Gløding, bråkjøling og aldring er de grunnleggende varmebehandlingstypene for aluminiumslegeringer. Gløding er en mykgjørende behandling, som har som formål å gjøre legeringen jevn og stabil i sammensetning og struktur, eliminere deformasjonsherding og gjenopprette legeringens plastisitet. Bråkjøling og aldring er en forsterkende varmebehandling, som har som formål å forbedre legeringens styrke, og brukes hovedsakelig for aluminiumslegeringer som kan forsterkes ved varmebehandling.
1 Gløding
I henhold til ulike produksjonskrav er gløding av aluminiumslegering delt inn i flere former: homogeniseringsgløding av ingoter, billetgløding, mellomgløding og gløding av ferdig produkt.
1.1 Gløding av homogenisering av ingoter
Under forhold med rask kondensasjon og ikke-likevektskrystallisering må barren ha ujevn sammensetning og struktur, og også ha stor indre spenning. For å endre denne situasjonen og forbedre varmbearbeidingsevnen til barren, er homogeniseringsgløding vanligvis nødvendig.
For å fremme atomdiffusjon bør en høyere temperatur velges for homogeniseringsgløding, men den må ikke overstige legeringens eutektiske smeltepunkt med lavt smeltepunkt. Vanligvis er homogeniseringsglødingstemperaturen 5~40 ℃ lavere enn smeltepunktet, og glødetiden er vanligvis mellom 12~24 timer.
1.2 Billetgløding
Billetgløding refererer til gløding før den første kalde deformasjonen under trykkbehandlingen. Formålet er å gi billetten en balansert struktur og maksimal plastisk deformasjonskapasitet. For eksempel er valsetemperaturen til den varmvalsede aluminiumslegeringsplaten 280~330 ℃. Etter rask avkjøling ved romtemperatur kan ikke deformasjonsherdingsfenomenet elimineres fullstendig. Spesielt for varmebehandlede, herdede aluminiumslegeringer er ikke omkrystalliseringsprosessen fullført etter rask avkjøling, og den overmettede faste løsningen er ikke fullstendig dekomponert, og en del av deformasjonsherdings- og bråkjølingseffekten beholdes fortsatt. Det er vanskelig å kaldvalse direkte uten gløding, så billetgløding er nødvendig. For ikke-varmebehandlede, herdede aluminiumslegeringer, som LF3, er glødetemperaturen 370~470 ℃, og luftkjøling utføres etter 1,5~2,5 timer. Billet- og glødetemperaturen som brukes for kaldtrukne rørbehandlinger, bør være passende høyere, og den øvre grensetemperaturen kan velges. For aluminiumslegeringer som kan forsterkes ved varmebehandling, som LY11 og LY12, er glødetemperaturen for billetten 390~450℃, som holdes ved denne temperaturen i 1~3 timer, deretter avkjøles i ovnen til under 270℃ med en hastighet på ikke mer enn 30℃/t og deretter luftkjøles ut av ovnen.
1.3 Mellomgløding
Mellomgløding refererer til gløding mellom kalde deformasjonsprosesser, der formålet er å eliminere deformasjonsherding for å legge til rette for fortsatt kalddeformasjon. Generelt sett vil det være vanskelig å fortsette kaldbearbeiding uten mellomgløding etter at materialet er glødet, etter å ha gjennomgått 45~85 % kalddeformasjon.
Prosesssystemet for mellomgløding er i utgangspunktet det samme som for billetgløding. I henhold til kravene til kalddeformasjonsgrad kan mellomgløding deles inn i tre typer: fullstendig gløding (total deformasjon ε≈60~70%), enkel gløding (ε≤50%) og lett gløding (ε≈30~40%). De to første glødesystemene er de samme som billetgløding, og sistnevnte varmes opp til 320~350℃ i 1,5~2 timer og luftkjøles deretter.
1.4. Gløding av ferdig produkt
Gløding av ferdig produkt er den endelige varmebehandlingen som gir materialet visse organisatoriske og mekaniske egenskaper i henhold til kravene i produktets tekniske forhold.
Gløding av ferdige produkter kan deles inn i høytemperaturgløding (produksjon av myke produkter) og lavtemperaturgløding (produksjon av halvharde produkter i forskjellige tilstander). Høytemperaturgløding bør sikre at man oppnår en fullstendig omkrystalliseringsstruktur og god plastisitet. Under forutsetning av at materialet oppnår god struktur og ytelse, bør ikke holdetiden være for lang. For aluminiumlegeringer som kan forsterkes ved varmebehandling, bør kjølehastigheten kontrolleres strengt for å forhindre luftkjølings- og slukkeeffekten.
Lavtemperaturgløding inkluderer spenningsavlastningsgløding og delvis mykgjøringsgløding, som hovedsakelig brukes for rent aluminium og ikke-varmebehandlede forsterkede aluminiumslegeringer. Å formulere et lavtemperaturglødesystem er en svært komplisert oppgave, som ikke bare må ta hensyn til glødetemperaturen og holdetiden, men også påvirkningen av urenheter, legeringsgrad, kalddeformasjon, mellomglødetemperatur og varmdeformasjonstemperatur. For å formulere et lavtemperaturglødesystem er det nødvendig å måle endringskurven mellom glødetemperatur og mekaniske egenskaper, og deretter bestemme glødetemperaturområdet i henhold til ytelsesindikatorene spesifisert i de tekniske betingelsene.
2 Slokking
Bråkjøling av aluminiumslegering kalles også løsningsbehandling, som går ut på å løse opp så mange legeringselementer i metallet som mulig som en andre fase i den faste løsningen gjennom høytemperaturoppvarming, etterfulgt av rask avkjøling for å hemme utfellingen av den andre fasen, og dermed oppnå en overmettet aluminiumbasert α-fast løsning, som er godt forberedt for neste aldringsbehandling.
Forutsetningen for å oppnå en overmettet α-fast løsning er at løseligheten til den andre fasen i legeringen i aluminium bør øke betydelig med økende temperatur, ellers kan ikke formålet med behandlingen av den faste løsningen oppnås. De fleste legeringselementene i aluminium kan danne et eutektisk fasediagram med denne egenskapen. Hvis man tar Al-Cu-legering som et eksempel, er den eutektiske temperaturen 548 ℃, og løseligheten til kobber i aluminium ved romtemperatur er mindre enn 0,1 %. Ved oppvarming til 548 ℃ øker løseligheten til 5,6 %. Derfor går Al-Cu-legeringer som inneholder mindre enn 5,6 % kobber inn i α-enfaseområdet etter at oppvarmingstemperaturen overstiger solvuslinjen, det vil si at den andre fasen CuAl2 er fullstendig oppløst i matrisen, og en enkelt overmettet α-fast løsning kan oppnås etter bråkjøling.
Bråkjøling er den viktigste og mest krevende varmebehandlingsoperasjonen for aluminiumslegeringer. Nøkkelen er å velge riktig bråkjølingstemperatur og sikre tilstrekkelig kjølehastighet, og å kontrollere ovnstemperaturen strengt for å redusere bråkjølingsdeformasjonen.
Prinsippet for valg av bråkjølingstemperatur er å øke bråkjølingsoppvarmingstemperaturen så mye som mulig, samtidig som man sikrer at aluminiumslegeringen ikke overbrenner eller at kornene vokser for mye, for å øke overmetningen av den α-faste løsningen og styrken etter aldringsbehandling. Generelt krever en varmeovn for aluminiumslegering at ovnens temperaturkontrollnøyaktighet er innenfor ±3 ℃, og luften i ovnen tvinges til å sirkulere for å sikre ensartet ovnstemperatur.
Overbrenning av aluminiumslegering forårsakes av delvis smelting av lavtsmeltende komponenter inne i metallet, for eksempel binære eller flerelementeutektiske materialer. Overbrenning forårsaker ikke bare reduksjon av mekaniske egenskaper, men har også en alvorlig innvirkning på legeringens korrosjonsmotstand. Derfor, når en aluminiumslegering først er overbrent, kan den ikke fjernes, og legeringsproduktet bør kasseres. Den faktiske overbrenningstemperaturen til aluminiumslegering bestemmes hovedsakelig av legeringens sammensetning og urenhetsinnhold, og er også relatert til legeringens prosesseringstilstand. Overbrenningstemperaturen til produkter som har gjennomgått plastisk deformasjonsbehandling er høyere enn for støpegods. Jo større deformasjonsbehandlingen er, desto lettere er det for ikke-likevekts lavtsmeltende komponenter å løse seg opp i matrisen når de varmes opp, slik at den faktiske overbrenningstemperaturen øker.
Avkjølingshastigheten under bråkjøling av aluminiumslegering har en betydelig innvirkning på legeringens aldringsherdende evne og korrosjonsmotstand. Under bråkjølingsprosessen for LY12 og LC4 er det nødvendig å sikre at den α-faste løsningen ikke dekomponerer, spesielt i det temperaturfølsomme området 290~420 ℃, og en tilstrekkelig stor avkjølingshastighet er nødvendig. Det er vanligvis fastsatt at avkjølingshastigheten skal være over 50 ℃/s, og for LC4-legering bør den nå eller overstige 170 ℃/s.
Det mest brukte bråkjølingsmediet for aluminiumslegeringer er vann. Produksjonspraksis viser at jo høyere kjølehastigheten under bråkjølingen er, desto større er restspenningen og restdeformasjonen av det bråkjølte materialet eller arbeidsstykket. Derfor kan vanntemperaturen for små arbeidsstykker med enkle former være litt lavere, vanligvis 10~30 ℃, og bør ikke overstige 40 ℃. For arbeidsstykker med komplekse former og store forskjeller i veggtykkelse, kan vanntemperaturen noen ganger økes til 80 ℃ for å redusere bråkjølingsdeformasjon og sprekkdannelser. Det må imidlertid påpekes at når vanntemperaturen i bråkjølingstanken øker, reduseres også materialets styrke og korrosjonsmotstand tilsvarende.
3. Aldring
3.1 Organisasjonstransformasjon og ytelsesendringer under aldring
Den overmettede α-faste løsningen som oppnås ved bråkjøling har en ustabil struktur. Når den varmes opp, vil den dekomponere og omdannes til en likevektsstruktur. Hvis vi tar Al-4Cu-legeringen som et eksempel, bør likevektsstrukturen være α+CuAl2 (θ-fase). Når den enfase overmettede α-faste løsningen varmes opp for aldring etter bråkjøling, vil θ-fasen utfelles direkte hvis temperaturen er høy nok. Ellers vil det utføres i trinn, det vil si at etter noen mellomliggende overgangstrinn kan den endelige likevektsfasen CuAl2 nås. Figuren nedenfor illustrerer krystallstrukturegenskapene til hvert utfellingstrinn under aldringsprosessen til Al-Cu-legeringen. Figur a. er krystallgitterstrukturen i bråkjølt tilstand. På dette tidspunktet er det en enfase α-overmettet fast løsning, og kobberatomer (svarte prikker) er jevnt og tilfeldig fordelt i aluminiummatrisegitteret (hvite prikker). Figur b. viser gitterstrukturen i den tidlige utfellingsfasen. Kobberatomer begynner å konsentrere seg i visse områder av matrisegitteret for å danne et Guinier-Preston-område, kalt GP-området. GP-sonen er ekstremt liten og skiveformet, med en diameter på omtrent 5~10 μm og en tykkelse på 0,4~0,6 nm. Antallet GP-soner i matrisen er ekstremt stort, og fordelingstettheten kan nå 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Krystallstrukturen til GP-sonen er fortsatt den samme som matrisens, begge er flatesentrerte kubiske, og den opprettholder et koherent grensesnitt med matrisen. Men fordi størrelsen på kobberatomer er mindre enn aluminiumatomer, vil anrikningen av kobberatomer føre til at krystallgitteret nær området krymper, noe som forårsaker gitterforvrengning.
Skjematisk diagram av krystallstrukturendringene til Al-Cu-legering under aldring
Figur a. Bråkjølt tilstand, en enfase α-fast løsning, kobberatomer (svarte prikker) er jevnt fordelt;
Figur b. I den tidlige aldringsfasen dannes GP-sonen;
Figur c. I den sene aldringsfasen dannes en semi-koherent overgangsfase;
Figur d. Høytemperaturaldring, utfelling av inkoherent likevektsfase
GP-sonen er det første forutfellingsproduktet som oppstår under aldringsprosessen til aluminiumslegeringer. Forlengelse av aldringstiden, spesielt økning av aldringstemperaturen, vil også danne andre mellomliggende overgangsfaser. I Al-4Cu-legeringen er det θ”- og θ'-faser etter GP-sonen, og til slutt nås likevektsfasen CuAl2. θ” og θ' er begge overgangsfaser til θ-fasen, og krystallstrukturen er et firkantet gitter, men gitterkonstanten er forskjellig. Størrelsen på θ er større enn GP-sonen, fortsatt skiveformet, med en diameter på omtrent 15~40 nm og en tykkelse på 0,8~2,0 nm. Den fortsetter å opprettholde et koherent grensesnitt med matrisen, men graden av gitterforvrengning er mer intens. Ved overgang fra θ”- til θ'-fasen har størrelsen vokst til 20~600 nm, tykkelsen er 10~15 nm, og det koherente grensesnittet er også delvis ødelagt og blir et semi-koherent grensesnitt, som vist i figur c. Sluttproduktet av aldringsutfellingen er likevektsfasen θ (CuAl2), hvor det koherente grensesnittet er fullstendig ødelagt og blir et ikke-koherent grensesnitt, som vist i figur d.
I henhold til situasjonen ovenfor er aldringsutfellingsordenen for Al-Cu-legering αs→α+GP-sone→α+θ”→α+θ'→α+θ. Aldringsstrukturstadiet avhenger av legeringssammensetningen og aldringsspesifikasjonen. Det er ofte mer enn ett aldringsprodukt i samme tilstand. Jo høyere aldringstemperatur, desto nærmere likevektsstrukturen.
Under aldringsprosessen er GP-sonen og overgangsfasen som utfelles fra matrisen liten i størrelse, svært spredt og deformeres ikke lett. Samtidig forårsaker de gitterforvrengning i matrisen og danner et spenningsfelt, som har en betydelig hindrende effekt på bevegelsen av dislokasjoner, og dermed øker motstanden mot plastisk deformasjon av legeringen og forbedrer dens styrke og hardhet. Dette aldringsherdingsfenomenet kalles utfellingsherding. Figuren nedenfor illustrerer hardhetsendringen av Al-4Cu-legeringen under bråkjøling og aldringsbehandling i form av en kurve. Trinn I i figuren representerer hardheten til legeringen i sin opprinnelige tilstand. På grunn av ulik varmbearbeidingshistorikk vil hardheten i den opprinnelige tilstanden variere, vanligvis HV = 30 ~ 80. Etter oppvarming ved 500 ℃ og bråkjøling (trinn II) løses alle kobberatomer opp i matrisen for å danne en enfase overmettet α-fast løsning med HV = 60, som er dobbelt så hard som hardheten i glødet tilstand (HV = 30). Dette er resultatet av forsterkning i fast løsning. Etter bråkjøling plasseres den ved romtemperatur, og legeringens hardhet økes kontinuerlig på grunn av kontinuerlig dannelse av GP-soner (trinn III). Denne aldrings- og herdeprosessen ved romtemperatur kalles naturlig aldring.
Jeg—opprinnelig tilstand;
II—fast løsningstilstand;
III – naturlig aldring (GP-sone);
IVa – regresjonsbehandling ved 150–200 ℃ (gjenoppløst i GP-sonen);
IVb – kunstig aldring (θ”+θ'-fase);
V—overaldring (θ”+θ' fase)
I trinn IV varmes legeringen opp til 150 °C for aldring, og herdingseffekten er tydeligere enn ved naturlig aldring. På dette tidspunktet er utfellingsproduktet hovedsakelig θ”-fasen, som har den største forsterkende effekten i Al-Cu-legeringer. Hvis aldringstemperaturen økes ytterligere, går utfellingsfasen fra θ”-fasen til θ'-fasen, herdingseffekten svekkes, og hardheten avtar, og går inn i trinn V. Enhver aldringsbehandling som krever kunstig oppvarming kalles kunstig aldring, og trinn IV og V tilhører denne kategorien. Hvis hardheten når den maksimale hardhetsverdien som legeringen kan nå etter aldring (dvs. trinn IVb), kalles denne aldringen toppaldring. Hvis topphardhetsverdien ikke nås, kalles det underaldring eller ufullstendig kunstig aldring. Hvis toppverdien krysses og hardheten avtar, kalles det overaldring. Stabiliserende aldringsbehandling tilhører også overaldring. GP-sonen som dannes under naturlig aldring er svært ustabil. Når GP-sonen varmes raskt opp til en høyere temperatur, for eksempel rundt 200 °C, og holdes varm i kort tid, vil den oppløses tilbake til den α-faste løsningen. Hvis den raskt avkjøles (bråkjøles) før andre overgangsfaser som θ” eller θ’ utfelles, kan legeringen gjenopprettes til sin opprinnelige bråkjølte tilstand. Dette fenomenet kalles «regresjon», som er hardhetsfallet indikert av den stiplede linjen i trinn IVa i figuren. Aluminiumlegeringen som har blitt regresert har fortsatt samme aldringsherdingsevne.
Aldersherding er grunnlaget for utvikling av varmebehandlebare aluminiumslegeringer, og dens aldringsherdingsevne er direkte relatert til legeringssammensetningen og varmebehandlingssystemet. Binære Al-Si- og Al-Mn-legeringer har ingen utfellingsherdingseffekt fordi likevektsfasen utfelles direkte under aldringsprosessen, og er ikke-varmebehandlebare aluminiumslegeringer. Selv om Al-Mg-legeringer kan danne GP-soner og overgangsfaser β', har de bare en viss utfellingsherdingsevne i høymagnesiumlegeringer. Al-Cu-, Al-Cu-Mg-, Al-Mg-Si- og Al-Zn-Mg-Cu-legeringer har sterk utfellingsherdingsevne i sine GP-soner og overgangsfaser, og er for tiden de viktigste legeringssystemene som kan varmebehandles og styrkes.
3.2 Naturlig aldring
Generelt sett har aluminiumslegeringer som kan forsterkes ved varmebehandling en naturlig aldringseffekt etter bråkjøling. Naturlig aldringsforsterkning forårsakes av GP-sonen. Naturlig aldring er mye brukt i Al-Cu- og Al-Cu-Mg-legeringer. Den naturlige aldringen av Al-Zn-Mg-Cu-legeringer varer for lenge, og det tar ofte flere måneder å nå et stabilt stadium, så det naturlige aldringssystemet brukes ikke.
Sammenlignet med kunstig aldring er legeringens flytegrense lavere etter naturlig aldring, men plastisiteten og seigheten er bedre, og korrosjonsmotstanden er høyere. Situasjonen for superhard aluminium i Al-Zn-Mg-Cu-systemet er litt annerledes. Korrosjonsmotstanden etter kunstig aldring er ofte bedre enn etter naturlig aldring.
3.3 Kunstig aldring
Etter kunstig aldringsbehandling kan aluminiumslegeringer ofte oppnå høyest flytegrense (hovedsakelig overgangsfaseforsterkning) og bedre organisatorisk stabilitet. Superhard aluminium, smidd aluminium og støpt aluminium blir hovedsakelig kunstig aldret. Aldringstemperatur og aldringstid har en viktig innflytelse på legeringsegenskapene. Aldringstemperaturen er vanligvis mellom 120 og 190 ℃, og aldringstiden overstiger ikke 24 timer.
I tillegg til en-trinns kunstig aldring kan aluminiumslegeringer også benytte et gradert kunstig aldringssystem. Det vil si at oppvarming utføres to eller flere ganger ved forskjellige temperaturer. For eksempel kan LC4-legering aldres ved 115~125 ℃ i 2~4 timer og deretter ved 160~170 ℃ i 3~5 timer. Gradvis aldring kan ikke bare forkorte tiden betydelig, men også forbedre mikrostrukturen til Al-Zn-Mg- og Al-Zn-Mg-Cu-legeringer, og forbedre spenningskorrosjonsmotstanden, utmattingsstyrken og bruddseigheten betydelig uten å redusere de mekaniske egenskapene i vesentlig grad.
Publisert: 06.03.2025
