Термообработка алюминиевых сплавов

Алюминий относится к металлам, в которых отсутствует полиморфное превращение и поэтому основным фазовым превращением, происходящем при термообработке является растворение избыточных вторичных фаз в процессе нагрева и их выделение в процессе охлаждения. Поэтому для алюминиевых сплавов применяют все виды термообработки без полиморфных превращений, (отжиги, закалка без полиморфного превращения и старение).

Алюминиевые сплавы подвергают трем основным видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. Основными видами отжига являются: диффузионный (гомогенизация), рекристаллизационный и отжиг термически упрочненных сплавов.

Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микро неоднородности зерен твердого раствора за счет диффузии, т.е. уменьшения дендритной ликвации в слитках. Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура (близкая к температуре линии солидуса) и продолжительная выдержка. Поэтому для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы (слитки) нагревают до 450-520°С и выдерживают при этой температуре от 4 до 40 ч. После выдержки - охлаждение вместе с печью или на воздухе. В результате гомогенизации структура становится более однородной (гомогенной), повышается пластичность, что значительно облегчает последующую деформацию слитка горячей обработкой давлением. Поэтому гомогенизацию широко применяют для деформируемых алюминиевых сплавов.

Для алюминия и алюминиевых сплавов (а также для других цветных металлов и сплавов) рекристаллизационный отжиг применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, алюминий, а также многие сплавы на его основе, не упрочняются закалкой и повышение их механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке (для восстановления пластичности) является рекристаллизационный отжиг. Кроме того, сплавы, упрочняемые закалкой, часто подвергают холодной обработке давлением с последующим рекристаллизационным отжигом для придания требуемых свойств. Температура рекристаллизационного отжига алюминиевых сплавов 300-500°С, выдержка 0,5-2 ч.

Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, полученного в результате закалки и старения; он проводится при температурах 350-450°С с выдержкой 1-2 ч и последующим достаточно медленным охлаждением (со скоростью не более 30°С/ч), чтобы обеспечить протекание диффузионных процессов распада твердого раствора и коагуляцию продуктов распада.

Закалка алюминиевых сплавов позволяет получить высокую прочность в сочетании с достаточной вязкостью и пластичностью. Для алюминиевых сплавов применяют закалку без полиморфного превращения.

В современной технике применяют много сплавов на алюминиевой основе с различным количеством легирующих элементов. Одни из них, например Сu, Si, Mg, Zn, резко изменяют свойства алюминия и его сплавов. Другие, например Mn, Ni, Сг, дополнительно улучшают свойства и вводятся только при наличии перечисленных выше, одного или нескольких, основных легирующих элементов. Часть элементов вводят в качестве модификаторов, добавок, действующих различно, но улучшающих (главным образом измельчающих) структуру; к таким добавкам относятся Na, Be, Ti, Се, Nb. Некоторые элементы, входящие в алюминиевые сплавы, образуют с алюминием ограниченные твердые растворы переменной концентрации, в которых растворимость элементов с понижением температуры уменьшается. На этом и основывается закалка алюминиевых сплавов.

Примером такой закалки является термообработка алюминиево- медных сплавов. При температуре 20°С растворимость меди в алюминии равна 0,1%, а при температуре 548°С - 5,65% (рис.34). Сплавы с содержанием меди менее 0,1% не могут быть закалены, так как являются однофазными сплавами. Сплавы с содержанием меди от 0,1 до 5,65% являются двухфазными и в исходном отожженном состоянии имеют структуру твердого а-раствора меди в алюминии и включений химического соединения СuА1₂. При нагреве сплавов выше линии ограниченной растворимости, например сплава, содержащего 4% Сu, до температуры t1 включения СuА1₂ растворяются, и образуется однофазный твердый α-раствор. Быстрым охлаждением (закалка в воде) фиксируется твердый (пересыщенный) α-раствор меди в алюминии. После закалки прочность сплава несколько повышается, а пластичность практически не изменяется.

Рис. 34. Диаграмма состояния алюминий - медь

После закалки алюминиевые сплавы подвергают старению, при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора. Если он проходит при нормальной температуре в естественных условиях, то такой процесс называется естественным. Ускорить распад твердого раствора можно подогревом. Распад пересыщенного твердого раствора при повышенных температурах, называется искусственным старением.

При старении в сплавах А1-Сu протекают следующие процессы.

1.Зонное старение.

При температуре 20°С (естественное старение) и при температурах до 100°С (искусственное старение) в пересыщенном твердом растворе возникают области (тонкопластинчатой, дискообразной формы), обогащенные атомами меди, названные зонами Гинье-Престона и обозначаемые ГП., а для данного начального процесса ГП1. Эти зоны имеют толщину 5-10Å и диаметр 40-100Å. Структура их неупорядоченная, как и твердого раствора. Образование зон ГП1 сопровождается искажением кристаллической решетки (рис.26.), что приводит к повышению механических свойств сплава.

При температурах 100-150° С, происходит рост зон ГП1 до толщины 10-40Å и диаметра 200-300Å, обогащение атомами меди до состава, близкого к составу стабильной фазы θ" (СuА1₂). Структура образующихся зон становится упорядоченной. Такие зоны называются зонами ГП2 или фазой θ", и их наличие обусловливает максимальную прочность сплава.

Рис.35. Упрочнение сплавов за счет выделения зон ГП

2.Фазовое старение.