Osnovne vrste toplinske obrade aluminijskih legura

Žarenje, kaljenje i starenje su osnovne vrste toplinske obrade aluminijskih legura. Žarenje je postupak omekšavanja čija je svrha učiniti leguru ujednačenom i stabilnom u sastavu i strukturi, ukloniti očvršćavanje i vratiti plastičnost legure. Kaljenje i starenje je toplinska obrada ojačavanja čija je svrha poboljšati čvrstoću legure, a uglavnom se koristi za aluminijske legure koje se mogu ojačati toplinskom obradom.

1 Žarenje

Prema različitim proizvodnim zahtjevima, žarenje aluminijskih legura dijeli se na nekoliko oblika: žarenje homogenizacijom ingota, žarenje gredica, međužarenje i žarenje gotovih proizvoda.

1.1 Žarenje homogenizacije ingota

U uvjetima brze kondenzacije i neravnotežne kristalizacije, ingot mora imati neravnomjeran sastav i strukturu, a također i veliko unutarnje naprezanje. Kako bi se promijenila ta situacija i poboljšala obradivost ingota u vrućim uvjetima, općenito je potrebno homogenizacijsko žarenje.

Kako bi se potaknula atomska difuzija, za homogenizacijsko žarenje treba odabrati višu temperaturu, ali ona ne smije prijeći eutektičku točku taljenja legure s niskom točkom taljenja. Općenito, temperatura homogenizacijskog žarenja je 5~40 ℃ niža od točke taljenja, a vrijeme žarenja je uglavnom između 12~24 sata.

1.2 Žarenje gredice

Žarenje gredice odnosi se na žarenje prije prve hladne deformacije tijekom obrade pod tlakom. Svrha je postići da gredica dobije uravnoteženu strukturu i maksimalni kapacitet plastične deformacije. Na primjer, temperatura kraja valjanja toplo valjane ploče od aluminijske legure je 280~330 ℃. Nakon brzog hlađenja na sobnoj temperaturi, fenomen očvršćavanja ne može se u potpunosti ukloniti. Konkretno, kod toplinski obrađenih ojačanih aluminijskih legura, nakon brzog hlađenja, proces rekristalizacije nije završen, a prezasićena kruta otopina nije potpuno razgrađena, a dio učinka očvršćavanja i kaljenja je još uvijek zadržan. Teško je izravno hladno valjati bez žarenja, pa je potrebno žarenje gredice. Za ojačane aluminijske legure koje nisu toplinski obrađene, kao što je LF3, temperatura žarenja je 370~470 ℃, a hlađenje zrakom se provodi nakon što se gredica drži toplom 1,5~2,5 sata. Temperatura gredice i žarenja koja se koristi za obradu hladno vučenih cijevi trebala bi biti odgovarajuće viša, a može se odabrati i gornja granična temperatura. Za aluminijske legure koje se mogu ojačati toplinskom obradom, kao što su LY11 i LY12, temperatura žarenja gredice je 390~450 ℃, održava se na toj temperaturi 1~3 sata, zatim se hladi u peći ispod 270 ℃ brzinom ne većom od 30 ℃/h, a zatim se hladi zrakom izvan peći.

1.3 Međužarenje

Međužarenje se odnosi na žarenje između procesa hladne deformacije, čija je svrha eliminirati očvršćavanje kako bi se olakšao nastavak hladne deformacije. Općenito govoreći, nakon što je materijal žaren, bit će teško nastaviti hladnu obradu bez međužarenja nakon što je podvrgnut hladnoj deformaciji od 45~85%.

Procesni sustav međužarenja u osnovi je isti kao i kod žarenja grede. Prema zahtjevima stupnja hladne deformacije, međužarenje se može podijeliti u tri vrste: potpuno žarenje (ukupna deformacija ε≈60~70%), jednostavno žarenje (ε≈50%) i blago žarenje (ε≈30~40%). Prva dva sustava žarenja su ista kao i kod žarenja grede, a potonji se zagrijava na 320~350℃ tijekom 1,5~2 sata, a zatim hladi zrakom.

1.4. Žarenje gotovog proizvoda

Žarenje gotovog proizvoda je završna toplinska obrada koja materijalu daje određena organizacijska i mehanička svojstva prema zahtjevima tehničkih uvjeta proizvoda.

Žarenje gotovog proizvoda može se podijeliti na žarenje na visokim temperaturama (proizvodnja mekih proizvoda) i žarenje na niskim temperaturama (proizvodnja polutvrdih proizvoda u različitim stanjima). Žarenje na visokim temperaturama treba osigurati potpunu rekristalizacijsku strukturu i dobru plastičnost. Pod uvjetom da se osigura dobra struktura i performanse materijala, vrijeme zadržavanja ne smije biti predugo. Za aluminijske legure koje se mogu ojačati toplinskom obradom, kako bi se spriječio učinak kaljenja uslijed hlađenja zrakom, brzina hlađenja treba strogo kontrolirati.

Žarenje na niskim temperaturama uključuje žarenje za smanjenje naprezanja i djelomično omekšavanje, koja se uglavnom koriste za čisti aluminij i aluminijske legure ojačane toplinskom obradom. Formuliranje sustava žarenja na niskim temperaturama vrlo je složen zadatak koji ne samo da treba uzeti u obzir temperaturu žarenja i vrijeme zadržavanja, već i utjecaj nečistoća, stupnja legiranja, hladne deformacije, međutemperature žarenja i temperature vruće deformacije. Za formuliranje sustava žarenja na niskim temperaturama potrebno je izmjeriti krivulju promjene između temperature žarenja i mehaničkih svojstava, a zatim odrediti raspon temperature žarenja prema pokazateljima performansi navedenim u tehničkim uvjetima.

2 Kaljenje

Kaljenje aluminijske legure naziva se i obrada otopinom, što znači otapanje što većeg broja legirajućih elemenata u metalu kao drugoj fazi u krutu otopinu zagrijavanjem na visokoj temperaturi, nakon čega slijedi brzo hlađenje kako bi se spriječilo taloženje druge faze, čime se dobiva prezasićena α kruta otopina na bazi aluminija, koja je dobro pripremljena za sljedeći tretman starenja.

Pretpostavka dobivanja prezasićene α čvrste otopine je da se topljivost druge faze u leguri aluminija treba značajno povećati s porastom temperature, inače se ne može postići svrha obrade čvrste otopine. Većina legirajućih elemenata u aluminiju može formirati eutektički fazni dijagram s ovom karakteristikom. Uzimajući Al-Cu leguru kao primjer, eutektička temperatura je 548 ℃, a topljivost bakra u aluminiju na sobnoj temperaturi je manja od 0,1%. Kada se zagrije na 548 ℃, njegova topljivost se povećava na 5,6%. Stoga, Al-Cu legure koje sadrže manje od 5,6% bakra ulaze u α područje jedne faze nakon što temperatura zagrijavanja prijeđe svoju liniju solvusa, odnosno druga faza CuAl2 se potpuno otopi u matrici, a nakon kaljenja može se dobiti jedna prezasićena α čvrsta otopina.

Kaljenje je najvažnija i najzahtjevnija operacija toplinske obrade aluminijskih legura. Ključno je odabrati odgovarajuću temperaturu kaljenja i osigurati dovoljnu brzinu hlađenja, te strogo kontrolirati temperaturu peći i smanjiti deformaciju kaljenja.

Princip odabira temperature kaljenja je što veće povećanje temperature kaljenja, uz osiguravanje da aluminijska legura ne pregori ili da zrna ne narastu prekomjerno, kako bi se povećala prezasićenost α čvrste otopine i čvrstoća nakon starenja. Općenito, peć za grijanje aluminijske legure zahtijeva točnost regulacije temperature peći unutar ±3 ℃, a zrak u peći mora cirkulirati kako bi se osigurala ujednačenost temperature peći.

Prekomjerno izgaranje aluminijske legure uzrokovano je djelomičnim taljenjem komponenti s niskim talištem unutar metala, poput binarnih ili višeelementnih eutektika. Prekomjerno izgaranje ne samo da uzrokuje smanjenje mehaničkih svojstava, već ima i ozbiljan utjecaj na otpornost legure na koroziju. Stoga, nakon što se aluminijska legura prekomjerno izgara, ne može se eliminirati i proizvod od legure treba odložiti. Stvarna temperatura prekomjernog izgaranja aluminijske legure uglavnom je određena sastavom legure i sadržajem nečistoća, a također je povezana sa stanjem obrade legure. Temperatura prekomjernog izgaranja proizvoda koji su podvrgnuti obradi plastične deformacije viša je nego kod odljevaka. Što je veća obrada deformacijom, lakše je da se neravnotežne komponente s niskim talištem otopi u matrici prilikom zagrijavanja, pa se stvarna temperatura prekomjernog izgaranja povećava.

Brzina hlađenja tijekom kaljenja aluminijske legure ima značajan utjecaj na sposobnost jačanja starenjem i otpornost legure na koroziju. Tijekom procesa kaljenja LY12 i LC4, potrebno je osigurati da se α čvrsta otopina ne raspadne, posebno u temperaturno osjetljivom području od 290~420 ℃, te je potrebna dovoljno velika brzina hlađenja. Obično se propisuje da brzina hlađenja bude iznad 50 ℃/s, a za leguru LC4 treba doseći ili premašiti 170 ℃/s.

Najčešće korišteni medij za kaljenje aluminijskih legura je voda. Proizvodna praksa pokazuje da što je veća brzina hlađenja tijekom kaljenja, to su veća zaostala naprezanja i zaostala deformacija kaljenog materijala ili obratka. Stoga, za male obratke jednostavnih oblika, temperatura vode može biti nešto niža, općenito 10~30 ℃, i ne smije prelaziti 40 ℃. Za obratke složenih oblika i velikih razlika u debljini stijenki, kako bi se smanjile deformacije i pucanje pri kaljenju, temperatura vode ponekad se može povećati na 80 ℃. Međutim, treba istaknuti da se s porastom temperature vode u spremniku za kaljenje, čvrstoća i otpornost materijala na koroziju također smanjuju u skladu s tim.

3. Starenje

3.1 Organizacijska transformacija i promjene u performansama tijekom starenja

Prezasićena α čvrsta otopina dobivena kaljenjem ima nestabilnu strukturu. Kada se zagrije, raspada se i transformira u ravnotežnu strukturu. Uzimajući Al-4Cu leguru kao primjer, njezina ravnotežna struktura trebala bi biti α+CuAl2 (θ faza). Kada se jednofazna prezasićena α čvrsta otopina nakon kaljenja zagrijava radi starenja, ako je temperatura dovoljno visoka, θ faza će se izravno taložiti. U suprotnom, to će se provoditi u fazama, odnosno nakon nekoliko međufaza prijelaza, može se postići konačna ravnotežna faza CuAl2. Donja slika ilustrira karakteristike kristalne strukture svake faze taloženja tijekom procesa starenja Al-Cu legure. Slika a. prikazuje strukturu kristalne rešetke u kaljenom stanju. U ovom trenutku, to je jednofazna α prezasićena čvrsta otopina, a atomi bakra (crne točke) su ravnomjerno i nasumično raspoređeni u aluminijevoj (bijele točke) matričnoj rešetki. Slika b. prikazuje strukturu rešetke u ranoj fazi taloženja. Atomi bakra počinju se koncentrirati u određenim područjima matrične rešetke kako bi formirali Guinier-Prestonovo područje, nazvano GP područje. GP zona je izuzetno mala i u obliku diska, promjera oko 5~10 μm i debljine 0,4~0,6 nm. Broj GP zona u matrici je izuzetno velik, a gustoća raspodjele može doseći 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Kristalna struktura GP zone je i dalje ista kao i matrica, obje su plošno centrirane kubne, a održavaju koherentno sučelje s matricom. Međutim, budući da je veličina atoma bakra manja od veličine atoma aluminija, obogaćivanje atoma bakra uzrokovat će skupljanje kristalne rešetke u blizini područja, što uzrokuje izobličenje rešetke.

Shematski dijagram promjena kristalne strukture Al-Cu legure tijekom starenja

Slika a. Ugašeno stanje, jednofazna α čvrsta otopina, atomi bakra (crne točke) su ravnomjerno raspoređeni;

Slika b. U ranoj fazi starenja formira se GP zona;

Slika c. U kasnoj fazi starenja formira se polukoherentna prijelazna faza;

Slika d. Starenje na visokim temperaturama, taloženje nekoherentne ravnotežne faze

GP zona je prvi produkt prije taloženja koji se pojavljuje tijekom procesa starenja aluminijskih legura. Produljenje vremena starenja, posebno povećanje temperature starenja, također će formirati druge međufaze prijelaza. U leguri Al-4Cu, nakon GP zone postoje faze θ” i θ', a konačno se postiže ravnotežna faza CuAl2. θ” i θ' su obje prijelazne faze θ faze, a kristalna struktura je kvadratna rešetka, ali konstanta rešetke je drugačija. Veličina θ je veća od veličine GP zone, još uvijek u obliku diska, s promjerom od oko 15~40nm i debljinom od 0,8~2,0nm. I dalje održava koherentno sučelje s matricom, ali stupanj izobličenja rešetke je intenzivniji. Pri prijelazu iz θ” u θ' fazu, veličina je narasla na 20~600 nm, debljina je 10~15 nm, a koherentno sučelje je također djelomično uništeno, postajući polukoherentno sučelje, kao što je prikazano na slici c. Konačni produkt taloženja starenjem je ravnotežna faza θ (CuAl2), u kojem trenutku se koherentno sučelje potpuno uništava i postaje nekoherentno sučelje, kao što je prikazano na slici d.

Prema gore navedenoj situaciji, redoslijed starenja Al-Cu legure je αs→α+GP zona→α+θ”→α+θ'→α+θ. Faza starenja strukture ovisi o sastavu legure i specifikaciji starenja. Često postoji više od jednog produkta starenja u istom stanju. Što je viša temperatura starenja, to je struktura bliža ravnotežnoj strukturi.

Tijekom procesa starenja, GP zona i prijelazna faza istaložene iz matrice su male veličine, visoko dispergirane i ne deformiraju se lako. Istovremeno, uzrokuju izobličenje rešetke u matrici i formiraju polje naprezanja, što ima značajan utjecaj na kretanje dislokacija, čime se povećava otpornost legure na plastičnu deformaciju i poboljšava njezina čvrstoća i tvrdoća. Ovaj fenomen očvršćavanja starenjem naziva se očvršćavanje taloženjem. Slika ispod ilustrira promjenu tvrdoće legure Al-4Cu tijekom kaljenja i obrade starenjem u obliku krivulje. Faza I na slici predstavlja tvrdoću legure u izvornom stanju. Zbog različitih povijesti vruće obrade, tvrdoća izvornog stanja će varirati, općenito HV=30~80. Nakon zagrijavanja na 500℃ i kaljenja (faza II), svi atomi bakra se otope u matrici i formiraju jednofaznu prezasićenu α čvrstu otopinu s HV=60, koja je dvostruko tvrđa od tvrdoće u žarenom stanju (HV=30). To je rezultat očvršćavanja čvrste otopine. Nakon kaljenja, legura se stavlja na sobnu temperaturu, a tvrdoća legure se kontinuirano povećava zbog kontinuiranog stvaranja GP zona (faza III). Ovaj proces očvršćavanja starenjem na sobnoj temperaturi naziva se prirodno starenje.

I - izvorno stanje;

II - stanje čvrste otopine;

III - prirodno starenje (GP zona);

IVa - regresijska obrada na 150~200℃ (ponovno otopljeno u GP zoni);

IVb - umjetno starenje (θ”+θ' faza);

V—prestarenje (θ”+θ' faza)

U fazi IV, legura se zagrijava na 150°C radi starenja, a učinak očvršćavanja je očitiji nego kod prirodnog starenja. U ovom trenutku, produkt taloženja je uglavnom θ” faza, koja ima najveći učinak očvršćavanja u Al-Cu legurama. Ako se temperatura starenja dodatno poveća, faza taloženja prelazi iz θ” faze u θ' fazu, učinak očvršćavanja slabi, a tvrdoća se smanjuje, ulazeći u fazu V. Svaka obrada starenja koja zahtijeva umjetno zagrijavanje naziva se umjetno starenje, a faze IV i V pripadaju ovoj kategoriji. Ako tvrdoća dosegne maksimalnu vrijednost tvrdoće koju legura može postići nakon starenja (tj. faza IVb), ovo starenje se naziva vršno starenje. Ako se vršna vrijednost tvrdoće ne dosegne, to se naziva nedovoljno starenje ili nepotpuno umjetno starenje. Ako se prijeđe vršna vrijednost i tvrdoća se smanji, to se naziva prekomjerno starenje. Obrada stabilizacijskim starenjem također spada u prekomjerno starenje. GP zona nastala tijekom prirodnog starenja je vrlo nestabilna. Kada se brzo zagrije na višu temperaturu, kao što je oko 200 °C, i kratko vrijeme drži toplom, GP zona će se otopiti natrag u α čvrstu otopinu. Ako se brzo ohladi (ugasi) prije drugih prijelaznih faza kao što su taloženje θ” ili θ', legura se može vratiti u prvobitno stanje ugašenja. Ovaj fenomen naziva se „regresija“, što je pad tvrdoće označen isprekidanom linijom u fazi IVa na slici. Aluminijska legura koja je podvrgnuta regresiji i dalje ima istu sposobnost očvršćivanja starenjem.

Očvršćivanje starenjem je osnova za razvoj toplinski obradivih aluminijskih legura, a njegova sposobnost očvršćivanja starenjem izravno je povezana sa sastavom legure i sustavom toplinske obrade. Binarne legure Al-Si i Al-Mn nemaju učinak taložnog očvršćavanja jer se ravnotežna faza izravno taloži tijekom procesa starenja i nisu toplinski obradive aluminijske legure. Iako legure Al-Mg mogu formirati GP zone i prijelazne faze β', imaju određenu sposobnost taložnog očvršćavanja samo u legurama s visokim udjelom magnezija. Legure Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si i Al-Zn-Mg-Cu imaju snažnu sposobnost taložnog očvršćavanja u svojim GP zonama i prijelaznim fazama te su trenutno glavni sustavi legura koji se mogu toplinski obrađivati ​​i ojačavati.

3.2 Prirodno starenje

Općenito, aluminijske legure koje se mogu ojačati toplinskom obradom imaju prirodni učinak starenja nakon kaljenja. Prirodno ojačanje starenjem uzrokovano je GP zonom. Prirodno starenje se široko koristi kod Al-Cu i Al-Cu-Mg legura. Prirodno starenje Al-Zn-Mg-Cu legura traje predugo i često je potrebno nekoliko mjeseci da se postigne stabilna faza, pa se sustav prirodnog starenja ne koristi.

U usporedbi s umjetnim starenjem, nakon prirodnog starenja, granica razvlačenja legure je niža, ali su plastičnost i žilavost bolje, a otpornost na koroziju veća. Situacija sa supertvrdim aluminijem Al-Zn-Mg-Cu sustava je malo drugačija. Otpornost na koroziju nakon umjetnog starenja često je bolja nego nakon prirodnog starenja.

3.3 Umjetno starenje

Nakon umjetnog starenja, aluminijske legure često mogu postići najveću granicu razvlačenja (uglavnom ojačanje u prijelaznoj fazi) i bolju organizacijsku stabilnost. Supertvrdi aluminij, kovani aluminij i lijevani aluminij uglavnom se umjetno stare. Temperatura starenja i vrijeme starenja imaju važan utjecaj na svojstva legure. Temperatura starenja je uglavnom između 120~190 ℃, a vrijeme starenja ne prelazi 24 sata.

Osim jednostupanjskog umjetnog starenja, aluminijske legure mogu usvojiti i postupni sustav umjetnog starenja. To jest, zagrijavanje se provodi dva ili više puta na različitim temperaturama. Na primjer, legura LC4 može se podvrgnuti starenju na 115~125 ℃ tijekom 2~4 sata, a zatim na 160~170 ℃ tijekom 3~5 sati. Postupno starenje ne samo da može značajno skratiti vrijeme, već i poboljšati mikrostrukturu Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu legura te značajno poboljšati otpornost na koroziju pod naponom, čvrstoću na zamor i žilavost loma bez osnovnog smanjenja mehaničkih svojstava.