюдается ликвация химических элементов и появляется дендритная ликвация. Неоднородность литой структуры значительно понижает технологическую пластичность сплавов.

В результате гомогенизирующего отжига структура слитка становится более однородной (гомогенной), выравнивается химический состав по сечению зерна. Часть неравновесных интерметаллидов, расположенных между осями дендритов α-твердого алюминиевого раствора, при нагревании растворяется в этом растворе, но при охлажденииинтерметаллиды вновь выделяются в мелкодисперсной форме и равномерно распределяются по сечению слитка. Пластичность слитков в результате гомогенизации значительно возрастает, положительно сказывается на последующей обработке давлением (прокатке, ковке и др.).

Выбор температуры гомогенизирующего отжига проводят в соответствии с диаграммой состояния сплава так, чтобы она была выше температуры полного растворения легирующих элементов в алюминии, но ниже температуры плавления неравновесной эвтектики в сплаве. Нагрев выше температуры неравновесной эвтектики приведет к появлению жидкой фазы, что отрицательно скажется на прочности и, особенно, на пластичности сплавов. Гомогенизирующий отжиг промышленных слитков алюминиевых сплавов проводят при температурах от 450 до 540°С, выдержка от 4 до 40 ч (в зависимости от состава сплава), охлаждение с печью или на воздухе.

Рекристаллизационный отжиг устраняет неравновесность структуры, возникающую при холодной или горячей деформации. Его применяют как промежуточную операцию при обработке давлением. В результате отжига в деформированном металле снимается наклеп, протекает процесс рекристаллизации, прочность и твердость снижаются, а пластичность возрастает. При выборе температур рекристаллизационного отжига обходимо учитывать, что образующаяся рекристаллизованная структура должна быть мелкозернистой. Отжиг этого вида осуществляют при температурах 350 — 500°С в течение 0,5 — 2 ч.

Неполный отжиг (дорекристаллизационный) дают как окончательную операцию в тех случаях, когда свойства детали должны сочетать прочность и пластичность. Отжиг проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации (при 200 — 350°С), в результате сплав приобретает полигонизованную структуру, поэтому упрочнение от холодной деформации снимается не полностью.

Закалка. Целью закалки является получение при комнатной температуре структурного состояния, свойственного повышенной температуре, а именно пересыщенного твердого раствора. Закалка алюминиевых сплавов основана на переменной растворимости легирующих элементов в твердом растворе. К таким элементам относятся медь, магний, кремний, цинк, присутствующие в сплавах в определенном сочетании. Легирующие элементы образуют интерметаллидные фазы.

Основными технологическими параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения до комнатной температуры.

Температура нагрева под закалку определяет степень насыщения твердого раствора легирующими элементами. Поскольку в большинстве промышленных сплавов содержание легирующих элементов больше предельной растворимости их при эвтектической температуре, то они имеют в структуре некоторое количество эвтектической составляющей. Следовательно, нагревать сплавы под закалку можно до температуры ниже эвтектической. Нагрев выше этой температуры неизбежно приведет к неисправимому браку — пережогу: произойдет оплавление эвтектики по границам зерен алюминиевого твердого раствора с одновременным окислением жидких прослоек и последующим образованием усадочной пористости при затвердевании жидкой фазы. При малом объеме оплавления в первую очередь будут снижаться характеристики пластичности и вязкости, при большом объеме оплавления снижаются прочность и твердость.

Критическая скорость закалки большинства алюминиевых сплавов достигается путем охлаждения в воде.

Старение. Это заключительная операция термической обработки. Старение основано на распаде закаленного пересыщенного твердого раствора.

Старение сплавов при комнатной температуре называют естественным; при повышенной – искусственным.

В процессе распада пересыщенного твердого раствора различают три стадии: зонную, фазовую и коагуляционную. На зонной стадии старения создается химическая неоднородность и объеме кристалла пересыщенного твердого раствора, т. е. возникают субмикроскопические зоны с повышенным содержанием легирующего компонента. Эти зоны называют зонами Гинье-Престона по имени исследователей, впервые их открывших в дуралюминах. В зависимости от соотношения размеров атомов алюминия и легирующих компонентов зоны могут иметь форму дисков (в сплавах А1-Сu) или сферическую форму (в сплавах А1—Zn). По мере развития зонной стадии различают зоны Г.П.1 и Г.П.2. Зоны Г.П.1 имеют меньший размер, атомы легирующего компонента в них расположены хаотично. Зоны Г.П.2 имеют больший, чем зоны Г.П.1 размер, концентрация атомов легирующего компонента в них возрастает, приближаясь к составу интерметаллидной фазы. Для зон Г.П.2 характерно упорядоченное расположение атомов алюминия и легирующего компонента.

Фазовая стадия старения развивается по мере повышения температуры. Диффузионные превращения на этой стадии протекают более интенсивно, что приводит к образованию в местах, где образовались зоны Г.П.2, дисперсных частиц промежуточной фазы, которая по своему составу не отличается от стабильной интерметаллидной фазы, но имеет отличную от нее кристаллическую решетку. Промежуточная фаза когерентна с твердым раствором. Размер зон Г.П.1, Г.П.2 и кристаллов промежуточной фазы зависит от температуры старения. При повышении температуры увеличивается размер устойчивых приданной температурезон и промежуточных фаз, а зоны и промежуточные фазы, ранее образовавшиеся при низкой температуре, будут нестабильны и растворятся.

Дальнейшее повышение температуры старения приводит к paзвитию коагуляционной стадии. На этой стадии образуется некогерентная стабильная интерметаллидная фаза, которая укрупняется (коагулирует) по мере развития процесса.

Изменение свойств алюминиевых сплавов в процессе старения также соответствует рассмотренным стадиям распада пересыщенного твердого раствора.

На зонной стадии многочисленные зоны Г.П. препятствуют перемещению дислокаций, что увеличивает со­противление сплава пластической деформации. При этом повышаются прочностные свойства без существенного изменения пластических характеристик.

При естественном старении наблюдается только зонная стадия.

На коагуляционной стадии укрупнение выделившихся кристаллов равновесной фазы приводит к разупрочне­нию сплава.

Эффект упрочнения при старении зависит от природы упрочняющих фаз. Упрочняющими фазами называются интерметаллические соединения, которые растворяются в алюминии при нагреве под закалку и выделяются из пересыщенного твердого раствора при старении.

Процессы старения развиваются диффузионным путем, поэтому зависят и от температуры и от времени.

При естественном старении упрочнение достигается в течение нескольких суток. Искусственное старение происходит в течение нескольких часов в зависимости от температуры.

Поиск по сайту: