Термообработка алюминиевых сплавов

Термическая обработка алюминиевых сплавов Al-Zn-Mg

Алюминиевые сплавы Al- Zn -Mg без легирования медью (7020, 7005 (1915), 7003) также относят к «полутвердым» сплавам. Их успешно применяют при изготовлении кузовов вагонов, несущих, в том числе, сварных, конструкций. Эти алюминиевые сплавы успешно подвергаются упрочнению старением, если температура профилей на выходе из пресса составляет хотя бы 400 °С. Чаще всего их применяют вообще без принудительного охлаждения в виду их склонности к коррозии под напряжением. Вместе с тем, например, алюминиевый сплав 1915 обеспечивает даже в горячепрессованном состоянии с естественным старением от 30 до 35 суток предел прочности более 315 МПа.

Cтадия 1 – растворение частиц Mg2Si в алюминии

Первая стадия термического упрочнения требует таких температурно-временных условий прессования, которые обеспечивают полное растворение всех частиц Mg₂Si в твердом растворе алюминия на момент выхода профиля из матрицы.

Это может достигаться на прессе двумя путями:
1) Нагрев заготовки до температуры не менее 500 ºС и выход профиля из матрицы при температуре не менее 500 ºС.
2) Нагрев заготовки до температуры 430-455 ºС и прессование с большой скоростью, чтобы получить температуру профиля на выходе из матрицы не менее 500 ºС (рисунок 2).

Рисунок 2 – Условия прессования сплава 6063 для оптимального сочетания производительности, прочности и качества поверхности

Второй вариант дает более высокую производительность без повреждения поверхности прессуемого профиля. Чтобы в полной мере применять этот вариант нужно иметь:

• достаточное усилие на пресс-штемпеле;
• достаточно высокую скорость прессования;
• достаточно высокое отношение прессования (вытяжку);
• должным образом гомогенизированную заготовку;
• возможность нагрева заготовки до температуры 425-455 °С за менее чем 20 минут.

Длительный нагрев заготовки, особенно в интервале температур 260-425 °С, приводит к потере прочности будущего профиля из-за укрупнения частиц Mg₂Si, если заготовку затем перед прессованием не нагревают по крайней мере до 500 °С.

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.

Выдержка отжига и охлаждение после отжига

При отжиге важно обеспечить, чтобы заданная температура была достигнута во всех частях садки и во всех точках каждого изделия. Поэтому обычно назначают длительность выдержки при температуре отжига не менее 1 часа

Максимальная температура отжига является умеренно критической: рекомендуется не превышать температуру 415 °С из-за возможного окисления и роста зерна. Скорость нагрева может быть критической, например, для сплава 3003, который обычно требует быстрого нагрева для предотвращения роста зерна. Относительно медленное охлаждение на спокойном воздухе или с печью рекомендуется для всех сплавов для минимизации коробления.

Типичные параметры полного отжига для некоторых алюминиевых сплавов представлены ниже.

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

“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”.

Рекристаллизационный отжиг алюминия

Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации, применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. У большинства алюминиевых сплавов при степени деформации 50—70% температура начала рекристаллизации находится в пределах 280—300°С. Температура рекристаллизационного отжига в зависимости от состава сплава колеблется от 300 до 500 °С (высокий отжиг), с выдержкой 0,5—3,0 ч. После рекристаллизационного отжига сплавов, неупроч-няемых термической обработкой, скорость охлаждения выбирают произвольно. Для сплавов, упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения до 200—250°С должны быть

30°С/ч. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют между горячей и холодной деформациями. Разновидностью рекристаллизационного отжига является неполный отжиг (низкий отжиг), который позволяет получить промежуточные свойства — между нагартованным состоянием и рекристаллизо-ванным. В этом случае температура отжига должна быть ниже температуры окончания рекристаллизации для получения полигони зованной структуры или частично рекристаллизованной, когда наклеп снимается частично (температура отжига 150—300°С). Неполный отжиг чаще применяют для деформированных сплавов неупрочняемых закалкой и старением.

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.

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.

Старение алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, которые упрочняются старением, содержат определенное количество растворимых легирующих элементов, например, некоторых комбинаций из меди, магния, кремния, марганца и цинка. При соответствующей термической обработке эти растворенные атомы соединяются в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевого сплава. Этот процесс и называют старением, так он происходит «сам собой» при комнатной температуре. Для ускорения и достижения большей эффективности упрочнения алюминиевого сплава старение проводят при повышенной температуре, скажем, 200 °С.    

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.

Внедрение сварных алюминиевых конструкций

Дальнейшее внедрение сварных алюминиевых конструкций в различные отрасли машиностроения во многом зависит от раз­работки новых способов сварки алюминиевых сплавов. Раньше алюминиевые сплавы сваривали в основном в нижнем положении из-за высокой жидкотекучести расплавленного алюминия. В последнее время разработаны новые способы сварки, поз­воляющие сваривать алюминий во всех пространственных положе­ниях. Так в ИЭС им. Е. О. Патона разработан способ импульсной сварки плавящимся электродом.

В научно-исследовательском и конструкторском институте мон­тажной технологии (НИКИМТе) разработан метод сварки труб с применением формирующего давления в их внутренней поло­сти. За рубежом разработан способ механизированной сварки алюминиевых листов большой толщины в вертикальном положе­нии, обеспечивающий получение высококачественных стыковых и угловых швов. Разработка новых способов сварки, как правило, сопровождается созданием соответствующего сварочного оборудо­вания, позволяющего получить новый качественный эффект при изготовлении сварных конструкций.

Учитывая, что проблема очень широка, авторы не ставили себе задачу охватить все вопросы, связанные со сваркой кон­струкций из алюминиевых сплавов, и остановились на вопросах газоэлектрической сварки алюминиевых сплавов. Более детально осветили вопросы сварки трубных узлов и крупногабаритных деталей ответственных конструкций.

Сплавы алюминия в зависимости от назначения делят на дефор­мируемые и литейные. Деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на две группы: неупрочняемые и упрочняемые терми­ческой обработкой. К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы типа магналия (AMrl, АМг2 АМгЗ, АМг5 и АМгб), сплавы АМц, АМцС, а также алюминий АДОО, АДО, АД1 и АД. К упрочняемым термической обработкой относятся сплавы АД31, АДЗЗ, АВ, Д1, Д16, Д18, АК4, АК4-1, АК6, АК8, Д20, В93, В94, В95 и др.

Из деформируемых сплавов изготовляют различные полуфа­брикаты в виде листов (толщиной до 10 мм), плит (толщиной свыше 10 мм), прессованных профилей, поковок, штампованных загото­вок, прутков, проволоки, фольги, труб.

Термически упрочняемые алюминиевые сплавы обладают более высокими прочностными свойствами, чем термически неупрочняе­мые. Однако прочность последних можно повысить путем нагартовки.

Упрочнение за счет выделения вторичной фазы

Выделившиеся частицы вторичных фаз в алюминии является очень эффективными препятствиями для движения дислокаций. Эффективность частиц как препятствий для движения дислокаций зависит как от размера частиц, так и от расстояния между ними.

Малые когерентные выделения не являются существенным препятствием для дислокаций – они их просто перерезают. С увеличением размеров частиц вторичной фазы, а также потерей их когерентности с атомной решеткой алюминиевой матрицы, степень сопротивления частиц движению дислокаций возрастает. Возрастание твердости до определенного максимума при искусственном старении алюминиевых сплавов объясняется именно прогрессирующим выделением вторичной фазы. С другой стороны, снижение твердости при перестаривании алюминиевого сплава происходит из-за увеличения расстояния между частицами вторичной фазы.

Упрочнение алюминиевых сплавов за счет старения – естественного или искусственного – происходит именно по механизму упрочнения за счет выделения вторичных фаз из перенасыщенного твердого раствора (рисунок 4). Этот перенасыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии создается путем нагрева алюминиевого сплава до полного растворения легирующих элементов и быстрого его охлаждения, например, до комнатной температуры.

Рисунок 4 – Кривые естественного и искусственного старения
прессованных профилей из сплава 6082

В интервале температуры от комнатной до 60 °С происходит образование «кластеров», которые остаются когерентными с атомной решеткой алюминия. Этот процесс называется «естественным старением». Он приводит к состояниям алюминиевых сплавов Т1 и Т4.

В интервале температуры от 60 до 220 °С происходит образование промежуточных когерентных и полукогерентных вторичных фаз. Это процесс называется «искусственным старением». Он дает состояния алюминиевых сплавов Т5 и Т6.

Кривые старения на рисунке 4 показывают влияние температуры старения на прочностные свойства и удлинение прессованного сплава 6082. Отметим более высокую пластичность и более низкую прочность после старения при комнатной температуре.

Особенности термообработки алюминиевых сплавов

Алюминий и его сплавы требуют особого подхода к термообработке для достижения определенной прочности и структуры материала. Очень часто применяют несколько методов термообработки. Обычно, после закалки следует старение. Но некоторые типы материалов могут подвергаться старению без закалки.

Такая возможность появляется после отливки, когда компоненты, при повышенной скорости охлаждения, могут придать металлу необходимую структуру и прочность. Это происходит во время литья при температуре около 180 градусов. При такой температуре повышается уровень прочности и твердости, а также снижается степень тягучести.

Отжиг необходим для придания однородной структуры алюминиевому сплаву. С помощью этого метода состав становиться более однородным, активизируется процесс диффузии и выравнивается размер базовых частиц. Также можно добиться снижения напряжения кристаллической решетки. Температура обработки подбирается индивидуально, исходя из особенностей сплава, необходимых конечных характеристик и структуры материала.

Состав и свойства алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой

Важным этапом отжига является охлаждение, которые можно проводить несколькими способами. Обычно проводят охлаждения в печи или на открытом воздухе. Также применяется поэтапное комбинированное охлаждение, сначала в печи, а потом на воздухе.

Закалка требуется для упрочнения материала путем перенасыщения твердого раствора. Этот метод основан на нагреве изделий температурам и быстром охлаждении. Это способствует полноценному растворению составных элементов в алюминии. Используется для обработки деформируемых алюминиевых сплавов.

Для использования этого способа нужно правильно рассчитать температуру обработки. Чем выше степень, тем меньше времени требуется на закалку. При этом стоит подобрать температуру так, чтобы она превышала значение, необходимое для растворимости компонентов, но была меньше границы расплава металла.

Методом старения достигается увеличение прочности алюминиевого сплава. Причем необязательно подвергать изделия искусственному старению, так как возможен процесс естественного старения.

В зависимости от типа старения изменяется скорость структурных изменений. Поэтому искусственное старение более предпочтительно, так как оно позволяет повысить производительность работ. Подбор температуры и времени обработки зависит от свойств материала и характеристик легирующих компонентов.

Правильное сочетание уровня нагрева и времени выдержки позволяет повысить прочность и пластичность. Такой процесс называется стабилизацией.