Tipus bàsics de tractament tèrmic d'aliatges d'alumini

El recuit, el tremp i l'envelliment són els tipus bàsics de tractament tèrmic dels aliatges d'alumini. El recuit és un tractament de reblaniment, que té com a objectiu fer que l'aliatge sigui uniforme i estable en composició i estructura, eliminar l'enduriment per deformació i restaurar la plasticitat de l'aliatge. El tremp i l'envelliment són un tractament tèrmic de reforç, que té com a objectiu millorar la resistència de l'aliatge i s'utilitza principalment per a aliatges d'alumini que es poden reforçar mitjançant tractament tèrmic.

1 Recuit

Segons els diferents requisits de producció, el recuit d'aliatge d'alumini es divideix en diverses formes: recuit d'homogeneïtzació de lingots, recuit de palanquilla, recuit intermedi i recuit de producte acabat.

1.1 Recuit d'homogeneïtzació de lingots

En condicions de condensació ràpida i cristal·lització fora de l'equilibri, el lingot ha de tenir una composició i estructura desiguals, i també una gran tensió interna. Per tal de canviar aquesta situació i millorar la processabilitat del lingot en calent, generalment es requereix un recuit d'homogeneïtzació.

Per tal de promoure la difusió atòmica, s'ha de seleccionar una temperatura més alta per al recuit d'homogeneïtzació, però no ha de superar el punt de fusió eutèctic de baix punt de fusió de l'aliatge. Generalment, la temperatura de recuit d'homogeneïtzació és de 5 a 40 ℃ inferior al punt de fusió, i el temps de recuit és majoritàriament entre 12 i 24 hores.

1.2 Recuit de palanquilla

El recuit de palanquilla es refereix al recuit abans de la primera deformació en fred durant el processament a pressió. L'objectiu és fer que la palanquilla obtingui una estructura equilibrada i tingui la màxima capacitat de deformació plàstica. Per exemple, la temperatura final de laminació de la llosa d'aliatge d'alumini laminada en calent és de 280~330 ℃. Després d'un refredament ràpid a temperatura ambient, el fenomen d'enduriment per deformació no es pot eliminar completament. En particular, per als aliatges d'alumini reforçats tractats tèrmicament, després d'un refredament ràpid, el procés de recristal·lització no ha finalitzat i la solució sòlida sobresaturada no s'ha descompost completament, i una part de l'efecte d'enduriment i refredament encara es conserva. És difícil laminar en fred directament sense recuit, per la qual cosa es requereix un recuit de palanquilla. Per als aliatges d'alumini reforçats no tractats tèrmicament, com ara LF3, la temperatura de recuit és de 370~470 ℃ i el refredament per aire es realitza després de mantenir-lo calent durant 1,5~2,5 h. La temperatura de palanquilla i recuit utilitzada per al processament de tubs estirats en fred ha de ser adequadament més alta i es pot seleccionar la temperatura límit superior. Per als aliatges d'alumini que es poden reforçar mitjançant tractament tèrmic, com ara LY11 i LY12, la temperatura de recuit del lingot és de 390 a 450 ℃, es manté a aquesta temperatura durant 1 a 3 h, després es refreda al forn per sota dels 270 ℃ a una velocitat no superior a 30 ℃/h i després es refreda per aire fora del forn.

1.3 Recuit intermedi

El recuit intermedi es refereix al recuit entre processos de deformació en fred, la finalitat del qual és eliminar l'enduriment per deformació per facilitar la deformació en fred continuada. En general, després que el material hagi estat recuit, serà difícil continuar el treball en fred sense un recuit intermedi després d'haver patit una deformació en fred del 45~85%.

El sistema de procés del recuit intermedi és bàsicament el mateix que el del recuit de palanquilla. Segons els requisits del grau de deformació en fred, el recuit intermedi es pot dividir en tres tipus: recuit complet (deformació total ε≈60~70%), recuit simple (ε≤50%) i recuit lleuger (ε≈30~40%). Els dos primers sistemes de recuit són els mateixos que els del recuit de palanquilla, i aquest últim s'escalfa a 320~350 ℃ durant 1,5~2 h i després es refreda per aire.

1.4. Recuit del producte acabat

El recuit del producte acabat és el tractament tèrmic final que confereix al material certes propietats organitzatives i mecàniques d'acord amb els requisits de les condicions tècniques del producte.

El recuit de productes acabats es pot dividir en recuit a alta temperatura (producció de productes tous) i recuit a baixa temperatura (producció de productes semidurs en diferents estats). El recuit a alta temperatura ha de garantir que es pugui obtenir una estructura de recristal·lització completa i una bona plasticitat. Sota la condició de garantir que el material obtingui una bona estructura i rendiment, el temps de retenció no ha de ser massa llarg. Per als aliatges d'alumini que es poden reforçar mitjançant tractament tèrmic, per evitar l'efecte de refredament per refredament a l'aire, la velocitat de refredament s'ha de controlar estrictament.

El recuit a baixa temperatura inclou el recuit per alleujament de tensions i el recuit per reblaniment parcial, que s'utilitzen principalment per a alumini pur i aliatges d'alumini reforçats sense tractament tèrmic. Formular un sistema de recuit a baixa temperatura és una tasca molt complicada, que no només ha de tenir en compte la temperatura de recuit i el temps de manteniment, sinó que també ha de tenir en compte la influència de les impureses, el grau d'aliatge, la deformació en fred, la temperatura de recuit intermèdia i la temperatura de deformació en calent. Per formular un sistema de recuit a baixa temperatura, cal mesurar la corba de canvi entre la temperatura de recuit i les propietats mecàniques, i després determinar el rang de temperatura de recuit segons els indicadors de rendiment especificats a les condicions tècniques.

2 Apagament

El refredament de l'aliatge d'alumini també s'anomena tractament de solució, que consisteix a dissoldre tants elements d'aliatge del metall com a segona fase en la solució sòlida com sigui possible mitjançant un escalfament a alta temperatura, seguit d'un refredament ràpid per inhibir la precipitació de la segona fase, obtenint així una solució sòlida α sobresaturada a base d'alumini, que està ben preparada per al següent tractament d'envelliment.

La premissa per obtenir una solució sòlida α sobresaturada és que la solubilitat de la segona fase de l'aliatge en alumini ha d'augmentar significativament amb l'augment de la temperatura; en cas contrari, no es pot aconseguir el propòsit del tractament amb solució sòlida. La majoria dels elements d'aliatge en alumini poden formar un diagrama de fases eutèctiques amb aquesta característica. Prenent l'aliatge Al-Cu com a exemple, la temperatura eutèctica és de 548 ℃ i la solubilitat del coure en alumini a temperatura ambient és inferior al 0,1%. Quan s'escalfa a 548 ℃, la seva solubilitat augmenta fins al 5,6%. Per tant, els aliatges Al-Cu que contenen menys del 5,6% de coure entren a la regió monofàsica α després que la temperatura d'escalfament superi la seva línia de solubilitat, és a dir, la segona fase CuAl2 es dissol completament a la matriu i es pot obtenir una única solució sòlida α sobresaturada després del refredament.

El refredament és l'operació de tractament tèrmic més important i exigent per als aliatges d'alumini. La clau és seleccionar la temperatura d'escalfament per refredament adequada i garantir una velocitat de refredament per refredament suficient, i controlar estrictament la temperatura del forn i reduir la deformació per refredament.

El principi de selecció de la temperatura de refredament és augmentar la temperatura d'escalfament del refredament tant com sigui possible, assegurant-se alhora que l'aliatge d'alumini no es sobrecremi ni que els grans creixin excessivament, per tal d'augmentar la sobresaturació de la solució sòlida α i la resistència després del tractament d'envelliment. Generalment, el forn d'escalfament d'aliatge d'alumini requereix que la precisió del control de temperatura del forn sigui de ±3 ℃, i l'aire del forn es força a circular per garantir la uniformitat de la temperatura del forn.

La sobrecombustió de l'aliatge d'alumini és causada per la fusió parcial de components de baix punt de fusió dins del metall, com ara eutèctics binaris o multielements. La sobrecombustió no només provoca la reducció de les propietats mecàniques, sinó que també té un impacte greu en la resistència a la corrosió de l'aliatge. Per tant, un cop un aliatge d'alumini s'ha sobrecombustit, no es pot eliminar i el producte d'aliatge s'ha de rebutjar. La temperatura real de sobrecombustió de l'aliatge d'alumini està determinada principalment per la composició de l'aliatge i el contingut d'impureses, i també està relacionada amb l'estat de processament de l'aliatge. La temperatura de sobrecombustió dels productes que han estat sotmesos a un processament de deformació plàstica és més alta que la de les peces de fosa. Com més gran sigui el processament de deformació, més fàcil serà que els components de baix punt de fusió que no estan en equilibri es dissolguin a la matriu quan s'escalfen, de manera que la temperatura real de sobrecombustió augmenta.

La velocitat de refredament durant el tremp de l'aliatge d'alumini té un impacte significatiu en la capacitat d'enfortiment de l'envelliment i la resistència a la corrosió de l'aliatge. Durant el procés de tremp de LY12 i LC4, cal assegurar-se que la solució sòlida α no es descompongui, especialment a la zona sensible a la temperatura de 290~420℃, i es requereix una velocitat de refredament prou gran. Normalment s'estipula que la velocitat de refredament ha de ser superior a 50℃/s, i per a l'aliatge LC4, ha d'arribar o superar els 170℃/s.

El medi de refredament més utilitzat per als aliatges d'alumini és l'aigua. La pràctica de producció demostra que com més gran sigui la velocitat de refredament durant el refredament, més gran serà la tensió residual i la deformació residual del material o la peça refredada. Per tant, per a peces petites amb formes simples, la temperatura de l'aigua pot ser lleugerament inferior, generalment de 10 a 30 ℃, i no ha de superar els 40 ℃. Per a peces amb formes complexes i grans diferències de gruix de paret, per tal de reduir la deformació i l'esquerdament per refredament, la temperatura de l'aigua de vegades es pot augmentar fins a 80 ℃. Tanmateix, cal assenyalar que a mesura que augmenta la temperatura de l'aigua del tanc de refredament, la resistència i la resistència a la corrosió del material també disminueixen en conseqüència.

3. Envelliment

3.1 Transformació organitzativa i canvis de rendiment durant l'envelliment

La solució sòlida α sobresaturada obtinguda per refredament és una estructura inestable. Quan s'escalfa, es descompon i es transforma en una estructura d'equilibri. Prenent l'aliatge Al-4Cu com a exemple, la seva estructura d'equilibri hauria de ser α+CuAl2 (fase θ). Quan la solució sòlida α sobresaturada monofàsica després del refredament s'escalfa per a l'envelliment, si la temperatura és prou alta, la fase θ es precipitarà directament. En cas contrari, es durà a terme per etapes, és a dir, després d'algunes etapes de transició intermèdies, es pot assolir la fase d'equilibri final CuAl2. La figura següent il·lustra les característiques de l'estructura cristal·lina de cada etapa de precipitació durant el procés d'envelliment de l'aliatge Al-Cu. La figura a. és l'estructura de la xarxa cristal·lina en estat refredat. En aquest moment, és una solució sòlida α sobresaturada monofàsica, i els àtoms de coure (punts negres) es distribueixen uniformement i aleatòriament a la xarxa matricial d'alumini (punts blancs). La figura b. mostra l'estructura de la xarxa en l'etapa inicial de la precipitació. Els àtoms de coure comencen a concentrar-se en certes zones de la xarxa matricial per formar una àrea de Guinier-Preston, anomenada àrea GP. La zona GP és extremadament petita i té forma de disc, amb un diàmetre d'uns 5~10 μm i un gruix de 0,4~0,6 nm. El nombre de zones GP a la matriu és extremadament gran i la densitat de distribució pot arribar a 10¹⁷~10¹⁸cm-³. L'estructura cristal·lina de la zona GP continua sent la mateixa que la de la matriu, ambdues són cúbiques centrades en les cares i mantenen una interfície coherent amb la matriu. Tanmateix, com que la mida dels àtoms de coure és més petita que la dels àtoms d'alumini, l'enriquiment d'àtoms de coure farà que la xarxa cristal·lina propera a la regió es redueixi, cosa que provoca distorsió de la xarxa.

Diagrama esquemàtic dels canvis en l'estructura cristal·lina de l'aliatge Al-Cu durant l'envelliment

Figura a. Estat apagat, una solució sòlida α monofàsica, els àtoms de coure (punts negres) estan distribuïts uniformement;

Figura b. En la fase inicial de l'envelliment, es forma la zona GP;

Figura c. En l'etapa tardana de l'envelliment, es forma una fase de transició semicoherent;

Figura d. Envelliment a alta temperatura, precipitació de la fase d'equilibri incoherent

La zona GP és el primer producte de preprecipitació que apareix durant el procés d'envelliment dels aliatges d'alumini. L'allargament del temps d'envelliment, especialment l'augment de la temperatura d'envelliment, també formarà altres fases de transició intermèdies. En l'aliatge Al-4Cu, hi ha fases θ” i θ' després de la zona GP, i finalment s'assoleix la fase d'equilibri CuAl2. θ” i θ' són ambdues fases de transició de la fase θ, i l'estructura cristal·lina és una xarxa quadrada, però la constant de xarxa és diferent. La mida de θ és més gran que la de la zona GP, encara en forma de disc, amb un diàmetre d'uns 15~40 nm i un gruix de 0,8~2,0 nm. Continua mantenint una interfície coherent amb la matriu, però el grau de distorsió de la xarxa és més intens. En la transició de la fase θ” a la fase θ’, la mida ha crescut fins a 20~600 nm, el gruix és de 10~15 nm i la interfície coherent també es destrueix parcialment, convertint-se en una interfície semicoherent, com es mostra a la Figura c. El producte final de la precipitació per envelliment és la fase d'equilibri θ (CuAl2), moment en què la interfície coherent es destrueix completament i es converteix en una interfície no coherent, com es mostra a la Figura d.

Segons la situació anterior, l'ordre de precipitació per envelliment de l'aliatge Al-Cu és αs→α+zona GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. L'etapa de l'estructura d'envelliment depèn de la composició de l'aliatge i de les especificacions d'envelliment. Sovint hi ha més d'un producte d'envelliment en el mateix estat. Com més alta sigui la temperatura d'envelliment, més a prop de l'estructura d'equilibri.

Durant el procés d'envelliment, la zona GP i la fase de transició precipitades de la matriu són de mida petita, altament disperses i no es deformen fàcilment. Al mateix temps, provoquen distorsió de la xarxa a la matriu i formen un camp d'estrès, que té un efecte dificultós significatiu sobre el moviment de les dislocacions, augmentant així la resistència a la deformació plàstica de l'aliatge i millorant la seva resistència i duresa. Aquest fenomen d'enduriment per envelliment s'anomena enduriment per precipitació. La figura següent il·lustra el canvi de duresa de l'aliatge Al-4Cu durant el tractament de refredament i envelliment en forma de corba. L'etapa I de la figura representa la duresa de l'aliatge en el seu estat original. A causa de les diferents històries de treball en calent, la duresa de l'estat original variarà, generalment HV = 30 ~ 80. Després d'escalfar a 500 ℃ i refredar (etapa II), tots els àtoms de coure es dissolen a la matriu per formar una solució sòlida α sobresaturada monofàsica amb HV = 60, que és el doble de dura que la duresa en estat recuit (HV = 30). Aquest és el resultat de l'enfortiment de la solució sòlida. Després del refredament, es col·loca a temperatura ambient i la duresa de l'aliatge augmenta contínuament a causa de la formació contínua de zones GP (etapa III). Aquest procés d'enduriment per envelliment a temperatura ambient s'anomena envelliment natural.

I—estat original;

II—estat de solució sòlida;

III—envelliment natural (zona GP);

IVa: tractament de regressió a 150~200 ℃ (redissolt a la zona GP);

IVb—envelliment artificial (fase θ”+θ');

V—sobreenvelliment (fase θ”+θ')

A l'etapa IV, l'aliatge s'escalfa a 150 °C per a l'envelliment, i l'efecte d'enduriment és més evident que el de l'envelliment natural. En aquest moment, el producte de precipitació és principalment la fase θ”, que té el major efecte d'enfortiment en els aliatges d'Al-Cu. Si la temperatura d'envelliment augmenta encara més, la fase de precipitació passa de la fase θ” a la fase θ', l'efecte d'enduriment s'afebleix i la duresa disminueix, entrant a l'etapa V. Qualsevol tractament d'envelliment que requereixi escalfament artificial s'anomena envelliment artificial, i les etapes IV i V pertanyen a aquesta categoria. Si la duresa arriba al valor màxim de duresa que l'aliatge pot assolir després de l'envelliment (és a dir, l'etapa IVb), aquest envelliment s'anomena envelliment màxim. Si no s'assoleix el valor màxim de duresa, s'anomena subenvelliment o envelliment artificial incomplet. Si es creua el valor màxim i la duresa disminueix, s'anomena sobreenvelliment. El tractament d'envelliment d'estabilització també pertany al sobreenvelliment. La zona GP formada durant l'envelliment natural és molt inestable. Quan s'escalfa ràpidament a una temperatura més alta, com ara uns 200 °C, i es manté calenta durant un curt període de temps, la zona GP es dissoldrà de nou en la solució sòlida α. Si es refreda ràpidament (s'apaga) abans que altres fases de transició com ara el precipitat θ” o θ', l'aliatge es pot restaurar al seu estat apagat original. Aquest fenomen s'anomena "regressió", que és la caiguda de duresa indicada per la línia de punts a l'etapa IVa de la figura. L'aliatge d'alumini que ha estat sotmès a regressió encara té la mateixa capacitat d'enduriment per envelliment.

L'enduriment per envelliment és la base per al desenvolupament d'aliatges d'alumini tractables tèrmicament, i la seva capacitat d'enduriment per envelliment està directament relacionada amb la composició de l'aliatge i el sistema de tractament tèrmic. Els aliatges binaris Al-Si i Al-Mn no tenen cap efecte d'enduriment per precipitació perquè la fase d'equilibri es precipita directament durant el procés d'envelliment i són aliatges d'alumini no tractables tèrmicament. Tot i que els aliatges Al-Mg poden formar zones GP i fases de transició β', només tenen una certa capacitat d'enduriment per precipitació en aliatges amb alt contingut de magnesi. Els aliatges Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si i Al-Zn-Mg-Cu tenen una forta capacitat d'enduriment per precipitació a les seves zones GP i fases de transició, i actualment són els principals sistemes d'aliatge que es poden tractar tèrmicament i reforçar.

3.2 Envelliment natural

Generalment, els aliatges d'alumini que es poden enfortir mitjançant tractament tèrmic tenen un efecte d'envelliment natural després del refredament. L'enfortiment per envelliment natural és causat per la zona GP. L'envelliment natural s'utilitza àmpliament en els aliatges Al-Cu i Al-Cu-Mg. L'envelliment natural dels aliatges Al-Zn-Mg-Cu dura massa temps i sovint triga diversos mesos a arribar a un estadi estable, per la qual cosa no s'utilitza el sistema d'envelliment natural.

En comparació amb l'envelliment artificial, després de l'envelliment natural, el límit elàstic de l'aliatge és menor, però la plasticitat i la tenacitat són millors, i la resistència a la corrosió és més alta. La situació de l'alumini superdur del sistema Al-Zn-Mg-Cu és lleugerament diferent. La resistència a la corrosió després de l'envelliment artificial sovint és millor que després de l'envelliment natural.

3.3 Envelliment artificial

Després del tractament d'envelliment artificial, els aliatges d'alumini sovint poden obtenir el límit elàstic més alt (principalment enfortiment de la fase de transició) i una millor estabilitat organitzativa. L'alumini superdur, l'alumini forjat i l'alumini fos s'envelleixen principalment artificialment. La temperatura i el temps d'envelliment tenen una influència important en les propietats de l'aliatge. La temperatura d'envelliment es troba principalment entre 120 i 190 ℃, i el temps d'envelliment no supera les 24 hores.

A més de l'envelliment artificial d'una sola etapa, els aliatges d'alumini també poden adoptar un sistema d'envelliment artificial gradual. És a dir, l'escalfament es realitza dues o més vegades a diferents temperatures. Per exemple, l'aliatge LC4 es pot envellir a 115~125 ℃ durant 2~4 h i després a 160~170 ℃ durant 3~5 h. L'envelliment gradual no només pot escurçar significativament el temps, sinó que també pot millorar la microestructura dels aliatges Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu, i millorar significativament la resistència a la corrosió sota tensió, la resistència a la fatiga i la tenacitat a la fractura sense reduir bàsicament les propietats mecàniques.