Основне врсте термичке обраде алуминијумских легура

Жарење, каљење и старење су основне врсте термичке обраде алуминијумских легура. Жарење је третман омекшавања, чија је сврха да легура буде уједначена и стабилна по саставу и структури, елиминише очвршћавање и врати пластичност легури. Каљење и старење је термичка обрада ојачавања, чија је сврха побољшање чврстоће легуре, и углавном се користи за алуминијумске легуре које се могу ојачати термичком обрадом.

1 Жарење

Према различитим захтевима производње, жарење легура алуминијума се дели на неколико облика: жарење хомогенизацијом ингота, жарење гредица, међужарење и жарење готовог производа.

1.1 Жарење хомогенизацијом ингота

У условима брзе кондензације и неравнотежне кристализације, ингот мора имати неуједначен састав и структуру, а такође и велики унутрашњи напон. Да би се ова ситуација променила и побољшала обрадивост ингота на топло, генерално је потребно хомогенизационо жарење.

Да би се подстакла атомска дифузија, за хомогенизационо жарење треба одабрати вишу температуру, али она не сме прећи еутектичку тачку топљења легуре на ниској тачки топљења. Генерално, температура хомогенизационог жарења је 5~40℃ нижа од тачке топљења, а време жарења је углавном између 12~24 сата.

1.2 Жарење гредица

Жарење гредица односи се на жарење пре прве хладне деформације током обраде под притиском. Циљ је да гредица добије уравнотежену структуру и максималну пластичну деформацију. На пример, температура на крају ваљања топло ваљане плоче од легуре алуминијума је 280~330℃. Након брзог хлађења на собној температури, феномен очвршћавања не може се потпуно елиминисати. Конкретно, код термички обрађених очврснутих легура алуминијума, након брзог хлађења, процес рекристализације није завршен, а презасићени чврсти раствор није потпуно разложен, а део ефекта очвршћавања и каљења је и даље задржан. Тешко је директно хладно ваљати без жарења, па је потребно жарење гредица. За термички необрађене очврснуте легуре алуминијума, као што је LF3, температура жарења је 370~470℃, а хлађење на ваздуху се врши након загревања од 1,5~2,5 сата. Температура жарења и обраде хладно вучених цеви треба да буде одговарајуће виша, а може се одабрати и горња граница температуре. За легуре алуминијума које се могу ојачати термичком обрадом, као што су LY11 и LY12, температура жарења плоче је 390~450℃, држи се на овој температури 1~3 сата, затим се хлади у пећи испод 270℃ брзином не већом од 30℃/х, а затим се хлади на ваздуху ван пећи.

1.3 Међужарење

Међужарење се односи на жарење између процеса хладне деформације, чија је сврха елиминисање очвршћавања како би се олакшао континуирани хладни деформисање. Генерално говорећи, након што је материјал жарен, биће тешко наставити хладну обраду без међужарења након што је подвргнут хладној деформацији од 45~85%.

Процесни систем међужарења је у основи исти као и код жарења гредица. Према захтевима степена хладне деформације, међужарење се може поделити на три типа: потпуно жарење (укупна деформација ε≈60~70%), једноставно жарење (ε≈50%) и благо жарење (ε≈30~40%). Прва два система жарења су иста као и код жарења гредица, а други се загрева на 320~350℃ током 1,5~2 сата, а затим хлади на ваздуху.

1.4. Жарење готовог производа

Жарење готовог производа је завршна термичка обрада која материјалу даје одређена организациона и механичка својства према захтевима техничких услова производа.

Жарење готових производа може се поделити на жарење на високој температури (производња меких производа) и жарење на ниској температури (производња полутврдих производа у различитим стањима). Жарење на високој температури треба да обезбеди потпуну рекристализациону структуру и добру пластичност. Под условом да се осигура да материјал добије добру структуру и перформансе, време задржавања не би требало да буде предуго. За легуре алуминијума које се могу ојачати термичком обрадом, како би се спречио ефекат каљења услед хлађења на ваздуху, брзина хлађења треба строго контролисати.

Жарење на ниским температурама обухвата жарење за ублажавање напона и делимично омекшавање, која се углавном користе за чисти алуминијум и легуре алуминијума ојачане без термичке обраде. Формулисање система за жарење на ниским температурама је веома сложен задатак, који не само да захтева узети у обзир температуру жарења и време задржавања, већ и утицај нечистоћа, степена легирања, хладне деформације, средње температуре жарења и температуре вруће деформације. Да би се формулисао систем за жарење на ниским температурама, потребно је измерити криву промене између температуре жарења и механичких својстава, а затим одредити опсег температуре жарења према индикаторима перформанси наведеним у техничким условима.

2 Каљење

Каљење алуминијумске легуре се назива и третман раствором, што је растварање што већег броја легирајућих елемената у металу као друге фазе у чврстом раствору загревањем на високој температури, након чега следи брзо хлађење како би се спречило таложење друге фазе, чиме се добија презасићени α чврсти раствор на бази алуминијума, који је добро припремљен за следећи третман старењем.

Претпоставка добијања презасићеног α чврстог раствора је да растворљивост друге фазе у легури алуминијума треба значајно да се повећа са повећањем температуре, у супротном се сврха обраде чврстим раствором не може постићи. Већина легирајућих елемената у алуминијуму може формирати еутектички фазни дијаграм са овом карактеристиком. Узимајући Al-Cu легуру као пример, еутектичка температура је 548℃, а растворљивост бакра у алуминијуму на собној температури је мања од 0,1%. Када се загреје на 548℃, његова растворљивост се повећава на 5,6%. Стога, Al-Cu легуре које садрже мање од 5,6% бакра улазе у α једнофазну област након што температура загревања пређе своју линију раствора, односно, друга фаза CuAl2 је потпуно растворена у матрици, а након каљења се може добити један презасићени α чврсти раствор.

Каљење је најважнија и најзахтевнија операција термичке обраде алуминијумских легура. Кључ је у избору одговарајуће температуре загревања при каљењу и обезбеђивању довољне брзине хлађења при каљењу, као и у строгој контроли температуре пећи и смањењу деформације при каљењу.

Принцип избора температуре каљења је повећање температуре загревања при каљењу колико год је то могуће, уз осигуравање да легура алуминијума не прегори или да зрна не нарасту прекомерно, како би се повећала презасићеност α чврстог раствора и чврстоћа након третмана старењем. Генерално, пећ за загревање легуре алуминијума захтева тачност контроле температуре пећи унутар ±3℃, а ваздух у пећи је приморан да циркулише како би се осигурала уједначеност температуре пећи.

Прегоревање легуре алуминијума је узроковано делимичним топљењем компоненти са ниском тачком топљења унутар метала, као што су бинарни или вишеелементни еутектици. Прегоревање не само да узрокује смањење механичких својстава, већ има и озбиљан утицај на отпорност легуре на корозију. Стога, када се легура алуминијума једном прегоре, не може се елиминисати и производ од легуре треба одбацити. Стварна температура прегоревања легуре алуминијума углавном је одређена саставом легуре и садржајем нечистоћа, а такође је повезана и са стањем обраде легуре. Температура прегоревања производа који су прошли обраду пластичне деформације је виша него код одливака. Што је већа обрада деформацијом, лакше је да се неравнотежне компоненте са ниском тачком топљења растварају у матрици када се загревају, па се стварна температура прегоревања повећава.

Брзина хлађења током каљења легуре алуминијума има значајан утицај на способност ојачавања старењем и отпорност легуре на корозију. Током процеса каљења LY12 и LC4, неопходно је осигурати да се α чврсти раствор не разложи, посебно у температурно осетљивом подручју од 290~420℃, и потребна је довољно велика брзина хлађења. Обично се прописује да брзина хлађења треба да буде изнад 50℃/s, а за легуру LC4 треба да достигне или пређе 170℃/s.

Најчешће коришћени медијум за каљење легура алуминијума је вода. Производна пракса показује да што је већа брзина хлађења током каљења, већи је заостали напон и заостала деформација каљеног материјала или радног предмета. Стога, за мале радне предмете једноставног облика, температура воде може бити нешто нижа, генерално 10~30℃, и не би требало да пређе 40℃. За радне предмете сложеног облика и велике разлике у дебљини зида, како би се смањиле деформације и пуцање при каљењу, температура воде понекад може бити повећана на 80℃. Међутим, мора се истаћи да са повећањем температуре воде у резервоару за каљење, чврстоћа и отпорност материјала на корозију такође се сходно томе смањују.

3. Старење

3.1 Организациона трансформација и промене учинка током старења

Презасићени α чврсти раствор добијен каљењем има нестабилну структуру. Када се загреје, он ће се разложити и трансформисати у равнотежну структуру. Узимајући легуру Al-4Cu као пример, њена равнотежна структура треба да буде α+CuAl2 (θ фаза). Када се једнофазни презасићени α чврсти раствор након каљења загрева ради старења, ако је температура довољно висока, θ фаза ће се директно исталожити. У супротном, то ће се вршити у фазама, односно након неких међуфаза прелаза, може се достићи коначна равнотежна фаза CuAl2. Слика испод илуструје карактеристике кристалне структуре сваке фазе таложења током процеса старења легуре Al-Cu. Слика а. приказује структуру кристалне решетке у каљеном стању. У овом тренутку, то је једнофазни α презасићени чврсти раствор, а атоми бакра (црне тачке) су равномерно и насумично распоређени у матричној решетки алуминијума (беле тачке). Слика б. приказује структуру решетке у раној фази таложења. Атоми бакра почињу да се концентришу у одређеним областима матричног решетка и формирају Гиније-Престонову област, названу ГП област. ГП зона је изузетно мала и у облику диска, пречника око 5~10μm и дебљине 0,4~0,6nm. Број ГП зона у матрици је изузетно велики, а густина расподеле може достићи 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Кристална структура ГП зоне је и даље иста као и матрица, обе су кубне по површини центриране, и одржава кохерентну интерфејс са матрицом. Међутим, пошто је величина атома бакра мања од величине атома алуминијума, обогаћивање атомима бакра ће узроковати скупљање кристалне решетке у близини региона, што доводи до изобличења решетке.

Шематски дијаграм промена кристалне структуре Al-Cu легуре током старења

Слика а. Угашено стање, једнофазни α чврсти раствор, атоми бакра (црне тачке) су равномерно распоређени;

Слика б. У раној фази старења формира се ГП зона;

Слика ц. У касној фази старења формира се полукохерентна прелазна фаза;

Слика д. Старење на високој температури, таложење некохерентне равнотежне фазе

ГП зона је први производ пре таложења који се појављује током процеса старења алуминијумских легура. Продужавање времена старења, посебно повећање температуре старења, такође ће формирати друге међуфазе прелаза. У легури Al-4Cu, постоје фазе θ” и θ' након ГП зоне, и коначно се достиже равнотежна фаза CuAl2. θ” и θ' су обе прелазне фазе θ фазе, а кристална структура је квадратна решетка, али је константа решетке другачија. Величина θ је већа од величине ГП зоне, и даље је у облику диска, пречника од око 15~40nm и дебљине од 0,8~2,0nm. Она и даље одржава кохерентну интерфејс са матрицом, али је степен дисторзије решетке интензивнији. При преласку из θ” у θ' фазу, величина је порасла на 20~600nm, дебљина је 10~15nm, а кохерентна површина је такође делимично уништена, постајући полукохерентна површина, као што је приказано на слици c. Коначни производ таложења услед старења је равнотежна фаза θ (CuAl2), у ком тренутку је кохерентна површина потпуно уништена и постаје некохерентна површина, као што је приказано на слици d.

Према горе наведеној ситуацији, редослед старења Al-Cu легуре је αs→α+GP зона→α+θ”→α+θ'→α+θ. Фаза старења структуре зависи од састава легуре и спецификације старења. Често постоји више од једног производа старења у истом стању. Што је виша температура старења, то је структура ближа равнотежној структури.

Током процеса старења, ГП зона и прелазна фаза које се исталоже из матрице су мале величине, високо дисперговане и не деформишу се лако. Истовремено, оне изазивају изобличење решетке у матрици и формирају поље напона, што значајно омета кретање дислокација, чиме се повећава отпорност легуре на пластичну деформацију и побољшава њена чврстоћа и тврдоћа. Овај феномен очвршћавања старењем назива се очвршћавање таложењем. Слика испод илуструје промену тврдоће легуре Al-4Cu током каљења и обраде старењем у облику криве. Фаза I на слици представља тврдоћу легуре у њеном оригиналном стању. Због различитих историја вруће обраде, тврдоћа оригиналног стања ће варирати, генерално HV=30~80. Након загревања на 500℃ и каљења (фаза II), сви атоми бакра се растварају у матрици и формирају једнофазни презасићени α чврсти раствор са HV=60, што је двоструко тврђе од тврдоће у жареном стању (HV=30). Ово је резултат очвршћавања чврстог раствора. Након каљења, ставља се на собну температуру, а тврдоћа легуре се континуирано повећава због континуираног формирања ГП зона (фаза III). Овај процес очвршћавања старењем на собној температури назива се природно старење.

I—првобитно стање;

II—чврсто растворено стање;

III—природно старење (GP зона);

IVa - регресиони третман на 150~200℃ (поново растворено у GP зони);

IVb—вештачко старење (θ”+θ' фаза);

V—престарење (θ”+θ' фаза)

У фази IV, легура се загрева на 150°C ради старења, а ефекат очвршћавања је очигледнији него код природног старења. У овом тренутку, производ таложења је углавном θ” фаза, која има највећи ефекат очвршћавања код Al-Cu легура. Ако се температура старења додатно повећа, фаза таложења прелази из θ” фазе у θ' фазу, ефекат очвршћавања слаби, а тврдоћа се смањује, улазећи у фазу V. Сваки третман старења који захтева вештачко загревање назива се вештачко старење, а фазе IV и V припадају овој категорији. Ако тврдоћа достигне максималну вредност тврдоће коју легура може да достигне након старења (тј. фаза IVb), ово старење се назива вршно старење. Ако се вршна вредност тврдоће не достигне, то се назива недовољно старење или непотпуно вештачко старење. Ако се вршна вредност пређе и тврдоћа се смањи, то се назива прекомерно старење. Третман стабилизационог старења такође спада у прекомерно старење. GP зона формирана током природног старења је веома нестабилна. Када се брзо загреје на вишу температуру, као што је око 200°C, и држи топлом кратко време, ГП зона ће се растворити назад у α чврсти раствор. Ако се брзо охлади (угаси) пре других прелазних фаза као што су θ” или θ' талог, легура се може вратити у своје првобитно стање каљења. Овај феномен се назива „регресија“, што је пад тврдоће назначен испрекиданом линијом у фази IVa на слици. Легура алуминијума која је подвргнута регресији и даље има исту способност очвршћавања старењем.

Очвршћивање старењем је основа за развој легура алуминијума које се могу термички обрадити, а његова способност очвршћавања старењем је директно повезана са саставом легуре и системом термичке обраде. Бинарне легуре Al-Si и Al-Mn немају ефекат таложног очвршћавања јер се равнотежна фаза директно таложи током процеса старења и нису легуре алуминијума које се могу термички обрадити. Иако легуре Al-Mg могу формирати ГП зоне и прелазне фазе β', оне имају одређену способност таложног очвршћавања само код легура са високим садржајем магнезијума. Легуре Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si и Al-Zn-Mg-Cu имају јаку способност таложног очвршћавања у својим ГП зонама и прелазним фазама и тренутно су главни системи легура који се могу термички обрадити и ојачати.

3.2 Природно старење

Генерално, легуре алуминијума које се могу ојачати термичком обрадом имају природни ефекат старења након каљења. Природно ојачавање старењем узроковано је ГП зоном. Природно старење се широко користи код легура Al-Cu и Al-Cu-Mg. Природно старење легура Al-Zn-Mg-Cu траје предуго и често је потребно неколико месеци да се достигне стабилна фаза, па се систем природног старења не користи.

У поређењу са вештачким старењем, након природног старења, граница течења легуре је нижа, али су пластичност и жилавост боље, а отпорност на корозију је већа. Ситуација са супертврдим алуминијумом система Al-Zn-Mg-Cu је мало другачија. Отпорност на корозију након вештачког старења је често боља него након природног старења.

3.3 Вештачко старење

Након третмана вештачким старењем, легуре алуминијума често могу постићи највећу границу течења (углавном ојачавање у прелазној фази) и бољу организациону стабилност. Супертврди алуминијум, ковани алуминијум и ливени алуминијум се углавном вештачки старе. Температура старења и време старења имају важан утицај на својства легуре. Температура старења је углавном између 120~190℃, а време старења не прелази 24 сата.

Поред једностепеног вештачког старења, легуре алуминијума могу да усвоје и систем постепеног вештачког старења. То јест, загревање се врши два или више пута на различитим температурама. На пример, легура LC4 може да се старе на 115~125℃ током 2~4 сата, а затим на 160~170℃ током 3~5 сати. Постепено старење не само да може значајно скратити време, већ и побољшати микроструктуру легура Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, и значајно побољшати отпорност на корозију под напоном, чврстоћу на замор и жилавост на лом, а да притом у основи не смањи механичка својства.