Искусственное старение алюминия: Старение закаленных сплавов алюминия

alexxlab | 19.04.1995 | 0 | Разное

Старение закаленных сплавов алюминия

После закалки алюминиевого сплава следует старение, когда сплав выдерживают при комнатной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10 — 24 ч при повышенной температуре (искусственное старение).

В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава. Распад пересыщенного твердого раствора, в решетке которого атомы меди располагаются статистически равномерно, происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. При естественном (при 20°С) или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100 — 150°С) не наблюдается распада твердого раствора с выделением избыточной фазы; при этих температурах атомы меди перемещаются только внутри кристаллической решетки α-твердого раствора на весьма малые расстояния и собираются по плоскостям {100} в пластинчатые образования или диски — зоны Гинье – Престона (ГП-1). Зоны ГП-1 в сплавах Al-Cu протяженностью 1—10 нм и толщиной 0,5—1 нм более или менее равномерно распределены в пределах каждого кристалла.

Концентрация меди в зонах ГП-1 меньше, чем в CuAl₂ (54%).

Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько секунд или минут) нагреть до 230 — 270 °С и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление получило название возврата после старения. Разупрочнение при возврате связано с тем, что зоны ГП-1 при этих температурах оказываются нестабильными и поэтому растворяются в твердом растворе, а атомы меди вновь более или менее равномерно распределяются в пределах объема каждого кристалла твердого раствора, как и после закалки. При последующем вылеживании сплава при комнатной температуре вновь происходит образование зон ГП-1 и упрочнение сплава. Однако после возврата и последующего старения ухудшаются коррозионные свойства сплава, что затрудняет использование возврата для практических целей. Длительная выдержка при 100°С или несколько часов при 150°С приводит к образованию зон Гинье— Престона большей величины (толщина 1 — 4 нм и диаметр 20 — 30 нм) с упорядоченной структурой, отличной от α-твердого раствора.

Концентрация меди в них соответствует содержанию ее в CuAl₂. Такие зоны в сплавах Al— Сu принято называть ГП-2. С повышением температуры старения процессы диффузии, а следовательно, и процессы структурных превращений протекают быстрее. Выдержка в течение нескольких часов при высоких температурах (150 — 200°С) приводит к образованию в местах, где располагались зоны ГП-2, дисперсных (тонкопластинчатых) частиц промежуточной θ’-фазы, не отличающейся по химическому составу от стабильной θ-фазы (CuAl₂), но имеющей отличную кристаллическую решетку. θ’-фаза частично когерентно связана с твердым раствором. Повышение температуры до 200 — 250°С приводит к коагуляции метастабильной фазы и к образованию стабильной θ-фазы , имеющей с матрицей некогерентные границы. Таким образом, при естественном старении образуются лишь зоны ГП-1. При искусственном старении последовательность структурных изменений в сплавах Al—Сu можно представить в виде следующей схемы: ГП-1 → ГП-2 → θ’ →θ.

Однако это не означает, что одно образование «на месте» переходит в другое. Возможно, что возникновение последующего образования или фазы происходит после растворения исходного.

Эта общая схема распада пересыщенного твердого раствора в сплавах Аl—Cu справедлива и для других сплавов. Различие сводится лишь к тому, что в разных сплавах неодинаков состав и строение зон, а также образующихся фаз.

Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов существуют и свои температурно-временные области зонного (образование ГП-1 и ГП-2) и фазового (θ’ и θ-фаз) старения.

Величина упрочнения при закалке и старении зависит от природы фазы упрочнителя, размеров их частиц, количества их и распределения. Наибольшее упрочнение сплавов достигается благодаря MgZn₂, Mg₂Si и S-фазы (Al₂CuMg), имеющих сложную структуру и состав, отличный от α-твердого раствора.

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и относительно невысокое отношение σ_0,2/σ_в (≤0,6—0,7), повышенную пластичность, хорошую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. Это объясняется тем, что дислокации при деформации пересекают зоны, не создающие значительного сопротивления начальным деформациям. Отсутствие границы раздела между зонами ГП-1 или ГП-2 с матричной фазой определяет хорошее сопротивление коррозии.

После фазового старения отношение σ_0,2/σ_в повышается до 0,9— 0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются. В этом случае при деформации дислокации огибают частицы метастабильных фаз, образуя многочисленные дислокационные петли и отдельные скопления. Как следствие этого, сопротивление начальным деформациям повышается, а пластичность уменьшается. В процессе коагуляции образовавшихся фаз (коагуляционное старение) прочностные свойства на начальной стадии сначала возрастают, достигая максимального значения, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление коррозии возрастают.

Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюминия с марганцем, хромом, никелем, цирконием, титаном и другими переходными металлами, подвергнутых по определенным режимам горячей, а в некоторых случаях и холодной обработке давлением, превышает обычно назначаемую температуру нагрева под деформацию или закалку.

Поэтому после закалки и старения таких сплавов в них сохраняется нерекристаллизованная (полигонизованная) структура с высокой плотностью дислокаций, что значительно повышает прочность по сравнению с рекристаллизованной структурой. Это явление получило название структурного упрочнения.Структурное упрочнение по существу является высокотемпературной термо-механической обработкой.

В результате структурного упрочнения значения σ_0,2 и σ_в повышаются до 30 — 40%. Наиболее сильно структурное упрочнение проявляется в прессованных полуфабрикатах (прутки, профили, трубы), поэтому это явление применительно к ним называют пресс-эффектом.

Старение алюминиевых сплавов | Всё о красках

Алюминиевые сплавы набирают твердость, когда устанавливается контролируемое выпадение осадка элементов сплава (вследствие распада перенасыщения раствора, необходимого для эффективного затвердевания), и то, чтобы сформировавшийся осадок был связный (сцепленный) или частично связанный с решеткой микроструктуры основного металла.

Кинетика выпадения осадка перенасыщенного твердого раствора – это функция, т.е. химический состав. Например, для сплава 2024 старение достигается естественным путем, в то время как для сплава 7075 кинетика выпадения осадка в твердом растворе происходит только при +100 – 200°С.Сплавы, подвергающиеся естественному старению, могут быть состарены искусственно.

Но наилучшее сопротивление межгранулярной коррозии достигается искусственным путем. При естественном старении преимущество отдается характеристикам стойкости и большему сопротивлению распространению усталостных трещин.

При различных параметрах старения можно достичь одних и тех же результатов. Например, сплав 6060, достигаются одинаковые условия для 5 часов при 185 °С и для 11 часов при 170°С.

В недостаточно состаренных деталях может наблюдаться уменьшение уровня механических свойств при последующей обработке.

Перестаривание может произойти из-за пластической деформацией, выполненной после закалки до старения (посредством вальцовки, формовки, прокатки, вальцовки и др. )

Данные операции ускоряют кинетику выпадения осадка, пропорциональную степени деформации, в случаях однородной обработки (такой как растяжка, сжатие, накатывание, вальцовка).

Вообще комбинации таковые, чтобы привести сплав до максимальной твердости Т6.Т7 – большее старение, скорее перестаривание, с частичным уменьшением механических характеристик. При подобной обработке возможно увеличение стабильности по размерам изделия, которое позволяет применять изделие для работы при высоких температурах. Также можно развить большую сопротивляемость поверхностной коррозии или эксфолиативной коррозии (отшелушивание).

Изделия, которые будут работать при высоких температурах, например, части мотора могут достигать хорошей стабильности размеров только при искусственном старении, при обработке T5 очень редко в этих случаях используется материал, состаренный при естественном старении. (T1).

Сплавы с небольшим количеством легирующих веществ, такие как 6060 должны стариться до достижения максимальной твердости T6.

Для изделий, требующих большую точность (размеров) используются различные циклы обработки. В течение 1-2 часов при 175-200С после предварительной обработки (шлифование), после машинной обработки и при посреднических фазах.

На первой стадии изотермических циклов старения. Например, 6 часов при температуре 100°С, до 3часов при температуре 120°С. На второй стадии температура и время должно контролироваться, т.к. может вызвать изменения в физических свойствах детали. Температура в печи должна быть однородной.

Нежелательные эффекты перестаривания деталей могут быть вызваны продолжительным процессом, вызванным низкой скоростью разогрева, вызванной перегрузкой печи.

Время между закалкой (охлаждением) и старением не влияет на старение профиля. Но, необходимо помнить, что в некоторых сплавах серии 6060 механические свойства будут несколько более высокими, если старение выполнено немедленно после закалки. В то время как другие сплавы требуют выдержки при температуре окружающей среды перед старением для лучших механических свойств.

Максимальный интервал, предусмотренный между растворением веществ и закалкой (задержка закалки).

Номинальная толщина (мм)	Максимальное время (секунды)
До 0,4	5
От 0,4 – до 0,8	7
От 0,8 – до 2,3	10
Свыше 2,3	15

ааа

Средство для закалки	Температура(°C)	Относительная скорость средства закалки и – изделия (м/с)	Коэффициент термического соответствия (В/см2 K)
Вода	27	0,00	3,55
		0,25	4,78
Вода	38	0,50 0,00	5,14 3,28
		0,25	4,01
		0,50	4,91
Вода	49	0,50 0,00	5,14   3,65
		0,25	4,29
		0,50	5,61
		0,50	5,14
Вода	60	0,00	2,85
		0,25	3,62
		0,50	4,41
		0,50	5,14
Вода	71	0,00	0,70
		0,25	1,89
		0,50	2,62
		0,50	5,14
Вода	82	0,00	0,36
		0,25	0,69
		0,50	0,89
		0,50	5,14
Вода	93	0,00	0,20
		0,25	0,27
		0,50	0,30
		0,50	5,14
Вода	100	0,00	0,13
		0,25	0,13
		0,50	0,13
UCONA	30	0,00	0,63
		0,25	0,70
		0,50	0,77
PVP90	30	0,00	1,49
		0,25	1,34
		0,50	1,41

Термическая обработка алюминия VI – Искусственное старение

В предыдущей колонке мы описали основы естественного старения. При естественном старении твердый раствор, полученный после закалки, сразу при комнатной температуре начинает образовывать осадки. Этот процесс называется естественным старением, и упрочнение во время естественного старения почти полностью объясняется однородным осаждением зон ГП, богатых растворенными веществами, и скоплением вакансий.

В то время как осаждение происходит естественным образом при комнатной температуре, в пересыщенном твердом растворе после закалки влияние осаждения на механические свойства может быть значительно ускорено и улучшено за счет старения при повышенной температуре после закалки. Это выполняется при температуре, как правило, в диапазоне примерно от 200° до 400°F (95°-205°С). Старение при повышенной температуре называют термической обработкой осаждением или искусственным старением. Типичное изменение твердости при искусственном старении алюминия показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Типичная кривая искусственного старения алюминия.

Дисперсионное твердение — это механизм, при котором твердость, предел текучести и предел прочности резко увеличиваются со временем при постоянной температуре (температура старения) после быстрого охлаждения от гораздо более высокой температуры (температура термообработки на твердый раствор). Это быстрое охлаждение или закалка приводит к образованию пересыщенного твердого раствора и обеспечивает движущую силу для осаждения. Впервые это явление было обнаружено Вильмом [1], который обнаружил, что твердость алюминиевых сплавов с малыми количествами меди, магния, кремния и железа увеличивается со временем после закалки от температуры чуть ниже температуры плавления.

При искусственном старении пересыщенный твердый раствор, созданный закалкой от температуры термообработки раствора, начинает разлагаться. Вначале происходит кластеризация атомов растворенного вещества вблизи вакансий. Как только к этим начальным кластерам вакансий диффундирует достаточное количество атомов, образуются когерентные преципитаты. Поскольку кластеры атомов растворенного вещества не соответствуют алюминиевой матрице, поле деформации окружает кластеры растворенного вещества. По мере того, как к кластерам диффундирует больше растворенного вещества, в конечном итоге матрица больше не может приспосабливаться к несоответствию матрицы. Образуется полусвязный осадок. Наконец, после того, как полусвязный осадок вырастает до достаточно больших размеров, матрица больше не может поддерживать кристаллографическое несоответствие, и образуется равновесный осадок.

Нагрев закаленного материала в диапазоне 95°-205°C ускоряет выделение в термообрабатываемых сплавах. Это ускорение не полностью связано с изменением скорости реакции. Как показано на рис. 1, происходят структурные изменения, зависящие от времени и температуры. В целом увеличение предела текучести, происходящее при искусственном старении, увеличивается быстрее, чем предел прочности при растяжении. Это означает, что сплавы теряют пластичность и ударную вязкость. Свойства Т6 выше, чем свойства Т4, но пластичность снижена. Перестаривание снижает предел прочности при растяжении и повышает устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением. Это также повышает сопротивление росту усталостной трещины. Это также придает размерную стабильность детали.

При искусственном старении степень осаждения и морфология осадка контролируются временем и температурой старения. В определенных пределах примерно эквивалентные эффекты могут быть получены при более коротких периодах времени при более высоких температурах или более длительных периодах времени при более низких температурах. При старении при повышенных температурах может возникнуть ряд различных переходных выделений.

Коммерческие методы старения представляют собой компромиссы для обеспечения желаемых механических и коррозионных свойств. Рекомендуемое время выдержки предполагает, что характеристики печи и загрузка таковы, что загрузка достаточно быстро нагревается до температуры. Перестаривание может произойти, если скорость приближения к температуре выдержки необычно медленная из-за тяжелой плотной загрузки, перегрузки печи или использования печи с недостаточной теплопроизводительностью. Типичное время искусственного старения для различных сплавов показано в таблице 1.

Таблица 1: Типичная практика искусственного старения для некоторых алюминиевых сплавов [2].

Необходимо уделить внимание контролю температуры и отклику печи, чтобы избежать чрезмерного или недостаточного старения. В течение периода выдержки печь должна поддерживать температуру металла в пределах ±5°C (±10°F) от рекомендуемой температуры. При правильном размещении термопар внутри загрузки время выдержки следует отсчитывать с момента, когда самая низкая температура в загрузке достигает значения, не превышающего 5°C от указанной температуры. Рекомендуемое время выдержки предполагает, что характеристики печи и загрузка таковы, что загрузка достаточно быстро нагревается до температуры. Перестаривание может произойти, если скорость приближения к температуре выдержки необычно медленная из-за тяжелой, компактной загрузки, перегрузки печи или использования печи с недостаточной теплопроизводительностью. Если термопары нагрузки не используются, а время выдержки оценивается по общему времени печи, это может привести к недостариванию.

При искусственном старении улучшаются механические свойства. Предел текучести увеличится, как и предел прочности при растяжении. Предел текучести будет увеличиваться быстрее, чем предел прочности при растяжении. Из-за этого пластичность снижается по мере старения. Как только будет достигнуто состояние пикового старения, предел текучести и предел прочности снизятся, но пластичность возрастет.

Другие факторы, однако, могут в значительной степени благоприятствовать использованию перестаренного темперамента. В некоторых применениях, например, коэффициенты прочности перевешивают в качестве критерия выбора отпуска по стойкости к SCC, которая заметно улучшается при старении для некоторых сплавов, или по большей размерной стабильности при работе при повышенных температурах, обеспечиваемой старением.

Некоторые операции по покраске/обжигу проводятся в диапазоне температур, обычно используемом для старения алюминия. Следовательно, кузовной лист можно формовать в состоянии Т4, при котором способность к формованию высока, а затем состаривать до более высокой прочности во время цикла покраски/обжига. Сплав 6010 был разработан, чтобы максимизировать реакцию на старение в диапазоне температур, обычно используемом для запекания краски.

Напряжения, возникающие при закалке от термообработки на раствор, снижаются при искусственном старении. Степень снятия напряжения зависит от времени и температуры искусственного старения. Отпуск с пиковым старением (T6) обеспечивает снижение напряжения на 10-35 процентов, в то время как отпуск с перестариванием (T7X) обеспечивает существенное снижение остаточного напряжения [3].

Выводы

В этой короткой колонке мы представили концепции искусственного старения и проиллюстрировали некоторые основные рецепты искусственного старения алюминия. В следующей колонке мы проиллюстрируем некоторые из различных типов оборудования для термообработки алюминия.

При возникновении вопросов или замечаний по этой колонке, пожалуйста, обращайтесь ко мне или к редактору.

Список литературы

1. A. Wilm, Metallurgie, vol. 8, с. 225, 1911.
2. SAE International, «Термообработка кованых деталей из алюминиевого сплава», SAE International, Warrendale, 2015.
3. Ван Хорн К.Р. Остаточные напряжения, возникающие при изготовлении металла // Пер. АСМ, том. 47, стр. 38-76, 1955.

Термическая обработка алюминия: дисперсионное твердение | L&L печь

23 июля 2020 г.

Дисперсионное твердение, также иногда называемое искусственным старением, представляет собой 9Процесс термообработки 0047 используется для доведения некоторых алюминиевых сплавов до максимальной твердости, когда одного естественного старения недостаточно. Это выполняется после завершения термической обработки раствора, и процесс позволяет полностью осаждаться растворенным элементам от предыдущей термической обработки.

Процесс дисперсионного твердения

Атмосфера

Дисперсионное твердение осуществляется либо в вакууме, либо в атмосфере инертного газа при рабочих температурах от 300 до 1400°F (149до 760°С). Вакуум или атмосфера инертного газа предотвращает дальнейшее взаимодействие химических реакций, происходящих внутри алюминия, с внешними элементами, что может вызвать негативные побочные эффекты.

Термическая обработка

Процесс дисперсионного твердения начинается после термообработки на твердый раствор и завершения первого цикла закалки. Затем алюминиевый сплав снова нагревают до определенной температуры от 240 до 460°F +/- 5°F (от 116 до 238°C +/- 3°C). Точная температура, до которой нагревается алюминий, зависит от конкретных легирующих элементов в нем.

Этот нагрев заставляет атомы, из которых состоит сплав, формировать упорядоченные массивы. Определенные массивы атомов могут привести к увеличению физических преимуществ, таких как повышенная прочность или твердость. Наиболее известным примером этого является то, как атомы углерода могут располагаться в определенном порядке из-за температуры и давления, образуя алмаз — чрезвычайно твердый материал. Дисперсионное твердение алюминиевых сплавов следует тому же принципу.

Наконец, растворенные в сплаве элементы осаждаются из детали. Это устраняет любые нежелательные свойства, которые могли появиться на стадии термообработки на раствор в процессе.

Закалка

После нагрева детали наступает время второго цикла закалки. На этот раз деталь замачивается от 6 до 24 часов. Обычно алюминий закаливают в воде, но иногда вместо этого используют легкий рассол. Различные закалочные среды будут иметь разную скорость закалки и по-разному воздействуют на детали. Важно знать, какую среду использовать для детали, которую вы закаливаете, и желаемые свойства.

После завершения замачивания деталь оставляют охлаждаться на воздухе при комнатной температуре. Продолжительность времени, в течение которого деталь остается остывать, зависит от детали. Все алюминиевые сплавы требуют закалки в воде (или слабом соляном растворе), но некоторые сплавы также твердеют по мере старения на воздухе. Такие детали, как заклепки, являются одним из примеров тех, которые выигрывают от старения на воздухе.

Преимущества дисперсионного твердения

Дисперсионное твердение позволяет получить более твердый и прочный металл. Алюминий является довольно мягким металлом, поэтому этот процесс может значительно увеличить его предел текучести, увеличить предел прочности на растяжение и повысить его износостойкость. Предел текучести относится к тому, какое напряжение деталь может выдержать без необратимой деформации. Прочность на растяжение относится к тому, какое усилие на растяжение и растяжение деталь может выдержать без разрушения. А износостойкость — это просто то, насколько хорошо деталь выдерживает поверхностные царапины и точечную коррозию. Все эти три полезных свойства продлевают срок службы детали, подвергнутой дисперсионному твердению.

Дополнительным преимуществом является снижение пластичности детали. Это почти сочетание увеличения текучести и прочности на растяжение. Это означает, что деталь сможет выдержать большее растягивающее напряжение, прежде чем деформируется, что немного отличается от разрушения из-за растягивающего напряжения. И разрушение, и деформация часто не идеальны, поэтому хорошо иметь высокую прочность на растяжение и низкую пластичность.

Последним преимуществом дисперсионного твердения алюминия является то, что оно не приводит к деформации детали. Деформация является довольно распространенной проблемой, с которой приходится сталкиваться как при термической обработке, так и при закалке. Однако дисперсионное твердение предполагает гораздо меньший риск этого.

Применение деталей из дисперсионно-твердеющего алюминия

Алюминий, подвергнутый дисперсионному твердению, обычно используется в тех случаях, когда требуется легкий вес и прочность. Когда дело доходит до деталей двигателей, деталей самолетов и других аэрокосмических приложений, легкие детали являются необходимостью, но нельзя ставить под угрозу прочность.

Алюминий является одним из наиболее предпочтительных металлов для использования в автомобильной и аэрокосмической промышленности, поскольку его малый вес обеспечивает более эффективное передвижение. Более тяжелые автомобили требуют больше энергии для движения, поэтому снижение веса везде, где это возможно, экономит время и деньги в долгосрочной перспективе. Тем не менее, использование самых легких материалов не является хорошей идеей, если эти материалы не в состоянии выдержать рабочие нагрузки. Стандартный алюминий просто недостаточно прочен для многих из этих применений, поэтому необходима дисперсионная закалка. Он сохраняет полезные свойства алюминия, такие как малый вес, при этом добавляя столь необходимую прочность для обеспечения безопасности транспортных средств.

Заключение

Дисперсионное твердение — это один из процессов термической обработки, с помощью которого алюминиевые сплавы можно упрочнить различными способами. И этот процесс, также известный как искусственное старение, на самом деле выполняется после предыдущего цикла термообработки на раствор и закалки. Цель использования дисперсионного твердения состоит в том, чтобы удалить любые отрицательные свойства, добавленные к материалу в результате термообработки на твердый раствор, а также повысить как предел текучести, так и предел прочности на растяжение. После закалки алюминиевый сплав часто используется как в автомобильной, так и в аэрокосмической промышленности, где ценятся прочные и легкие материалы.

L&L Special Furnace

Если ваша компания занимается производством деталей для автомобильной и аэрокосмической промышленности, возможность искусственного старения алюминиевых сплавов просто необходима. Вы можете зайти так далеко только с естественно состаренным алюминием, поэтому вам нужна специально разработанная печь от L&L. Мы производим широкий спектр промышленных печей, в том числе специально предназначенных для дисперсионного твердения. Свяжитесь с нами сегодня для получения дополнительной информации о том, какая из наших печей подходит именно вам.