Udglødning, bratkøling og ældning er de grundlæggende varmebehandlingstyper af aluminiumlegeringer. Udglødning er en blødgøringsbehandling, hvis formål er at gøre legeringen ensartet og stabil i sammensætning og struktur, eliminere deformationshærdning og genoprette legeringens plasticitet. Bratkøling og ældning er en forstærkende varmebehandling, hvis formål er at forbedre legeringens styrke og anvendes hovedsageligt til aluminiumlegeringer, der kan forstærkes ved varmebehandling.
1 Udglødning
I henhold til forskellige produktionskrav er aluminiumlegeringsglødning opdelt i flere former: homogeniseringsglødning af ingots, billetglødning, mellemglødning og glødning af færdige produkter.
1.1 Homogenisering af ingots udglødning
Under forhold med hurtig kondensation og ikke-ligevægtskrystallisation skal barren have en ujævn sammensætning og struktur og også have stor indre spænding. For at ændre denne situation og forbedre barrens varmbearbejdningsevne er homogeniseringsglødning generelt påkrævet.
For at fremme atomdiffusion bør der vælges en højere temperatur til homogeniseringsglødning, men den må ikke overstige legeringens eutektiske smeltepunkt med lavt smeltepunkt. Generelt er homogeniseringsglødningstemperaturen 5~40 ℃ lavere end smeltepunktet, og glødningstiden er for det meste mellem 12~24 timer.
1.2 Billetglødning
Billetglødning refererer til glødning før den første koldeformation under trykbearbejdning. Formålet er at give billetten en afbalanceret struktur og den maksimale plastiske deformationskapacitet. For eksempel er valsetemperaturen for den varmvalsede aluminiumlegeringsplade 280~330℃. Efter hurtig afkøling ved stuetemperatur kan deformationshærdningsfænomenet ikke elimineres fuldstændigt. Især for varmebehandlede, forstærkede aluminiumlegeringer er omkrystallisationsprocessen ikke afsluttet efter hurtig afkøling, og den overmættede faste opløsning er ikke blevet fuldstændigt nedbrudt, og en del af deformationshærdnings- og bratkølingseffekten bevares stadig. Det er vanskeligt at koldvalse direkte uden glødning, så billetglødning er nødvendig. For ikke-varmebehandlede, forstærkede aluminiumlegeringer, såsom LF3, er glødningstemperaturen 370~470℃, og luftkøling udføres efter at være holdt varm i 1,5~2,5 timer. Billet- og glødningstemperaturen, der anvendes til koldtrukne rørbearbejdning, bør være passende højere, og den øvre grænsetemperatur kan vælges. For aluminiumlegeringer, der kan forstærkes ved varmebehandling, såsom LY11 og LY12, er billetglødningstemperaturen 390~450℃, som holdes ved denne temperatur i 1~3 timer, derefter afkøles i ovnen til under 270℃ med en hastighed på højst 30℃/t og derefter luftkøles ud af ovnen.
1.3 Mellemglødning
Mellemglødning refererer til glødning mellem koldeformationsprocesser, hvis formål er at eliminere deformationshærdning for at lette fortsat koldeformation. Generelt set vil det efter udglødning af materialet være vanskeligt at fortsætte koldbearbejdningen uden mellemglødning efter 45~85% koldeformation.
Processsystemet for mellemglødning er grundlæggende det samme som for billetglødning. I henhold til kravene til kolddeformationsgrad kan mellemglødning opdeles i tre typer: fuldstændig glødning (total deformation ε≈60~70%), simpel glødning (ε≤50%) og let glødning (ε≈30~40%). De to første glødningssystemer er de samme som billetglødning, og sidstnævnte opvarmes ved 320~350℃ i 1,5~2 timer og luftkøles derefter.
1.4. Udglødning af færdigt produkt
Udglødning af færdige produkter er den endelige varmebehandling, der giver materialet bestemte organisatoriske og mekaniske egenskaber i henhold til produktets tekniske krav.
Udglødning af færdige produkter kan opdeles i højtemperaturudglødning (produktion af bløde produkter) og lavtemperaturudglødning (produktion af halvhårde produkter i forskellige tilstande). Højtemperaturudglødning bør sikre en fuldstændig omkrystallisationsstruktur og god plasticitet. Under forudsætning af at materialet opnår en god struktur og ydeevne, bør holdetiden ikke være for lang. For aluminiumlegeringer, der kan forstærkes ved varmebehandling, bør kølehastigheden kontrolleres strengt for at forhindre luftkølende og dæmpende effekt.
Lavtemperaturglødning omfatter spændingsaflastningsglødning og delvis blødgøringsglødning, som hovedsageligt anvendes til rent aluminium og ikke-varmebehandlede forstærkede aluminiumlegeringer. Formulering af et lavtemperaturglødningssystem er en meget kompliceret opgave, som ikke kun skal tage højde for glødningstemperaturen og holdetiden, men også for indflydelsen af urenheder, legeringsgrad, kold deformation, mellemglødningstemperatur og varm deformationstemperatur. For at formulere et lavtemperaturglødningssystem er det nødvendigt at måle ændringskurven mellem glødningstemperatur og mekaniske egenskaber og derefter bestemme glødningstemperaturområdet i henhold til de ydelsesindikatorer, der er specificeret i de tekniske betingelser.
2 Slukning
Hærdning af aluminiumlegeringer kaldes også opløsningsbehandling, hvilket går ud på at opløse så mange legeringselementer i metallet som en anden fase i den faste opløsning som muligt gennem højtemperaturopvarmning, efterfulgt af hurtig afkøling for at hæmme udfældningen af den anden fase, hvorved der opnås en overmættet aluminiumbaseret α-fast opløsning, som er godt forberedt til den næste ældningsbehandling.
Forudsætningen for at opnå en overmættet α-fast opløsning er, at opløseligheden af den anden fase i legeringen i aluminium skal stige betydeligt med stigende temperatur, ellers kan formålet med behandlingen af den faste opløsning ikke opnås. De fleste legeringselementer i aluminium kan danne et eutektisk fasediagram med denne egenskab. Hvis man tager en Al-Cu-legering som eksempel, er den eutektiske temperatur 548 ℃, og kobbers opløselighed i aluminium ved stuetemperatur er mindre end 0,1%. Når den opvarmes til 548 ℃, stiger dens opløselighed til 5,6%. Derfor kommer Al-Cu-legeringer, der indeholder mindre end 5,6% kobber, ind i α-enkeltfaseområdet, efter at opvarmningstemperaturen overstiger dens solvuslinje, dvs. at den anden fase CuAl2 er fuldstændigt opløst i matrixen, og en enkelt overmættet α-fast opløsning kan opnås efter bratkøling.
Hærdning er den vigtigste og mest krævende varmebehandlingsoperation for aluminiumlegeringer. Nøglen er at vælge den passende hærdningsopvarmningstemperatur og sikre tilstrækkelig hærdningsafkølingshastighed samt at kontrollere ovntemperaturen nøje og reducere hærdningsdeformationen.
Princippet for valg af køletemperatur er at øge køletemperaturen så meget som muligt, samtidig med at det sikres, at aluminiumlegeringen ikke overbrænder, eller at kornene vokser for meget, for at øge overmætningen af den α-faste opløsning og styrken efter ældningsbehandling. Generelt kræver en varmeovn af aluminiumlegering, at ovnens temperaturkontrolnøjagtighed er inden for ±3 ℃, og luften i ovnen tvinges til at cirkulere for at sikre ensartet ovntemperatur.
Overbrænding af aluminiumlegeringer skyldes delvis smeltning af lavtsmeltende komponenter inde i metallet, såsom binære eller multielementeutektiske materialer. Overbrænding forårsager ikke kun en reduktion af mekaniske egenskaber, men har også en alvorlig indvirkning på legeringens korrosionsbestandighed. Når en aluminiumlegering først er overbrændt, kan den derfor ikke fjernes, og legeringsproduktet bør kasseres. Den faktiske overbrændingstemperatur for en aluminiumlegering bestemmes hovedsageligt af legeringens sammensætning og urenhedsindhold og er også relateret til legeringens forarbejdningstilstand. Overbrændingstemperaturen for produkter, der har gennemgået plastisk deformationsbehandling, er højere end for støbegods. Jo mere deformationsbehandlingen er, desto lettere er det for ikke-ligevægtskomponenter med lavt smeltepunkt at opløses i matrixen, når de opvarmes, så den faktiske overbrændingstemperatur stiger.
Kølehastigheden under bratkøling af aluminiumlegering har en betydelig indflydelse på legeringens ældningsstyrkeevne og korrosionsbestandighed. Under bratkølingsprocessen for LY12 og LC4 er det nødvendigt at sikre, at den α-faste opløsning ikke nedbrydes, især i det temperaturfølsomme område på 290~420 ℃, og en tilstrækkelig stor kølehastighed er påkrævet. Det er normalt fastsat, at kølehastigheden skal være over 50 ℃/s, og for LC4-legeringer skal den nå eller overstige 170 ℃/s.
Det mest almindeligt anvendte bratkølingsmedium til aluminiumlegeringer er vand. Produktionspraksis viser, at jo højere kølehastigheden under bratkølingen er, desto større er restspændingen og restdeformationen af det bratkølede materiale eller emne. Derfor kan vandtemperaturen for små emner med simple former være lidt lavere, generelt 10~30℃, og bør ikke overstige 40℃. For emner med komplekse former og store forskelle i vægtykkelse kan vandtemperaturen undertiden øges til 80℃ for at reducere bratkølingsdeformation og revner. Det skal dog påpeges, at når vandtemperaturen i bratkølingstanken stiger, falder materialets styrke og korrosionsbestandighed også tilsvarende.
3. Aldring
3.1 Organisatorisk transformation og præstationsændringer under aldring
Den overmættede α-faste opløsning, der opnås ved bratkøling, har en ustabil struktur. Når den opvarmes, vil den nedbrydes og omdannes til en ligevægtsstruktur. Hvis vi tager Al-4Cu-legeringen som eksempel, bør dens ligevægtsstruktur være α+CuAl2 (θ-fase). Når den enfasede overmættede α-faste opløsning opvarmes til ældning efter bratkøling, vil θ-fasen udfældes direkte, hvis temperaturen er høj nok. Ellers vil det ske i etaper, dvs. efter nogle mellemliggende overgangstrin kan den endelige ligevægtsfase CuAl2 nås. Figuren nedenfor illustrerer krystalstrukturkarakteristikaene for hvert udfældningstrin under ældningsprocessen af Al-Cu-legeringen. Figur a. er krystalgitterstrukturen i bratkølet tilstand. På dette tidspunkt er det en enfaset α-overmættet fast opløsning, og kobberatomer (sorte prikker) er jævnt og tilfældigt fordelt i aluminiummatrixgitteret (hvide prikker). Figur b. viser gitterstrukturen i den tidlige fase af udfældningen. Kobberatomer begynder at koncentreres i bestemte områder af matrixgitteret og danne et Guinier-Preston-område, kaldet GP-området. GP-zonen er ekstremt lille og skiveformet med en diameter på omkring 5~10 μm og en tykkelse på 0,4~0,6 nm. Antallet af GP-zoner i matricen er ekstremt stort, og fordelingstætheden kan nå 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Krystalstrukturen i GP-zonen er stadig den samme som matricens, begge er fladecentrerede kubiske, og den opretholder en kohærent grænseflade med matricen. Men fordi kobberatomernes størrelse er mindre end aluminiumatomernes, vil berigelsen af kobberatomer få krystalgitteret nær området til at krympe, hvilket forårsager gitterforvrængning.
Skematisk diagram over ændringer i krystalstrukturen af Al-Cu-legering under ældning
Figur a. Slakket tilstand, en enkeltfaset α-fast opløsning, kobberatomer (sorte prikker) er jævnt fordelt;
Figur b. I den tidlige fase af aldring dannes GP-zonen;
Figur c. I den sene fase af aldringen dannes en semi-kohærent overgangsfase;
Figur d. Højtemperaturældning, udfældning af usammenhængende ligevægtsfase
GP-zonen er det første præ-udfældningsprodukt, der opstår under ældningsprocessen af aluminiumlegeringer. Forlængelse af ældningstiden, især forøgelse af ældningstemperaturen, vil også danne andre mellemliggende overgangsfaser. I Al-4Cu-legeringen er der θ”- og θ'-faser efter GP-zonen, og endelig nås ligevægtsfasen CuAl2. θ” og θ' er begge overgangsfaser i θ-fasen, og krystalstrukturen er et firkantet gitter, men gitterkonstanten er forskellig. Størrelsen af θ er større end GP-zonen, stadig skiveformet, med en diameter på ca. 15~40 nm og en tykkelse på 0,8~2,0 nm. Den fortsætter med at opretholde en kohærent grænseflade med matrixen, men graden af gitterforvrængning er mere intens. Ved overgangen fra θ”- til θ'-fasen er størrelsen vokset til 20~600 nm, tykkelsen er 10~15 nm, og den kohærente grænseflade er også delvist ødelagt og bliver til en semi-kohærent grænseflade, som vist i figur c. Slutproduktet af ældningsudfældningen er ligevægtsfasen θ (CuAl2), hvor den kohærente grænseflade er fuldstændig ødelagt og bliver til en ikke-kohærent grænseflade, som vist i figur d.
I henhold til ovenstående situation er Al-Cu-legeringens ældningsudfældningsorden αs→α+GP-zone→α+θ”→α+θ'→α+θ. Ældningsstrukturstadiet afhænger af legeringens sammensætning og ældningsspecifikationen. Der er ofte mere end ét ældningsprodukt i samme tilstand. Jo højere ældningstemperaturen er, desto tættere på ligevægtsstrukturen.
Under ældningsprocessen er GP-zonen og overgangsfasen, der udfældes fra matricen, små i størrelse, meget dispergerede og deformeres ikke let. Samtidig forårsager de gitterforvrængning i matricen og danner et spændingsfelt, som har en betydelig hæmmende effekt på bevægelsen af dislokationer, hvorved legeringens modstand mod plastisk deformation øges og dens styrke og hårdhed forbedres. Dette ældningshærdningsfænomen kaldes udfældningshærdning. Figuren nedenfor illustrerer hårdhedsændringen af Al-4Cu-legeringen under bratkøling og ældningsbehandling i form af en kurve. Trin I i figuren repræsenterer legeringens hårdhed i dens oprindelige tilstand. På grund af forskellige varmbearbejdningshistorikker vil hårdheden i den oprindelige tilstand variere, generelt HV=30~80. Efter opvarmning ved 500 ℃ og bratkøling (trin II) opløses alle kobberatomer i matricen for at danne en enkeltfaset overmættet α-fast opløsning med HV=60, som er dobbelt så hård som hårdheden i den udglødede tilstand (HV=30). Dette er resultatet af forstærkning i fast opløsning. Efter bratkøling placeres den ved stuetemperatur, og legeringens hårdhed øges kontinuerligt på grund af den kontinuerlige dannelse af GP-zoner (trin III). Denne ældnings- og hærdningsproces ved stuetemperatur kaldes naturlig ældning.
I—oprindelig tilstand;
II—fast opløsningstilstand;
III—naturlig ældning (GP-zone);
IVa—regressionsbehandling ved 150~200 ℃ (genopløst i GP-zonen);
IVb—kunstig ældning (θ”+θ' fase);
V—overældning (θ”+θ' fase)
I trin IV opvarmes legeringen til 150°C for at ældes, og hærdningseffekten er mere tydelig end ved naturlig ældning. På dette tidspunkt er udfældningsproduktet primært θ”-fasen, som har den største forstærkende effekt i Al-Cu-legeringer. Hvis ældningstemperaturen øges yderligere, overgår udfældningsfasen fra θ”-fasen til θ'-fasen, hærdningseffekten svækkes, og hårdheden falder, og går ind i trin V. Enhver ældningsbehandling, der kræver kunstig opvarmning, kaldes kunstig ældning, og trin IV og V tilhører denne kategori. Hvis hårdheden når den maksimale hårdhedsværdi, som legeringen kan nå efter ældning (dvs. trin IVb), kaldes denne ældning peak-ældning. Hvis peak-hårdhedsværdien ikke nås, kaldes det underældning eller ufuldstændig kunstig ældning. Hvis peak-værdien overskrides, og hårdheden falder, kaldes det overældning. Stabiliserende ældningsbehandling hører også til overældning. GP-zonen, der dannes under naturlig ældning, er meget ustabil. Når GP-zonen hurtigt opvarmes til en højere temperatur, f.eks. omkring 200 °C, og holdes varm i kort tid, vil den opløses tilbage i den α-faste opløsning. Hvis den hurtigt afkøles (køles) før andre overgangsfaser, såsom θ” eller θ', udfældes, kan legeringen gendannes til sin oprindelige, afkølede tilstand. Dette fænomen kaldes "regression", hvilket er hårdhedsfaldet angivet med den stiplede linje i trin IVa i figuren. Den aluminiumlegering, der er blevet regresseret, har stadig den samme ældningshærdningsevne.
Ældrehærdning er grundlaget for udvikling af varmebehandlelige aluminiumlegeringer, og dens ældningshærdningsevne er direkte relateret til legeringssammensætningen og varmebehandlingssystemet. Al-Si og Al-Mn binære legeringer har ingen udfældningshærdningseffekt, fordi ligevægtsfasen udfældes direkte under ældningsprocessen, og er ikke-varmebehandlelige aluminiumlegeringer. Selvom Al-Mg-legeringer kan danne GP-zoner og overgangsfaser β', har de kun en vis udfældningshærdningsevne i højmagnesiumlegeringer. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si og Al-Zn-Mg-Cu-legeringer har stærk udfældningshærdningsevne i deres GP-zoner og overgangsfaser, og er i øjeblikket de vigtigste legeringssystemer, der kan varmebehandles og forstærkes.
3.2 Naturlig aldring
Generelt har aluminiumlegeringer, der kan forstærkes ved varmebehandling, en naturlig ældningseffekt efter bratkøling. Naturlig ældningsforstærkning skyldes GP-zonen. Naturlig ældning anvendes i vid udstrækning i Al-Cu- og Al-Cu-Mg-legeringer. Den naturlige ældning af Al-Zn-Mg-Cu-legeringer varer for længe, og det tager ofte flere måneder at nå et stabilt stadie, så det naturlige ældningssystem anvendes ikke.
Sammenlignet med kunstig ældning er legeringens flydespænding lavere efter naturlig ældning, men plasticiteten og sejheden er bedre, og korrosionsbestandigheden er højere. Situationen for superhårdt aluminium i Al-Zn-Mg-Cu-systemet er en smule anderledes. Korrosionsbestandigheden efter kunstig ældning er ofte bedre end efter naturlig ældning.
3.3 Kunstig ældning
Efter kunstig ældningsbehandling kan aluminiumlegeringer ofte opnå den højeste flydespænding (primært overgangsfaseforstærkning) og bedre organisatorisk stabilitet. Superhårdt aluminium, smedet aluminium og støbt aluminium ældes hovedsageligt kunstigt. Ældningstemperatur og ældningstid har en vigtig indflydelse på legeringens egenskaber. Ældningstemperaturen er for det meste mellem 120~190 ℃, og ældningstiden overstiger ikke 24 timer.
Ud over kunstig ældning i et trin kan aluminiumslegeringer også anvende et gradvist kunstigt ældningssystem. Det vil sige, at opvarmning udføres to eller flere gange ved forskellige temperaturer. For eksempel kan LC4-legeringer ældes ved 115~125 ℃ i 2~4 timer og derefter ved 160~170 ℃ i 3~5 timer. Gradvis ældning kan ikke kun forkorte tiden betydeligt, men også forbedre mikrostrukturen af Al-Zn-Mg og Al-Zn-Mg-Cu-legeringer og forbedre spændingskorrosionsbestandigheden, udmattelsesstyrken og brudstyrken betydeligt uden grundlæggende at reducere de mekaniske egenskaber.
Opslagstidspunkt: 6. marts 2025
