Uitgloeiing, blus en veroudering is die basiese hittebehandelingstipes van aluminiumlegerings. Uitgloeiing is 'n versagtingsbehandeling, waarvan die doel is om die legering uniform en stabiel in samestelling en struktuur te maak, werkverharding uit te skakel en die plastisiteit van die legering te herstel. Blus en veroudering is 'n versterkende hittebehandeling, waarvan die doel is om die sterkte van die legering te verbeter, en word hoofsaaklik gebruik vir aluminiumlegerings wat deur hittebehandeling versterk kan word.
1 Uitgloeiing
Volgens verskillende produksievereistes word aluminiumlegeringsgloeiing in verskeie vorme verdeel: homogeniseringsgloeiing van staafstowwe, billetgloeiing, intermediêre gloeiing en afgewerkte produkgloeiing.
1.1 Homogenisering van staafblokke uitgloeiing
Onder die toestande van vinnige kondensasie en nie-ewewigskristallisasie, moet die staaf 'n ongelyke samestelling en struktuur hê, en ook groot interne spanning hê. Om hierdie situasie te verander en die warmverwerking van die staaf te verbeter, is homogeniseringsgloeiing oor die algemeen nodig.
Om atoomdiffusie te bevorder, moet 'n hoër temperatuur vir homogeniseringsgloeiing gekies word, maar dit moet nie die lae smeltpunt eutektiese smeltpunt van die allooi oorskry nie. Oor die algemeen is die homogeniseringsgloeiingstemperatuur 5~40℃ laer as die smeltpunt, en die gloeityd is meestal tussen 12~24 uur.
1.2 Billet-uitgloeiing
Billet-uitgloeiing verwys na die uitgloeiing voor die eerste koue vervorming tydens die drukverwerking. Die doel is om die billet 'n gebalanseerde struktuur te verkry en die maksimum plastiese vervormingskapasiteit te hê. Byvoorbeeld, die roltemperatuur van die warmgewalste aluminiumlegeringsplaat is 280~330℃. Na vinnige afkoeling by kamertemperatuur kan die werkverhardingsverskynsel nie heeltemal uitgeskakel word nie. In die besonder, vir hittebehandelde versterkte aluminiumlegerings, na vinnige afkoeling, is die herkristallisasieproses nog nie beëindig nie, en die oorversadigde vaste oplossing is nie heeltemal ontbind nie, en 'n deel van die werkverhardings- en blus-effek word steeds behou. Dit is moeilik om direk koud te rol sonder uitgloeiing, daarom is billet-uitgloeiing nodig. Vir nie-hittebehandelde versterkte aluminiumlegerings, soos LF3, is die uitgloeiingstemperatuur 370~470℃, en lugverkoeling word uitgevoer nadat dit vir 1.5~2.5 uur warm gehou is. Die billet- en uitgloeiingstemperatuur wat gebruik word vir koudgetrekte buisverwerking moet toepaslik hoër wees, en die boonste limiettemperatuur kan gekies word. Vir aluminiumlegerings wat deur hittebehandeling versterk kan word, soos LY11 en LY12, is die uitgloeiingstemperatuur van die billet 390~450℃, wat vir 1~3 uur by hierdie temperatuur gehou word, dan in die oond afgekoel word tot onder 270℃ teen 'n tempo van nie meer as 30℃/h nie en dan lugverkoel word uit die oond.
1.3 Intermediêre uitgloeiing
Intermediêre uitgloeiing verwys na uitgloeiing tussen koue vervormingsprosesse, waarvan die doel is om werkverharding uit te skakel om voortgesette koue vervorming te vergemaklik. Oor die algemeen, nadat die materiaal uitgegloei is, sal dit moeilik wees om koue bewerking voort te sit sonder intermediêre uitgloeiing nadat dit 45~85% koue vervorming ondergaan het.
Die prosesstelsel van intermediêre uitgloeiing is basies dieselfde as dié van billet-uitgloeiing. Volgens die vereistes vir die koue vervormingsgraad kan intermediêre uitgloeiing in drie tipes verdeel word: volledige uitgloeiing (totale vervorming ε≈60~70%), eenvoudige uitgloeiing (ε≤50%) en effense uitgloeiing (ε≈30~40%). Die eerste twee uitgloeiingstelsels is dieselfde as billet-uitgloeiing, en laasgenoemde word vir 1.5~2 uur by 320~350℃ verhit en dan lugverkoel.
1.4. Uitgloeiing van die voltooide produk
Uitgloeiing van die klaarproduk is die finale hittebehandeling wat die materiaal sekere organisatoriese en meganiese eienskappe gee volgens die vereistes van die produk se tegniese toestande.
Uitgloeiing van klaar produkte kan verdeel word in hoëtemperatuur-uitgloeiing (produksie van sagte produkte) en laetemperatuur-uitgloeiing (produksie van semi-harde produkte in verskillende toestande). Hoëtemperatuur-uitgloeiing moet verseker dat 'n volledige herkristallisasiestruktuur en goeie plastisiteit verkry kan word. Onder die voorwaarde dat die materiaal 'n goeie struktuur en werkverrigting verkry, moet die houtyd nie te lank wees nie. Vir aluminiumlegerings wat deur hittebehandeling versterk kan word, moet die verkoelingstempo streng beheer word om die lugverkoelingsblus-effek te voorkom.
Laetemperatuur-uitgloeiing sluit spanningsverligting-uitgloeiing en gedeeltelike versagting-uitgloeiing in, wat hoofsaaklik gebruik word vir suiwer aluminium en nie-hittebehandeling versterkte aluminiumlegerings. Die formulering van 'n laetemperatuur-uitgloeiingstelsel is 'n baie ingewikkelde taak, wat nie net die uitgloeiingstemperatuur en houtyd in ag moet neem nie, maar ook die invloed van onsuiwerhede, legeringsgraad, koue vervorming, intermediêre uitgloeiingstemperatuur en warm vervormingstemperatuur. Om 'n laetemperatuur-uitgloeiingstelsel te formuleer, is dit nodig om die veranderingskurwe tussen uitgloeiingstemperatuur en meganiese eienskappe te meet, en dan die uitgloeiingstemperatuurreeks te bepaal volgens die prestasie-aanwysers wat in die tegniese voorwaardes gespesifiseer word.
2 Blus
Die blus van aluminiumlegering word ook oplossingsbehandeling genoem, wat behels om soveel legeringselemente in die metaal as 'n tweede fase in die vaste oplossing op te los deur middel van hoëtemperatuurverhitting, gevolg deur vinnige afkoeling om die neerslag van die tweede fase te inhibeer, waardeur 'n oorversadigde aluminium-gebaseerde α-vaste oplossing verkry word, wat goed voorberei is vir die volgende verouderingsbehandeling.
Die uitgangspunt vir die verkryging van 'n oorversadigde α vaste oplossing is dat die oplosbaarheid van die tweede fase in die allooi in aluminium aansienlik moet toeneem met die toename in temperatuur, anders kan die doel van vaste oplossing behandeling nie bereik word nie. Die meeste legeringselemente in aluminium kan 'n eutektiese fasediagram met hierdie eienskap vorm. As ons die Al-Cu-allooi as voorbeeld neem, is die eutektiese temperatuur 548 ℃, en die kamertemperatuur oplosbaarheid van koper in aluminium is minder as 0.1%. Wanneer dit tot 548 ℃ verhit word, neem die oplosbaarheid daarvan toe tot 5.6%. Daarom betree Al-Cu-legerings wat minder as 5.6% koper bevat die α enkelfasegebied nadat die verhittingstemperatuur sy solvuslyn oorskry het, dit wil sê, die tweede fase CuAl2 is volledig in die matriks opgelos, en 'n enkele oorversadigde α vaste oplossing kan na blus verkry word.
Blus is die belangrikste en mees veeleisende hittebehandelingsproses vir aluminiumlegerings. Die sleutel is om die toepaslike blusverhittingstemperatuur te kies en voldoende blusverkoelingstempo te verseker, en om die oondtemperatuur streng te beheer en blusvervorming te verminder.
Die beginsel van die keuse van die blustemperatuur is om die blusverhittingstemperatuur soveel as moontlik te verhoog terwyl verseker word dat die aluminiumlegering nie oorbrand of die korrels oormatig groei nie, om sodoende die oorversadiging van die α-vaste oplossing en die sterkte na verouderingsbehandeling te verhoog. Oor die algemeen vereis die aluminiumlegeringverhittingsoond dat die oondtemperatuurbeheer akkuraatheid binne ±3 ℃ moet wees, en die lug in die oond word gedwing om te sirkuleer om die eenvormigheid van die oondtemperatuur te verseker.
Oorbranding van aluminiumlegering word veroorsaak deur die gedeeltelike smelting van lae-smeltpunt komponente binne die metaal, soos binêre of multi-element eutektika. Oorbranding veroorsaak nie net die vermindering van meganiese eienskappe nie, maar het ook 'n ernstige impak op die korrosiebestandheid van die legering. Daarom, sodra 'n aluminiumlegering oorgebrand is, kan dit nie uitgeskakel word nie en moet die legeringsproduk geskrap word. Die werklike oorbrandtemperatuur van aluminiumlegering word hoofsaaklik bepaal deur die legeringsamestelling en onsuiwerheidsinhoud, en hou ook verband met die legeringverwerkingstoestand. Die oorbrandtemperatuur van produkte wat plastiese vervormingsverwerking ondergaan het, is hoër as dié van gietstukke. Hoe groter die vervormingsverwerking, hoe makliker is dit vir nie-ewewig lae-smeltpunt komponente om in die matriks op te los wanneer dit verhit word, dus neem die werklike oorbrandtemperatuur toe.
Die afkoeltempo tydens die blus van aluminiumlegering het 'n beduidende impak op die verouderingsversterkingsvermoë en korrosiebestandheid van die legering. Tydens die blusproses van LY12 en LC4 is dit nodig om te verseker dat die α-vaste oplossing nie ontbind nie, veral in die temperatuursensitiewe gebied van 290~420℃, en 'n voldoende groot afkoeltempo is nodig. Daar word gewoonlik bepaal dat die afkoeltempo bo 50℃/s moet wees, en vir LC4-legering moet dit 170℃/s bereik of oorskry.
Die mees gebruikte blusmedium vir aluminiumlegerings is water. Produksiepraktyk toon dat hoe groter die afkoeltempo tydens blus, hoe groter die oorblywende spanning en oorblywende vervorming van die gebluste materiaal of werkstuk. Daarom, vir klein werkstukke met eenvoudige vorms, kan die watertemperatuur effens laer wees, gewoonlik 10~30℃, en moet nie 40℃ oorskry nie. Vir werkstukke met komplekse vorms en groot verskille in wanddikte, om blusvervorming en krake te verminder, kan die watertemperatuur soms tot 80℃ verhoog word. Daar moet egter op gelet word dat soos die watertemperatuur van die blusbak toeneem, die sterkte en korrosiebestandheid van die materiaal ook dienooreenkomstig afneem.
3. Veroudering
3.1 Organisatoriese transformasie en prestasieveranderinge tydens veroudering
Die oorversadigde α-vaste oplossing wat deur blus verkry word, is 'n onstabiele struktuur. Wanneer dit verhit word, sal dit ontbind en in 'n ewewigstruktuur omskep word. As ons die Al-4Cu-legering as voorbeeld neem, moet die ewewigstruktuur α+CuAl2 (θ-fase) wees. Wanneer die enkelfase-oorversadigde α-vaste oplossing na blus verhit word vir veroudering, sal die θ-fase direk neerslaan as die temperatuur hoog genoeg is. Andersins sal dit in stadiums uitgevoer word, dit wil sê, na 'n paar intermediêre oorgangstadiums kan die finale ewewigsfase CuAl2 bereik word. Die figuur hieronder illustreer die kristalstruktuurkenmerke van elke neerslagstadium tydens die verouderingsproses van die Al-Cu-legering. Figuur a. is die kristalroosterstruktuur in die gebluste toestand. Op hierdie tydstip is dit 'n enkelfase α-oorversadigde vaste oplossing, en koperatome (swart kolletjies) is eweredig en lukraak versprei in die aluminium (wit kolletjies) matriksrooster. Figuur b. toon die roosterstruktuur in die vroeë stadium van neerslag. Koperatome begin in sekere areas van die matriksrooster konsentreer om 'n Guinier-Preston-area te vorm, genaamd die GP-area. Die GP-sone is uiters klein en skyfvormig, met 'n deursnee van ongeveer 5~10μm en 'n dikte van 0.4~0.6nm. Die aantal GP-sones in die matriks is uiters groot, en die verspreidingsdigtheid kan 10¹⁷~10¹⁸cm-³ bereik. Die kristalstruktuur van die GP-sone is steeds dieselfde as dié van die matriks, beide is vlakgesentreerd kubies, en dit handhaaf 'n samehangende koppelvlak met die matriks. Omdat die grootte van koperatome egter kleiner is as dié van aluminiumatome, sal die verryking van koperatome veroorsaak dat die kristalrooster naby die gebied krimp, wat roostervervorming veroorsaak.
Skematiese diagram van die kristalstruktuurveranderinge van Al-Cu-legering tydens veroudering
Figuur a. Geblusde toestand, 'n enkelfase α vaste oplossing, koperatome (swart kolletjies) is eweredig versprei;
Figuur b. In die vroeë stadium van veroudering word die GP-sone gevorm;
Figuur c. In die laat stadium van veroudering word 'n semi-koherente oorgangsfase gevorm;
Figuur d. Hoëtemperatuurveroudering, neerslag van onsamehangende ewewigsfase
Die GP-sone is die eerste voor-presipitasieproduk wat tydens die verouderingsproses van aluminiumlegerings verskyn. Verlenging van die verouderingstyd, veral die verhoging van die verouderingstemperatuur, sal ook ander intermediêre oorgangsfases vorm. In die Al-4Cu-legering is daar θ”- en θ'-fases na die GP-sone, en uiteindelik word die ewewigsfase CuAl2 bereik. θ” en θ' is albei oorgangsfases van die θ-fase, en die kristalstruktuur is 'n vierkantige rooster, maar die roosterkonstante is anders. Die grootte van θ is groter as dié van die GP-sone, steeds skyfvormig, met 'n deursnee van ongeveer 15~40nm en 'n dikte van 0.8~2.0nm. Dit handhaaf steeds 'n samehangende koppelvlak met die matriks, maar die mate van roostervervorming is meer intens. Wanneer die oorgang van θ” na θ' fase plaasvind, het die grootte gegroei tot 20~600 nm, die dikte is 10~15 nm, en die koherente koppelvlak word ook gedeeltelik vernietig, wat 'n semi-koherente koppelvlak word, soos getoon in Figuur c. Die finale produk van verouderende neerslag is die ewewigsfase θ (CuAl2), waartydens die koherente koppelvlak heeltemal vernietig word en 'n nie-koherente koppelvlak word, soos getoon in Figuur d.
Volgens die bogenoemde situasie is die verouderingspresipitasieorde van die Al-Cu-legering αs→α+GP-sone→α+θ”→α+θ'→α+θ. Die stadium van verouderingsstruktuur hang af van die legeringsamestelling en verouderingspesifikasie. Daar is dikwels meer as een verouderingsproduk in dieselfde toestand. Hoe hoër die verouderingstemperatuur, hoe nader aan die ewewigstruktuur.
Gedurende die verouderingsproses is die GP-sone en oorgangsfase wat uit die matriks neerslaan, klein in grootte, hoogs verspreid en nie maklik vervorm nie. Terselfdertyd veroorsaak hulle roostervervorming in die matriks en vorm 'n spanningsveld, wat 'n beduidende hinderlike effek op die beweging van ontwrigtings het, waardeur die weerstand teen plastiese vervorming van die legering verhoog word en die sterkte en hardheid daarvan verbeter word. Hierdie verouderingsverhardingsverskynsel word neerslagverharding genoem. Die figuur hieronder illustreer die hardheidsverandering van die Al-4Cu-legering tydens blus- en verouderingsbehandeling in die vorm van 'n kurwe. Stadium I in die figuur verteenwoordig die hardheid van die legering in sy oorspronklike toestand. As gevolg van verskillende warmbewerkingsgeskiedenisse, sal die hardheid van die oorspronklike toestand wissel, gewoonlik HV=30~80. Na verhitting by 500 ℃ en blus (stadium II), word alle koperatome in die matriks opgelos om 'n enkelfase-oorversadigde α-vaste oplossing met HV=60 te vorm, wat twee keer so hard is as die hardheid in die gegloeide toestand (HV=30). Dit is die gevolg van versterking in die vaste oplossing. Na afblus word dit by kamertemperatuur geplaas, en die hardheid van die legering word voortdurend verhoog as gevolg van die voortdurende vorming van GP-sones (stadium III). Hierdie verouderings- en verhardingsproses by kamertemperatuur word natuurlike veroudering genoem.
Ek—oorspronklike toestand;
II—vaste oplossingstoestand;
III—natuurlike veroudering (GP-sone);
IVa—regressiebehandeling teen 150~200℃ (heropgelos in GP-sone);
IVb—kunsmatige veroudering (θ”+θ' fase);
V—oorveroudering (θ”+θ' fase)
In stadium IV word die legering tot 150°C verhit vir veroudering, en die verhardingseffek is meer opvallend as dié van natuurlike veroudering. Op hierdie tydstip is die neerslagproduk hoofsaaklik die θ”-fase, wat die grootste versterkingseffek in Al-Cu-legerings het. As die verouderingstemperatuur verder verhoog word, gaan die neerslagfase oor van die θ”-fase na die θ'-fase, die verhardingseffek verswak en die hardheid neem af, wat stadium V betree. Enige verouderingsbehandeling wat kunsmatige verhitting vereis, word kunsmatige veroudering genoem, en stadiums IV en V behoort tot hierdie kategorie. As die hardheid die maksimum hardheidswaarde bereik wat die legering na veroudering kan bereik (d.w.s. stadium IVb), word hierdie veroudering piekveroudering genoem. As die piekhardheidswaarde nie bereik word nie, word dit onderveroudering of onvolledige kunsmatige veroudering genoem. As die piekwaarde oorskry word en die hardheid afneem, word dit oorveroudering genoem. Stabiliserende verouderingsbehandeling behoort ook tot oorveroudering. Die GP-sone wat tydens natuurlike veroudering gevorm word, is baie onstabiel. Wanneer dit vinnig verhit word tot 'n hoër temperatuur, soos ongeveer 200°C, en vir 'n kort tydjie warm gehou word, sal die GP-sone weer in die α-vaste oplossing oplos. As dit vinnig afgekoel (geblus) word voor ander oorgangsfases soos θ” of θ' neerslag, kan die legering na sy oorspronklike geblusde toestand herstel word. Hierdie verskynsel word "regressie" genoem, wat die hardheidsdaling is wat deur die stippellyn in stadium IVa in die figuur aangedui word. Die aluminiumlegering wat regressie ondergaan het, het steeds dieselfde verouderingsverhardingsvermoë.
Verouderingsverharding is die basis vir die ontwikkeling van hittebehandelbare aluminiumlegerings, en die verouderingsverhardingsvermoë daarvan hou direk verband met die legeringsamestelling en hittebehandelingstelsel. Al-Si en Al-Mn binêre legerings het geen neerslagverhardingseffek nie, omdat die ewewigsfase direk tydens die verouderingsproses neerslaan, en is nie-hittebehandelbare aluminiumlegerings. Alhoewel Al-Mg-legerings GP-sones en oorgangsfases β' kan vorm, het hulle slegs 'n sekere neerslagverhardingsvermoë in hoë-magnesiumlegerings. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si en Al-Zn-Mg-Cu-legerings het 'n sterk neerslagverhardingsvermoë in hul GP-sones en oorgangsfases, en is tans die hooflegeringsstelsels wat hittebehandelbaar en versterk kan word.
3.2 Natuurlike Veroudering
Oor die algemeen het aluminiumlegerings wat deur hittebehandeling versterk kan word, 'n natuurlike verouderingseffek na afblus. Natuurlike verouderingsversterking word veroorsaak deur die GP-sone. Natuurlike veroudering word wyd gebruik in Al-Cu- en Al-Cu-Mg-legerings. Die natuurlike veroudering van Al-Zn-Mg-Cu-legerings duur te lank, en dit neem dikwels etlike maande om 'n stabiele stadium te bereik, daarom word die natuurlike verouderingstelsel nie gebruik nie.
In vergelyking met kunsmatige veroudering, is die vloeigrens van die legering na natuurlike veroudering laer, maar die plastisiteit en taaiheid is beter, en die korrosieweerstand is hoër. Die situasie van superharde aluminium van die Al-Zn-Mg-Cu-stelsel is effens anders. Die korrosieweerstand na kunsmatige veroudering is dikwels beter as dié na natuurlike veroudering.
3.3 Kunsmatige veroudering
Na kunsmatige verouderingsbehandeling kan aluminiumlegerings dikwels die hoogste vloeisterkte (hoofsaaklik oorgangsfaseversterking) en beter organisatoriese stabiliteit verkry. Superharde aluminium, gesmede aluminium en gegote aluminium word hoofsaaklik kunsmatig verouder. Verouderingstemperatuur en verouderingstyd het 'n belangrike invloed op die legeringseienskappe. Die verouderingstemperatuur is meestal tussen 120~190 ℃, en die verouderingstyd oorskry nie 24 uur nie.
Benewens enkelstadium kunsmatige veroudering, kan aluminiumlegerings ook 'n gegradeerde kunsmatige verouderingstelsel aanneem. Dit wil sê, verhitting word twee of meer keer by verskillende temperature uitgevoer. Byvoorbeeld, LC4-legering kan vir 2~4 uur by 115~125 ℃ verouder word en dan vir 3~5 uur by 160~170 ℃. Geleidelike veroudering kan nie net die tyd aansienlik verkort nie, maar ook die mikrostruktuur van Al-Zn-Mg en Al-Zn-Mg-Cu-legerings verbeter, en die spanningskorrosiebestandheid, moegheidssterkte en breuktaaiheid aansienlik verbeter sonder om die meganiese eienskappe basies te verminder.
Plasingstyd: 6 Maart 2025
