Základné typy tepelného spracovania hliníkových zliatin

Žíhanie, kalenie a starnutie sú základné typy tepelného spracovania hliníkových zliatin. Žíhanie je zmäkčovacie spracovanie, ktorého účelom je dosiahnuť jednotné a stabilné zloženie a štruktúru zliatiny, eliminovať spevnenie a obnoviť plasticitu zliatiny. Kalenie a starnutie je spevňujúce tepelné spracovanie, ktorého účelom je zlepšiť pevnosť zliatiny a používa sa hlavne pre hliníkové zliatiny, ktoré je možné spevniť tepelným spracovaním.

1 Žíhanie

Podľa rôznych výrobných požiadaviek sa žíhanie hliníkových zliatin delí na niekoľko foriem: homogenizačné žíhanie ingotov, žíhanie predvalkov, medzižíhanie a žíhanie hotových výrobkov.

1.1 Žíhanie homogenizácie ingotov

V podmienkach rýchlej kondenzácie a nerovnovážnej kryštalizácie musí mať ingot nerovnomerné zloženie a štruktúru a tiež veľké vnútorné napätie. Na zmenu tejto situácie a zlepšenie spracovateľnosti ingotu za tepla je vo všeobecnosti potrebné homogenizačné žíhanie.

Na podporu atómovej difúzie by sa mala pri homogenizačnom žíhaní zvoliť vyššia teplota, ktorá však nesmie prekročiť eutektický bod topenia zliatiny s nízkou teplotou topenia. Vo všeobecnosti je teplota homogenizačného žíhania o 5 až 40 ℃ nižšia ako teplota topenia a doba žíhania je väčšinou medzi 12 až 24 hodinami.

1.2 Žíhanie polotovarov

Žíhanie polotovaru sa vzťahuje na žíhanie pred prvou deformáciou za studena počas tlakového spracovania. Cieľom je dosiahnuť, aby polotovar získal vyváženú štruktúru a maximálnu plastickú deformačnú kapacitu. Napríklad, konečná teplota valcovania plechu z hliníkovej zliatiny valcovaného za tepla je 280 až 330 ℃. Po rýchlom ochladení na izbovú teplotu nie je možné úplne eliminovať jav spevnenia. Najmä pri tepelne spracovaných spevnených hliníkových zliatinách sa po rýchlom ochladení proces rekryštalizácie ešte neskončil a presýtený tuhý roztok sa úplne nerozložil a časť efektu spevnenia a kalenia je stále zachovaná. Je ťažké priamo valcovať za studena bez žíhania, preto je potrebné žíhanie polotovaru. Pri tepelne nespracovaných spevnených hliníkových zliatinách, ako je LF3, je teplota žíhania 370 až 470 ℃ a chladenie vzduchom sa vykonáva po 1,5 až 2,5 hodinách udržiavania v teple. Teplota žíhania a lisovania použitá na spracovanie rúr ťahaných za studena by mala byť primerane vyššia a je možné zvoliť hornú hranicu teploty. Pre hliníkové zliatiny, ktoré je možné spevniť tepelným spracovaním, ako napríklad LY11 a LY12, je teplota žíhania lisovaných zliatin 390 až 450 ℃, pričom sa pri tejto teplote udržiava 1 až 3 hodiny, potom sa lisované zliatiny ochladia v peci na teplotu nižšiu ako 270 ℃ rýchlosťou maximálne 30 ℃/h a potom sa z pece ochladia vzduchom.

1.3 Medzižíhanie

Medzižíhanie sa vzťahuje na žíhanie medzi procesmi deformácie za studena, ktorého účelom je eliminovať spevnenie materiálu a uľahčiť tak pokračujúcu deformáciu za studena. Vo všeobecnosti je po žíhaní materiálu po 45 až 85 % deformácii za studena ťažké pokračovať v tvárnení za studena bez medzižíhania.

Procesný systém medzižíhania je v podstate rovnaký ako pri žíhaní polotovarov. Podľa požiadaviek na stupeň deformácie za studena možno medzižíhanie rozdeliť na tri typy: úplné žíhanie (celková deformácia ε≈60~70%), jednoduché žíhanie (ε≈50%) a mierne žíhanie (ε≈30~40%). Prvé dva žíhacie systémy sú rovnaké ako pri žíhaní polotovarov, pričom druhý sa zahrieva na 320~350℃ počas 1,5~2 hodín a potom sa chladí vzduchom.

1.4. Žíhanie hotového výrobku

Žíhanie hotového výrobku je konečné tepelné spracovanie, ktoré dáva materiálu určité organizačné a mechanické vlastnosti podľa požiadaviek technických podmienok výrobku.

Žíhanie hotových výrobkov možno rozdeliť na vysokoteplotné žíhanie (výroba mäkkých výrobkov) a nízkoteplotné žíhanie (výroba polotvrdých výrobkov v rôznych skupenstvách). Vysokoteplotné žíhanie by malo zabezpečiť dosiahnutie úplnej rekryštalizačnej štruktúry a dobrej plasticity. Za predpokladu, že materiál získa dobrú štruktúru a vlastnosti, by doba zotrvania nemala byť príliš dlhá. V prípade hliníkových zliatin, ktoré je možné spevniť tepelným spracovaním, by sa mala rýchlosť ochladzovania prísne kontrolovať, aby sa zabránilo kaleniu pri ochladzovaní na vzduchu.

Nízkoteplotné žíhanie zahŕňa žíhanie na odľahčenie napätia a čiastočné zmäkčovacie žíhanie, ktoré sa používajú hlavne pre čistý hliník a tepelne nespracované spevnené hliníkové zliatiny. Vypracovanie systému nízkoteplotného žíhania je veľmi zložitá úloha, ktorá si vyžaduje zohľadnenie nielen teploty žíhania a doby zotrvania, ale aj vplyvu nečistôt, stupňa legovania, deformácie za studena, medziteploty žíhania a teploty deformácie za tepla. Na vytvorenie systému nízkoteplotného žíhania je potrebné zmerať krivku zmeny medzi teplotou žíhania a mechanickými vlastnosťami a potom určiť rozsah teplôt žíhania podľa výkonnostných ukazovateľov uvedených v technických podmienkach.

2 Kalenie

Kalenie hliníkovej zliatiny sa nazýva aj rozpúšťanie, ktoré spočíva v rozpustení čo najväčšieho množstva legujúcich prvkov v kove ako druhej fázy do tuhého roztoku prostredníctvom zahrievania pri vysokej teplote a následného rýchleho ochladenia, aby sa zabránilo zrážaniu druhej fázy, čím sa získa presýtený α tuhý roztok na báze hliníka, ktorý je dobre pripravený na ďalšie starnutie.

Predpokladom získania presýteného α tuhého roztoku je, že rozpustnosť druhej fázy v zliatine hliníka by sa mala so zvyšujúcou sa teplotou výrazne zvyšovať, inak nie je možné dosiahnuť účel spracovania tuhým roztokom. Väčšina legujúcich prvkov v hliníku môže tvoriť eutektický fázový diagram s touto charakteristikou. Napríklad zliatina Al-Cu má eutektickú teplotu 548 ℃ a rozpustnosť medi v hliníku pri izbovej teplote je menšia ako 0,1 %. Pri zahriatí na 548 ℃ sa jej rozpustnosť zvyšuje na 5,6 %. Preto zliatiny Al-Cu obsahujúce menej ako 5,6 % medi vstupujú do oblasti jednej fázy α po tom, čo teplota zahriatia prekročí svoju čiaru solvus, to znamená, že druhá fáza CuAl2 sa úplne rozpustí v matrici a po kalení je možné získať jeden presýtený α tuhý roztok.

Kalenie je najdôležitejšou a najnáročnejšou operáciou tepelného spracovania hliníkových zliatin. Kľúčom je zvoliť vhodnú teplotu ohrevu pri kalení, zabezpečiť dostatočnú rýchlosť ochladzovania a prísne kontrolovať teplotu pece a znížiť deformáciu pri kalení.

Princípom výberu teploty kalenia je čo najviac zvýšiť teplotu kalenia a zároveň zabezpečiť, aby sa hliníková zliatina neprepálila alebo aby sa zrná nadmerne nezväčšili, aby sa zvýšilo presýtenie α tuhého roztoku a pevnosť po starnutí. Vo všeobecnosti sa pri ohrievaní hliníkovej zliatiny vyžaduje presnosť regulácie teploty pece v rozmedzí ±3 °C a vzduch v peci je nútený cirkulovať, aby sa zabezpečila rovnomernosť teploty pece.

Prehorenie hliníkovej zliatiny je spôsobené čiastočným roztavením zložiek s nízkou teplotou topenia vo vnútri kovu, ako sú binárne alebo viacprvkové eutektiká. Prehorenie nielenže spôsobuje zníženie mechanických vlastností, ale má aj vážny vplyv na odolnosť zliatiny proti korózii. Preto po prehorení hliníkovej zliatiny nie je možné ju odstrániť a zliatinový výrobok by sa mal zošrotovať. Skutočná teplota prehorenia hliníkovej zliatiny je určená hlavne zložením zliatiny a obsahom nečistôt a súvisí aj so stavom spracovania zliatiny. Teplota prehorenia výrobkov, ktoré prešli plastickým deformačným spracovaním, je vyššia ako u odliatkov. Čím väčšia je deformácia, tým ľahšie sa nerovnovážne zložky s nízkou teplotou topenia rozpustia v matrici pri zahrievaní, takže skutočná teplota prehorenia sa zvyšuje.

Rýchlosť chladenia počas kalenia hliníkovej zliatiny má významný vplyv na schopnosť spevňovania starnutím a odolnosť zliatiny proti korózii. Počas procesu kalenia LY12 a LC4 je potrebné zabezpečiť, aby sa α tuhý roztok nerozkladal, najmä v teplotne citlivej oblasti 290 až 420 ℃, a je potrebná dostatočne veľká rýchlosť chladenia. Zvyčajne sa stanovuje, že rýchlosť chladenia by mala byť nad 50 ℃/s a pre zliatinu LC4 by mala dosiahnuť alebo prekročiť 170 ℃/s.

Najčastejšie používaným kaliacim médiom pre hliníkové zliatiny je voda. Výrobná prax ukazuje, že čím vyššia je rýchlosť chladenia počas kalenia, tým väčšie je zvyškové napätie a zvyšková deformácia kalenéhho materiálu alebo obrobku. Preto pri malých obrobkoch s jednoduchými tvarmi môže byť teplota vody mierne nižšia, zvyčajne 10 až 30 °C, a nemala by prekročiť 40 °C. Pri obrobkoch so zložitými tvarmi a veľkými rozdielmi v hrúbke stien sa môže teplota vody niekedy zvýšiť na 80 °C, aby sa znížila deformácia a praskanie pri kalení. Treba však zdôrazniť, že so zvyšujúcou sa teplotou vody v kaliacej nádrži sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje aj pevnosť a odolnosť materiálu proti korózii.

3. Starnutie

3.1 Organizačná transformácia a zmeny výkonnosti počas starnutia

Presýtený α tuhý roztok získaný kalením má nestabilnú štruktúru. Pri zahrievaní sa rozloží a premení na rovnovážnu štruktúru. Napríklad zliatina Al-4Cu by mala byť α+CuAl2 (θ fáza). Ak sa jednofázový presýtený α tuhý roztok po kalení zahreje na starnutie, ak je teplota dostatočne vysoká, θ fáza sa priamo vyzráža. V opačnom prípade sa proces uskutoční postupne, to znamená, že po niekoľkých prechodných fázach sa môže dosiahnuť konečná rovnovážna fáza CuAl2. Obrázok nižšie znázorňuje charakteristiky kryštálovej štruktúry každého stupňa vyzrážania počas procesu starnutia zliatiny Al-Cu. Obrázok a. znázorňuje kryštálovú mriežkovú štruktúru v kalení. V tomto čase ide o jednofázový α presýtený tuhý roztok a atómy medi (čierne bodky) sú rovnomerne a náhodne rozložené v hliníkovej mriežke (biele bodky). Obrázok b. znázorňuje mriežkovú štruktúru v ranom štádiu vyzrážania. Atómy medi sa začínajú koncentrovať v určitých oblastiach mriežky matrice a tvoria Guinier-Prestonovu oblasť, nazývanú GP oblasť. GP zóna je extrémne malá a má tvar disku s priemerom približne 5 až 10 μm a hrúbkou 0,4 až 0,6 nm. Počet GP zón v matrici je extrémne veľký a hustota distribúcie môže dosiahnuť 10¹⁷ až 10¹⁸cm-³. Kryštálová štruktúra GP zóny je stále rovnaká ako štruktúra matrice, obe sú plošne centrované kubické a zachovávajú si koherentné rozhranie s matricou. Avšak, pretože veľkosť atómov medi je menšia ako veľkosť atómov hliníka, obohatenie atómami medi spôsobí zmenšenie kryštálovej mriežky v blízkosti tejto oblasti, čo spôsobí jej skreslenie.

Schematický diagram zmien kryštálovej štruktúry zliatiny Al-Cu počas starnutia

Obrázok a. Zhášaný stav, jednofázový α tuhý roztok, atómy medi (čierne bodky) sú rovnomerne rozložené;

Obrázok b. V skorom štádiu starnutia sa vytvára GP zóna;

Obrázok c. V neskorom štádiu starnutia sa vytvorí semikoherentná prechodná fáza;

Obrázok d. Starnutie pri vysokých teplotách, precipitácia nekoherentnej rovnovážnej fázy

GP zóna je prvým produktom predzrážania, ktorý sa objavuje počas procesu starnutia hliníkových zliatin. Predĺženie času starnutia, najmä zvýšenie teploty starnutia, bude tiež tvoriť ďalšie prechodné fázy. V zliatine Al-4Cu sa po GP zóne nachádzajú fázy θ” a θ' a nakoniec sa dosiahne rovnovážna fáza CuAl2. θ” a θ' sú obe prechodné fázy fázy θ a kryštalická štruktúra je štvorcová mriežka, ale mriežková konštanta je iná. Veľkosť θ je väčšia ako veľkosť GP zóny, stále má tvar disku, s priemerom približne 15 ~ 40 nm a hrúbkou 0,8 ~ 2,0 nm. Stále si udržiava koherentné rozhranie s matricou, ale stupeň skreslenia mriežky je intenzívnejší. Pri prechode z fázy θ” do θ' sa veľkosť zväčšila na 20 ~ 600 nm, hrúbka je 10 ~ 15 nm a koherentné rozhranie je tiež čiastočne zničené, čím sa stáva semikoherentným rozhraním, ako je znázornené na obrázku c. Konečným produktom starnúcej precipitácie je rovnovážna fáza θ (CuAl2), kedy je koherentné rozhranie úplne zničené a stáva sa nekoherentným rozhraním, ako je znázornené na obrázku d.

Podľa vyššie uvedenej situácie je poradie starnutia zliatiny Al-Cu αs→α+GP zóna→α+θ”→α+θ'→α+θ. Stupeň starnutia štruktúry závisí od zloženia zliatiny a špecifikácie starnutia. Často sa v rovnakom stave nachádza viacero produktov starnutia. Čím vyššia je teplota starnutia, tým bližšie je štruktúra k rovnovážnej štruktúre.

Počas procesu starnutia sú GP zóna a prechodová fáza vyzrážané z matrice malé, vysoko dispergované a ťažko sa deformujú. Zároveň spôsobujú mriežkové skreslenie v matrici a vytvárajú pole napätia, ktoré má významný brzdiaci účinok na pohyb dislokácií, čím zvyšujú odolnosť zliatiny voči plastickej deformácii a zlepšujú jej pevnosť a tvrdosť. Tento jav starnutia sa nazýva precipitačné spevnenie. Obrázok nižšie znázorňuje zmenu tvrdosti zliatiny Al-4Cu počas kalenia a starnutia vo forme krivky. Fáza I na obrázku predstavuje tvrdosť zliatiny v jej pôvodnom stave. V dôsledku rôznych histórií tepelného spracovania sa tvrdosť pôvodného stavu bude meniť, vo všeobecnosti HV=30~80. Po zahriatí na 500 ℃ a kalení (fáza II) sa všetky atómy medi rozpustia v matrici a vytvoria jednofázový presýtený α pevný roztok s HV=60, čo je dvakrát taká tvrdosť ako v žíhanom stave (HV=30). Je to výsledok spevnenia tuhého roztoku. Po kalení sa zliatina umiestni do izbovej teploty a tvrdosť zliatiny sa neustále zvyšuje v dôsledku neustálej tvorby GP zón (fáza III). Tento proces starnutia a kalenia pri izbovej teplote sa nazýva prirodzené starnutie.

I – pôvodný stav;

II – stav tuhého roztoku;

III – prirodzené starnutie (zóna GP);

IVa – regresné spracovanie pri teplote 150 – 200 °C (znovu rozpustené v zóne GP);

IVb – umelé starnutie (fáza θ”+θ');

V – prestarnutie (fáza θ”+θ')

V štádiu IV sa zliatina zahrieva na 150 °C kvôli starnutiu a účinok kalenia je výraznejší ako pri prirodzenom starnutí. V tomto čase je produktom precipitácie hlavne fáza θ”, ktorá má najväčší účinok kalenia v zliatinách Al-Cu. Ak sa teplota starnutia ďalej zvyšuje, fáza precipitácie prechádza z fázy θ” do fázy θ', účinok kalenia sa oslabuje a tvrdosť klesá, čím sa vstupuje do štádia V. Akékoľvek starnutie, ktoré vyžaduje umelé zahrievanie, sa nazýva umelé starnutie a štádiá IV a V patria do tejto kategórie. Ak tvrdosť dosiahne maximálnu hodnotu tvrdosti, ktorú môže zliatina dosiahnuť po starnutí (t. j. štádium IVb), toto starnutie sa nazýva vrcholové starnutie. Ak sa vrcholová hodnota tvrdosti nedosiahne, nazýva sa to nedostatočné alebo neúplné umelé starnutie. Ak sa vrcholová hodnota prekročí a tvrdosť sa zníži, nazýva sa to nadmerné starnutie. Stabilizačné starnutie tiež patrí k nadmernému starnutiu. Zóna GP vytvorená počas prirodzeného starnutia je veľmi nestabilná. Keď sa zóna GP rýchlo zahreje na vyššiu teplotu, napríklad okolo 200 °C, a krátkodobo sa udržiava v teple, rozpustí sa späť do tuhého roztoku α. Ak sa rýchlo ochladí (ochladí) pred vyzrážaním iných prechodných fáz, ako je θ” alebo θ', zliatina sa môže vrátiť do pôvodného stavu po ochladení. Tento jav sa nazýva „regresia“, čo je pokles tvrdosti znázornený bodkovanou čiarou v štádiu IVa na obrázku. Hliníková zliatina, ktorá prešla regresiou, má stále rovnakú schopnosť kalenia starnutím.

Kalenie starnutím je základom pre vývoj tepelne spracovateľných hliníkových zliatin a jeho schopnosť kalenia starnutím priamo súvisí so zložením zliatiny a systémom tepelného spracovania. Binárne zliatiny Al-Si a Al-Mn nemajú žiadny účinok precipitačného kalenia, pretože rovnovážna fáza sa priamo vyzráža počas procesu starnutia a sú to tepelne nespracovateľné hliníkové zliatiny. Hoci zliatiny Al-Mg môžu tvoriť GP zóny a prechodné fázy β', majú určitú schopnosť precipitačného kalenia iba vo zliatinách s vysokým obsahom horčíka. Zliatiny Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si a Al-Zn-Mg-Cu majú silnú schopnosť precipitačného kalenia vo svojich GP zónach a prechodných fázach a v súčasnosti sú hlavnými zliatinovými systémami, ktoré je možné tepelne spracovať a spevniť.

3.2 Prirodzené starnutie

Hliníkové zliatiny, ktoré sa dajú spevniť tepelným spracovaním, majú vo všeobecnosti po kalení účinok prirodzeného starnutia. Spevnenie prirodzeným starnutím je spôsobené zónou GP. Prirodzené starnutie sa široko používa v zliatinách Al-Cu a Al-Cu-Mg. Prirodzené starnutie zliatin Al-Zn-Mg-Cu trvá príliš dlho a často trvá niekoľko mesiacov, kým sa dosiahnu stabilné štádium, takže sa systém prirodzeného starnutia nepoužíva.

V porovnaní s umelým starnutím je po prirodzenom starnutí medza klzu zliatiny nižšia, ale plasticita a húževnatosť sú lepšie a odolnosť proti korózii je vyššia. Situácia so supertvrdým hliníkom systému Al-Zn-Mg-Cu je mierne odlišná. Odolnosť proti korózii po umelom starnutí je často lepšia ako po prirodzenom starnutí.

3.3 Umelé starnutie

Po umelom starnutí môžu hliníkové zliatiny často dosiahnuť najvyššiu medzu klzu (hlavne spevnenie v prechodnej fáze) a lepšiu organizačnú stabilitu. Supertvrdý hliník, kovaný hliník a liaty hliník sa prevažne podrobujú umelému starnutiu. Teplota starnutia a čas starnutia majú dôležitý vplyv na vlastnosti zliatin. Teplota starnutia sa väčšinou pohybuje medzi 120 a 190 ℃ a čas starnutia nepresahuje 24 hodín.

Okrem jednostupňového umelého starnutia môžu hliníkové zliatiny používať aj stupňovitý systém umelého starnutia. To znamená, že ohrev sa vykonáva dvakrát alebo viackrát pri rôznych teplotách. Napríklad zliatina LC4 sa môže nechať starnúť pri teplote 115 až 125 ℃ počas 2 až 4 hodín a potom pri teplote 160 až 170 ℃ počas 3 až 5 hodín. Postupné starnutie môže nielen výrazne skrátiť čas, ale aj zlepšiť mikroštruktúru zliatin Al-Zn-Mg a Al-Zn-Mg-Cu a výrazne zlepšiť odolnosť proti korózii pod napätím, únavovú pevnosť a lomovú húževnatosť bez zásadného zníženia mechanických vlastností.