Recoacerea, călirea și îmbătrânirea sunt tipurile de bază de tratament termic pentru aliajele de aluminiu. Recoacerea este un tratament de înmuiere, al cărui scop este de a face aliajul uniform și stabil în compoziție și structură, de a elimina ecruisarea prin deformare și de a restabili plasticitatea aliajului. Călirea și îmbătrânirea sunt un tratament termic de întărire, al cărui scop este de a îmbunătăți rezistența aliajului și sunt utilizate în principal pentru aliajele de aluminiu care pot fi întărite prin tratament termic.
1 Recoacere
Conform diferitelor cerințe de producție, recoacerea aliajelor de aluminiu este împărțită în mai multe forme: recoacerea de omogenizare a lingourilor, recoacerea de țagle, recoacerea intermediară și recoacerea produsului finit.
1.1 Recoacere prin omogenizare a lingourilor
În condiții de condensare rapidă și cristalizare în dezechilibru, lingoul trebuie să aibă o compoziție și o structură inegale și, de asemenea, să prezinte o tensiune internă mare. Pentru a schimba această situație și a îmbunătăți procesabilitatea lingoului la cald, este în general necesară o recoacere de omogenizare.
Pentru a promova difuzia atomică, trebuie selectată o temperatură mai ridicată pentru recoacerea de omogenizare, dar aceasta nu trebuie să depășească punctul de topire eutectic al aliajului, care are un punct de topire scăzut. În general, temperatura de recoacere de omogenizare este cu 5~40℃ mai mică decât punctul de topire, iar timpul de recoacere este, în general, între 12~24h.
1.2 Recoacerea țaglelor
Recoacerea țaglei se referă la recoacerea efectuată înainte de prima deformare la rece în timpul prelucrării sub presiune. Scopul este de a face țagla să obțină o structură echilibrată și să aibă o capacitate maximă de deformare plastică. De exemplu, temperatura finală de laminare a plăcii de aliaj de aluminiu laminate la cald este de 280~330℃. După răcirea rapidă la temperatura camerei, fenomenul de ecruisare nu poate fi eliminat complet. În special, pentru aliajele de aluminiu întărite tratate termic, după răcirea rapidă, procesul de recristalizare nu s-a încheiat, iar soluția solidă suprasaturată nu s-a descompus complet, iar o parte din efectul de ecruisare și călire este încă păstrat. Este dificil să se lamineze direct la rece fără recoacere, așa că este necesară recoacerea țaglei. Pentru aliajele de aluminiu întărite netratate termic, cum ar fi LF3, temperatura de recoacere este de 370~470℃, iar răcirea cu aer se efectuează după menținerea la cald timp de 1,5~2,5 ore. Temperatura țaglei și a recoacerii utilizate pentru prelucrarea tuburilor trase la rece ar trebui să fie corespunzător mai ridicate, iar limita superioară de temperatură poate fi selectată. Pentru aliajele de aluminiu care pot fi întărite prin tratament termic, cum ar fi LY11 și LY12, temperatura de recoacere a țaglei este de 390~450℃, menținută la această temperatură timp de 1~3 ore, apoi răcită în cuptor sub 270℃ cu o viteză de maximum 30℃/h și apoi răcită cu aer în afara cuptorului.
1.3 Recoacere intermediară
Recoacerea intermediară se referă la recoacerea dintre procesele de deformare la rece, al cărei scop este de a elimina ecruisarea pentru a facilita deformarea la rece continuă. În general, după ce materialul a fost recopt, va fi dificil să se continue prelucrarea la rece fără recoacere intermediară după o deformare la rece de 45~85%.
Sistemul de recoacere intermediară este practic același cu cel al recoacerii la țaglă. Conform cerințelor privind gradul de deformare la rece, recoacerea intermediară poate fi împărțită în trei tipuri: recoacere completă (deformare totală ε≈60~70%), recoacere simplă (ε≤50%) și recoacere ușoară (ε≈30~40%). Primele două sisteme de recoacere sunt aceleași cu recoacerea la țaglă, iar cea din urmă este încălzită la 320~350℃ timp de 1,5~2 ore și apoi răcită cu aer.
1.4. Recoacerea produsului finit
Recoacerea produsului finit este tratamentul termic final care conferă materialului anumite proprietăți organizatorice și mecanice în conformitate cu cerințele condițiilor tehnice ale produsului.
Recoacerea produsului finit poate fi împărțită în recoacere la temperatură înaltă (producția de produse moi) și recoacere la temperatură joasă (producția de produse semidure în diferite stări). Recoacerea la temperatură înaltă ar trebui să asigure obținerea unei structuri de recristalizare completă și a unei plasticități bune. În condițiile în care materialul are o structură și performanțe bune, timpul de menținere nu ar trebui să fie prea lung. Pentru aliajele de aluminiu care pot fi întărite prin tratament termic, pentru a preveni efectul de răcire cu aer, viteza de răcire trebuie controlată strict.
Recoacerea la temperatură joasă include recoacerea de detensionare și recoacerea parțială de înmuiere, care sunt utilizate în principal pentru aluminiu pur și aliaje de aluminiu întărite fără tratament termic. Formularea unui sistem de recoacere la temperatură joasă este o sarcină foarte complicată, care nu numai că trebuie să ia în considerare temperatura de recoacere și timpul de menținere, ci și influența impurităților, gradul de aliere, deformarea la rece, temperatura intermediară de recoacere și temperatura de deformare la cald. Pentru a formula un sistem de recoacere la temperatură joasă, este necesar să se măsoare curba de variație dintre temperatura de recoacere și proprietățile mecanice, iar apoi să se determine intervalul temperaturii de recoacere în funcție de indicatorii de performanță specificați în condițiile tehnice.
2 Stingere
Călirea aliajului de aluminiu se mai numește și tratament de soluționare, care constă în dizolvarea cât mai multor elemente de aliere din metal, ca a doua fază, în soluția solidă prin încălzire la temperatură înaltă, urmată de răcire rapidă pentru a inhiba precipitarea celei de-a doua faze, obținându-se astfel o soluție solidă α suprasaturată pe bază de aluminiu, care este bine pregătită pentru următorul tratament de îmbătrânire.
Premisa obținerii unei soluții solide α suprasaturate este că solubilitatea celei de-a doua faze din aliaj în aluminiu ar trebui să crească semnificativ odată cu creșterea temperaturii, altfel scopul tratamentului în soluție solidă nu poate fi atins. Majoritatea elementelor de aliere din aluminiu pot forma o diagramă de fază eutectică cu această caracteristică. Luând ca exemplu aliajul Al-Cu, temperatura eutectică este de 548℃, iar solubilitatea cuprului în aluminiu la temperatura camerei este mai mică de 0,1%. Când este încălzit la 548℃, solubilitatea sa crește la 5,6%. Prin urmare, aliajele Al-Cu care conțin mai puțin de 5,6% cupru intră în regiunea α monofazică după ce temperatura de încălzire depășește linia de solubilitate, adică a doua fază CuAl2 este complet dizolvată în matrice și, după răcire, se poate obține o singură soluție solidă α suprasaturată.
Călirea este cea mai importantă și mai solicitantă operațiune de tratament termic pentru aliajele de aluminiu. Cheia este de a selecta temperatura de încălzire pentru călire adecvată și de a asigura o rată de răcire suficientă, precum și de a controla cu strictețe temperatura cuptorului și de a reduce deformarea prin călire.
Principiul selecției temperaturii de călire este de a crește temperatura de încălzire și călire cât mai mult posibil, asigurându-se în același timp că aliajul de aluminiu nu se supraarde sau că granulele nu cresc excesiv, astfel încât să crească suprasaturația soluției solide α și rezistența după tratamentul de îmbătrânire. În general, cuptorul de încălzire a aliajului de aluminiu necesită o precizie de control al temperaturii cuptorului de ±3 ℃, iar aerul din cuptor este forțat să circule pentru a asigura uniformitatea temperaturii cuptorului.
Supraarderea aliajului de aluminiu este cauzată de topirea parțială a componentelor cu punct de topire scăzut din interiorul metalului, cum ar fi eutecticii binari sau cu mai multe elemente. Supraarderea nu numai că provoacă reducerea proprietăților mecanice, dar are și un impact serios asupra rezistenței la coroziune a aliajului. Prin urmare, odată ce un aliaj de aluminiu este supraars, acesta nu poate fi eliminat și produsul din aliaj trebuie casat. Temperatura reală de supraardere a aliajului de aluminiu este determinată în principal de compoziția aliajului și conținutul de impurități și este, de asemenea, legată de starea de procesare a aliajului. Temperatura de supraardere a produselor care au suferit un proces de deformare plastică este mai mare decât cea a pieselor turnate. Cu cât procesarea de deformare este mai mare, cu atât este mai ușor ca componentele cu punct de topire scăzut, aflate în dezechilibru, să se dizolve în matrice atunci când sunt încălzite, astfel încât temperatura reală de supraardere crește.
Viteza de răcire în timpul călirii aliajului de aluminiu are un impact semnificativ asupra capacității de întărire la îmbătrânire și a rezistenței la coroziune a aliajului. În timpul procesului de călire a LY12 și LC4, este necesar să se asigure că soluția solidă α nu se descompune, în special în zona sensibilă la temperatură de 290~420℃, fiind necesară o rată de răcire suficient de mare. De obicei, se stipulează că viteza de răcire trebuie să fie peste 50℃/s, iar pentru aliajul LC4, aceasta trebuie să atingă sau să depășească 170℃/s.
Cel mai frecvent utilizat mediu de călire pentru aliajele de aluminiu este apa. Practica de producție arată că, cu cât viteza de răcire în timpul călirii este mai mare, cu atât tensiunea reziduală și deformarea reziduală a materialului sau piesei de prelucrat călite sunt mai mari. Prin urmare, pentru piese mici cu forme simple, temperatura apei poate fi puțin mai scăzută, în general 10~30℃, și nu trebuie să depășească 40℃. Pentru piesele cu forme complexe și diferențe mari de grosime a peretelui, pentru a reduce deformarea și fisurarea prin călire, temperatura apei poate fi uneori crescută la 80℃. Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul că, pe măsură ce temperatura apei din rezervorul de călire crește, rezistența și rezistența la coroziune a materialului scad, de asemenea, în mod corespunzător.
3. Îmbătrânirea
3.1 Transformarea organizațională și schimbările de performanță în timpul îmbătrânirii
Soluția solidă α suprasaturată obținută prin răcire are o structură instabilă. Când este încălzită, se va descompune și se va transforma într-o structură de echilibru. Luând ca exemplu aliajul Al-4Cu, structura sa de echilibru ar trebui să fie α+CuAl2 (fază θ). Când soluția solidă α suprasaturată monofazică după răcire este încălzită pentru îmbătrânire, dacă temperatura este suficient de ridicată, faza θ va precipita direct. În caz contrar, se va realiza în etape, adică, după câteva etape intermediare de tranziție, se poate atinge faza finală de echilibru CuAl2. Figura de mai jos ilustrează caracteristicile structurii cristaline a fiecărei etape de precipitare în timpul procesului de îmbătrânire a aliajului Al-Cu. Figura a. prezintă structura rețelei cristaline în stare răcită. În acest moment, este o soluție solidă α suprasaturată monofazică, iar atomii de cupru (puncte negre) sunt distribuiți uniform și aleatoriu în rețeaua matricei de aluminiu (puncte albe). Figura b. prezintă structura rețelei în stadiul incipient al precipitării. Atomii de cupru încep să se concentreze în anumite zone ale rețelei matricei pentru a forma o zonă Guinier-Preston, numită zona GP. Zona GP este extrem de mică și are formă de disc, cu un diametru de aproximativ 5~10 μm și o grosime de 0,4~0,6 nm. Numărul de zone GP din matrice este extrem de mare, iar densitatea de distribuție poate ajunge la 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Structura cristalină a zonei GP este aceeași cu cea a matricei, ambele fiind cubice cu fețe centrate și menținând o interfață coerentă cu matricea. Cu toate acestea, deoarece dimensiunea atomilor de cupru este mai mică decât cea a atomilor de aluminiu, îmbogățirea atomilor de cupru va determina contracția rețelei cristaline din apropierea regiunii, ceea ce provoacă distorsiuni ale rețelei.
Diagramă schematică a modificărilor structurii cristaline a aliajului Al-Cu în timpul îmbătrânirii
Figura a. Stare răcită, o soluție solidă α monofazică, atomii de cupru (puncte negre) sunt distribuiți uniform;
Figura b. În stadiul incipient al îmbătrânirii, se formează zona GP;
Figura c. În stadiul avansat al îmbătrânirii, se formează o fază de tranziție semicoerentă;
Figura d. Îmbătrânire la temperatură înaltă, precipitarea fazei de echilibru incoerente
Zona GP este primul produs de pre-precipitare care apare în timpul procesului de îmbătrânire a aliajelor de aluminiu. Prelungirea timpului de îmbătrânire, în special creșterea temperaturii de îmbătrânire, va forma și alte faze de tranziție intermediare. În aliajul Al-4Cu, există faze θ” și θ' după zona GP, iar în final se atinge faza de echilibru CuAl2. θ” și θ' sunt ambele faze de tranziție ale fazei θ, iar structura cristalină este o rețea pătrată, dar constanta rețelei este diferită. Dimensiunea lui θ este mai mare decât cea a zonei GP, fiind tot în formă de disc, cu un diametru de aproximativ 15~40 nm și o grosime de 0,8~2,0 nm. Continuă să mențină o interfață coerentă cu matricea, dar gradul de distorsiune a rețelei este mai intens. La trecerea de la faza θ” la faza θ’, dimensiunea a crescut la 20~600nm, grosimea este de 10~15nm, iar interfața coerentă este, de asemenea, parțial distrusă, devenind o interfață semi-coerentă, așa cum se arată în Figura c. Produsul final al precipitării prin îmbătrânire este faza de echilibru θ (CuAl2), moment în care interfața coerentă este complet distrusă și devine o interfață necoerentă, așa cum se arată în Figura d.
Conform situației de mai sus, ordinul de precipitare prin îmbătrânire al aliajului Al-Cu este αs→α+zona GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. Stadiul structurii de îmbătrânire depinde de compoziția aliajului și de specificațiile de îmbătrânire. Adesea există mai multe produse de îmbătrânire în aceeași stare. Cu cât temperatura de îmbătrânire este mai mare, cu atât structura este mai aproape de echilibru.
În timpul procesului de îmbătrânire, zona GP și faza de tranziție precipitate din matrice sunt de dimensiuni mici, foarte dispersate și greu deformate. În același timp, acestea provoacă distorsiuni ale rețelei în matrice și formează un câmp de tensiune, care are un efect semnificativ de împiedicare a mișcării dislocațiilor, crescând astfel rezistența la deformarea plastică a aliajului și îmbunătățind rezistența și duritatea acestuia. Acest fenomen de întărire prin îmbătrânire se numește întărire prin precipitare. Figura de mai jos ilustrează schimbarea durității aliajului Al-4Cu în timpul tratamentului de călire și îmbătrânire sub forma unei curbe. Etapa I din figură reprezintă duritatea aliajului în starea sa inițială. Datorită istoricului diferit de prelucrare la cald, duritatea stării inițiale va varia, în general HV=30~80. După încălzirea la 500℃ și călire (etapa II), toți atomii de cupru sunt dizolvați în matrice pentru a forma o soluție solidă α suprasaturată monofazică cu HV=60, care este de două ori mai dură decât duritatea în stare recoaptă (HV=30). Acesta este rezultatul întăririi soluției solide. După călire, este plasat la temperatura camerei, iar duritatea aliajului crește continuu datorită formării continue a zonelor GP (stadiul III). Acest proces de întărire prin îmbătrânire la temperatura camerei se numește îmbătrânire naturală.
I — starea inițială;
II—stare de soluție solidă;
III—îmbătrânire naturală (zona GP);
IVa—tratament de regresie la 150~200℃ (redizolvat în zona GP);
IVb—îmbătrânire artificială (faza θ”+θ');
V—supraîmbătrânire (faza θ”+θ')
În etapa IV, aliajul este încălzit la 150°C pentru îmbătrânire, iar efectul de întărire este mai evident decât cel al îmbătrânirii naturale. În acest moment, produsul de precipitare este în principal faza θ”, care are cel mai mare efect de întărire în aliajele Al-Cu. Dacă temperatura de îmbătrânire crește în continuare, faza de precipitare trece de la faza θ” la faza θ’, efectul de întărire slăbește, iar duritatea scade, intrând în etapa V. Orice tratament de îmbătrânire care necesită încălzire artificială se numește îmbătrânire artificială, iar etapele IV și V aparțin acestei categorii. Dacă duritatea atinge valoarea maximă de duritate pe care aliajul o poate atinge după îmbătrânire (adică etapa IVb), această îmbătrânire se numește îmbătrânire de vârf. Dacă valoarea maximă a durității nu este atinsă, se numește subîmbătrânire sau îmbătrânire artificială incompletă. Dacă valoarea maximă este depășită și duritatea scade, se numește supraîmbătrânire. Tratamentul de stabilizare a îmbătrânirii aparține, de asemenea, supraîmbătrânirii. Zona GP formată în timpul îmbătrânirii naturale este foarte instabilă. Când este încălzită rapid la o temperatură mai ridicată, cum ar fi aproximativ 200°C, și menținută caldă pentru o perioadă scurtă de timp, zona GP se va dizolva din nou în soluția solidă α. Dacă este răcită rapid (stinsă) înainte de alte faze de tranziție, cum ar fi precipitatul θ” sau θ', aliajul poate fi readus la starea sa inițială de stingere. Acest fenomen se numește „regresie”, care este scăderea durității indicată de linia punctată în etapa IVa din figură. Aliajul de aluminiu care a fost regresat are încă aceeași capacitate de întărire la îmbătrânire.
Durificarea prin îmbătrânire este baza dezvoltării aliajelor de aluminiu tratabile termic, iar capacitatea sa de durificare prin îmbătrânire este direct legată de compoziția aliajului și de sistemul de tratament termic. Aliajele binare Al-Si și Al-Mn nu au efect de durificare prin precipitare deoarece faza de echilibru este precipitată direct în timpul procesului de îmbătrânire și sunt aliaje de aluminiu netratabile termic. Deși aliajele Al-Mg pot forma zone GP și faze de tranziție β', ele au o anumită capacitate de durificare prin precipitare doar în aliajele cu conținut ridicat de magneziu. Aliajele Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si și Al-Zn-Mg-Cu au o capacitate puternică de durificare prin precipitare în zonele lor GP și fazele de tranziție și sunt în prezent principalele sisteme de aliaje care pot fi tratabile termic și întărite.
3.2 Îmbătrânirea naturală
În general, aliajele de aluminiu care pot fi întărite prin tratament termic au un efect natural de îmbătrânire după călire. Întărirea prin îmbătrânire naturală este cauzată de zona GP. Îmbătrânirea naturală este utilizată pe scară largă în aliajele Al-Cu și Al-Cu-Mg. Îmbătrânirea naturală a aliajelor Al-Zn-Mg-Cu durează prea mult și adesea durează câteva luni pentru a ajunge la un stadiu stabil, așa că nu se utilizează sistemul de îmbătrânire naturală.
Comparativ cu îmbătrânirea artificială, după îmbătrânirea naturală, rezistența la curgere a aliajului este mai mică, dar plasticitatea și tenacitatea sunt mai bune, iar rezistența la coroziune este mai mare. Situația aluminiului super-dur din sistemul Al-Zn-Mg-Cu este ușor diferită. Rezistența la coroziune după îmbătrânirea artificială este adesea mai bună decât cea după îmbătrânirea naturală.
3.3 Îmbătrânirea artificială
După tratamentul de îmbătrânire artificială, aliajele de aluminiu pot obține adesea cea mai mare rezistență la curgere (în principal prin întărirea fazei de tranziție) și o stabilitate organizațională mai bună. Aluminiul super-dur, aluminiul forjat și aluminiul turnat sunt îmbătrânite în principal artificial. Temperatura de îmbătrânire și timpul de îmbătrânire au o influență importantă asupra proprietăților aliajului. Temperatura de îmbătrânire este în mare parte între 120~190℃, iar timpul de îmbătrânire nu depășește 24h.
Pe lângă îmbătrânirea artificială într-o singură etapă, aliajele de aluminiu pot adopta și un sistem de îmbătrânire artificială gradată. Adică, încălzirea se efectuează de două sau mai multe ori la temperaturi diferite. De exemplu, aliajul LC4 poate fi îmbătrânit la 115~125℃ timp de 2~4 ore și apoi la 160~170℃ timp de 3~5 ore. Îmbătrânirea graduală nu numai că poate scurta semnificativ timpul, dar poate îmbunătăți și microstructura aliajelor Al-Zn-Mg și Al-Zn-Mg-Cu și poate îmbunătăți semnificativ rezistența la coroziune sub tensiune, rezistența la oboseală și tenacitatea la fractură, fără a reduce în mod fundamental proprietățile mecanice.
Data publicării: 06 martie 2025
