Калењето, гаснењето и стареењето се основните видови термичка обработка на алуминиумските легури. Калењето е третман за омекнување, чија цел е да се направи легурата униформна и стабилна по состав и структура, да се елиминира стврднувањето при работа и да се врати пластичноста на легурата. Калењето и стареењето е термичка обработка за зајакнување, чија цел е да се подобри цврстината на легурата и главно се користи за алуминиумски легури кои можат да се зајакнат со термичка обработка.
1 Жарење
Според различните барања за производство, жарењето на алуминиумските легури е поделено на неколку форми: жарење со хомогенизација на инготи, жарење на прачки, средно жарење и жарење на готов производ.
1.1 Жарење со хомогенизација на инготи
Под услови на брза кондензација и нерамнотежна кристализација, инготата мора да има нерамномерен состав и структура, а исто така и да има големо внатрешно оптоварување. За да се промени оваа ситуација и да се подобри обработливоста на инготата при топла обработка, генерално е потребно хомогенизирачко жарење.
За да се поттикне атомската дифузија, треба да се избере повисока температура за хомогенизирачко жарење, но таа не смее да ја надмине ниската точка на топење евтектичка точка на топење на легурата. Општо земено, температурата на хомогенизирачко жарење е 5~40℃ пониска од точката на топење, а времето на жарење е најчесто помеѓу 12~24 часа.
1.2 Жарење на ќумбиња
Жарењето на ќумурот се однесува на жарењето пред првата ладна деформација за време на обработката под притисок. Целта е ќумурот да добие избалансирана структура и максимален капацитет на пластична деформација. На пример, температурата на крајот на валањето на топло валана плоча од алуминиумска легура е 280~330℃. По брзото ладење на собна температура, феноменот на стврднување при работа не може целосно да се елиминира. Особено, за термички обработени зајакнати алуминиумски легури, по брзото ладење, процесот на рекристализација не е завршен, а презаситениот цврст раствор не е целосно распаднат, а дел од ефектот на стврднување при работа и гаснење сè уште е задржан. Тешко е директно ладно валање без жарење, па затоа е потребно жарење на ќумурот. За термички необработени зајакнати алуминиумски легури, како што е LF3, температурата на жарење е 370~470℃, а ладењето со воздух се изведува откако ќе се загрее 1,5~2,5 часа. Температурата на ќумурот и жарењето што се користи за обработка на ладно влечени цевки треба да биде соодветно повисока, а горната гранична температура може да се избере. За алуминиумски легури кои можат да се зајакнат со термичка обработка, како што се LY11 и LY12, температурата на жарење на прачката е 390~450℃, се одржува на оваа температура 1~3 часа, потоа се лади во печката под 270℃ со брзина не поголема од 30℃/h, а потоа се лади со воздух надвор од печката.
1.3 Средно жарење
Средното жарење се однесува на жарење помеѓу процесите на ладна деформација, чија цел е да се елиминира стврднувањето при работа за да се олесни континуираната ладна деформација. Општо земено, откако материјалот ќе се жари, ќе биде тешко да се продолжи со ладна обработка без средно жарење откако ќе помине низ 45~85% ладна деформација.
Процесот на средно жарење е во основа ист како и кај жарењето на готова четка. Според барањата за степен на ладна деформација, средното жарење може да се подели на три вида: целосно жарење (вкупна деформација ε≈60~70%), едноставно жарење (ε≤50%) и лесно жарење (ε≈30~40%). Првите два системи на жарење се исти како и кај жарењето на готова четка, а вториот се загрева на 320~350℃ 1,5~2 часа, а потоа се лади со воздух.
1.4. Жарење на готов производ
Жарењето на готовиот производ е финална термичка обработка што му дава на материјалот одредени организациски и механички својства според барањата на техничките услови на производот.
Жарењето на готовиот производ може да се подели на жарење на висока температура (производство на меки производи) и жарење на ниска температура (производство на полутврди производи во различни состојби). Жарењето на висока температура треба да обезбеди целосна рекристализација на структурата и добра пластичност. Под услов материјалот да добие добра структура и перформанси, времето на задржување не треба да биде предолго. За алуминиумски легури што можат да се зајакнат со термичка обработка, за да се спречи ефектот на гаснење со воздушно ладење, брзината на ладење треба строго да се контролира.
Жарењето на ниска температура вклучува жарење со ослободување од стрес и делумно омекнување со жарење, кои главно се користат за чист алуминиум и алуминиумски легури зајакнати без термичка обработка. Формулирањето на систем за жарење на ниска температура е многу комплицирана задача, која не само што треба да ја земе предвид температурата на жарење и времето на задржување, туку треба да го земе предвид и влијанието на нечистотиите, степенот на легирање, ладната деформација, средната температура на жарење и температурата на топла деформација. За да се формулира систем за жарење на ниска температура, потребно е да се измери кривата на промена помеѓу температурата на жарење и механичките својства, а потоа да се одреди опсегот на температурата на жарење според индикаторите за перформанси наведени во техничките услови.
2 Гаснење
Гасењето на алуминиумската легура се нарекува и третман во раствор, што подразбира растворање на што е можно повеќе легирачки елементи во металот како втора фаза во цврстиот раствор преку загревање на висока температура, проследено со брзо ладење за да се спречи таложењето на втората фаза, со што се добива презаситен цврст раствор од α на база на алуминиум, кој е добро подготвен за следниот третман со стареење.
Претпоставката за добивање на презаситен α цврст раствор е дека растворливоста на втората фаза во легурата во алуминиум треба значително да се зголеми со зголемувањето на температурата, во спротивно, целта на третманот во цврст раствор не може да се постигне. Повеќето легирачки елементи во алуминиум можат да формираат евтектички фазен дијаграм со оваа карактеристика. Земајќи ја легурата Al-Cu како пример, евтектичката температура е 548℃, а растворливоста на бакарот во алуминиум на собна температура е помала од 0,1%. Кога се загрева на 548℃, нејзината растворливост се зголемува на 5,6%. Затоа, Al-Cu легурите што содржат помалку од 5,6% бакар влегуваат во α еднофазниот регион откако температурата на загревање ќе ја надмине нејзината линија на растворливост, односно втората фаза CuAl2 е целосно растворена во матрицата, и може да се добие еден презаситен α цврст раствор по гаснењето.
Калењето е најважната и најсложениот процес на термичка обработка на алуминиумските легури. Клучот е да се избере соодветната температура на загревање на калењето и да се обезбеди доволна брзина на ладење на калењето, како и строго да се контролира температурата на печката и да се намали деформацијата на калењето.
Принципот на избор на температурата на гаснење е да се зголеми температурата на загревање на гаснењето колку што е можно повеќе, притоа осигурувајќи се дека алуминиумската легура не прегори или зрната не растат прекумерно, со цел да се зголеми презаситеноста на α цврстиот раствор и јачината по третманот на стареење. Општо земено, печката за загревање на алуминиумска легура бара точноста на контролата на температурата на печката да биде во рамките на ±3℃, а воздухот во печката е принуден да циркулира за да се обезбеди униформност на температурата на печката.
Прегорувањето на алуминиумската легура е предизвикано од делумно топење на компонентите со ниска точка на топење во металот, како што се бинарните или повеќеелементните евтектики. Прегорувањето не само што предизвикува намалување на механичките својства, туку има и сериозно влијание врз отпорноста на корозија на легурата. Затоа, откако алуминиумската легура ќе се прегори, таа не може да се отстрани и легурираниот производ треба да се отстрани. Вистинската температура на прегорување на алуминиумската легура главно е одредена од составот на легурата и содржината на нечистотии, а е поврзана и со состојбата на обработка на легурата. Температурата на прегорување на производите што претрпеле обработка со пластична деформација е повисока од онаа на одлеаноци. Колку е поголема обработката на деформацијата, толку полесно е компонентите со ниска точка на топење што не се во рамнотежа да се растворат во матрицата кога се загреваат, па затоа вистинската температура на прегорување се зголемува.
Стапката на ладење за време на гаснењето на алуминиумската легура има значително влијание врз способноста за зајакнување при стареење и отпорноста на корозија на легурата. За време на процесот на гаснење на LY12 и LC4, потребно е да се осигура дека цврстиот раствор α не се распаѓа, особено во температурно чувствителната област од 290~420℃, и потребна е доволно голема брзина на ладење. Вообичаено е пропишано дека брзината на ладење треба да биде над 50℃/s, а за легура LC4, треба да достигне или надмине 170℃/s.
Најчесто користениот медиум за калење за алуминиумски легури е водата. Производната пракса покажува дека колку е поголема брзината на ладење за време на калењето, толку е поголем преостанатиот стрес и преостанатата деформација на калениот материјал или обработениот дел. Затоа, за мали обработени парчиња со едноставни форми, температурата на водата може да биде малку пониска, генерално 10~30℃, и не треба да надминува 40℃. За обработени парчиња со сложени форми и големи разлики во дебелината на ѕидовите, со цел да се намалат деформациите и пукањата при калење, температурата на водата понекогаш може да се зголеми на 80℃. Сепак, мора да се истакне дека со зголемувањето на температурата на водата во резервоарот за калење, цврстината и отпорноста на корозија на материјалот соодветно се намалуваат.
3. Стареење
3.1 Организациска трансформација и промени во перформансите за време на стареењето
Презаситениот α цврст раствор добиен со гаснење е нестабилна структура. Кога се загрева, ќе се распадне и ќе се трансформира во рамнотежна структура. Земајќи ја легурата Al-4Cu како пример, нејзината рамнотежна структура треба да биде α+CuAl2 (θ фаза). Кога еднофазниот презаситен α цврст раствор по гаснењето се загрева за стареење, ако температурата е доволно висока, θ фазата ќе се таложи директно. Во спротивно, тоа ќе се изврши во фази, односно, по некои средни транзициски фази, може да се достигне конечната рамнотежна фаза CuAl2. Сликата подолу ги илустрира карактеристиките на кристалната структура на секоја фаза на таложење за време на процесот на стареење на легурата Al-Cu. Слика а. е структурата на кристалната решетка во гаснена состојба. Во овој момент, тоа е еднофазен α презаситен цврст раствор, а атомите на бакар (црни точки) се рамномерно и случајно распоредени во алуминиумската (бели точки) матрична решетка. Слика б. ја покажува структурата на решетката во раната фаза на таложење. Атомите на бакар почнуваат да се концентрираат во одредени области на матричната решетка за да формираат Гиние-Престонова област, наречена GP област. GP зоната е екстремно мала и во форма на диск, со дијаметар од околу 5~10μm и дебелина од 0,4~0,6nm. Бројот на GP зони во матрицата е екстремно голем, а густината на распределба може да достигне 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Кристалната структура на GP зоната е сè уште иста како и на матрицата, обете се кубни центрирани на површината и одржува кохерентен интерфејс со матрицата. Сепак, бидејќи големината на атомите на бакар е помала од онаа на атомите на алуминиум, збогатувањето на атомите на бакар ќе предизвика кристалната решетка во близина на регионот да се намали, што предизвикува дисторзија на решетката.
Шематски дијаграм на промените во кристалната структура на легурата Al-Cu за време на стареењето
Слика а. Угасна состојба, еднофазен α цврст раствор, атомите на бакар (црни точки) се рамномерно распоредени;
Слика б. Во раната фаза на стареење, се формира GP зоната;
Слика в. Во доцната фаза на стареење, се формира полукохерентна преодна фаза;
Слика г. Стареење на висока температура, таложење на некохерентна рамнотежна фаза
GP зоната е првиот производ од претходната таложење што се појавува за време на процесот на стареење на алуминиумските легури. Продолжувањето на времето на стареење, особено зголемувањето на температурата на стареење, исто така ќе формира други средни транзициски фази. Во легурата Al-4Cu, по GP зоната има θ” и θ' фази, и конечно се достигнува рамнотежна фаза CuAl2. θ” и θ' се обете транзициски фази на θ фазата, а кристалната структура е квадратна решетка, но константата на решетката е различна. Големината на θ е поголема од онаа на GP зоната, сè уште е во форма на диск, со дијаметар од околу 15~40nm и дебелина од 0,8~2,0nm. Таа продолжува да одржува кохерентен интерфејс со матрицата, но степенот на дисторзија на решетката е поинтензивен. При премин од θ” во θ' фаза, големината пораснала на 20~600nm, дебелината е 10~15nm, а кохерентната површина е исто така делумно уништена, станувајќи полукохерентен површина, како што е прикажано на Слика c. Конечниот производ на стареењето на таложењето е рамнотежната фаза θ (CuAl2), при што кохерентната површина е целосно уништена и станува некохерентен површина, како што е прикажано на Слика d.
Според горенаведената ситуација, редоследот на таложење при стареење на легурата Al-Cu е αs→α+GP зона→α+θ”→α+θ'→α+θ. Фазата на стареење зависи од составот на легурата и спецификацијата на стареење. Честопати има повеќе од еден производ на стареење во иста состојба. Колку е повисока температурата на стареење, толку е поблиску до рамнотежната структура.
За време на процесот на стареење, GP зоната и преодната фаза таложена од матрицата се мали по големина, многу дисперзирани и не се деформираат лесно. Во исто време, тие предизвикуваат дисторзија на решетката во матрицата и формираат поле на напрегање, кое има значително попречувачко дејство врз движењето на дислокациите, со што се зголемува отпорноста на пластична деформација на легурата и се подобрува нејзината цврстина и тврдост. Овој феномен на стврднување со стареење се нарекува стврднување со таложење. Сликата подолу ја илустрира промената на тврдоста на легурата Al-4Cu за време на гаснењето и третманот на стареење во форма на крива. Фаза I на сликата ја претставува тврдоста на легурата во нејзината оригинална состојба. Поради различните истории на топла обработка, тврдоста на оригиналната состојба ќе варира, генерално HV=30~80. По загревањето на 500℃ и гаснењето (фаза II), сите атоми на бакар се раствораат во матрицата за да формираат еднофазен презаситен α цврст раствор со HV=60, што е двојно потешко од тврдоста во жарена состојба (HV=30). Ова е резултат на зајакнување на цврстиот раствор. По гаснењето, се става на собна температура, а тврдоста на легурата континуирано се зголемува поради континуираното формирање на GP зони (фаза III). Овој процес на стврднување со стареење на собна температура се нарекува природно стареење.
Јас - првобитна состојба;
II - цврста растворена состојба;
III - природно стареење (GP зона);
IVa—регресивен третман на 150~200℃ (рерастворен во GP зона);
IVb—вештачко стареење (θ”+θ' фаза);
V—премногу стареење (θ”+θ' фаза)
Во фаза IV, легурата се загрева на 150°C за стареење, а ефектот на стврднување е поочигледен од оној на природното стареење. Во овој момент, производот на таложење е главно θ” фазата, која има најголем ефект на зајакнување кај Al-Cu легурите. Ако температурата на стареење дополнително се зголеми, фазата на таложење преминува од θ” фазата во θ' фазата, ефектот на стврднување ослабува, а тврдоста се намалува, влегувајќи во фаза V. Секој третман на стареење што бара вештачко загревање се нарекува вештачко стареење, а фазите IV и V припаѓаат на оваа категорија. Ако тврдоста ја достигне максималната вредност на тврдоста што легурата може да ја достигне по стареењето (т.е. фаза IVb), ова стареење се нарекува врвно стареење. Ако не се достигне врвната вредност на тврдоста, тоа се нарекува потстареење или нецелосно вештачко стареење. Ако врвната вредност се премине и тврдоста се намали, тоа се нарекува прекумерно стареење. Третманот за стабилизациско стареење исто така припаѓа на прекумерно стареење. GP зоната формирана за време на природното стареење е многу нестабилна. Кога брзо се загрева на повисока температура, како на пример околу 200°C, и се одржува топла кратко време, GP зоната ќе се раствори назад во α цврстиот раствор. Ако брзо се излади (гаси) пред да се таложат другите преодни фази како што се θ” или θ', легурата може да се врати во првобитната гасена состојба. Овој феномен се нарекува „регресија“, што е пад на тврдоста означен со испрекинатата линија во фазата IVa на сликата. Алуминиумската легура што е регресирана сè уште ја има истата способност за стврднување со стареење.
Стврднувањето со возраст е основа за развој на алуминиумски легури што можат да се обработуваат со топлина, а неговата способност за стврднување со возраст е директно поврзана со составот на легурата и системот за термичка обработка. Бинарните легури Al-Si и Al-Mn немаат ефект на стврднување со таложење бидејќи рамнотежната фаза се таложи директно за време на процесот на стареење и се алуминиумски легури што не можат да се обработуваат со топлина. Иако легурите Al-Mg можат да формираат GP зони и преодни фази β', тие имаат само одредена способност за стврднување со таложење во легури со висока содржина на магнезиум. Легурите Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si и Al-Zn-Mg-Cu имаат силна способност за стврднување со таложење во нивните GP зони и преодни фази и во моментов се главните легирани системи што можат да се обработуваат со топлина и да се зајакнат.
3.2 Природно стареење
Општо земено, алуминиумските легури што можат да се зајакнат со термичка обработка имаат природен ефект на стареење по гаснењето. Зајакнувањето со природно стареење е предизвикано од GP зоната. Природното стареење е широко користено кај легурите Al-Cu и Al-Cu-Mg. Природното стареење на легурите Al-Zn-Mg-Cu трае предолго и често се потребни неколку месеци за да се достигне стабилна фаза, па затоа не се користи природен систем на стареење.
Во споредба со вештачкото стареење, по природното стареење, границата на истегнување на легурата е помала, но пластичноста и цврстината се подобри, а отпорноста на корозија е поголема. Ситуацијата со супертврдиот алуминиум од системот Al-Zn-Mg-Cu е малку поинаква. Отпорноста на корозија по вештачкото стареење е често подобра од онаа по природното стареење.
3.3 Вештачко стареење
По третманот со вештачко стареење, алуминиумските легури често можат да добијат највисока граница на истегнување (главно зајакнување во преодната фаза) и подобра организациска стабилност. Супертврдиот алуминиум, кованиот алуминиум и леаниот алуминиум главно се вештачки стареење. Температурата и времето на стареење имаат важно влијание врз својствата на легурата. Температурата на стареење е најчесто помеѓу 120~190℃, а времето на стареење не надминува 24 часа.
Покрај едностепеното вештачко стареење, алуминиумските легури можат да применат и систем на градирано вештачко стареење. Тоа значи дека загревањето се изведува двапати или повеќе пати на различни температури. На пример, легурата LC4 може да се стареење на 115~125℃ за 2~4 часа, а потоа на 160~170℃ за 3~5 часа. Постепеното стареење не само што може значително да го скрати времето, туку и да ја подобри микроструктурата на легурите Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, и значително да ја подобри отпорноста на корозија при стрес, цврстината на замор и цврстината на кршење без во суштина да ги намали механичките својства.
Време на објавување: 06.03.2025
