Alumīnija sakausējumu termiskās apstrādes pamatveidi

Atkvēlināšana, rūdīšana un novecošana ir alumīnija sakausējumu galvenie termiskās apstrādes veidi. Atkvēlināšana ir mīkstināšanas apstrāde, kuras mērķis ir padarīt sakausējumu vienmērīgu un stabilu sastāvā un struktūrā, novērst deformācijas sacietēšanu un atjaunot sakausējuma plastiskumu. Rūdīšana un novecošana ir stiprinoša termiskā apstrāde, kuras mērķis ir uzlabot sakausējuma izturību, un to galvenokārt izmanto alumīnija sakausējumiem, kurus var stiprināt ar termisko apstrādi.

1 Atkvēlināšana

Atbilstoši dažādām ražošanas prasībām alumīnija sakausējuma atkvēlināšana tiek sadalīta vairākās formās: lietņu homogenizācijas atkvēlināšana, sagataves atkvēlināšana, starpposma atkvēlināšana un gatavā produkta atkvēlināšana.

1.1 Stieņu homogenizācijas atkvēlināšana

Ātras kondensācijas un nevienmērīgas kristalizācijas apstākļos lietņiem jābūt nevienmērīgam sastāvam un struktūrai, kā arī tiem jābūt lieliem iekšējiem spriegumiem. Lai mainītu šo situāciju un uzlabotu lietņu karstās apstrādes iespējas, parasti ir nepieciešama homogenizācijas atkvēlināšana.

Lai veicinātu atomu difūziju, homogenizācijas atkvēlināšanai jāizvēlas augstāka temperatūra, taču tā nedrīkst pārsniegt sakausējuma zemo kušanas temperatūru (eitektisko kušanas punktu). Parasti homogenizācijas atkvēlināšanas temperatūra ir par 5–40 ℃ zemāka par kušanas temperatūru, un atkvēlināšanas laiks pārsvarā ir no 12 līdz 24 stundām.

1.2 Sagataves atkvēlināšana

Stieņa atkvēlināšana attiecas uz atkvēlināšanu pirms pirmās aukstās deformācijas spiediena apstrādes laikā. Mērķis ir panākt, lai sagatave iegūtu līdzsvarotu struktūru un tai būtu maksimāla plastiskās deformācijas spēja. Piemēram, karsti velmētas alumīnija sakausējuma plātnes velmēšanas gala temperatūra ir 280–330 ℃. Pēc ātras atdzesēšanas istabas temperatūrā deformācijas sacietēšanas fenomenu nevar pilnībā novērst. Jo īpaši termiski apstrādātiem stiegrotiem alumīnija sakausējumiem pēc ātras atdzesēšanas rekristalizācijas process nav beidzies, pārsātinātais cietais šķīdums nav pilnībā sadalījies, un daļa no deformācijas sacietēšanas un dzēšanas efekta joprojām saglabājas. Ir grūti veikt tiešu auksto velmēšanu bez atkvēlināšanas, tāpēc ir nepieciešama sagataves atkvēlināšana. Termiski neapstrādātiem stiegrotiem alumīnija sakausējumiem, piemēram, LF3, atkvēlināšanas temperatūra ir 370–470 ℃, un gaisa dzesēšana tiek veikta pēc 1,5–2,5 stundu turēšanas siltā stāvoklī. Aukstās stiepšanas cauruļu apstrādei izmantotajai sagataves un atkvēlināšanas temperatūrai jābūt atbilstoši augstākai, un var izvēlēties augšējo robežtemperatūru. Alumīnija sakausējumiem, kurus var stiprināt ar termisko apstrādi, piemēram, LY11 un LY12, sagataves atkvēlināšanas temperatūra ir 390–450 ℃, šajā temperatūrā to tur 1–3 stundas, pēc tam atdzesē krāsnī līdz zem 270 ℃ ar ātrumu, kas nepārsniedz 30 ℃/h, un pēc tam atdzesē gaisā ārpus krāsns.

1.3 Starpposma atkvēlināšana

Starpposma atkvēlināšana attiecas uz atkvēlināšanu starp aukstās deformācijas procesiem, kuras mērķis ir novērst deformācijas sacietēšanu, lai veicinātu turpmāku auksto deformāciju. Vispārīgi runājot, pēc materiāla atkvēlināšanas, ja tas ir pakļauts 45–85 % aukstajai deformācijai, būs grūti turpināt auksto apstrādi bez starpposma atkvēlināšanas.

Starpposma atkvēlināšanas procesa sistēma būtībā ir tāda pati kā sagatavju atkvēlināšanas sistēma. Atkarībā no aukstās deformācijas pakāpes prasībām starpposma atkvēlināšanu var iedalīt trīs veidos: pilnīga atkvēlināšana (kopējā deformācija ε≈60~70%), vienkārša atkvēlināšana (ε≈50%) un viegla atkvēlināšana (ε≈30~40%). Pirmās divas atkvēlināšanas sistēmas ir tādas pašas kā sagatavju atkvēlināšana, pēdējo karsē 320~350℃ temperatūrā 1,5~2 stundas un pēc tam atdzesē gaisā.

1.4. Gatavā produkta atkvēlināšana

Gatavā produkta atkvēlināšana ir galīgā termiskā apstrāde, kas materiālam piešķir noteiktas organizatoriskās un mehāniskās īpašības atbilstoši produkta tehnisko nosacījumu prasībām.

Gatavās produkcijas atkvēlināšanu var iedalīt augstas temperatūras atkvēlināšanā (mīkstu produktu ražošana) un zemas temperatūras atkvēlināšanā (dažādu stāvokļu puscietu produktu ražošana). Augstas temperatūras atkvēlināšanai jānodrošina pilnīga rekristalizācijas struktūra un laba plastiskums. Nosacījums, ka materiāls iegūst labu struktūru un veiktspēju, noturēšanas laiks nedrīkst būt pārāk ilgs. Alumīnija sakausējumiem, kurus var stiprināt ar termisko apstrādi, dzesēšanas ātrums ir stingri jākontrolē, lai novērstu gaisa dzesēšanas dzēšanas efektu.

Zemas temperatūras atkvēlināšana ietver sprieguma mazināšanas atkvēlināšanu un daļēju mīkstināšanas atkvēlināšanu, ko galvenokārt izmanto tīram alumīnijam un bez termiskās apstrādes pastiprinātiem alumīnija sakausējumiem. Zemas temperatūras atkvēlināšanas sistēmas formulēšana ir ļoti sarežģīts uzdevums, kurā jāņem vērā ne tikai atkvēlināšanas temperatūra un noturēšanas laiks, bet arī piemaisījumu ietekme, leģēšanas pakāpe, aukstā deformācija, starpposma atkvēlināšanas temperatūra un karstā deformācijas temperatūra. Lai formulētu zemas temperatūras atkvēlināšanas sistēmu, ir jāizmēra izmaiņu līkne starp atkvēlināšanas temperatūru un mehāniskajām īpašībām un pēc tam jānosaka atkvēlināšanas temperatūras diapazons atbilstoši tehniskajos nosacījumos norādītajiem veiktspējas rādītājiem.

2 Rūdīšana

Alumīnija sakausējuma rūdīšanu sauc arī par šķīduma apstrādi, kuras mērķis ir pēc iespējas vairāk leģējošo elementu metālā kā otrajā fāzē izšķīdināt cietajā šķīdumā, izmantojot augstas temperatūras karsēšanu, kam seko ātra atdzesēšana, lai kavētu otrās fāzes nogulsnēšanos, tādējādi iegūstot pārsātinātu alumīnija bāzes α cieto šķīdumu, kas ir labi sagatavots nākamajai novecošanas apstrādei.

Pārsātināta α cietā šķīduma iegūšanas priekšnoteikums ir tāds, ka alumīnija sakausējuma otrās fāzes šķīdība ievērojami palielinās, palielinoties temperatūrai, pretējā gadījumā cietā šķīduma apstrādes mērķis nav sasniedzams. Lielākā daļa alumīnija leģējošo elementu var veidot eitektisku fāzes diagrammu ar šo raksturlielumu. Piemēram, Al-Cu sakausējuma eitektiskā temperatūra ir 548 ℃, un vara šķīdība alumīnijā istabas temperatūrā ir mazāka par 0,1%. Uzkarsējot līdz 548 ℃, tā šķīdība palielinās līdz 5,6%. Tāpēc Al-Cu sakausējumi, kas satur mazāk nekā 5,6% vara, pēc tam, kad karsēšanas temperatūra pārsniedz tā šķīdības līniju, nonāk α vienfāzes reģionā, tas ir, otrā fāze CuAl2 ir pilnībā izšķīdusi matricā, un pēc dzēšanas var iegūt vienu pārsātinātu α cieto šķīdumu.

Rūdīšana ir vissvarīgākā un prasīgākā alumīnija sakausējumu termiskās apstrādes darbība. Galvenais ir izvēlēties atbilstošu rūdīšanas sildīšanas temperatūru un nodrošināt pietiekamu rūdīšanas dzesēšanas ātrumu, kā arī stingri kontrolēt krāsns temperatūru un samazināt rūdīšanas deformāciju.

Rūdīšanas temperatūras izvēles princips ir pēc iespējas palielināt rūdīšanas sildīšanas temperatūru, vienlaikus nodrošinot, ka alumīnija sakausējums nepārdeg un graudi pārmērīgi neaug, lai palielinātu α cietā šķīduma pārsātinājumu un izturību pēc novecošanas apstrādes. Parasti alumīnija sakausējuma sildīšanas krāsnij ir nepieciešama krāsns temperatūras kontroles precizitāte ±3 ℃ robežās, un gaiss krāsnī ir spiests cirkulēt, lai nodrošinātu krāsns temperatūras vienmērīgumu.

Alumīnija sakausējuma pārdegšanu izraisa daļēja zemas kušanas temperatūras komponentu, piemēram, bināro vai daudzelementu eitektu, kušana metāla iekšpusē. Pārdegšana ne tikai samazina mehāniskās īpašības, bet arī nopietni ietekmē sakausējuma izturību pret koroziju. Tāpēc, kad alumīnija sakausējums ir pārdegts, to vairs nevar iznīcināt, un sakausējuma izstrādājums ir jāizmet. Alumīnija sakausējuma faktisko pārdegšanas temperatūru galvenokārt nosaka sakausējuma sastāvs un piemaisījumu saturs, kā arī sakausējuma apstrādes stāvoklis. Plastiskās deformācijas apstrādei pakļauto izstrādājumu pārdegšanas temperatūra ir augstāka nekā lējumiem. Jo lielāka deformācijas apstrāde, jo vieglāk nevienmērīgi zemas kušanas temperatūras komponentiem karsējot izšķīst matricā, tāpēc faktiskā pārdegšanas temperatūra palielinās.

Alumīnija sakausējuma dzesēšanas ātrumam rūdīšanas laikā ir būtiska ietekme uz sakausējuma novecošanās stiprināšanas spēju un korozijas izturību. LY12 un LC4 rūdīšanas procesā ir jānodrošina, lai α cietais šķīdums nesadalītos, īpaši temperatūras jutīgajā zonā 290–420 ℃, un ir nepieciešams pietiekami liels dzesēšanas ātrums. Parasti tiek noteikts, ka dzesēšanas ātrumam jābūt virs 50 ℃/s, un LC4 sakausējuma gadījumā tam jābūt vismaz 170 ℃/s.

Visbiežāk izmantotā alumīnija sakausējumu dzēšanas vide ir ūdens. Ražošanas prakse rāda, ka jo lielāks ir dzesēšanas ātrums dzēšanas laikā, jo lielāks ir dzēšanas materiāla vai sagataves atlikušais spriegums un atlikušā deformācija. Tāpēc mazām, vienkāršām sagatavēm ūdens temperatūra var būt nedaudz zemāka, parasti 10–30 ℃, un tā nedrīkst pārsniegt 40 ℃. Sarežģītām formām un lielām sienu biezuma atšķirībām sagatavēm ūdens temperatūru dažreiz var palielināt līdz 80 ℃, lai samazinātu dzēšanas deformāciju un plaisāšanu. Tomēr jāatzīmē, ka, palielinoties dzēšanas tvertnes ūdens temperatūrai, attiecīgi samazinās arī materiāla izturība un korozijas izturība.

3. Novecošana

3.1 Organizatoriskā transformācija un veiktspējas izmaiņas novecošanas laikā

Rūdot iegūtais pārsātinātais α cietais šķīdums ir nestabila struktūra. Karsējot tas sadalās un pārveidojas par līdzsvara struktūru. Piemēram, Al-4Cu sakausējumam, tā līdzsvara struktūrai jābūt α+CuAl2 (θ fāze). Kad vienfāzes pārsātinātais α cietais šķīdums pēc rūdīšanas tiek karsēts novecošanai, ja temperatūra ir pietiekami augsta, θ fāze tiks tieši nogulsnēta. Pretējā gadījumā novecošana notiks pakāpeniski, tas ir, pēc dažiem starpposma pārejas posmiem var sasniegt galīgo līdzsvara fāzi CuAl2. Zemāk redzamais attēls ilustrē katra nogulsnēšanās posma kristāliskās struktūras raksturlielumus Al-Cu sakausējuma novecošanas procesā. A attēlā redzama kristāliskā režģa struktūra rūdītā stāvoklī. Šajā laikā tas ir vienfāzes α pārsātināts cietais šķīdums, un vara atomi (melni punkti) ir vienmērīgi un nejauši sadalīti alumīnija (balti punkti) matricas režģī. B attēlā redzama režģa struktūra nogulsnēšanās sākumposmā. Vara atomi sāk koncentrēties noteiktās matricas režģa zonās, veidojot Gvinjē-Prestona apgabalu, ko sauc par GP apgabalu. GP zona ir ārkārtīgi maza un diska formas, ar diametru aptuveni 5–10 μm un biezumu 0,4–0,6 nm. GP zonu skaits matricā ir ārkārtīgi liels, un to sadalījuma blīvums var sasniegt 10¹⁷~10¹⁸cm-³. GP zonas kristāliskā struktūra joprojām ir tāda pati kā matricai, abas ir ar skaldni centrētas kubiskas, un tā saglabā koherentu saskarni ar matricu. Tomēr, tā kā vara atomu izmērs ir mazāks nekā alumīnija atomu izmērs, vara atomu bagātināšanās izraisīs kristāla režģa saraušanos šīs zonas tuvumā, kas savukārt izraisīs režģa deformāciju.

Al-Cu sakausējuma kristāla struktūras izmaiņu shematiska diagramma novecošanas laikā

a attēls. Noslāpēts stāvoklis, vienfāzes α cietais šķīdums, vara atomi (melni punkti) ir vienmērīgi sadalīti;

B attēls. Novecošanās agrīnā stadijā veidojas GP zona;

c attēls. Novecošanās vēlīnā stadijā veidojas daļēji koherenta pārejas fāze;

D attēls. Augstas temperatūras novecošana, nekoherentas līdzsvara fāzes nogulsnēšanās

GP zona ir pirmais pirmsnogulsnēšanās produkts, kas parādās alumīnija sakausējumu novecošanas procesā. Pagarinot novecošanas laiku, īpaši palielinot novecošanas temperatūru, veidojas arī citas starpposma pārejas fāzes. Al-4Cu sakausējumā pēc GP zonas ir θ” un θ' fāzes, un visbeidzot tiek sasniegta līdzsvara fāze CuAl2. Gan θ”, gan θ' ir θ fāzes pārejas fāzes, un kristāla struktūra ir kvadrātveida režģis, bet režģa konstante ir atšķirīga. θ izmērs ir lielāks nekā GP zonai, joprojām diska formas, ar diametru aptuveni 15–40 nm un biezumu 0,8–2,0 nm. Tā turpina uzturēt koherentu saskarni ar matricu, bet režģa deformācijas pakāpe ir intensīvāka. Pārejot no θ” uz θ' fāzi, izmērs ir pieaudzis līdz 20–600 nm, biezums ir 10–15 nm, un arī koherentā saskarne ir daļēji iznīcināta, kļūstot par daļēji koherentu saskarni, kā parādīts c attēlā. Novecošanās nogulšņu gala produkts ir līdzsvara fāze θ (CuAl2), kurā koherentā saskarne ir pilnībā iznīcināta un kļūst par nekoherentu saskarni, kā parādīts d attēlā.

Saskaņā ar iepriekš minēto situāciju Al-Cu sakausējuma novecošanās nogulšņu secība ir αs→α+GP zona→α+θ”→α+θ'→α+θ. Novecošanās struktūras stadija ir atkarīga no sakausējuma sastāva un novecošanās specifikācijas. Bieži vien vienā stāvoklī ir vairāki novecošanās produkti. Jo augstāka ir novecošanās temperatūra, jo tuvāka ir līdzsvara struktūra.

Novecošanas procesā no matricas izgulsnētā GP zona un pārejas fāze ir maza izmēra, ļoti izkliedētas un grūti deformējamas. Vienlaikus tās rada matricas režģa deformāciju un veido sprieguma lauku, kas būtiski kavē dislokāciju kustību, tādējādi palielinot sakausējuma izturību pret plastisko deformāciju un uzlabojot tā izturību un cietību. Šo novecošanas sacietēšanas parādību sauc par nogulšņu sacietēšanu. Zemāk redzamajā attēlā līknes veidā ir parādīta Al-4Cu sakausējuma cietības izmaiņas rūdīšanas un novecošanas apstrādes laikā. Attēlā I posms attēlo sakausējuma cietību tā sākotnējā stāvoklī. Atšķirīgas karstās apstrādes vēstures dēļ sākotnējā stāvokļa cietība mainīsies, parasti HV = 30–80. Pēc karsēšanas 500 ℃ temperatūrā un rūdīšanas (II posms) visi vara atomi tiek izšķīdināti matricā, veidojot vienfāzes pārsātinātu α cieto šķīdumu ar HV = 60, kas ir divreiz cietāks nekā cietība atkvēlinātā stāvoklī (HV = 30). Tas ir cietā šķīduma stiprināšanas rezultāts. Pēc rūdīšanas to novieto istabas temperatūrā, un sakausējuma cietība nepārtraukti palielinās, pateicoties nepārtrauktai GP zonu veidošanās procesam (III posms). Šo novecošanās sacietēšanas procesu istabas temperatūrā sauc par dabisko novecošanu.

Es — sākotnējais stāvoklis;

II — cieta šķīduma stāvoklis;

III — dabiskā novecošanās (GP zona);

IVa — regresijas apstrāde 150–200 ℃ temperatūrā (atkārtoti izšķīdināta GP zonā);

IVb — mākslīgā novecošana (θ”+θ’ fāze);

V — pārnovecošanās (θ”+θ’ fāze)

IV posmā sakausējumu novecošanai karsē līdz 150°C, un sacietēšanas efekts ir acīmredzamāks nekā dabiskās novecošanas laikā. Šajā laikā nogulšņu produkts galvenokārt ir θ” fāze, kurai ir vislielākā stiprināšanas ietekme Al-Cu sakausējumos. Ja novecošanas temperatūra tiek vēl vairāk paaugstināta, nogulšņu fāze pāriet no θ” fāzes uz θ' fāzi, sacietēšanas efekts vājinās un cietība samazinās, nonākot V posmā. Jebkura novecošanas apstrāde, kurai nepieciešama mākslīga karsēšana, tiek saukta par mākslīgo novecošanu, un IV un V posms pieder šai kategorijai. Ja cietība sasniedz maksimālo cietības vērtību, ko sakausējums var sasniegt pēc novecošanas (t.i., IVb posms), šo novecošanu sauc par maksimālās cietības vērtību. Ja maksimālās cietības vērtība netiek sasniegta, to sauc par nepietiekamu novecošanu vai nepilnīgu mākslīgo novecošanu. Ja maksimālā vērtība tiek pārsniegta un cietība samazinās, to sauc par pārnovecošanu. Stabilizējošās novecošanas apstrāde arī pieder pie pārnovecošanas. Dabiskās novecošanas laikā izveidojusies GP zona ir ļoti nestabila. Strauji uzkarsējot līdz augstākai temperatūrai, piemēram, aptuveni 200 °C, un īsu brīdi turot siltumā, GP zona atkal izšķīst α cietajā šķīdumā. Ja to ātri atdzesē (rūdīt) pirms citu pārejas fāžu, piemēram, θ” vai θ’, nogulsnēšanās, sakausējumu var atjaunot sākotnējā rūdītajā stāvoklī. Šo parādību sauc par “regresiju”, kas ir cietības kritums, ko attēlā IVa posmā norāda punktētā līnija. Regresētajam alumīnija sakausējumam joprojām ir tāda pati novecošanās sacietēšanas spēja.

Novecošanas sacietēšana ir pamats termiski apstrādājamu alumīnija sakausējumu izstrādei, un to novecošanas sacietēšanas spēja ir tieši saistīta ar sakausējuma sastāvu un termiskās apstrādes sistēmu. Al-Si un Al-Mn binārajiem sakausējumiem nav nogulšņu sacietēšanas efekta, jo līdzsvara fāze tiek tieši nogulsnēta novecošanas procesā, un tie ir termiski neapstrādājami alumīnija sakausējumi. Lai gan Al-Mg sakausējumi var veidot GP zonas un pārejas fāzes β', tiem ir noteikta nogulšņu sacietēšanas spēja tikai sakausējumos ar augstu magnija saturu. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si un Al-Zn-Mg-Cu sakausējumiem ir spēcīga nogulšņu sacietēšanas spēja to GP zonās un pārejas fāzēs, un pašlaik tās ir galvenās sakausējumu sistēmas, kuras var termiski apstrādāt un stiprināt.

3.2 Dabiskā novecošanās

Parasti alumīnija sakausējumiem, kurus var stiprināt ar termisko apstrādi, pēc rūdīšanas ir dabiskas novecošanās efekts. Dabiskās novecošanās stiprināšanu izraisa GP zona. Dabiskā novecošana tiek plaši izmantota Al-Cu un Al-Cu-Mg sakausējumos. Al-Zn-Mg-Cu sakausējumu dabiskā novecošanās ir pārāk ilga, un bieži vien paiet vairāki mēneši, lai sasniegtu stabilu stadiju, tāpēc dabiskās novecošanas sistēma netiek izmantota.

Salīdzinot ar mākslīgo novecošanu, pēc dabiskās novecošanas sakausējuma tecēšanas robeža ir zemāka, bet plastiskums un izturība ir labāka, un izturība pret koroziju ir augstāka. Al-Zn-Mg-Cu sistēmas īpaši cietā alumīnija situācija nedaudz atšķiras. Korozijas izturība pēc mākslīgās novecošanas bieži vien ir labāka nekā pēc dabiskās novecošanas.

3.3 Mākslīgā novecošana

Pēc mākslīgās novecošanas apstrādes alumīnija sakausējumi bieži vien var iegūt visaugstāko tecēšanas robežu (galvenokārt pārejas fāzes stiprināšanu) un labāku organizatorisko stabilitāti. Īpaši cietais alumīnijs, kaltais alumīnijs un lietais alumīnijs galvenokārt tiek mākslīgi novecoti. Novecošanas temperatūrai un novecošanas laikam ir būtiska ietekme uz sakausējuma īpašībām. Novecošanas temperatūra pārsvarā ir no 120 līdz 190 ℃, un novecošanas laiks nepārsniedz 24 stundas.

Papildus vienpakāpes mākslīgajai novecošanai alumīnija sakausējumiem var izmantot arī pakāpenisku mākslīgās novecošanas sistēmu. Tas nozīmē, ka karsēšana tiek veikta divas vai vairākas reizes dažādās temperatūrās. Piemēram, LC4 sakausējumu var novecot 115–125 ℃ temperatūrā 2–4 stundas un pēc tam 160–170 ℃ temperatūrā 3–5 stundas. Pakāpeniska novecošana var ne tikai ievērojami saīsināt laiku, bet arī uzlabot Al-Zn-Mg un Al-Zn-Mg-Cu sakausējumu mikrostruktūru, kā arī ievērojami uzlabot sprieguma korozijas izturību, noguruma izturību un plaisāšanas izturību, būtiski nemazinot mehāniskās īpašības.