Glödgning, kylning och åldring är de grundläggande värmebehandlingstyperna för aluminiumlegeringar. Glödgning är en mjukgörande behandling vars syfte är att göra legeringen enhetlig och stabil i sammansättning och struktur, eliminera deformationshärdning och återställa legeringens plasticitet. Kylning och åldring är en förstärkande värmebehandling vars syfte är att förbättra legeringens hållfasthet och används huvudsakligen för aluminiumlegeringar som kan förstärkas genom värmebehandling.
1 Glödgning
Enligt olika produktionskrav är glödgning av aluminiumlegeringar uppdelad i flera former: glödgning av göt, glödgning av billet, mellanglödgning och glödgning av färdiga produkter.
1.1 Homogenisering av glödgning av göt
Under förhållanden med snabb kondensation och icke-jämviktskristallisation måste götet ha ojämn sammansättning och struktur, och även ha stor inre spänning. För att ändra denna situation och förbättra götets varmbearbetningsbarhet krävs i allmänhet homogeniseringsglödgning.
För att främja atomdiffusion bör en högre temperatur väljas för homogeniseringsglödgning, men den får inte överstiga legeringens eutektiska smältpunkt med låg smältpunkt. Generellt sett är homogeniseringsglödgningstemperaturen 5~40 ℃ lägre än smältpunkten, och glödgningstiden är oftast mellan 12~24 timmar.
1.2 Billetglödgning
Billetglödgning avser glödgning före den första kalla deformationen under tryckbearbetningen. Syftet är att ge billetmaterialet en balanserad struktur och maximal plastisk deformationskapacitet. Till exempel är valsningstemperaturen för varmvalsade aluminiumlegeringsplattor 280~330℃. Efter snabb kylning vid rumstemperatur kan deformationshärdningsfenomenet inte helt elimineras. I synnerhet för värmebehandlade förstärkta aluminiumlegeringar har omkristallisationsprocessen inte avslutats efter snabb kylning, och den övermättade fasta lösningen har inte sönderfallit helt, och en del av deformationshärdnings- och kylningseffekten bibehålls fortfarande. Det är svårt att kallvalsa direkt utan glödgning, så billetglödgning krävs. För icke-värmebehandlade förstärkta aluminiumlegeringar, såsom LF3, är glödgningstemperaturen 370~470℃, och luftkylning utförs efter att ha hållits varm i 1,5~2,5 timmar. Billet- och glödgningstemperaturen som används för kalldragna rörbearbetning bör vara lämpligt högre, och den övre gränstemperaturen kan väljas. För aluminiumlegeringar som kan förstärkas genom värmebehandling, såsom LY11 och LY12, är glödgningstemperaturen för ämnet 390~450℃, som hålls vid denna temperatur i 1~3 timmar, sedan kyls i ugnen till under 270℃ med en hastighet av högst 30℃/h och sedan luftkyls ut ur ugnen.
1.3 Mellanglödgning
Mellanglödgning avser glödgning mellan kalldeformationsprocesser, vars syfte är att eliminera kallhärdning för att underlätta fortsatt kalldeformation. Generellt sett, efter att materialet har glödgats, kommer det att vara svårt att fortsätta kallbearbetningen utan mellanglödgning efter att ha genomgått 45~85% kalldeformation.
Processsystemet för mellanglödgning är i grunden detsamma som för ämnesglödgning. Enligt kraven på kalldeformationsgrad kan mellanglödgning delas in i tre typer: fullständig glödgning (total deformation ε≈60~70%), enkel glödgning (ε≤50%) och lätt glödgning (ε≈30~40%). De två första glödgningssystemen är desamma som ämnesglödgning, och det senare värms upp vid 320~350℃ i 1,5~2 timmar och luftkyls sedan.
1.4. Glödgning av färdig produkt
Glödgning av färdig produkt är den slutliga värmebehandlingen som ger materialet vissa organisatoriska och mekaniska egenskaper i enlighet med produktens tekniska krav.
Glödgning av färdiga produkter kan delas in i högtemperaturglödgning (produktion av mjuka produkter) och lågtemperaturglödgning (produktion av halvhårda produkter i olika tillstånd). Högtemperaturglödgning bör säkerställa att en fullständig omkristallisationsstruktur och god plasticitet kan erhållas. Under förutsättning att materialet får god struktur och prestanda bör hålltiden inte vara för lång. För aluminiumlegeringar som kan förstärkas genom värmebehandling bör kylningshastigheten kontrolleras strikt för att förhindra luftkylnings- och släckningseffekten.
Lågtemperaturglödgning inkluderar spänningsavlastningsglödgning och partiell mjukgöringsglödgning, vilka huvudsakligen används för rent aluminium och icke-värmebehandlade förstärkta aluminiumlegeringar. Att formulera ett lågtemperaturglödgningssystem är en mycket komplicerad uppgift, som inte bara behöver beakta glödgningstemperaturen och hålltiden, utan också påverkan av föroreningar, legeringsgrad, kalldeformation, mellanglödgningstemperatur och varmdeformationstemperatur. För att formulera ett lågtemperaturglödgningssystem är det nödvändigt att mäta förändringskurvan mellan glödgningstemperatur och mekaniska egenskaper, och sedan bestämma glödgningstemperaturintervallet enligt de prestandaindikatorer som anges i de tekniska villkoren.
2 Släckning
Släckning av aluminiumlegering kallas även lösningsbehandling, vilket innebär att så många legeringselement som möjligt i metallen som en andra fas löses upp i den fasta lösningen genom högtemperaturuppvärmning, följt av snabb kylning för att hämma utfällningen av den andra fasen, varigenom en övermättad aluminiumbaserad α-fast lösning erhålls, som är väl förberedd för nästa åldringsbehandling.
Förutsättningen för att erhålla en övermättad α-fast lösning är att lösligheten hos den andra fasen i legeringen i aluminium bör öka avsevärt med ökande temperatur, annars kan syftet med behandlingen i fast lösning inte uppnås. De flesta legeringselement i aluminium kan bilda ett eutektiskt fasdiagram med denna egenskap. Om man tar Al-Cu-legering som exempel är den eutektiska temperaturen 548 ℃, och kopparens löslighet i aluminium vid rumstemperatur är mindre än 0,1 %. Vid uppvärmning till 548 ℃ ökar dess löslighet till 5,6 %. Därför går Al-Cu-legeringar som innehåller mindre än 5,6 % koppar in i α-enfasregionen efter att uppvärmningstemperaturen överstigit dess solvuslinje, det vill säga att den andra fasen CuAl2 är helt upplöst i matrisen, och en enda övermättad α-fast lösning kan erhållas efter kylning.
Härdning är den viktigaste och mest krävande värmebehandlingen för aluminiumlegeringar. Nyckeln är att välja lämplig härdningstemperatur och säkerställa tillräcklig kylningshastighet, samt att strikt kontrollera ugnstemperaturen och minska härdningsdeformationen.
Principen för att välja kyltemperatur är att öka kyltemperaturen så mycket som möjligt samtidigt som man säkerställer att aluminiumlegeringen inte överbränner eller att kornen växer för mycket, för att öka övermättnaden av den α-fasta lösningen och hållfastheten efter åldringsbehandlingen. Generellt sett kräver en värmeugn för aluminiumlegering att ugnstemperaturkontrollnoggrannheten ligger inom ±3 ℃, och luften i ugnen tvingas cirkulera för att säkerställa ugnstemperaturens jämnhet.
Överbränning av aluminiumlegering orsakas av partiell smältning av komponenter med låg smältpunkt inuti metallen, såsom binära eller flerelementseutektika. Överbränning orsakar inte bara en minskning av mekaniska egenskaper, utan har också en allvarlig inverkan på legeringens korrosionsbeständighet. Därför kan en aluminiumlegering, när den väl har överbränts, inte elimineras och legeringsprodukten bör skrotas. Den faktiska överbränningstemperaturen för aluminiumlegering bestäms huvudsakligen av legeringens sammansättning och föroreningsinnehåll, och är också relaterad till legeringens bearbetningstillstånd. Överbränningstemperaturen för produkter som har genomgått plastisk deformationsbehandling är högre än för gjutgods. Ju större deformationsbehandlingen är, desto lättare är det för komponenter med låg smältpunkt som inte är i jämvikt att lösas upp i matrisen vid uppvärmning, så den faktiska överbränningstemperaturen ökar.
Kylningshastigheten under kylning av aluminiumlegering har en betydande inverkan på legeringens åldringshärdningsförmåga och korrosionsbeständighet. Under kylningsprocessen för LY12 och LC4 är det nödvändigt att säkerställa att den fasta α-lösningen inte sönderfaller, särskilt i det temperaturkänsliga området 290~420 ℃, och en tillräckligt hög kylningshastighet krävs. Det anges vanligtvis att kylningshastigheten ska vara över 50 ℃/s, och för LC4-legering bör den nå eller överstiga 170 ℃/s.
Det vanligaste kylmediet för aluminiumlegeringar är vatten. Produktionspraxis visar att ju högre kylningshastigheten under kylningen är, desto större är kvarvarande spänningen och kvarvarande deformationen av det kylda materialet eller arbetsstycket. Därför kan vattentemperaturen för små arbetsstycken med enkla former vara något lägre, vanligtvis 10~30℃, och bör inte överstiga 40℃. För arbetsstycken med komplexa former och stora skillnader i väggtjocklek kan vattentemperaturen ibland ökas till 80℃ för att minska kylningsdeformation och sprickbildning. Det måste dock påpekas att när vattentemperaturen i kyltanken ökar, minskar även materialets hållfasthet och korrosionsbeständighet i motsvarande grad.
3. Åldrande
3.1 Organisatorisk omvandling och prestationsförändringar under åldrande
Den övermättade α-fasta lösningen som erhålls genom kylning har en instabil struktur. Vid uppvärmning sönderfaller den och omvandlas till en jämviktsstruktur. Om man tar Al-4Cu-legeringen som exempel, bör dess jämviktsstruktur vara α+CuAl2 (θ-fas). När den enfasig övermättade α-fasta lösningen upphettas för åldring efter kylning, kommer θ-fasen att utfällas direkt om temperaturen är tillräckligt hög. Annars sker utfällningen i etapper, det vill säga efter några mellanliggande övergångssteg kan den slutliga jämviktsfasen CuAl2 uppnås. Figuren nedan illustrerar kristallstrukturegenskaperna för varje utfällningssteg under åldringsprocessen för Al-Cu-legering. Figur a. visar kristallgitterstrukturen i kylt tillstånd. Vid denna tidpunkt är det en enfasig α-övermättad fast lösning, och kopparatomerna (svarta prickar) är jämnt och slumpmässigt fördelade i aluminiummatrisgittret (vita prickar). Figur b. visar gitterstrukturen i det tidiga skedet av utfällningen. Kopparatomerna börjar koncentreras i vissa områden av matrisgittret för att bilda ett Guinier-Preston-område, kallat GP-området. GP-zonen är extremt liten och skivformad, med en diameter på cirka 5~10 μm och en tjocklek på 0,4~0,6 nm. Antalet GP-zoner i matrisen är extremt stort, och fördelningstätheten kan nå 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Kristallstrukturen i GP-zonen är fortfarande densamma som matrisens, båda är ytcentrerade kubiska, och den upprätthåller ett koherent gränssnitt med matrisen. Men eftersom kopparatomernas storlek är mindre än aluminiumatomernas, kommer anrikningen av kopparatomer att få kristallgittret nära regionen att krympa, vilket orsakar gitterförvrängning.
Schematiskt diagram över kristallstrukturförändringarna hos Al-Cu-legeringar under åldring
Figur a. Släckt tillstånd, en enfas α-fast lösning, kopparatomerna (svarta prickar) är jämnt fördelade;
Figur b. I det tidiga stadiet av åldrandet bildas GP-zonen;
Figur c. I det sena stadiet av åldrandet bildas en semi-koherent övergångsfas;
Figur d. Åldrande vid hög temperatur, utfällning av inkoherent jämviktsfas
GP-zonen är den första förutfällningsprodukten som uppstår under åldringsprocessen för aluminiumlegeringar. Förlängning av åldringstiden, särskilt ökande åldringstemperatur, kommer också att bilda andra mellanliggande övergångsfaser. I Al-4Cu-legeringen finns θ”- och θ'-faser efter GP-zonen, och slutligen uppnås jämviktsfasen CuAl2. θ” och θ' är båda övergångsfaser i θ-fasen, och kristallstrukturen är ett fyrkantigt gitter, men gitterkonstanten är annorlunda. Storleken på θ är större än GP-zonen, fortfarande skivformad, med en diameter på cirka 15~40 nm och en tjocklek på 0,8~2,0 nm. Den fortsätter att upprätthålla ett koherent gränssnitt med matrisen, men graden av gitterförvrängning är mer intensiv. Vid övergången från θ”- till θ'-fasen har storleken ökat till 20~600 nm, tjockleken är 10~15 nm, och det koherenta gränssnittet är också delvis förstört och blir ett semikoherent gränssnitt, såsom visas i figur c. Slutprodukten av åldrande utfällning är jämviktsfasen θ (CuAl2), vid vilken tidpunkt det koherenta gränssnittet förstörs fullständigt och blir ett icke-koherent gränssnitt, såsom visas i figur d.
Enligt ovanstående situation är åldrings- och utfällningsordningen för Al-Cu-legering αs→α+GP-zon→α+θ”→α+θ'→α+θ. Åldringsstrukturens stadium beror på legeringens sammansättning och åldringsspecifikation. Det finns ofta mer än en åldringsprodukt i samma tillstånd. Ju högre åldringstemperatur, desto närmare jämviktsstrukturen.
Under åldringsprocessen är GP-zonen och övergångsfasen som utfälls från matrisen små i storlek, mycket dispergerade och deformeras inte lätt. Samtidigt orsakar de gitterförvrängning i matrisen och bildar ett spänningsfält, vilket har en betydande hämmande effekt på förskjutningens rörelse, vilket ökar legeringens motståndskraft mot plastisk deformation och förbättrar dess styrka och hårdhet. Detta åldrings- och hårdhetsfenomen kallas utskiljningshärdning. Figuren nedan illustrerar hårdhetsförändringen hos Al-4Cu-legeringen under kylning och åldringsbehandling i form av en kurva. Steg I i figuren representerar legeringens hårdhet i dess ursprungliga tillstånd. På grund av olika varmbearbetningshistoriker kommer hårdheten i det ursprungliga tillståndet att variera, vanligtvis HV=30~80. Efter uppvärmning vid 500 ℃ och kylning (steg II) löses alla kopparatomer upp i matrisen för att bilda en enfas övermättad α-fast lösning med HV=60, vilket är dubbelt så hårt som hårdheten i glödgat tillstånd (HV=30). Detta är resultatet av förstärkning i fast lösning. Efter kylning placeras den i rumstemperatur, och legeringens hårdhet ökar kontinuerligt på grund av kontinuerlig bildning av GP-zoner (steg III). Denna åldrings- och härdningsprocess vid rumstemperatur kallas naturlig åldring.
I—ursprungligt tillstånd;
II—fast lösningstillstånd;
III—naturlig åldring (GP-zon);
IVa—regressionsbehandling vid 150~200 ℃ (återupplöst i GP-zonen);
IVb—artificiell åldring (θ”+θ'-fas);
V—överåldring (θ”+θ'-fas)
I steg IV upphettas legeringen till 150°C för åldring, och härdningseffekten är mer uppenbar än den vid naturlig åldring. Vid denna tidpunkt är utfällningsprodukten huvudsakligen θ”-fasen, som har den största förstärkningseffekten i Al-Cu-legeringar. Om åldringstemperaturen ökas ytterligare övergår utfällningsfasen från θ”-fasen till θ'-fasen, härdningseffekten försvagas och hårdheten minskar och går in i steg V. All åldringsbehandling som kräver artificiell uppvärmning kallas artificiell åldring, och steg IV och V tillhör denna kategori. Om hårdheten når det maximala hårdhetsvärdet som legeringen kan nå efter åldring (dvs. steg IVb) kallas denna åldring toppåldring. Om topphårdhetsvärdet inte uppnås kallas det underåldring eller ofullständig artificiell åldring. Om toppvärdet överskrids och hårdheten minskar kallas det överåldring. Stabiliseringsåldringsbehandling tillhör också överåldring. GP-zonen som bildas under naturlig åldring är mycket instabil. När GP-zonen snabbt upphettas till en högre temperatur, såsom cirka 200 °C, och hålls varm under en kort tid, kommer den att lösas upp igen i den α-fasta lösningen. Om den snabbt kyls (kyls) innan andra övergångsfaser, såsom θ” eller θ', utfälls, kan legeringen återställas till sitt ursprungliga kylda tillstånd. Detta fenomen kallas "regression", vilket är hårdhetsfallet som indikeras av den streckade linjen i steg IVa i figuren. Aluminiumlegeringen som har regresserats har fortfarande samma åldringshärdningsförmåga.
Åldershärdning är grunden för utveckling av värmebehandlingsbara aluminiumlegeringar, och dess åldringshärdningsförmåga är direkt relaterad till legeringens sammansättning och värmebehandlingssystem. Binära Al-Si- och Al-Mn-legeringar har ingen utskiljningshärdningseffekt eftersom jämviktsfasen utfälls direkt under åldringsprocessen, och är icke-värmebehandlingsbara aluminiumlegeringar. Även om Al-Mg-legeringar kan bilda GP-zoner och övergångsfaser β', har de endast viss utskiljningshärdningsförmåga i högmagnesiumlegeringar. Al-Cu-, Al-Cu-Mg-, Al-Mg-Si- och Al-Zn-Mg-Cu-legeringar har stark utskiljningshärdningsförmåga i sina GP-zoner och övergångsfaser, och är för närvarande de viktigaste legeringssystemen som kan värmebehandlingsbara och förstärkas.
3.2 Naturligt åldrande
Generellt sett har aluminiumlegeringar som kan förstärkas genom värmebehandling en naturlig åldringseffekt efter kylning. Naturlig åldringsförstärkning orsakas av GP-zonen. Naturlig åldring används ofta i Al-Cu- och Al-Cu-Mg-legeringar. Den naturliga åldringen av Al-Zn-Mg-Cu-legeringar varar för länge, och det tar ofta flera månader att nå ett stabilt stadium, så det naturliga åldringssystemet används inte.
Jämfört med artificiell åldring är legeringens sträckgräns lägre efter naturlig åldring, men plasticiteten och segheten är bättre och korrosionsbeständigheten är högre. Situationen för superhård aluminium i Al-Zn-Mg-Cu-systemet är något annorlunda. Korrosionsbeständigheten efter artificiell åldring är ofta bättre än efter naturlig åldring.
3.3 Artificiell åldring
Efter artificiell åldring kan aluminiumlegeringar ofta uppnå högsta sträckgräns (främst övergångsfasförstärkning) och bättre organisatorisk stabilitet. Superhårt aluminium, smidd aluminium och gjuten aluminium åldras huvudsakligen artificiellt. Åldringstemperatur och åldringstid har en viktig inverkan på legeringens egenskaper. Åldringstemperaturen ligger oftast mellan 120 och 190 ℃, och åldringstiden överstiger inte 24 timmar.
Förutom enstegs artificiell åldring kan aluminiumlegeringar också använda ett graderat artificiellt åldringssystem. Det vill säga att uppvärmning utförs två eller fler gånger vid olika temperaturer. Till exempel kan LC4-legeringar åldras vid 115~125 ℃ i 2~4 timmar och sedan vid 160~170 ℃ i 3~5 timmar. Gradvis åldring kan inte bara avsevärt förkorta tiden, utan också förbättra mikrostrukturen hos Al-Zn-Mg- och Al-Zn-Mg-Cu-legeringar, och avsevärt förbättra spänningskorrosionsbeständigheten, utmattningshållfastheten och brottsegheten utan att i grunden minska de mekaniska egenskaperna.
Publiceringstid: 6 mars 2025
