Pagrindiniai aliuminio lydinių terminio apdorojimo tipai

Atkaitinimas, grūdinimas ir sendinimas yra pagrindiniai aliuminio lydinių terminio apdorojimo tipai. Atkaitinimas yra minkštinimo procesas, kurio tikslas – padaryti lydinį vienodą ir stabilų sudėties bei struktūros atžvilgiu, pašalinti grūdinimą deformacijos metu ir atkurti lydinio plastiškumą. Grūdinimas ir sendinimas yra stiprinamasis terminis apdorojimas, kurio tikslas – pagerinti lydinio stiprumą ir daugiausia naudojamas aliuminio lydiniams, kuriuos galima sustiprinti terminiu apdorojimu.

1 Atkaitinimas

Pagal skirtingus gamybos reikalavimus aliuminio lydinių atkaitinimas skirstomas į kelias formas: luitų homogenizavimo atkaitinimą, ruošinių atkaitinimą, tarpinį atkaitinimą ir gatavo produkto atkaitinimą.

1.1 Luitų homogenizavimo atkaitinimas

Greitos kondensacijos ir nesubalansuotos kristalizacijos sąlygomis luitas turi turėti nevienodą sudėtį ir struktūrą, taip pat didelį vidinį įtempį. Norint pakeisti šią situaciją ir pagerinti luito karštojo apdorojamumo savybes, paprastai reikia homogenizavimo atkaitinimo.

Siekiant skatinti atominę difuziją, homogenizavimo atkaitinimui reikia pasirinkti aukštesnę temperatūrą, tačiau ji neturi viršyti lydinio žemos lydymosi temperatūros eutektinio lydymosi taško. Paprastai homogenizavimo atkaitinimo temperatūra yra 5–40 ℃ žemesnė už lydymosi temperatūrą, o atkaitinimo laikas dažniausiai yra 12–24 val.

1.2 Ruošinio atkaitinimas

Ruošinio atkaitinimas reiškia atkaitinimą prieš pirmąją šaltąją deformaciją slėginio apdorojimo metu. Tikslas – suteikti ruošiniui subalansuotą struktūrą ir maksimalią plastinės deformacijos galią. Pavyzdžiui, karšto valcavimo aliuminio lydinio plokštės valcavimo pabaigos temperatūra yra 280–330 ℃. Po greito aušinimo kambario temperatūroje deformacinio sukietėjimo reiškinio negalima visiškai pašalinti. Visų pirma, termiškai apdorotiems sustiprintiems aliuminio lydiniams po greito aušinimo rekristalizacijos procesas nesibaigia, o persotintas kietasis tirpalas nėra visiškai suskaidytas, o dalis deformacinio sukietėjimo ir gesinimo efekto išlieka. Sunku tiesiogiai šaltai valcuoti be atkaitinimo, todėl reikia atkaitinti ruošinį. Netermiškai apdorotiems sustiprintiems aliuminio lydiniams, tokiems kaip LF3, atkaitinimo temperatūra yra 370–470 ℃, o orinis aušinimas atliekamas po 1,5–2,5 valandos palaikymo šiltoje būsenoje. Šaltai temptų vamzdžių apdirbimui naudojama ruošinio ir atkaitinimo temperatūra turėtų būti atitinkamai aukštesnė, o viršutinę ribinę temperatūrą galima pasirinkti. Aliuminio lydiniams, kuriuos galima sustiprinti terminiu apdorojimu, pvz., LY11 ir LY12, ruošinių atkaitinimo temperatūra yra 390–450 ℃, ši temperatūra laikoma 1–3 valandas, po to krosnyje aušinamas iki žemesnės nei 270 ℃ temperatūros ne didesniu kaip 30 ℃/h greičiu ir tada ištraukiamas iš krosnies oru.

1.3 Tarpinis atkaitinimas

Tarpinis atkaitinimas reiškia atkaitinimą tarp šaltosios deformacijos procesų, kurio tikslas – pašalinti grūdinimą, kad būtų lengviau tęsti šaltąją deformaciją. Apskritai, atkaitinus medžiagą, po 45–85 % šaltosios deformacijos, bus sunku tęsti šaltąjį apdirbimą be tarpinio atkaitinimo.

Tarpinio atkaitinimo proceso sistema iš esmės yra tokia pati kaip ruošinių atkaitinimo. Pagal šaltosios deformacijos laipsnio reikalavimus tarpinį atkaitinimą galima suskirstyti į tris tipus: visišką atkaitinimą (bendra deformacija ε≈60–70 %), paprastą atkaitinimą (ε≤50 %) ir lengvą atkaitinimą (ε≈30–40 %). Pirmosios dvi atkaitinimo sistemos yra tokios pačios kaip ir ruošinių atkaitinimo, pastaroji kaitinama 320–350 ℃ temperatūroje 1,5–2 val., o po to aušinama oru.

1.4. Gatavo produkto atkaitinimas

Gatavo gaminio atkaitinimas yra galutinis terminis apdorojimas, kurio metu medžiaga įgyja tam tikras organizacines ir mechanines savybes pagal gaminio techninių sąlygų reikalavimus.

Gatavo produkto atkaitinimą galima suskirstyti į aukštos temperatūros atkaitinimą (minkštų gaminių gamyba) ir žemos temperatūros atkaitinimą (įvairių būsenų pusiau kietų gaminių gamyba). Aukštos temperatūros atkaitinimas turėtų užtikrinti visišką rekristalizacijos struktūrą ir gerą plastiškumą. Norint užtikrinti gerą medžiagos struktūrą ir eksploatacines savybes, laikymo laikas neturėtų būti per ilgas. Aliuminio lydiniams, kuriuos galima sustiprinti terminiu apdorojimu, siekiant išvengti oro aušinimo gesinimo efekto, aušinimo greitis turėtų būti griežtai kontroliuojamas.

Žemos temperatūros atkaitinimas apima įtempių mažinimo atkaitinimą ir dalinį minkštinimo atkaitinimą, kurie daugiausia naudojami grynam aliuminiui ir termiškai neapdorotiems sustiprintiems aliuminio lydiniams. Žemos temperatūros atkaitinimo sistemos suformavimas yra labai sudėtinga užduotis, kuriai reikia atsižvelgti ne tik į atkaitinimo temperatūrą ir laikymo laiką, bet ir į priemaišų, legiravimo laipsnio, šaltosios deformacijos, tarpinės atkaitinimo temperatūros ir karštosios deformacijos temperatūros įtaką. Norint suformuluoti žemos temperatūros atkaitinimo sistemą, būtina išmatuoti atkaitinimo temperatūros ir mechaninių savybių kitimo kreivę, o tada nustatyti atkaitinimo temperatūros diapazoną pagal techninėse sąlygose nurodytus našumo rodiklius.

2. Grūdinimas

Aliuminio lydinio gesinimas dar vadinamas tirpalo apdorojimu, kurio metu kuo daugiau metalo legiruojančių elementų ištirpinama kietajame tirpale kaip antroji fazė kaitinant aukštoje temperatūroje, o po to greitai aušinant, kad būtų slopinamas antrosios fazės nusėdimas, taip gaunant persotintą aliuminio pagrindo α kietąjį tirpalą, kuris yra gerai paruoštas kitam sendinimo apdorojimui.

Persotinto α fazės kietojo tirpalo gavimo prielaida yra ta, kad antrosios fazės tirpumas aliuminio lydinyje turėtų žymiai padidėti didėjant temperatūrai, kitaip kietojo tirpalo apdorojimo tikslas nebus pasiektas. Dauguma aliuminio legiruojančių elementų gali sudaryti eutektinę fazinę diagramą su šia charakteristika. Pavyzdžiui, Al-Cu lydinio eutektinė temperatūra yra 548 ℃, o vario tirpumas aliuminyje kambario temperatūroje yra mažesnis nei 0,1 %. Kaitinant iki 548 ℃, jo tirpumas padidėja iki 5,6 %. Todėl Al-Cu lydiniai, kuriuose yra mažiau nei 5,6 % vario, patenka į α vienfazės sritį, kai kaitinimo temperatūra viršija jo tirpimo liniją, t. y. antroji fazė CuAl2 visiškai ištirpsta matricoje, o po atgesinimo galima gauti vieną persotintą α kietąjį tirpalą.

Grūdinimas yra svarbiausia ir sudėtingiausia aliuminio lydinių terminio apdorojimo operacija. Svarbiausia yra pasirinkti tinkamą gesinimo kaitinimo temperatūrą ir užtikrinti pakankamą gesinimo aušinimo greitį, griežtai kontroliuoti krosnies temperatūrą ir sumažinti gesinimo deformaciją.

Grūdinimo temperatūros parinkimo principas – kuo labiau padidinti gesinimo kaitinimo temperatūrą, užtikrinant, kad aliuminio lydinys neperdegtų ir grūdeliai per daug neaugtų, taip padidinant α kietojo tirpalo persotinimą ir stiprumą po sendinimo apdorojimo. Paprastai aliuminio lydinio kaitinimo krosnies temperatūros reguliavimo tikslumas turi būti ±3 ℃, o oras krosnyje yra priverstas cirkuliuoti, kad būtų užtikrintas vienodas krosnies temperatūros lygis.

Aliuminio lydinio perdegimas atsiranda dėl dalinio žemos lydymosi temperatūros komponentų, tokių kaip dvejetainiai arba daugiaelementiai eutektai, išsilydymo metalo viduje. Perdegimas ne tik sumažina mechanines savybes, bet ir daro didelę įtaką lydinio atsparumui korozijai. Todėl, kai aliuminio lydinys perdeginamas, jo nebegalima pašalinti, o lydinio gaminys turi būti utilizuotas. Tikroji aliuminio lydinio perdegimo temperatūra daugiausia priklauso nuo lydinio sudėties ir priemaišų kiekio, taip pat nuo lydinio apdorojimo būsenos. Plastiškai deformuotų gaminių perdegimo temperatūra yra aukštesnė nei liejinių. Kuo didesnis deformacijos apdorojimas, tuo lengviau nepusiausvyriniai žemos lydymosi temperatūros komponentai kaitinant ištirpsta matricoje, todėl tikroji perdegimo temperatūra didėja.

Aliuminio lydinio aušinimo greitis grūdinimo metu daro didelę įtaką lydinio atsparumui senėjimui ir korozijai. LY12 ir LC4 grūdinimo proceso metu būtina užtikrinti, kad α kietasis tirpalas nesuirtų, ypač jautrioje temperatūrai srityje nuo 290 iki 420 ℃, todėl reikalingas pakankamai didelis aušinimo greitis. Paprastai aušinimo greitis turi būti didesnis nei 50 ℃/s, o LC4 lydinio atveju – 170 ℃/s arba didesnis.

Dažniausiai aliuminio lydinių gesinimo terpė yra vanduo. Gamybos praktika rodo, kad kuo didesnis aušinimo greitis gesinimo metu, tuo didesnis liekamasis įtempis ir liekamoji deformacija gesinamoje medžiagoje ar ruošinyje. Todėl mažiems, paprastų formų ruošiniams vandens temperatūra gali būti šiek tiek žemesnė, paprastai 10–30 ℃, ir neturėtų viršyti 40 ℃. Sudėtingų formų ir didelių sienelių storio skirtumų ruošiniams vandens temperatūra kartais gali būti padidinta iki 80 ℃, siekiant sumažinti gesinimo deformaciją ir įtrūkimus. Tačiau reikia pažymėti, kad didėjant gesinimo bako vandens temperatūrai, atitinkamai mažėja ir medžiagos stiprumas bei atsparumas korozijai.

3. Senėjimas

3.1 Organizacijos transformacija ir veiklos pokyčiai senėjimo metu

Grūdinimo būdu gautas persotintas α kietasis tirpalas yra nestabili struktūra. Kaitinamas jis suskyla ir virsta pusiausvyros struktūra. Pavyzdžiui, Al-4Cu lydinys turėtų būti pusiausvyros struktūra α+CuAl2 (θ fazė). Kai vienfazis persotintas α kietasis tirpalas po grūdinimo kaitinamas sendinimui, jei temperatūra yra pakankamai aukšta, θ fazė iš karto nusodins. Priešingu atveju, procesas vyks etapais, t. y. po kelių tarpinių pereinamųjų etapų galima pasiekti galutinę pusiausvyros fazę CuAl2. Žemiau pateiktame paveikslėlyje pavaizduotos kiekvieno nusodinimo etapo kristalinės struktūros charakteristikos Al-Cu lydinio sendinimo proceso metu. A paveiksle pavaizduota kristalinės gardelės struktūra grūdinto produkto būsenoje. Šiuo metu tai yra vienfazis α persotintas kietasis tirpalas, o vario atomai (juodi taškai) yra tolygiai ir atsitiktinai pasiskirstę aliuminio (balti taškai) matricos gardelėje. B paveiksle pavaizduota gardelės struktūra ankstyvoje nusodinimo stadijoje. Vario atomai pradeda koncentruotis tam tikrose matricos gardelės vietose, sudarydami Guinier-Preston sritį, vadinamą GP sritimi. GP zona yra itin maža ir disko formos, jos skersmuo yra apie 5–10 μm, o storis – 0,4–0,6 nm. GP zonų skaičius matricoje yra itin didelis, o pasiskirstymo tankis gali siekti 10¹⁷–10¹⁸cm⁳. GP zonos kristalinė struktūra išlieka tokia pati kaip ir matricos, abi yra centruotos kubinės plokštumos ir palaiko koherentinę sąsają su matrica. Tačiau kadangi vario atomų dydis yra mažesnis nei aliuminio atomų, vario atomų sodrinimas sukels kristalinės gardelės susitraukimą šalia šios srities, o tai sukels gardelės iškraipymą.

Al-Cu lydinio kristalinės struktūros pokyčių senėjimo metu schema

a pav. Užgesinta būsena, vienfazis α kietasis tirpalas, vario atomai (juodi taškai) pasiskirstę tolygiai;

b pav. Ankstyvoje senėjimo stadijoje susidaro GP zona;

c pav. Vėlyvajame senėjimo etape susidaro pusiau koherentinė pereinamoji fazė;

D pav. Senėjimas aukštoje temperatūroje, nekoherentinės pusiausvyros fazės nusėdimas

GP zona yra pirmasis produktas prieš nusodinimą, atsirandantis aliuminio lydinių senėjimo proceso metu. Ilginant senėjimo laiką, ypač didinant senėjimo temperatūrą, susidaro ir kitos tarpinės pereinamosios fazės. Al-4Cu lydinyje po GP zonos yra θ” ir θ' fazės, o galiausiai pasiekiama pusiausvyros fazė CuAl2. θ” ir θ' yra abi θ fazės pereinamosios fazės, o kristalinė struktūra yra kvadratinė gardelė, tačiau gardelės konstanta yra kitokia. θ dydis yra didesnis nei GP zonos, vis dar disko formos, jos skersmuo yra apie 15–40 nm, o storis – 0,8–2,0 nm. Ji ir toliau išlaiko koherentinę sąsają su matrica, tačiau gardelės iškraipymo laipsnis yra intensyvesnis. Pereinant iš θ” į θ' fazę, dydis išaugo iki 20–600 nm, storis – 10–15 nm, o koherentinė sąsaja taip pat iš dalies suyra ir tampa pusiau koherentine sąsaja, kaip parodyta c paveiksle. Galutinis senėjimo metu susidarančių nuosėdų produktas yra pusiausvyros fazė θ (CuAl2), kurios metu koherentinė sąsaja visiškai suyra ir tampa nekoherentine sąsaja, kaip parodyta d paveiksle.

Pagal aukščiau pateiktą situaciją, Al-Cu lydinio senėjimo nusodinimo tvarka yra αs→α+GP zona→α+θ”→α+θ'→α+θ. Senėjimo struktūros etapas priklauso nuo lydinio sudėties ir senėjimo specifikacijos. Dažnai toje pačioje būsenoje yra daugiau nei vienas senėjimo produktas. Kuo aukštesnė senėjimo temperatūra, tuo arčiau pusiausvyros struktūros.

Senėjimo proceso metu iš matricos nusodinta GP zona ir pereinamoji fazė yra mažo dydžio, labai disperguotos ir sunkiai deformuojamos. Tuo pačiu metu jos sukelia matricos gardelės iškraipymą ir sudaro įtempių lauką, kuris labai trukdo dislokacijų judėjimui, taip padidindamas lydinio atsparumą plastinei deformacijai ir pagerindamas jo stiprumą bei kietumą. Šis senėjimo grūdinimo reiškinys vadinamas nusodinimo grūdinimu. Žemiau pateiktame paveikslėlyje kreivės pavidalu pavaizduotas Al-4Cu lydinio kietumo pokytis grūdinimo ir sendinimo apdorojimo metu. I etapas paveiksle rodo lydinio kietumą pradinėje būsenoje. Dėl skirtingos karštojo apdirbimo istorijos pradinės būsenos kietumas kinta, paprastai HV = 30–80. Po kaitinimo 500 ℃ temperatūroje ir grūdinimo (II etapas) visi vario atomai ištirpsta matricoje ir sudaro vienfazį persotintą α kietąjį tirpalą, kurio HV = 60, kuris yra dvigubai kietesnis nei atkaitintos būsenos kietumas (HV = 30). Tai yra kietojo tirpalo stiprinimo rezultatas. Po grūdinimo jis laikomas kambario temperatūroje, o lydinio kietumas nuolat didėja dėl nuolatinio GP zonų susidarymo (III etapas). Šis sendinimo grūdinimo procesas kambario temperatūroje vadinamas natūraliu senėjimu.

Aš – pirminė būsena;

II – kieto tirpalo būsena;

III – natūralus senėjimas (GP zona);

IVa – regresinis apdorojimas 150–200 ℃ temperatūroje (iš naujo ištirpinta GP zonoje);

IVb – dirbtinis senėjimas (θ”+θ' fazė);

V – perteklinis senėjimas (θ”+θ' fazė)

IV etape lydinys sendinimui kaitinamas iki 150 °C, o grūdinimo efektas yra akivaizdesnis nei natūralaus senėjimo. Šiuo metu iškritimo produktas daugiausia yra θ“ fazė, kuri Al-Cu lydiniuose turi didžiausią stiprinimo efektą. Jei senėjimo temperatūra dar labiau padidinama, iškritimo fazė pereina iš θ“ fazės į θ' fazę, grūdinimo efektas silpnėja, o kietumas mažėja, pereinant į V etapą. Bet koks sendinimo apdorojimas, kuriam reikalingas dirbtinis kaitinimas, vadinamas dirbtiniu senėjimu, o IV ir V etapai priklauso šiai kategorijai. Jei kietumas pasiekia maksimalią kietumo vertę, kurią lydinys gali pasiekti po sendinimo (t. y. IVb etapas), šis senėjimas vadinamas piko senėjimu. Jei piko kietumo vertė nepasiekiama, tai vadinama nepakankamu senėjimu arba nepilnu dirbtiniu senėjimu. Jei piko vertė peržengiama ir kietumas sumažėja, tai vadinama per dideliu senėjimu. Stabilizuojantis sendinimo apdorojimas taip pat priklauso per dideliam senėjimui. Natūralaus senėjimo metu susidariusi GP zona yra labai nestabili. Greitai įkaitinus iki aukštesnės temperatūros, pavyzdžiui, apie 200 °C, ir trumpą laiką palaikius šiltą, GP zona vėl ištirpsta į α kietąjį tirpalą. Jei ji greitai atvėsinama (užgesinama) prieš iškritant kitoms pereinamosioms fazėms, tokioms kaip θ” arba θ', lydinį galima atkurti į pradinę užgesinimo būseną. Šis reiškinys vadinamas „regresija“, tai yra kietumo sumažėjimas, paveiksle IVa etape pažymėtas punktyrine linija. Regresuota aliuminio lydinio senėjimo metu grūdinimo savybė išlieka tokia pati.

Sendinimo grūdinimas yra termiškai apdorojamų aliuminio lydinių kūrimo pagrindas, o jo gebėjimas grūdinti sendinant yra tiesiogiai susijęs su lydinio sudėtimi ir terminio apdorojimo sistema. Al-Si ir Al-Mn dvejetainiai lydiniai neturi nusodinimo efekto, nes pusiausvyros fazė tiesiogiai nusodinama sendinimo proceso metu, ir yra termiškai neapdorojami aliuminio lydiniai. Nors Al-Mg lydiniai gali sudaryti GP zonas ir pereinamąsias fazes β', jie turi tam tikrą nusodinimo grūdinimo gebėjimą tik didelio magnio kiekio lydiniuose. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si ir Al-Zn-Mg-Cu lydiniai pasižymi stipriu nusodinimo grūdinimo gebėjimu savo GP zonose ir pereinamosiose fazėse, ir šiuo metu yra pagrindinės lydinių sistemos, kurias galima termiškai apdoroti ir sustiprinti.

3.2 Natūralus senėjimas

Paprastai aliuminio lydiniai, kuriuos galima sustiprinti terminiu apdorojimu, po grūdinimo pasižymi natūraliu senėjimu. Natūralaus senėjimo stiprinimą sukelia GP zona. Natūralus senėjimas plačiai naudojamas Al-Cu ir Al-Cu-Mg lydiniuose. Al-Zn-Mg-Cu lydinių natūralus senėjimas trunka per ilgai ir dažnai prireikia kelių mėnesių, kad būtų pasiekta stabili būsena, todėl natūralaus senėjimo sistema nenaudojama.

Palyginti su dirbtiniu sendinimu, po natūralaus sendinimo lydinio takumo riba yra mažesnė, tačiau plastiškumas ir tvirtumas yra geresni, o atsparumas korozijai – didesnis. Al-Zn-Mg-Cu sistemos itin kieto aliuminio situacija šiek tiek skiriasi. Atsparumas korozijai po dirbtinio sendinimo dažnai yra geresnis nei po natūralaus sendinimo.

3.3 Dirbtinis senėjimas

Po dirbtinio sendinimo aliuminio lydiniai dažnai gali pasiekti didžiausią takumo ribą (daugiausia pereinamosios fazės stiprinimą) ir geresnį organizacinį stabilumą. Ypač kietas aliuminis, kaltas aliuminis ir liejamas aliuminis dažniausiai sendinami dirbtinai. Sendinimo temperatūra ir laikas turi didelę įtaką lydinio savybėms. Sendinimo temperatūra dažniausiai yra nuo 120 iki 190 ℃, o sendinimo laikas neviršija 24 valandų.

Be vieno etapo dirbtinio sendinimo, aliuminio lydiniai taip pat gali būti apdorojami laipsniškai. Tai reiškia, kad kaitinimas atliekamas du ar daugiau kartų skirtingose ​​temperatūrose. Pavyzdžiui, LC4 lydinys gali būti sendinamas 115–125 ℃ temperatūroje 2–4 valandas, o po to 160–170 ℃ temperatūroje 3–5 valandas. Laipsniškas sendinimas gali ne tik žymiai sutrumpinti laiką, bet ir pagerinti Al-Zn-Mg ir Al-Zn-Mg-Cu lydinių mikrostruktūrą, taip pat žymiai pagerinti atsparumą įtempių korozijai, nuovargio stiprumą ir lūžio stiprumą, iš esmės nesumažinant mechaninių savybių.