Osnovne vrste toplotne obdelave aluminijevih zlitin

Žarjenje, kaljenje in staranje so osnovne vrste toplotne obdelave aluminijevih zlitin. Žarjenje je mehčalna obdelava, katere namen je doseči enakomerno in stabilno sestavo in strukturo zlitine, odpraviti utrjevanje in obnoviti plastičnost zlitine. Kaljenje in staranje je utrjevalna toplotna obdelava, katere namen je izboljšati trdnost zlitine in se uporablja predvsem za aluminijeve zlitine, ki jih je mogoče ojačati s toplotno obdelavo.

1 Žarjenje

Glede na različne proizvodne zahteve se žarjenje aluminijevih zlitin deli na več oblik: žarjenje homogenizacije ingotov, žarjenje gredic, vmesno žarjenje in žarjenje končnih izdelkov.

1.1 Žarjenje homogenizacije ingotov

V pogojih hitre kondenzacije in neravnovesne kristalizacije mora imeti ingot neenakomerno sestavo in strukturo ter veliko notranjo napetost. Da bi to stanje spremenili in izboljšali obdelovalnost ingota v vročem stanju, je običajno potrebno homogenizacijsko žarjenje.

Za spodbujanje atomske difuzije je treba za homogenizacijsko žarjenje izbrati višjo temperaturo, vendar ta ne sme preseči evtektičnega tališča zlitine z nizkim tališčem. Na splošno je temperatura homogenizacijskega žarjenja 5~40 ℃ nižja od tališča, čas žarjenja pa je večinoma med 12~24 urami.

1.2 Žarjenje gredic

Žarjenje gredic se nanaša na žarjenje pred prvo hladno deformacijo med tlačno obdelavo. Namen je doseči, da gredica doseže uravnoteženo strukturo in maksimalno plastično deformacijsko zmogljivost. Na primer, končna temperatura valjanja vroče valjane plošče iz aluminijeve zlitine je 280~330 ℃. Po hitrem ohlajanju na sobno temperaturo pojava utrjevanja ni mogoče popolnoma odpraviti. Zlasti pri toplotno obdelanih utrjenih aluminijevih zlitinah se po hitrem ohlajanju proces rekristalizacije še ni končal in prenasičena trdna raztopina ni bila popolnoma razgrajena, del učinka utrjevanja in kaljenja pa je še vedno ohranjen. Težko je neposredno hladno valjati brez žarjenja, zato je potrebno žarjenje gredic. Pri toplotno neobdelanih utrjenih aluminijevih zlitinah, kot je LF3, je temperatura žarjenja 370~470 ℃, hlajenje na zraku pa se izvede po 1,5~2,5 urah ohranjanja toplote. Temperatura žarjenja in žarjenja, ki se uporablja za obdelavo hladno vlečenih cevi, mora biti ustrezno višja, zgornja meja temperature pa se lahko izbere. Za aluminijeve zlitine, ki jih je mogoče utrditi s toplotno obdelavo, kot sta LY11 in LY12, je temperatura žarjenja gredice 390–450 ℃, pri tej temperaturi se vzdržuje 1–3 ure, nato se gredica ohladi v peči pod 270 ℃ s hitrostjo največ 30 ℃/h in nato ohladi na zraku iz peči.

1.3 Vmesno žarjenje

Vmesno žarjenje se nanaša na žarjenje med postopki hladne deformacije, katerega namen je odpraviti utrjevanje in olajšati nadaljnjo hladno deformacijo. Na splošno velja, da bo po žarjenju materiala po 45–85 % hladni deformaciji težko nadaljevati s hladno obdelavo brez vmesnega žarjenja.

Postopek vmesnega žarjenja je v osnovi enak kot pri žarjenju gredic. Glede na zahteve glede stopnje hladne deformacije lahko vmesno žarjenje razdelimo na tri vrste: popolno žarjenje (skupna deformacija ε≈60~70%), preprosto žarjenje (ε≈50%) in rahlo žarjenje (ε≈30~40%). Prva dva sistema žarjenja sta enaka kot pri žarjenju gredic, slednji pa se segreva pri 320~350 ℃ 1,5~2 uri in nato ohladi na zraku.

1.4 Žarjenje končnega izdelka

Žarjenje končnega izdelka je končna toplotna obdelava, ki materialu daje določene organizacijske in mehanske lastnosti v skladu z zahtevami tehničnih pogojev izdelka.

Žarjenje končnih izdelkov lahko razdelimo na visokotemperaturno žarjenje (proizvodnja mehkih izdelkov) in nizkotemperaturno žarjenje (proizvodnja poltrdih izdelkov v različnih stanjih). Visokotemperaturno žarjenje mora zagotoviti popolno rekristalizacijske strukture in dobro plastičnost. Čas zadrževanja ne sme biti predolg, če se zagotovi dobra struktura in lastnosti materiala. Pri aluminijevih zlitinah, ki jih je mogoče utrditi s toplotno obdelavo, je treba hitrost hlajenja strogo nadzorovati, da se prepreči učinek kaljenja zaradi hlajenja na zraku.

Nizkotemperaturno žarjenje vključuje žarjenje za zmanjšanje napetosti in delno mehčalno žarjenje, ki se uporabljata predvsem za čisti aluminij in aluminijeve zlitine, ki niso bile toplotno obdelane. Oblikovanje sistema za nizkotemperaturno žarjenje je zelo zapletena naloga, ki mora upoštevati ne le temperaturo žarjenja in čas zadrževanja, temveč tudi vpliv nečistoč, stopnje legiranja, hladne deformacije, vmesne temperature žarjenja in temperature vroče deformacije. Za oblikovanje sistema za nizkotemperaturno žarjenje je treba izmeriti krivuljo spremembe med temperaturo žarjenja in mehanskimi lastnostmi ter nato določiti temperaturno območje žarjenja v skladu s kazalniki delovanja, določenimi v tehničnih pogojih.

2 Kaljenje

Kaljenje aluminijeve zlitine se imenuje tudi obdelava z raztopino, pri kateri se čim več legirnih elementov v kovini kot drugi fazi raztopi v trdni raztopini z visokotemperaturnim segrevanjem, ki mu sledi hitro ohlajanje, da se prepreči izločanje druge faze, s čimer se dobi prenasičena trdna raztopina na osnovi aluminija α, ki je dobro pripravljena na naslednjo obdelavo s staranjem.

Predpogoj za pridobitev prenasičene α trdne raztopine je, da se topnost druge faze v zlitini v aluminiju znatno poveča z naraščanjem temperature, sicer namena obdelave s trdno raztopino ni mogoče doseči. Večina legirnih elementov v aluminiju lahko tvori evtektični fazni diagram s to značilnostjo. Na primer zlitina Al-Cu ima evtektično temperaturo 548 ℃, topnost bakra v aluminiju pri sobni temperaturi pa je manjša od 0,1 %. Pri segrevanju na 548 ℃ se njegova topnost poveča na 5,6 %. Zato zlitine Al-Cu, ki vsebujejo manj kot 5,6 % bakra, vstopijo v α enofazno območje, ko temperatura segrevanja preseže svojo solvus linijo, kar pomeni, da se druga faza CuAl2 popolnoma raztopi v matrici in po kaljenju lahko dobimo eno samo prenasičeno α trdno raztopino.

Kaljenje je najpomembnejša in najzahtevnejša toplotna obdelava aluminijevih zlitin. Ključno je izbrati ustrezno temperaturo kaljenja in zagotoviti zadostno hitrost ohlajanja ter strogo nadzorovati temperaturo peči in zmanjšati deformacijo pri kaljenju.

Načelo izbire temperature kaljenja je čim večje povečanje temperature kaljenja, hkrati pa zagotavljanje, da aluminijeva zlitina ne pregori ali da se zrna prekomerno ne povečajo, da se poveča prenasičenost trdne raztopine α in trdnost po staranju. Na splošno mora biti natančnost nadzora temperature peči za ogrevanje aluminijeve zlitine znotraj ±3 ℃, zrak v peči pa mora krožiti, da se zagotovi enakomernost temperature peči.

Pregorevanje aluminijeve zlitine je posledica delnega taljenja komponent z nizkim tališčem znotraj kovine, kot so binarne ali večelementne evtektike. Pregorevanje ne le zmanjša mehanske lastnosti, temveč ima tudi resen vpliv na korozijsko odpornost zlitine. Ko je aluminijeva zlitina enkrat pregorela, je ni mogoče odstraniti in je treba zlitino zavreči. Dejanska temperatura pregorevanja aluminijeve zlitine je v glavnem odvisna od sestave zlitine in vsebnosti nečistoč, povezana pa je tudi s stanjem obdelave zlitine. Temperatura pregorevanja izdelkov, ki so bili podvrženi plastični deformaciji, je višja kot pri ulitkih. Večja kot je deformacijska obdelava, lažje se neravnovesne komponente z nizkim tališčem raztopijo v matrici pri segrevanju, zato se dejanska temperatura pregorevanja poveča.

Hitrost ohlajanja med kaljenjem aluminijeve zlitine ima pomemben vpliv na sposobnost utrjevanja s staranjem in odpornost zlitine proti koroziji. Med postopkom kaljenja LY12 in LC4 je treba zagotoviti, da se trdna raztopina α ne razgradi, zlasti v temperaturno občutljivem območju 290–420 ℃, zato je potrebna dovolj velika hitrost ohlajanja. Običajno je določeno, da mora biti hitrost ohlajanja nad 50 ℃/s, za zlitino LC4 pa mora doseči ali preseči 170 ℃/s.

Najpogosteje uporabljen kalilni medij za aluminijeve zlitine je voda. Proizvodna praksa kaže, da večja kot je hitrost ohlajanja med kaljenjem, večja je preostala napetost in preostala deformacija kaljenega materiala ali obdelovanca. Zato je pri majhnih obdelovancih preprostih oblik lahko temperatura vode nekoliko nižja, običajno 10–30 ℃, in ne sme presegati 40 ℃. Pri obdelovancih kompleksnih oblik in velikih razlikah v debelini sten se lahko temperatura vode včasih poveča na 80 ℃, da se zmanjšajo deformacije in razpoke zaradi kaljenja. Vendar je treba poudariti, da se z naraščajočo temperaturo vode v kalilni posodi ustrezno zmanjšata tudi trdnost in odpornost materiala proti koroziji.

3. Staranje

3.1 Organizacijska preobrazba in spremembe uspešnosti med staranjem

Prenasičena trdna raztopina α, pridobljena s kaljenjem, ima nestabilno strukturo. Pri segrevanju se razgradi in preoblikuje v ravnotežno strukturo. Na primer zlitine Al-4Cu bi morala biti njena ravnotežna struktura α+CuAl2 (θ faza). Ko se enofazna prenasičena trdna raztopina α po kaljenju segreje za staranje, se bo θ faza, če je temperatura dovolj visoka, neposredno izločila. V nasprotnem primeru se bo postopek izvajal postopoma, torej po nekaj vmesnih prehodnih fazah se lahko doseže končna ravnotežna faza CuAl2. Spodnja slika prikazuje značilnosti kristalne strukture vsake stopnje izločanja med procesom staranja zlitine Al-Cu. Slika a. prikazuje kristalno mrežno strukturo v kaljenem stanju. V tem času gre za enofazno prenasičeno trdno raztopino α, atomi bakra (črne pike) pa so enakomerno in naključno razporejeni v aluminijevi (bele pike) matriksni mreži. Slika b. prikazuje mrežno strukturo v zgodnji fazi izločanja. Atomi bakra se začnejo koncentrirati na določenih območjih matriksne mreže in tvorijo Guinier-Prestonovo območje, imenovano GP območje. GP cona je izjemno majhna in ima obliko diska, s premerom približno 5~10 μm in debelino 0,4~0,6 nm. Število GP con v matriksu je izjemno veliko, gostota porazdelitve pa lahko doseže 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Kristalna struktura GP cone je še vedno enaka matriksu, obe sta ploskovno centrirani kubični in ohranjata koherenten vmesnik z matriksom. Ker pa je velikost atomov bakra manjša od velikosti atomov aluminija, bo obogatitev z atomi bakra povzročila krčenje kristalne mreže v bližini območja, kar bo povzročilo popačenje mreže.

Shematski diagram sprememb kristalne strukture zlitine Al-Cu med staranjem

Slika a. Gašeno stanje, enofazna α trdna raztopina, atomi bakra (črne pike) so enakomerno porazdeljeni;

Slika b. V zgodnji fazi staranja se oblikuje GP cona;

Slika c. V pozni fazi staranja se oblikuje polkoherentna prehodna faza;

Slika d. Staranje pri visoki temperaturi, izločanje nekoherentne ravnotežne faze

GP cona je prvi produkt pred precipitacijo, ki se pojavi med procesom staranja aluminijevih zlitin. Podaljšanje časa staranja, zlasti zvišanje temperature staranja, bo povzročilo tudi nastanek drugih vmesnih prehodnih faz. V zlitini Al-4Cu sta po GP coni fazi θ” in θ', ki končno doseže ravnotežno fazo CuAl2. θ” in θ' sta obe prehodni fazi θ faze, kristalna struktura pa je kvadratna mreža, vendar je konstanta mreže drugačna. Velikost θ je večja od velikosti GP cone, še vedno ima obliko diska, s premerom približno 15~40 nm in debelino 0,8~2,0 nm. Še naprej ohranja koherenten vmesnik z matrico, vendar je stopnja popačenja mreže intenzivnejša. Pri prehodu iz faze θ” v fazo θ' se velikost poveča na 20~600 nm, debelina pa je 10~15 nm, koherentni vmesnik pa je prav tako delno uničen in postane polkoherenten vmesnik, kot je prikazano na sliki c. Končni produkt staranja zaradi izločanja je ravnotežna faza θ (CuAl2), pri kateri se koherentni vmesnik popolnoma uniči in postane nekoherenten vmesnik, kot je prikazano na sliki d.

Glede na zgoraj navedeno situacijo je vrstni red staranja zlitine Al-Cu αs → α + GP cona → α + θ” → α + θ' → α + θ. Stopnja staranja strukture je odvisna od sestave zlitine in specifikacije staranja. Pogosto je v istem stanju več produktov staranja. Višja kot je temperatura staranja, bližje je ravnotežni strukturi.

Med procesom staranja sta GP cona in prehodna faza, ki se izločita iz matrice, majhna, zelo razpršena in se ne deformirata zlahka. Hkrati povzročata popačenje mreže v matrici in tvorita napetostno polje, ki ima pomemben zaviralni učinek na gibanje dislokacij, s čimer povečata odpornost zlitine proti plastični deformaciji ter izboljšata njeno trdnost in trdoto. Ta pojav utrjevanja s staranjem se imenuje utrjevanje s precipitacijo. Spodnja slika prikazuje spremembo trdote zlitine Al-4Cu med kaljenjem in staranjem v obliki krivulje. Stopnja I na sliki predstavlja trdoto zlitine v prvotnem stanju. Zaradi različnih zgodovin vroče obdelave se trdota v prvotnem stanju spreminja, običajno HV=30~80. Po segrevanju na 500 ℃ in kaljenju (stopnja II) se vsi atomi bakra raztopijo v matrici in tvorijo enofazno prenasičeno α trdno raztopino s HV=60, ki je dvakrat trša od trdote v žarjenem stanju (HV=30). To je posledica utrjevanja trdne raztopine. Po kaljenju se zlitina postavi na sobno temperaturo, kjer se trdota zlitine nenehno povečuje zaradi nenehnega nastajanja GP con (stopnja III). Ta proces utrjevanja s staranjem pri sobni temperaturi imenujemo naravno staranje.

Jaz – prvotno stanje;

II – trdna raztopina;

III – naravno staranje (območje GP);

IVa – regresijska obdelava pri 150–200 ℃ (ponovno raztopljeno v coni GP);

IVb – umetno staranje (faza θ”+θ');

V – prekomerno staranje (faza θ”+θ')

V fazi IV se zlitina segreje na 150 °C zaradi staranja, učinek utrjevanja pa je bolj očiten kot pri naravnem staranju. V tem času je produkt obarjanja predvsem faza θ”, ki ima največji učinek utrjevanja v zlitinah Al-Cu. Če se temperatura staranja še poveča, faza obarjanja preide iz faze θ” v fazo θ', učinek utrjevanja oslabi in trdota se zmanjša, kar pomeni, da vstopi v fazo V. Vsaka obdelava staranja, ki zahteva umetno segrevanje, se imenuje umetno staranje, v to kategorijo pa spadata stopnji IV in V. Če trdota doseže največjo vrednost trdote, ki jo zlitina lahko doseže po staranju (tj. stopnja IVb), se to staranje imenuje vršno staranje. Če vršna vrednost trdote ni dosežena, se to imenuje premajhno staranje ali nepopolno umetno staranje. Če se vršna vrednost preseže in se trdota zmanjša, se to imenuje prekomerno staranje. Tudi stabilizacijsko staranje spada med prekomerno staranje. Območje GP, ki nastane med naravnim staranjem, je zelo nestabilno. Ko se GP cona hitro segreje na višjo temperaturo, na primer okoli 200 °C, in se kratek čas ohranja topla, se raztopi nazaj v trdno raztopino α. Če se pred drugimi prehodnimi fazami, kot sta θ” ali θ', hitro ohladi (pogasi), lahko zlitina vrne v prvotno stanje po kaljenju. Ta pojav se imenuje »regresija«, kar je padec trdote, ki ga na sliki označuje pikčasta črta v fazi IVa. Aluminijeva zlitina, ki je bila podvržena regresiji, ima še vedno enako sposobnost utrjevanja s staranjem.

Starostno utrjevanje je osnova za razvoj toplotno obdelanih aluminijevih zlitin, njegova sposobnost staranja pa je neposredno povezana s sestavo zlitine in sistemom toplotne obdelave. Binarne zlitine Al-Si in Al-Mn nimajo učinka izločanja, ker se ravnotežna faza med procesom staranja neposredno izloči, in so aluminijeve zlitine, ki jih ni mogoče toplotno obdelati. Čeprav lahko zlitine Al-Mg tvorijo GP cone in prehodne faze β', imajo določeno sposobnost izločanja le v zlitinah z visoko vsebnostjo magnezija. Zlitine Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si in Al-Zn-Mg-Cu imajo močno sposobnost izločanja v svojih GP conah in prehodnih fazah ter so trenutno glavni sistemi zlitin, ki jih je mogoče toplotno obdelati in utrditi.

3.2 Naravno staranje

Na splošno imajo aluminijeve zlitine, ki jih je mogoče utrditi s toplotno obdelavo, po kaljenju naravni učinek staranja. Naravno utrjevanje s staranjem povzroča GP cona. Naravno staranje se pogosto uporablja pri zlitinah Al-Cu in Al-Cu-Mg. Naravno staranje zlitin Al-Zn-Mg-Cu traja predolgo in pogosto traja več mesecev, da doseže stabilno stopnjo, zato se sistem naravnega staranja ne uporablja.

V primerjavi z umetnim staranjem je po naravnem staranju meja tečenja zlitine nižja, vendar sta plastičnost in žilavost boljši, odpornost proti koroziji pa višja. Položaj supertrdega aluminija sistema Al-Zn-Mg-Cu je nekoliko drugačen. Odpornost proti koroziji po umetnem staranju je pogosto boljša kot po naravnem staranju.

3.3 Umetno staranje

Po obdelavi z umetnim staranjem lahko aluminijeve zlitine pogosto dosežejo najvišjo mejo tečenja (predvsem utrjevanje v prehodni fazi) in boljšo organizacijsko stabilnost. Supertrdi aluminij, kovani aluminij in liti aluminij se večinoma umetno starajo. Temperatura in čas staranja pomembno vplivata na lastnosti zlitin. Temperatura staranja je večinoma med 120 in 190 ℃, čas staranja pa ne presega 24 ur.

Poleg enostopenjskega umetnega staranja lahko aluminijeve zlitine uporabljajo tudi postopen sistem umetnega staranja. To pomeni, da se segrevanje izvede dvakrat ali večkrat pri različnih temperaturah. Na primer, zlitina LC4 se lahko stara pri 115~125 ℃ 2~4 ure in nato pri 160~170 ℃ 3~5 ur. Postopno staranje ne le znatno skrajša čas, ampak tudi izboljša mikrostrukturo zlitin Al-Zn-Mg in Al-Zn-Mg-Cu ter znatno izboljša odpornost proti napetostni koroziji, utrujenostno trdnost in žilavost, ne da bi pri tem bistveno zmanjšala mehanske lastnosti.