Алюминий и его сплавы Выбор режимов термической обработки алюминиевых сплавов

В алюминии нет полиморфного и мартенситного превращений. Поэтому для алюминиевых сплавов виды термической обработки, связанные с этими превращениями, исключены.

После деформации в алюминиевых полуфабрикатах возникают разнообразные структуры, отличающиеся по величине зерна, однородности его по объему и внутризеренному строению. Тип структуры определяется химическим составом сплава, температурой, степенью и скоростью деформации, а также схемой напряженного состояния в процессе изготовления полуфаб­рикатов. Деформированная структура оказывает наследствен­ное влияние на структурное состояние металла после термиче­ской обработки. Поэтому нельзя выбирать режимы термической обработки, не принимая во внимание вид и характер предшест­вующей деформации полуфабрикатов.

Наибольшее распространение для алюминиевых сплавов полу­чили три вида термической обработки: отжиг, закалка и ста­рение.

Рис.1. Схема расположения температурных зон обычной гомогенизации (А), высокотемпературной гомогенизации (Б), рекристаллизационного отжига и отжига термически упрочненных сплавов (В), отжига для снятия напряжений (Г): С - содержание легирующего элемента; пунктир – неравновесные линии солидуса и сольвуса.

При отжиге, основными параметрами которого являются температура и скорость нагрева, а также продолжительность выдержки при заданной температуре, все рассмотренные выше отклонения от равновесного состояния могут быть устранены. При этом пластичность сплавов всегда возрастает. Для устра­нения неравновесных состояний различного происхождения сле­дует выбирать и разные режимы отжига.

Для алюминиевых сплавов применяют следующие виды от­жига: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг деформированных полуфабрикатов, отжиг термически упрочнен­ных сплавов для разупрочнения и отжиг для снятия остаточных напряжений. Температурные интервалы отжига разного вида приведены на рисунке 1.

Закалка. Основное назначение закалки — фиксация максимально пересыщенных растворов легирующих компонентов в алюминиевой матрице. Сущность процесса состоит в нагреве сплавов до температур, достаточных для растворения низкотем­пературных фаз, выдержке при этих температурах и охлаждении со скоростями, обеспечивающими отсутствие процессов распада.

Температуру нагрева под закалку выбирают в зависимости от природы сплава. Так как растворение неравновесных фаз — процесс диффузионный, то температура закалки должна быть по возможности высокой. Она не может превышать темпера­туру неравновесного солидуса сплавов из-за возникновения пережога, резко снижающего механические свойства. Иногда верхний предел температуры закалки ограничивается ростом зерна. Оптимальный интервал температур нагрева под закалку показан на рис. 1.

Продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку определяется скоростью растворения легирующих эле­ментов, входящих в избыточные фазы, и зависит от природы сплава, его структурного состояния и условий нагрева. При медленном нагреве процессы растворения частично протекают уже на этой стадии и время выдержки может быть сокращено. Чем дисперснее частицы упрочняющей фазы, тем меньшее время необходимо для чх растворения. Поэтому, например, время выдержки при закалке отливок, полученных литьем в песчаные формы, должно быть больше, чем для деформиро­ванных полуфабрикатов.

Скорости охлаждения при закалке должны обеспечивать фиксацию в твердом растворе концентраций легирующих ком­понентов, свойственных высоким температурам. Скорости охлаждения можно регулировать, применяя закалочные среды с различной охлаждающей способностью. При выборе охлаж­дающей среды необходимо принимать во внимание и толщину изделий. Как известно, поверхностные слои изделия охлажда­ются с большими скоростями, чем срединные, и поэтому охлаж­дающая среда должна обеспечивать необходимые скорости охлаждения срединных слоев.

Старение. Старение — это термическая обработка, при кото­рой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превра­щения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. Старение применяют для повышения прочно­стных характеристик алюминиевых сплавов. Для этого можно использовать естественное и искусственное старение. Если сплавы предназначены для работы при высоких температурах, то старение используют для стабилизации структуры и разме­ров деталей. В этом случае всегда применяют искусственное старение.

Изменения структуры и свойств определяются разными ме­ханизмами распада в зависимости от температуры и времени старения. При низких температурах или коротких временах вы­держки упрочнение связано с образованием зон Гинье — Пре­стона (ГП) (рис. 2). Этот вид старения, являющийся основ­ным для сплавов типа дуралюмина, называют зонным старе­нием. С увеличением температуры старения или времени выдержки может проявиться другой механизм упрочнения, когда оно достигается вследствие выделения из твердого раствора ме-тястабильных фаз, которые имеют с матрицей когерентные или полукогерентные границы. Такое старение, протекающее обычно при повышенных температурах, называют фазовым старением:



Рис.2. Схема температурно-временных областей перехода от зонного к фазовому старению и коагуляции:

1 — образование зон Гинье—Престона; 2 — появление частиц метастабильной фазы; 3 — полное исчезновение зон; 4 — появление частиц стабильной фазы; 5 — полное исчез­новение частиц метастабильной фазы (И. Н. Фридляндер)

Рис. 3. Схема изменения механических свойств алюминиевых сплавов в зависимости от продолжительности старения при разных температурах: 1 — зонное; 2 — фазовое; 3 — коагуляционное (t₃>t₂>t₁)

Дальнейшее увеличение времени старения приводит к тому, что образуются выделения стабильных фаз, имеющие с матрицей некогерентные границы. Коагуляция этих фаз разупрочняет сплавы, и соответствующий вид старения называют коагуляционным старением.

Возврат при старении. Этот вид термической обработки при­меняют к закаленным и естественно состаренным алюминие­вым сплавам. Сущность этого вида термообработки сводится к следующему. Если естественно состаренный сплав алюминия нагреть на очень короткий промежуток времени до температур, превышающих линию сольвуса для зон Гинье — Престона, то зоны растворяются, а процессы фазового старения еще не ус­певают протекать. При последующем быстром охлаждении структура и свойства сплава соответствуют свежезакаленному состоянию. Обработку на возврат можно использовать для по­вышения технологической пластичности, когда закаленный и естественно состаренный материал необходимо деформировать в холодном состоянии при изготовлении деталей. После пра­вильно проведенной обработки на возврат сплав подвергают старению так же, как и после закалки.