Упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов

Упрочнение алюминиевых сплавов возможно за счет закалки без полиморфного превращения при наличии в сплаве ограниченной растворимости легирующих элементов. Для получения эффекта закалки алюминиевые сплавы нагревают до температуры выше линии солидус. Выдержка должна быть такой, чтобы обеспечить полное растворение всех вторичных фаз. После закалки получается пересыщенный твердый раствор. Охлаждение должно вестись интенсивно. Пересыщенный твердый раствор является нестойким и в течение времени начинает распадаться. Процесс распада называется старением. Процесс распада твердого раствора можно разбить на 4 стадии:

1. В кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные легирующими элементами. Они представляют области дискообразной формы.

2. Зоны увеличиваются в 10 раз, а концентрация легирующих элементов становится такой же, как и в интерметаллидах. Эти зоны называются зонами Гинье-Престона (ГП).

3. На месте этих зон образуются θ’ – фазы. В зонах, обогащенных медью, образуется кристаллическая решетка промежуточная между твердым раствором и упрочняющей фазой.

4. Образуется θ – фаза.

Механические свойства в процессе старения на разных стадиях меняются по-разному. 1, 2 и 3 стадия сопровождается увеличением прочности, твердости и одновременным снижением пластичности. Это объясняется тем, что в процессе распада твердого раствора происходит искажение кристаллической решетки, т.е. сопротивление перемещению дислокаций увеличивается. На 4 стадии происходит отделение вторичной фазы от твердого раствора, появляется граница раздела. Искажение кристаллической решетки становится меньше, прочность и твердость падает. Поэтому 4 фазу называют перестариванием. Если требуются высокие прочность и твердость, то старение оканчивают на 3 стадии. Увеличение температуры старения не вызывает повышения твердости, а лишь ускоряет процесс распада твердого раствора.

Следует учитывать, что некоторые сплавы, особенно сложнолегированные, не достигают максимального упрочнения при естественном старении. Поэтому для получения оптимальных свойств требуется подбор оптимальных температур. Чрезмерное увеличение температуры старения вызывает коагуляцию вторичной фазы, т.е. увеличение ее размеров и одновременно уменьшение количества ее выделений. Чем выше температура, тем меньше твердость и прочность, тем ближе свойства к исходному отожженному состоянию. Чтобы снять эффект упрочнения от закалки необходимо применить отжиг с нагревом до температур, близких к температуре закалки, но с последующим медленным охлаждением. Такой отжиг называют отжигом на возврат.

Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов.

Для алюминиевых сплавов можно применять практически все виды т.м.о. Однако чаще всего применяют высокотемпературную т.м.о. и низкотемпературную т.м.о.

ВТМО.

Представляет собой сочетание упрочняющей термообработки и горячей пластической деформации. Горячая деформация проводится после нагрева под закалку, а резкое охлаждение проводится сразу после деформации. Деформация позволяет повысить прочность за счет увеличения плотности дефектов кристаллической решетки, т.е. за счет создания наклепа. Степень деформации должна быть такой, чтобы не вызвать начало рекристаллизации, т.е. при температуре деформации проходит только динамическая рекристаллизация. В результате в металле образуется сетка дислокаций, создающая ячеистую субзеренную структуру. Это позволяет не только повысить прочность, но и сохранить высокую пластичность и вязкость. Резкое охлаждение фиксирует эту структуру. Последующее старение ведет к распаду пересыщенного твердого раствора, а выделяющиеся частицы вторичных фаз располагаются вдоль сетки дислокаций, препятствуя их перемещению и способствуя увеличению прочности. Условием для успешного проведения нтмо является условие: Трек > Тзак. Если это условие не выполняется, то наклеп, образующийся при деформации, будет снят за счет рекристаллизации. В этом случае необходимо изменить схему процесса. Деформация проводится не сразу после нагрева, а после выдержки и небольшого подстуживания до температуры ниже температуры рекристаллизации. Технологически втмо проводят при горячей прокатке или горячем прессовании. В этом случае оборудование позволяет за небольшой промежуток времени продеформировать металл с достаточно большой величиной деформации. И сразу после этого есть возможность быстрого охлаждения. Впервые втмо была обнаружена случайно при горячем прессовании сплавов системы Al– Mg– Si. В настоящее время применяют структурное упрочнение. Способствует появлению пресс – эффекта гомогенизация сплавов, а так же введение труднорастворимых легирующих элементов (Ti, Zr, Sc).

НТМО.

При нтмо холодная деформация проводится сразу после закалки до начала старения. Закаленный сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. И несмотря на увеличение прочности сохраняет высокую пластичность, поэтому после закалки его можно подвергать холодному деформированию со степенью 15-20%. Возникающий наклеп позволяет увеличить прочность за счет увеличения дефектов кристаллического строения. При последующем старении выделение вторичных фаз блокирует дефекты , увеличивая сопротивление деформации, повышая тем самым прочность. Холодная деформация проводится как на прокатном стане, так и растяжением. Растяжение позволяет одновременно выправить искажение формы полуфабрикатов, полученную при закалке.

Сплавы алюминия.

Алюминий производится как химически чистый, так и технически чистый.

Химически чистый обозначается А. Далее идут цифры, показывающие его чистоту

Технически чистый алюминий маркируется А. Далее идет цифра, показывающая содержание алюминия.

Деформируемый алюминий.

АД

Основными легирующими элементами, которые вводят в состав сплава, являются Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Li. Их количество может изменяться от 0,5 до 12%. Кроме этих элементов в качестве микродобавок могут вводить Ti, Cr, Fe, Zr, Sc. В качестве маркировки используют 3 схемы:

1. Деформируемый алюминий.

АМц(N) – Al – Mn.

АМg (N) – Al – Mg.

АВ, АД– Al – Mg – Si.

Д1, Д16 – Al – Cu – Mg.

Литейный алюминий.

АЛ (N).

2. Цифровая схема для деформируемых сплавов.

Всего 4 цифры:

1 цифра – основа (Al– 1)

2 цифра – система легирования (0 – чистый алюминий, 1 – Al– Cu– Mg, 2 – Al– Cu– Mn, 3 – Al– Mg– Si, 4 – Al– Mg, 5 – Al– Mg, 9 – Al– Zn– Mg).

3 и 4 цифра – номер сплава.

3. Литейные сплавы.

Аналогична маркировке стали.

А – Al(основа).

2 место – легирующие элементы:

К – Si, М – Cu, Мг – Mg, Мц – Mn, Н – Ni, Ц – Zn.

После каждой буквы, соответствующей легирующему элементу, стоит цифра, показывающая его содержание в целых процентах. Если цифры нет, то количество легирующего элемента равно 1%.

В зависимости от технологии производства выпускаются полуфабрикаты из алюминиевых сплавов после различных вариантов термообработки. В этом случае к основной маркировке в конце добавляются буквы и цифры, показывающие состояние поставки:

А – плакировка.

Б – технологическая плакировка.

М – отожженный.

П – полунагартованный.

Н – нагартованный.

Т – твердый (закалка + естественное старение).

Т1 – закалка + искусственное старение.

ТН – закаленный, нагартованный и естественно состаренный.

Т1Н – закаленный, нагартованный и искусственно состаренный.

Т1Н1 – закаленный, усиленно нагартован и искусственно состаренный.