Термообработка алюминиевых сплавов

“Дисперсное упрочнение” или “упрочнение старением”?

Термическому упрочнению могут подвергаться не все алюминиевые сплавы, а только так называемые “термически упрочняемые алюминиевые сплавы”.  Алюминиевые сплавы, которые принадлежат к этому классу, содержат определенные добавки некоторых растворяемых элементов. Такими элементами или их комбинациями являются медь, магний, кремний, марганец и цинк, которые применяются, например, в качестве легирующих элементов в деформируемых сплавах серий 2ххх, 6ххх и 7ххх. Некоторые другие элементы также могут добавляться в специальные сплавы для достижения ими специальных свойств.

В результате соответствующей термической обработки растворенные в алюминии атомы этих легирующих элементов постепенно образуют своего рода кластеры в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевой “матрицы”. Этот процесс называется так и называют – “выделение” (precipitation). Это выделение частиц является металлургическим процессом (фазовым превращением), который происходит по следующим причинам:

• Исходный алюминиевый сплав находится в термодинамическом состоянии, далеком от равновесия. В результате резкого охлаждения сплав переводится в “переохлажденное состояние” – все растворенные легирующие элементы “замораживаются” в твердом растворе алюминия;
• Длительность нахождения сплава при данной температуре достаточна для диффузионного образования металлургической структуры (микроструктуры) с достижением более равновесного состояния согласно соответствующей фазовой диаграммой, например, такой, которая приведена на рисунке 1;
• Вывод сплава из равновесия происходит в результате быстрого охлаждения. При последующей его выдержке при заданной температуре происходит процесс выделения частиц, которые являются препятствием для пластической деформации скольжением в данном сплаве;
• В течение некоторого времени в процессе выделения этих частиц происходит увеличение их размеров и количества. В результате этого повышается твердость этого сплава и его прочность Происходит “старение” алюминиевого сплава.

Рисунок 1 – Фазовая диаграмма алюминиевых сплавов серии 6ххх

Этот процесс термического упрочнения алюминиевых сплавов формально относится к “дисперсному упрочнению” (precipitation hardening). Однако обычно для алюминиевых сплавов этот  процесс называют “упрочнение старением” (age hardening) или просто “старение” (ageing или aging).

Термин “старение” (ageing) отражает тот факт, что это процесс упрочнения происходит не мгновенно, как это бывает при закалке стали, в достаточно медленно и в течение некоторого времени, часов, дней, недель, месяцев.  Заметим, что у слова “ageing” кроме значения “старение” есть другие значения – вызревание, выдержка (для вина) и, даже, взросление, которые более положительно и оптимистично отражают суть этого процесса.

Скорость и степень упрочнения возрастает, если сплав подвергается старению при повышенной температуре, например, 200 градусов Цельсия. Этот процесс называется “искусственным старением” в отличие от процесса старения при комнатной (цеховой) температуры, который называют “естественным старением”.

Старение

Старение представляет собой выдержку закаленного сплава при некоторых (относительно низких) температурах, при которых начинается распад пересыщенного твердого раствора или в твердом растворе происходят структурные изменения, являющиеся подготовкой к распаду. Цель старения — дополнительное повышение прочности закаленных сплавов.

Сильная пересыщенность твердого раствора в закаленном сплаве обусловливает его термодинамическую нестабильность. Распад твердого раствора, приближающий фазовое состояние к равновесному, а следовательно, к уменьшению свободной энергии сплава, является самопроизвольно идущим процессом.

Во многих закаленных алюминиевых сплавах подготовительные стадии распада, а иногда и начало собственно распада проходят без специального нагрева, при вылеживании в естественных условиях в цехе, на складе или в другом помещении, в котором хранятся изделия, где температуры обычно находятся в пределах от 0 до 30 °С. В некоторых алюминиевых сплавах (Аl—Cu-Mn) подготовка к распаду и начальные стадии распада происходят лишь при нагреве закаленного сплава до температур 100…200°С. Смысл этого нагрева — термическая активация диффузионных процессов.

Выдержку закаленных алюминиевых сплавов в естественных условиях (при температуре окружающей среды), которая приводит к определенным изменениям структуры и свойств (прочность, как правило, повышается), называют естественным старением.

Нагрев закаленных алюминиевых сплавов до относительно невысоких температур (обычно в интервале 100…200 °С) и выдержку при этих температурах (в пределах от нескольких часов до нескольких десятков часов) называют искусственным старением.

Способность многих алюминиевых сплавов к старению при комнатной температуре обусловила возникновение применительно к алюминиевым сплавам термина «свежезакаленное состояние», т.е. состояние сплава непосредственно после закалки. Свойства алюминиевых сплавов в свежезакаленном состоянии могут значительно отличаться от их свойств спустя определенное время после закалки (в результате естественного старения). Естественное и низкотемпературное искусственное старение связано с тонкими изменениями структуры, которые не обнаруживаются в световом, а в ряде случаев и в электронном микроскопе. И только специальные методы рентгеноструктурного анализа позволили Гинье и независимо от него Престону описать механизм подготовительных стадий распада пересыщенного твердого раствора. Процесс распада пересыщенных твердых растворов, на примере наиболее изученных Al-Cu-сплавов, по мере повышения температуры нагрева или увеличения продолжительности выдержки при постоянной температуре развивается следующим образом.

1. В твердом растворе образуются субмикроскопические области — зоны с повышенным содержанием меди. Если, например, в твердом растворе содержится 4% Cu, а в химическом соединении 0 (АlСu), которое в конечном счете должно выделиться из твердого раствора, 52% Сu, то концентрация меди в зонах является промежуточной и возрастает по мере развития процесса. Эти зоны получили название зон Гинье-Престона (ГП). Зоны ГП в сплавах Al-Cu имеют пластинчатую форму и образуются на кристаллографических плоскостях (100). Зоны ГП — часть твердого раствора, их кристаллическая структура такая же, как и твердого раствора, но постоянная решетки несколько меньше из-за повышенной концентрации меди, атомный радиус которой меньше, чем алюминия. Для зон ГП характерны небольшие размеры (толщина 0,5…1,0 нм, диаметр 4…10 нм).

2. В твердом растворе образуются выделения промежуточной 9″-фазы, состав которых соответствует фазе Аl₂Сu, Фаза 8″ с тетрагональной, отличной от м

Основные виды

Цель данной статьи рассмотреть возможные варианты применения оборудования для различных видов термообработки изделий из алюминиевых сплавов.
В данной статье не рассматривается оборудование для получения отливок и печи на газовом топливе.

Термообработку алюминиевых сплавов производят для получения необходимой структуры и соответственно механических свойств, как на стадии заготовки,
так и уже в готовых изделиях.

Для термообработки существует пять основных видов манипуляций со свойственными им методами нагрева и охлаждения.
Чтобы получить нужные физические свойства применяют тот или иной метод нагрева.

Отжиг первого рода

Предусмотрен для снятия литейных или термических остаточных напряжений, устранение наклёпа,
при таком нагреве в структуре металла не происходит фазовых превращений.

Отжиг второго рода

Предусмотрен для изменения структуры материала посредством перекристаллизации. Заготовки нагревают выше критических температур и медленно охлаждают.
В результате изменяется размер зёрен, их форма, распределение частиц вторых фаз.

Закалка алюминиевых сплавов предназначена для закрепления неравновесных (метастабильных) структурных состояний.
Свежезакаленое изделие мягкое, как после отжига сталей, его можно деформировать. Но по истечении 4-6 дней металл самоупрочняется.

Исходная структура до закалки	Структура после закалки

Схема изменения строения сплава алюминия, содержащего 4% Cu (после закалки)

Отпуск (старение) предназначен для придания нужных свойств изделиям. В зависимости от температуры происходит упрочнение или разупрочнение.

Полный отжиг алюминия и алюминиевых сплавов

После полного отжига все алюминиевые сплавы – как термически упрочняемые, так термически не упрочняемые – получают состояние, которое является самым мягким, самым пластичным и наиболее благоприятным для пластической деформации.

Международное обозначение этого состояния буква «О». Иногда эту букву «О» путают с цифрой «0».

В отечественных стандартах на алюминиевую продукцию есть состояние просто «отжига» и это состояние обозначают буквой «М». По смыслу и по механическим свойствам сплавов в этом состоянии этот «просто» отжиг является именно полным отжигом, как его понимают в международных стандартах.

Температура заготовки при загрузке ее в пресс

Температура заготовки в начале прессования должна не ниже и не выше, чем указано в таблице 1 для соответствующего сплава. При этом необходимо иметь в виду, что температура поверхности заготовки или столба может значительно отличаться от температуры их центральной части. Необходимо иметь данные о соответствии этой видимой температуры и итоговой металлургической структурой, а также прочностными свойствами. После выхода из печи нагрева заготовка должна быть загружена в пресс как можно быстрее, во избежание ее подстуживания до температуры ниже минимальной величины, указанной для данного сплава в таблице 1.

Таблица 1 – Температура заготовки для прессования

Использование присадочных материалов

В сварных соединениях сплавов типа авиаль значительное уменьшение склонности к образованию горячих трещин может быть достигнуто при использовании присадочных материалов с со­держанием 4,5—6,0% Si. При этом склонность к образованию трещин, определяемая по крестовой пробе, уменьшается с 60% до 0. Таким присадочным материалом может быть проволока СвАК5.

Применение присадочных проволок, содержащих не­сколько процентов магния, например, АМг6, также исключает образование трещин в шве, но одновременно с этим интенсивно развиваются околошовные трещины. Это связано с более широким интервалом твердо-жидкого состояния и большей линейной усад­кой металла шва, выполненного таким присадочным материалом. При сварке сплава такого типа с применением присадочной про­волоки, содержащей 5% Si, получаются швы, пониженные меха­нические свойства которых не могут быть повышены термической обработкой.

При сварке деталей из сплава типа АВ хорошие результаты получены при использовании присадочного материала, содержа­щего 0,9% Mg, 2,3—3,5% Si, а также 0,25% Ті, 0,4% Мп или 0,2% Сг. Испытаниями на крестовой пробе трещины не обнару­жены. Швы, выполненные с помощью этой присадки, имеют один цвет с основным металлом после анодирования в отличие от швов, выполненных с присадкой СвАК5. Сплавы АК6 и АК8, со­держащие 2,2 и 4,3% Cu, склонны к образованию горячих трещин при сварке крестовой пробы. Эта склонность уменьшается при вве­дении в них 0,08—0,15% Ті.

К сплавам системы А1—Си относятся литейные АЛ7, АЛ 12 и деформируемый Д20. Сваривающийся сплав Д20 содержит 0,4— 0,8% Мп и 0,1—0,2% Ті. Последний значительно измель­чает зерно металла шва. Для повышения стойкости против трещин в сплаве должно быть не более 0,3% Fe, 0,2% Siи 0,05% Mg.

Дуралюмины относятся к системам Аl—Cu—Mg—Mn и Аl— Cu—Mg—Mn—Si. Основные марки дуралюмина Д1, Д6, Д16, 3125, АК8, ВД17. При сварке эти сплавы обладают повышенной склонностью к образованию трещин, а их сварные соединения имеют пониженные значения механических свойств в зоне сплавле­ния со швом.

Применением присадочных проволок типа СвАК5 и В61 можно снизить вероятность образования трещин при любом способе сварки. Существенное значение при этом имеет правильный подбор режимов сварки. Низкая пластичность шва и зоны сплавления обусловлена тем, что по границам оплавленных зерен распола­гаются хрупкие прослойки интерметаллидов.

Одним из наиболее распространенных сплавов системы Аl— Zn—Mg—Cu является сплав В95. Для повышения коррозионной стойкости листы из спла­вов В95 плакированы сплавом, содержащим 3,5% MgZn2.

Сплав В95 склонен к образованию горячих и холодных тре­щин. Последние наблюдаются только при газовой сварке. Для сварки сплава В95 применяют присадочный материал химического состава: 6% Mg, 3% Zn, 1,5% Cu, 0,2% Mn, 0,2% Ті, 0,25% Cr или 5% Mg, 0,2—1,5% Cu, 10% Zn, 0,2% Mn, 0,2% Ті, 0,25% Cr, остальное Аl. Можно также использовать сплавы, содержащие 3% Mg, 6% Zn, 0,5—1% Ті или 8—10% Mg, остальное Аl.

Отжиг алюминия для разупрочнения алюминиевых сплавов

Отжиг для разупрочнения сплавов (полный отжиг), проводят при 350—430°С с выдержкой 1—2ч. При этих температурах происходит полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз. Скорость охлаждения во избежание закалки не должна превышать 30°С/ч. После отжига сплав имеет низкие значения временного сопротивления, удовлетворительную пластичность и высокую сопротивляемость коррозии под напряжением. Отожженный материал способен выдерживать холодную обработку давлением с высокими степенями деформации.

Алюминий – свойства алюминия, ГОСТы, алюминиевый прокат.

Свойства сплавов металла

Показатель температурного градиента колеблется для соединений металла с другими химическими элементами, определяющими их свойства. Для литейных сплавов, содержащих магний и кремний, он составляет 500 °C.

Температура начала перехода в жидкое состояние называется точкой солидус (твердый), а окончание — ликвидус (жидкий). Соответственно начало кристаллизации будет определяться точкой ликвидус, а окончание — солидус. В температурном интервале соединение находится в переходном состоянии от жидкости к твердой фазе.

Например, соединению алюминия с 12,5% кремния, как и чистому металлу, свойственна точка плавления, а не интервал. Этот сплав относится к литейным и характеризуется постоянной температурой 577 °C.

При увеличении в сплаве количества кремния градиент ликвидус снижается от максимального показателя, свойственного чистому металлу. Среди лигатурных добавок температурный градиент снижает использование магния (450 °C). Для соединения с медью он составляет 548 °C, а с марганцем — всего 658 °C.

Алюминий образует различные сплавы с минералами.

Большинство соединений состоят из нескольких компонентов, что влияет на показатель затвердевания и плавления материала. Понятия температурных градиентов солидус и ликвидус определены для бесконечной длительности процессов равновесных переходов в жидкое и твердое состояние.

На практике учитываются поправки скорости нагревания и охлаждения составов.

Методы отжига алюминиевых листов

Отжиг алюминиевых сплавов не является обязательным к применению. Но в некоторых случаях без этого способа термообработки невозможно достичь желаемых характеристик материала.

Причиной применения отжига может стать особое состояние сплава, которое может выражаться в понижении пластичности материала.

Применение отжига рекомендуется при наблюдении трех типов состояний:

1. Свойственное литым изделиям неравновесное состояние связано с разницей температурных режимов. Скорость охлаждения литых изделий значительно превышает рекомендуемую, при которой достигается эффект равновесной кристаллизации.
2. Пластическая деформация. Такое состояние может быть вызвано технологическими требованиями к характеристикам и форме готового изделия.
3. Неоднородная структура материала, вызванная иными методами термообработки, в том числе закалкой и старением. В таком случае происходит выделение одного из легирующих компонентов в интерметаллидную фазу, сопровождающуюся перенасыщением компонентов.

Вышеуказанные проблемы могут устранятся методом отжига. Нормализация структуры и состояния алюминиевого сплава сопровождается повышением пластичности. В зависимости от типа неравновесного состояния подбираются различные методы отжига.

На сегодняшний день выделяют три режима отжига:

1. Гомогенизация. Предназначен для обработки литых слитков. В процессе термической обработки слитков при высоких температурах достигается равномерная структура. Это позволяет упростить процесс проката с уменьшением количества производственных расходов. В некоторых случаях может применяться для повышения качества деформированных изделий. Температура отжига соблюдается в пределах 500 градусов с последующей выдержкой. Охлаждение можно проводить несколькими способами.
2. Рекристаллизация. Применяется для восстановления деформированных деталей. При этом требуется предварительная обработка прессом. Температура отжига варьируется в диапазоне от 350 до 500 градусов. Время выдержки не превышает 2-х часов. Скорость и способ охлаждения не имеет особых рамок.
3. Гетерогенизация. Дополнительная отжиг после других методов термообработки. Этот метод необходим для разупрочнения алюминиевых сплавов. Данный метод обработки позволяет понизить степень прочность с одновременным повышением уровня пластичности. Отжиг производится примерно при 400 градусах Цельсия. Выдержка обычно составляет 1-2 часа. Этот тип отжига значительно улучшает эксплуатационные характеристики металла и повышают степень сопротивления коррозии.

Что называется термической обработкой металла: основы, общие принципы

В процессе данной технологии кристаллическая решетка болванки преобразуется. Задача – изменить свойства, а не ее конфигурацию и габариты. По завершении заготовка приобретает требуемые по технологии параметры и уникальное строение. Рассмотрим, для чего нужна закалка металла и как она влияет на структуру стали после процедуры:

• • для улучшения технологических характеристик посредством разупрочнения, данный процесс применяют в качестве подготовительной операции или промежуточного этапа;
• • для получения требуемых технических характеристик посредством упрочнения либо приобретения специализированной структуры;
• • для фиксации размера и конфигурации, а также получения новых свойств заготовки.

Все процедуры допускаются только на материалах, в которых температурные превращения выполняются подобным образом. Воздействие температурой применяют с целью производства режущих элементов оснастки, станков, машин и производственного оборудования. Отвечая на вопрос, какие виды стали подвергаются закалке, отметим, что процедура подходит для металлов любых марок, требующих повышения износоустойчивости.

Свойства алюминия

Замечательным свойством алюминия является его легкость; плотность алюминия примерно в три раза меньше, чем у стали, меди или цинка. Чистый алюминий — мягкий металл, но образует сплавы с другими элементами, что обеспечивает большой диапазон полезных свойств. В ряду величин теплопроводности и электрической проводимости алюминий стоит после серебра и меди.

В реакции со щелочами он образует алюминаты, например, с NaOH образует NaAlO2. Алюминий проявляет амфотерные свойства, так как он реагирует и с кислотами, и со щелочами. На воздухе алюминий быстро покрывается прочной защитной пленкой оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления.

Поэтому алюминий стабилен на воздухе и в присутствии влаги даже при умеренном нагревании. Если защитная пленка оксида нарушена, то при нагревании на воздухе или в кислороде он сгорает ярким белым пламенем. При нагревании алюминий активно реагирует с галогенами, серой, углеродом и азотом. Расплавленный алюминий реагирует с водой со взрывом.

СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

• Атомный номер 13
• Атомная масса 26,9815
• Изотопы стабильные 27, нестабильные 24, 25, 26, 28, 29
• Температура плавления, ° С 660
• Температура кипения, ° С 2467
• Плотность, г/см3 2,7
• Твердость (по Моосу) 2,0-2,9
• Содержание в земной коре, % (масс.) 8,13
• Степени окисления +3

Термическая обработка алюминиевых и магниевых сплавов.

Термическая обработка алюминиевых и магниевых сплавов является ответственной операцией технологического процесса. Цель ее – изменить структуру и физико-химические свойства сплавов. Режим термической обработки выбирают в зависимости от сплавов и метода изготовления из них заготовок и деталей.

Термическая обработка деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, основана на том, что с понижением температуры растворимость многих элементов в твердом алюминии уменьшается. При нагреве под закалку алюминиевые сплавы неполностью кристаллизуются. Если сплав перегрет, в результате чего структура получилась с крупным зерном, то такой сплав бракуется. Поэтому термист должен быть внимателен к нагреву деталей из алюминиевых сплавов.

Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы подвергают таким видам термической обработки, как отжиг, закалка, старение.

Отжиг применяют для заготовок с целью придания материалу пластических свойств, необходимых для выполнения операций, которые связаны с обработкой давлением в холодном состоянии. В зависимости от сплава и назначения полуфабрикатов применяют высокий, низкий и полный отжиг.

Высокий отжиг (310-350°С) предназначается для полного разупрочнения (снятия наклепа) материала, происходящего после холодной пластической деформации сплавов А1, АД, AM и др.

Низкий отжиг (150-300°С) также применяют для сплавов А1, АД, AM, но с целью повышения пластичности при сохранении достаточной прочности, полученной нагартовкой.

Полный отжиг (380-450°С) применяют для полуфабрикатов, изготовленных из термически упрочняемых сплавов Д1, Д16, АК6 и т. д., чтобы получить высокую пластичность и снять упрочнение, полученное в результате закалки и старения.

Для снятия эффективности естественного старения и возвращения материала к свежезакаленному состоянию применяют нагрев в течение нескольких секунд или минут при температуре 200-250°С. Такой вид операции называют отжигом на возврат.

Закалка деформируемых алюминиевых сплавов, в основном дюралюминия Д1, Д16 и Д18, состоит только из одной операции – нагрева с охлаждением в воде при температуре 30- 40°С. Температура закалки для Д1 берется равной 495-505°С, для Д16 – 490-500°С, для Д18 – 495-510°С. Выдержка при нагреве устанавливается в зависимости от размеров деталей,

Особенность дюралюминия заключается в том, что он проявляет повышенную восприимчивость к старению при комнатной температуре. Стабилизация свойств происходит примерно через четверо суток. Искусственное старение дюралюминия неблагоприятно сказывается на механических свойствах и коррозийной стойкости.

Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. В отличие от деформируемых литейные алюминиевые сплавы почти все подвергаются термической обработке.

Для отливок из сплавов применяют несколько видов термической обработки.

Виды термической обработки литейных алюминиевых сплавов

Вид термической обработки

Условное обозначение термической обработки

Искусственное старение без предварительной закалки

Для улучшения обрабатываемости резанием литых деталей и повышения механической прочности

Для снятия литейных и термических напряжений, наклепа и повышения пластичности

Для применения деталей в свежезакаленном состоянии

Закалка и естественное старение

Для повышения прочностных свойств

Закалка и кратковременное старение

Для получения достаточно высокой прочности и повышение пластичности

Закалка и полное искусственное старение

Для получения максимальных прочностных свойств

Закалка и стабилизирующий отпуск

Для получения достаточной прочности и стабильной структуры

Закалка и смягчающий отпуск

Для получения повышенной пластичности за счет снижения прочностных свойств

Циклическая обработка (холодом и последующим нагревом)

Для получения деталей с более устойчивым состоянием по геометрии

Наиболее типичные режимы термической обработки отливок из алюминиевых сплавов:

Режимы термической обработки литейных алюминиевых сплавов