Basistypen warmtebehandeling van aluminiumlegeringen

Gloeien, afschrikken en verouderen zijn de basistypen warmtebehandeling van aluminiumlegeringen. Gloeien is een verzachtingsbehandeling die tot doel heeft de legering uniform en stabiel van samenstelling en structuur te maken, verharding te voorkomen en de plasticiteit van de legering te herstellen. Afschrikken en verouderen is een versterkende warmtebehandeling die tot doel heeft de sterkte van de legering te verbeteren en wordt voornamelijk gebruikt voor aluminiumlegeringen die door warmtebehandeling kunnen worden versterkt.

1 Gloeien

Afhankelijk van de verschillende productievereisten wordt het gloeien van aluminiumlegeringen onderverdeeld in verschillende vormen: gloeien van staafhomogenisatie, gloeien van staafjes, tussentijds gloeien en gloeien van eindproducten.

1.1 Ingot homogenisatie gloeien

Onder de omstandigheden van snelle condensatie en niet-evenwichtskristallisatie moet de ingot een ongelijkmatige samenstelling en structuur hebben, en ook een grote interne spanning. Om deze situatie te veranderen en de warmverwerkbaarheid van de ingot te verbeteren, is homogenisatiegloeien doorgaans vereist.

Om atomaire diffusie te bevorderen, moet een hogere temperatuur worden gekozen voor homogeniserend gloeien, maar deze mag het eutectische smeltpunt van de legering niet overschrijden. Over het algemeen ligt de homogeniserende gloeitemperatuur 5 tot 40 °C lager dan het smeltpunt en bedraagt ​​de gloeitijd meestal 12 tot 24 uur.

1.2 Billet gloeien

Billetgloeien verwijst naar het gloeien vóór de eerste koude vervorming tijdens de drukverwerking. Het doel is om de billet een evenwichtige structuur te geven en de maximale plastische vervormingscapaciteit te bieden. De eindtemperatuur van het walsen van de warmgewalste aluminiumlegeringsplaat is bijvoorbeeld 280 tot 330 °C. Na snelle afkoeling tot kamertemperatuur kan het fenomeen van verharding niet volledig worden geëlimineerd. Met name voor warmtebehandelde, versterkte aluminiumlegeringen is na snelle afkoeling het herkristallisatieproces nog niet voltooid en is de oververzadigde vaste oplossing nog niet volledig ontbonden, waardoor een deel van de verharding en het afschrikeffect nog steeds behouden blijft. Het is moeilijk om direct koud te walsen zonder te gloeien, daarom is billetgloeien vereist. Voor niet-warmtebehandelde, versterkte aluminiumlegeringen, zoals LF3, is de gloeitemperatuur 370 tot 470 °C en wordt luchtkoeling uitgevoerd na warmhouden gedurende 1,5 tot 2,5 uur. De staaf- en gloeitemperatuur die voor de verwerking van koudgetrokken buizen worden gebruikt, moeten een geschikte hogere waarde hebben en de bovengrenstemperatuur kan worden gekozen. Voor aluminiumlegeringen die door warmtebehandeling kunnen worden versterkt, zoals LY11 en LY12, bedraagt ​​de gloeitemperatuur van de staaf 390 tot 450 °C. Deze temperatuur wordt 1 tot 3 uur gehandhaafd en vervolgens in de oven afgekoeld tot onder de 270 °C met een snelheid van maximaal 30 °C/uur. Vervolgens wordt de staaf uit de oven met lucht gekoeld.

1.3 Tussentijds gloeien

Tussengloeien verwijst naar gloeien tussen koudvervormingsprocessen, met als doel het voorkomen van verharding van het materiaal om verdere koudvervorming mogelijk te maken. Over het algemeen zal het na het gloeien moeilijk zijn om door te gaan met koudverwerken zonder tussengloeien, nadat het materiaal 45-85% koudvervorming heeft ondergaan.

Het processysteem van tussentijds gloeien is in principe hetzelfde als dat van billetgloeien. Afhankelijk van de eisen aan de koude vervormingsgraad kan tussentijds gloeien worden onderverdeeld in drie typen: volledig gloeien (totale vervorming ε≈60-70%), eenvoudig gloeien (ε≤50%) en licht gloeien (ε≈30-40%). De eerste twee gloeisystemen zijn hetzelfde als billetgloeien; het laatste wordt gedurende 1,5-2 uur verhit tot 320-350 °C en vervolgens aan de lucht gekoeld.

1.4. Gloeien van eindproducten

Gloeien van eindproduct is de laatste warmtebehandeling die het materiaal bepaalde organisatorische en mechanische eigenschappen geeft, overeenkomstig de technische vereisten van het product.

Gloeien van eindproducten kan worden onderverdeeld in gloeien bij hoge temperatuur (productie van zachte producten) en gloeien bij lage temperatuur (productie van halfharde producten in verschillende toestanden). Gloeien bij hoge temperatuur moet ervoor zorgen dat een volledige rekristallisatiestructuur en goede plasticiteit worden verkregen. Om ervoor te zorgen dat het materiaal een goede structuur en prestaties verkrijgt, mag de houdtijd niet te lang zijn. Voor aluminiumlegeringen die door warmtebehandeling kunnen worden versterkt, moet de koelsnelheid strikt worden gecontroleerd om het effect van afschrikken door luchtkoeling te voorkomen.

Laagtemperatuurgloeien omvat spanningsarmgloeien en gedeeltelijk zachtgloeien, die voornamelijk worden toegepast voor zuiver aluminium en niet-warmtebehandelde versterkte aluminiumlegeringen. Het formuleren van een laagtemperatuurgloeiend systeem is een zeer complexe taak, waarbij niet alleen rekening moet worden gehouden met de gloeitemperatuur en de houdtijd, maar ook met de invloed van onzuiverheden, de legeringsgraad, de koude vervorming, de tussenliggende gloeitemperatuur en de warme vervormingstemperatuur. Om een ​​laagtemperatuurgloeiend systeem te formuleren, is het noodzakelijk om de veranderingscurve tussen de gloeitemperatuur en de mechanische eigenschappen te meten en vervolgens het gloeitemperatuurbereik te bepalen op basis van de prestatie-indicatoren die in de technische voorwaarden zijn gespecificeerd.

2 Blussen

Het afschrikken van aluminiumlegering wordt ook wel oplossingsbehandeling genoemd. Hierbij worden zoveel mogelijk legeringselementen uit het metaal als tweede fase in de vaste oplossing opgelost door verhitting op hoge temperatuur, gevolgd door snelle afkoeling om het neerslaan van de tweede fase te voorkomen. Zo ontstaat een oververzadigde α-vaste oplossing op basis van aluminium, die goed voorbereid is voor de volgende verouderingsbehandeling.

Het uitgangspunt voor het verkrijgen van een oververzadigde α-oplossing is dat de oplosbaarheid van de tweede fase in de legering in aluminium aanzienlijk moet toenemen met de temperatuurstijging, anders kan het doel van de behandeling met een vaste oplossing niet worden bereikt. De meeste legeringselementen in aluminium kunnen een eutectisch fasediagram met deze eigenschap vormen. Neem bijvoorbeeld een Al-Cu-legering: de eutectische temperatuur is 548 °C en de oplosbaarheid van koper in aluminium bij kamertemperatuur is minder dan 0,1%. Bij verhitting tot 548 °C neemt de oplosbaarheid toe tot 5,6%. Daarom komen Al-Cu-legeringen met minder dan 5,6% koper in het α-gebied terecht nadat de verhittingstemperatuur de solvuslijn overschrijdt. Dit betekent dat de CuAl2-oplossing van de tweede fase volledig in de matrix is ​​opgelost en na afschrikken een enkele oververzadigde α-oplossing kan worden verkregen.

Afschrikken is de belangrijkste en meest veeleisende warmtebehandeling voor aluminiumlegeringen. De sleutel is het selecteren van de juiste verwarmingstemperatuur voor het afschrikken en het garanderen van voldoende afkoelsnelheid, en het strikt controleren van de oventemperatuur om afschrikvervorming te minimaliseren.

Het principe van het selecteren van de blustemperatuur is om de blustemperatuur zo hoog mogelijk te maken, terwijl ervoor wordt gezorgd dat de aluminiumlegering niet oververbrandt of de korrels overmatig groeien. Dit verhoogt de oververzadiging van de α-oplossing en de sterkte na de veroudering. Over het algemeen vereist de oven voor het verwarmen van aluminiumlegeringen een nauwkeurigheid van de oventemperatuurregeling binnen ±3 °C, en wordt de lucht in de oven gedwongen te circuleren om een ​​gelijkmatige oventemperatuur te garanderen.

Oververbranden van aluminiumlegeringen wordt veroorzaakt door het gedeeltelijk smelten van componenten met een laag smeltpunt in het metaal, zoals binaire of multi-element eutectica. Oververbranden leidt niet alleen tot een afname van de mechanische eigenschappen, maar heeft ook een ernstige impact op de corrosiebestendigheid van de legering. Als een aluminiumlegering eenmaal oververbrand is, kan dit niet meer worden geëlimineerd en moet het legeringsproduct worden afgedankt. De werkelijke oververbrandingstemperatuur van aluminiumlegeringen wordt voornamelijk bepaald door de samenstelling van de legering en het gehalte aan onzuiverheden, en is ook gerelateerd aan de verwerkingstoestand van de legering. De oververbrandingstemperatuur van producten die een plastische vervorming hebben ondergaan, is hoger dan die van gietstukken. Hoe intensiever de vervorming, hoe gemakkelijker het is voor componenten met een laag smeltpunt die niet in evenwicht zijn, om op te lossen in de matrix bij verhitting, waardoor de werkelijke oververbrandingstemperatuur toeneemt.

De afkoelsnelheid tijdens het afschrikken van aluminiumlegeringen heeft een aanzienlijke invloed op de verouderingsbestendigheid en corrosiebestendigheid van de legering. Tijdens het afschrikproces van LY12 en LC4 is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat de α-oplossing niet ontbindt, met name in het temperatuurgevoelige gebied van 290 tot 420 °C. Een voldoende hoge afkoelsnelheid is vereist. Doorgaans wordt een afkoelsnelheid van meer dan 50 °C/s voorgeschreven, en voor LC4-legeringen een afkoelsnelheid van 170 °C/s of hoger.

Het meest gebruikte blusmiddel voor aluminiumlegeringen is water. Productiepraktijken tonen aan dat hoe hoger de afkoelsnelheid tijdens het afschrikken, hoe groter de restspanning en restvervorming van het afgeschrikte materiaal of werkstuk. Daarom kan de watertemperatuur voor kleine werkstukken met eenvoudige vormen iets lager zijn, doorgaans 10 tot 30 °C, en mag deze niet hoger zijn dan 40 °C. Voor werkstukken met complexe vormen en grote wanddikteverschillen kan de watertemperatuur soms worden verhoogd tot 80 °C om vervorming en scheurvorming tijdens het afschrikken te verminderen. Er moet echter op worden gewezen dat naarmate de watertemperatuur van de blustank stijgt, de sterkte en corrosiebestendigheid van het materiaal ook dienovereenkomstig afnemen.

3. Veroudering

3.1 Organisatorische transformatie en prestatieveranderingen tijdens veroudering

De oververzadigde α-oplossing die door afschrikken wordt verkregen, heeft een onstabiele structuur. Bij verhitting zal deze ontbinden en transformeren tot een evenwichtsstructuur. Neem bijvoorbeeld de Al-4Cu-legering, de evenwichtsstructuur zou α+CuAl2 (θ-fase) moeten zijn. Wanneer de eenfase oververzadigde α-oplossing na afschrikken wordt verhit voor veroudering, zal de θ-fase direct neerslaan als de temperatuur hoog genoeg is. Anders zal dit in fasen gebeuren, dat wil zeggen dat na enkele tussenliggende overgangsfasen de uiteindelijke evenwichtsfase CuAl2 kan worden bereikt. De onderstaande afbeelding illustreert de kristalstructuurkenmerken van elke precipitatiefase tijdens het verouderingsproces van de Al-Cu-legering. Afbeelding a. toont de kristalroosterstructuur in de afgeschrikte toestand. Op dit moment is het een eenfase α-oververzadigde oplossing, en zijn de koperatomen (zwarte stippen) gelijkmatig en willekeurig verdeeld in het aluminiummatrixrooster (witte stippen). Afbeelding b. toont de roosterstructuur in de vroege fase van de precipitatie. Koperatomen beginnen zich te concentreren in bepaalde gebieden van het matrixrooster om een ​​Guinier-Preston-gebied te vormen, het GP-gebied genoemd. De GP-zone is extreem klein en schijfvormig, met een diameter van ongeveer 5~10 μm en een dikte van 0,4~0,6 nm. Het aantal GP-zones in de matrix is ​​extreem groot en de distributiedichtheid kan 10¹⁷~10¹⁸cm-³ bereiken. De kristalstructuur van de GP-zone is nog steeds hetzelfde als die van de matrix; beide zijn vlakgecentreerd kubisch en behouden een coherente interface met de matrix. Omdat de grootte van koperatomen echter kleiner is dan die van aluminiumatomen, zal de verrijking van koperatomen ervoor zorgen dat het kristalrooster in de buurt van dit gebied krimpt, wat roostervervorming veroorzaakt.

Schematisch diagram van de kristalstructuurveranderingen van Al-Cu-legering tijdens veroudering

Figuur a. Gebluste toestand, een eenfase α-vaste oplossing, koperatomen (zwarte stippen) zijn gelijkmatig verdeeld;

Figuur b. In het vroege stadium van veroudering wordt de GP-zone gevormd;

Figuur c. In de late fase van veroudering wordt een semi-coherente overgangsfase gevormd;

Figuur d. Veroudering bij hoge temperatuur, neerslag van een incoherente evenwichtsfase

De GP-zone is het eerste preprecipitatieproduct dat ontstaat tijdens het verouderingsproces van aluminiumlegeringen. Door de verouderingstijd te verlengen, met name door de verouderingstemperatuur te verhogen, ontstaan ​​er ook andere tussenliggende overgangsfasen. In de Al-4Cu-legering zijn er θ”- en θ'-fasen na de GP-zone, en uiteindelijk wordt de evenwichtsfase CuAl2 bereikt. θ” en θ' zijn beide overgangsfasen van de θ-fase, en de kristalstructuur is een vierkant rooster, maar de roosterconstante is anders. De grootte van θ is groter dan die van de GP-zone, nog steeds schijfvormig, met een diameter van ongeveer 15-40 nm en een dikte van 0,8-2,0 nm. De zone behoudt een coherente interface met de matrix, maar de mate van roostervervorming is intenser. Bij de overgang van de θ"- naar de θ'-fase is de grootte toegenomen tot 20~600 nm, de dikte is 10~15 nm en ook de coherente interface is gedeeltelijk vernietigd en verandert in een semi-coherente interface, zoals weergegeven in figuur c. Het eindproduct van de verouderingsprecipitatie is de evenwichtsfase θ (CuAl2), waarbij de coherente interface volledig is vernietigd en een niet-coherente interface wordt, zoals weergegeven in figuur d.

Volgens de bovenstaande situatie is de volgorde van de neerslagvorming van de Al-Cu-legering tijdens de veroudering: αs→α+GP-zone→α+θ”→α+θ'→α+θ. De fase van de verouderingsstructuur hangt af van de samenstelling van de legering en de verouderingsspecificatie. Vaak bevinden zich meerdere verouderingsproducten in dezelfde toestand. Hoe hoger de verouderingstemperatuur, hoe dichter bij de evenwichtsstructuur.

Tijdens het verouderingsproces zijn de GP-zone en de overgangsfase die uit de matrix neerslaan klein van formaat, sterk verspreid en moeilijk te vervormen. Tegelijkertijd veroorzaken ze roostervervorming in de matrix en vormen ze een spanningsveld, wat een aanzienlijk belemmerend effect heeft op de beweging van dislocaties, waardoor de weerstand tegen plastische vervorming van de legering toeneemt en de sterkte en hardheid verbeteren. Dit fenomeen van verouderingsverharding wordt precipitatieverharding genoemd. De onderstaande afbeelding illustreert de hardheidsverandering van de Al-4Cu-legering tijdens het afschrikken en de verouderingsbehandeling in de vorm van een curve. Fase I in de afbeelding geeft de hardheid van de legering in de oorspronkelijke toestand weer. Door verschillende warmbewerkingsgeschiedenissen zal de hardheid in de oorspronkelijke toestand variëren, over het algemeen HV = 30~80. Na verhitting tot 500 °C en afschrikken (fase II) lossen alle koperatomen op in de matrix om een ​​eenfasige oververzadigde α-vaste oplossing te vormen met HV=60. Deze oplossing is twee keer zo hard als de hardheid in de gegloeide toestand (HV=30). Dit is het resultaat van de versterking van de vaste oplossing. Na het afschrikken wordt het materiaal op kamertemperatuur geplaatst en neemt de hardheid van de legering continu toe door de continue vorming van GP-zones (fase III). Dit proces van veroudering bij kamertemperatuur wordt natuurlijke veroudering genoemd.

Ik—oorspronkelijke staat;

II—vaste oplossingstoestand;

III—natuurlijke veroudering (GP-zone);

IVa—regressiebehandeling bij 150~200℃ (opnieuw opgelost in GP-zone);

IVb—kunstmatige veroudering (θ”+θ' fase);

V—overaging (θ”+θ' fase)

In fase IV wordt de legering verhit tot 150 °C voor veroudering, waarbij het verhardingseffect duidelijker is dan bij natuurlijke veroudering. Op dit moment is het neerslagproduct voornamelijk de θ"-fase, die het grootste versterkende effect heeft in Al-Cu-legeringen. Als de verouderingstemperatuur verder wordt verhoogd, gaat de neerslagfase over van de θ"-fase naar de θ'-fase, neemt het verhardingseffect af en neemt de hardheid af, tot fase V. Elke verouderingsbehandeling die kunstmatige verhitting vereist, wordt kunstmatige veroudering genoemd, en fase IV en V behoren tot deze categorie. Als de hardheid de maximale hardheidswaarde bereikt die de legering na veroudering kan bereiken (d.w.z. fase IVb), wordt deze veroudering piekveroudering genoemd. Als de piekhardheidswaarde niet wordt bereikt, wordt dit onderveroudering of onvolledige kunstmatige veroudering genoemd. Als de piekwaarde wordt overschreden en de hardheid afneemt, wordt dit oververoudering genoemd. Stabilisatieveroudering valt ook onder oververoudering. De GP-zone die tijdens natuurlijke veroudering wordt gevormd, is zeer instabiel. Bij snelle verhitting tot een hogere temperatuur, bijvoorbeeld ongeveer 200 °C, en korte tijd warm houden, lost de GP-zone weer op in de vaste α-oplossing. Door deze snel af te koelen (af te koelen) vóór andere overgangsfasen, zoals θ" of θ', kan de legering worden hersteld naar de oorspronkelijke afgekoelde toestand. Dit fenomeen wordt "regressie" genoemd, de hardheidsdaling die wordt aangegeven door de stippellijn in fase IVa in de afbeelding. De aluminiumlegering die is geregresseerd, behoudt hetzelfde vermogen tot verouderingsharding.

Verouderingsharding vormt de basis voor de ontwikkeling van warmtebehandelbare aluminiumlegeringen. Het vermogen tot veroudering is direct gerelateerd aan de samenstelling van de legering en het warmtebehandelingssysteem. Binaire Al-Si- en Al-Mn-legeringen hebben geen precipitatiehardend effect omdat de evenwichtsfase direct wordt neergeslagen tijdens het verouderingsproces, en zijn niet-warmtebehandelbare aluminiumlegeringen. Hoewel Al-Mg-legeringen GP-zones en overgangsfasen β' kunnen vormen, hebben ze alleen een beperkt precipitatiehardend vermogen in legeringen met een hoog magnesiumgehalte. Al-Cu-, Al-Cu-Mg-, Al-Mg-Si- en Al-Zn-Mg-Cu-legeringen hebben een sterk precipitatiehardend vermogen in hun GP-zones en overgangsfasen en zijn momenteel de belangrijkste legeringssystemen die warmtebehandelbaar en versterkt kunnen worden.

3.2 Natuurlijke veroudering

Aluminiumlegeringen die door warmtebehandeling kunnen worden versterkt, hebben over het algemeen een natuurlijk verouderingseffect na het afschrikken. Natuurlijke veroudering wordt veroorzaakt door de GP-zone. Natuurlijke veroudering wordt veel gebruikt in Al-Cu- en Al-Cu-Mg-legeringen. De natuurlijke veroudering van Al-Zn-Mg-Cu-legeringen duurt te lang en het duurt vaak enkele maanden voordat een stabiele fase is bereikt, dus het natuurlijke verouderingssysteem wordt niet gebruikt.

Vergeleken met kunstmatige veroudering is de vloeigrens van de legering na natuurlijke veroudering lager, maar de plasticiteit en taaiheid zijn beter en de corrosiebestendigheid hoger. De situatie bij superhard aluminium met een Al-Zn-Mg-Cu-systeem is iets anders. De corrosiebestendigheid na kunstmatige veroudering is vaak beter dan na natuurlijke veroudering.

3.3 Kunstmatige veroudering

Na kunstmatige veroudering kunnen aluminiumlegeringen vaak de hoogste vloeigrens (vooral versterking van de overgangsfase) en een betere organisatorische stabiliteit bereiken. Superhard aluminium, gesmeed aluminium en gegoten aluminium worden voornamelijk kunstmatig verouderd. De verouderingstemperatuur en -tijd hebben een belangrijke invloed op de eigenschappen van de legering. De verouderingstemperatuur ligt meestal tussen 120 en 190 °C en de verouderingstijd bedraagt ​​maximaal 24 uur.

Naast enkelvoudige kunstmatige veroudering kunnen aluminiumlegeringen ook een gegradeerd kunstmatig verouderingssysteem toepassen. Dit houdt in dat de verhitting twee of meer keer wordt uitgevoerd bij verschillende temperaturen. Zo kan LC4-legering 2 tot 4 uur worden verouderd bij 115 tot 125 °C en vervolgens 3 tot 5 uur bij 160 tot 170 °C. Geleidelijke veroudering kan niet alleen de tijd aanzienlijk verkorten, maar ook de microstructuur van Al-Zn-Mg- en Al-Zn-Mg-Cu-legeringen verbeteren en de spanningscorrosieweerstand, vermoeiingssterkte en breuktaaiheid aanzienlijk verbeteren zonder de mechanische eigenschappen te beïnvloeden.