Thermisches Härten von Aluminiumlegierungen

“Dispersionshärtung” oder “Alterungshärtung”?

Nicht alle Aluminiumlegierungen können thermisch gehärtet werden, aber nur die sog “thermisch gehärtete Aluminiumlegierungen”. Aluminiumlegierungen, die zu dieser Klasse gehören, enthalten bestimmte Zusätze einiger löslicher Elemente. Solche Elemente oder Kombinationen davon sind Kupfer, Magnesium, Silizium, Mangan und Zink, welche zutreffen, z.B, als Legierungselemente in Knetlegierungen der 2xxx-Reihe, 6xxx und 7xxx. Bestimmte andere Elemente können auch speziellen Legierungen zugesetzt werden, um besondere Eigenschaften zu erzielen..

Durch entsprechende Wärmebehandlung bilden die im Aluminium gelösten Atome dieser Legierungselemente nach und nach eine Art Cluster in Form von sehr kleinen Partikeln, die sich im Inneren der Aluminiumkörner abheben “Matrizen”. Dieser Vorgang heißt so und heißt – “Ausscheidung” (Niederschlag). Diese Partikelfreisetzung ist ein metallurgischer Prozess (Phasenwechsel), was aus folgenden Gründen passiert:

  • Die ursprüngliche Aluminiumlegierung befindet sich in einem thermodynamischen Zustand, weit vom Gleichgewicht entfernt. Durch schlagartiges Abkühlen geht die Legierung auf “Unterkühlung” – alle gelösten Legierungselemente “einfrieren” in einer festen Lösung von Aluminium;
  • Die Verweilzeit der Legierung bei einer gegebenen Temperatur ist ausreichend für die Diffusionsbildung eines metallurgischen Gefüges (Mikrogefüge) mit Erreichen eines mehr Gleichgewichtszustandes gemäß dem entsprechenden Phasendiagramm, z.B, eine solche, was in der Abbildung dargestellt ist 1;
  • Die Unwucht der Legierung entsteht durch schnelles Abkühlen. Während der anschließenden Exposition bei einer bestimmten Temperatur findet der Prozess der Partikelfreisetzung statt., die ein Hindernis für die plastische Gleitverformung in dieser Legierung sind;
  • Bei der Abtrennung dieser Partikel nehmen seit einiger Zeit deren Größe und Anzahl zu.. Dadurch nimmt die Härte dieser Legierung zu und ihre Festigkeit tritt auf. “Altern” Aluminiumlegierung.

Bild 1 – Phasendiagramm von Aluminiumlegierungen der Serie 6xxx [1]

Dieser Prozess der thermischen Härtung von Aluminiumlegierungen bezieht sich formal auf “Dispersionshärtung” (Ausscheidungshärtung). Normalerweise wird dieser Prozess jedoch für Aluminiumlegierungen als “Alterungshärtung” (Altersverfestigung) oder einfach “Altern” (Altern und Altern).

Der Begriff “Altern” (Alterung) spiegelt die Tatsache wider, dass dieser Aushärtungsprozess nicht sofort erfolgt, wie beim Stahlhärten, langsam genug und für einige Zeit, Std, Tage, Wochen, Monate. Hinweis, was ist das Wort “Altern” abgesehen von bedeutung “Altern” es gibt andere bedeutungen – Altern, Altern (für Wein) und, sogar, aufwachsen, die das Wesen dieses Prozesses positiver und optimistischer widerspiegeln.

Geschwindigkeit und Härtegrad steigen, wenn die Legierung bei erhöhten Temperaturen gealtert wird, z.B, 200 Grad Celsius. Dieser Vorgang heißt “künstliches Altern” im Gegensatz zum Alterungsprozess bei Raumtemperatur (Werkstatt), welches heisst “natürliches Altern”.

Metallurgie der thermischen Härtung von Aluminium

Phasendiagramm

Die wichtigste metallurgische Eigenschaft von Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung härtbar sind:

  • vollständige Löslichkeit eines bestimmten chemischen Elements (Verbindung) in einer festen Lösung bei erhöhter Temperatur, aber nur sehr begrenzte Löslichkeit in fester Lösung bei Raumtemperatur.

Historisch wurde dies zuerst in der Al-Cu-Legierung identifiziert. Ein schematisches Phasendiagramm für Al-Cu-Legierungen ist in der Abbildung dargestellt. 2. Es ist ein klassisches eutektoides System, aber für die Theorie der thermischen Härtung ist nur der Anteil mit hohem Aluminiumanteil (niedriger Kupferanteil) von Interesse. Betrachten Sie unten eine Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung von Al + 4% Mit.

Bild 2 – “Aluminium” Teil des Al-Cu-Phasendiagramms [1]

Feste Lösung

Bei einer Temperatur 550 Grad Celsius (Punkt A im Diagramm), die Gleichgewichtsstruktur besteht aus vollständig in der Aluminiummatrix gelösten Kupferatomen. Diese Struktur wird mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet “Alpha”. Diese Temperatur 550 Grad Celsius wird oft genannt “Abschrecktemperatur”.

Langsames Abkühlen ab Abschrecktemperatur

Bei sehr langsamer Abkühlung der Legierung von der Temperatur 550 Grad Celsius entsteht ein Gleichgewichtsgefüge, die aus einer Alpha-Phase mit einem sehr geringen Gehalt an gelöstem Kupfer zusammen mit groben Partikeln der Gleichgewichts-Sekundärphase CuAl2 . besteht, die sich vor allem bei hohen Temperaturen beim Abkühlen von etwa zwischen 450 zu 300 Grad Celsius (Zahl 3). Diese Gleichgewichtsstruktur (gekennzeichnet durch den Buchstaben D in der Abbildung 3) ist bei Raumtemperatur stabil, aber es ist nicht sehr langlebig und stellt daher praktisch kein technisches Interesse dar.

Bild 3 – Isolierung der Sekundärphase aus einem unterkühlten Mischkristall –
die Bildung von Clustern gelöster Atome [1]

Schnelles Abkühlen von Abschrecktemperatur

Die Situation ändert sich radikal, wenn die Legierung in Wasser von der Abschrecktemperatur schnell abgekühlt wird 550 Grad Celsius bis Raumtemperatur.

Schnelle Abkühlung von Punkt A nach Punkt B (cm. Zeichnungen 2 und 3) “friert ein” feste Lösung in diesem Zustand, was war bei 550 Grad Celsius. Natürlich, es kann kein Gleichgewichtszustand mehr sein. Sie sagen, dass sich die abgeschreckte (abgekühlte) Legierung im metastabilen Zustand eines unterkühlten Mischkristalls befindet. Das heisst, dass diese Mikrostruktur thermodynamisch instabil ist und die Legierung in diesem Zustand eine metallurgische Triebkraft hat, sich in Richtung einer Gleichgewichtsstruktur zu bewegen (zu verändern). Bei erhöhten Temperaturen, z.B, 150 Grad Celsius ist dieser Vorgang viel schneller, als bei Zimmertemperatur, da Kupferatome und Leerstellen in der Aluminiummatrix viel schneller diffundieren. Kupferatome werden in Clustern (GP-Zonen) gesammelt und diese Cluster haben die Form von Niederschlägen aus einer festen Lösung. In Al-Cu-Legierungen liegen diese Cluster in Form von Platten vor, in Al-Zn-Legierungen – Kugeln, und Legierungen Al-Mg-Si – Stangen (Abbildung 4).

Bild 4 – Die Form von Clustern (GP-Zonen) in verschiedenen Systemen von Aluminiumlegierungen [1]

 

Thermische Härtungstechnologie

Erwärmung zum Härten

Heizung zum Abschrecken: die Legierung wird auf einer Temperatur gehalten, bei dem ein homogener einphasiger Zustand erreicht wird.

Intermetallische Verbindungen, wie Mg2Si in Legierungen der Serie 6xxx oder Al2Cu in Legierungen der 2xxx-Reihe, vollständig in feste Lösung gehen, und die Legierung erreicht einen homogenen Zustand. Heiztemperatur zum Härten, z.B, für Legierungen der Serie 6xxx, liegt im Bereich von 500 zu 550 °C.

Härten

Härten: schnelles Abkühlen der festen Lösung, z.B, Eintauchen in Wasser, direkt am Ausgang des Ofens oder der Strangpresse.

In diesem Fall wird der homogene Zustand der Legierung bei Raumtemperatur „eingefroren“ – Ausscheidung von intermetallischen Partikeln wird verhindert. Dies ist ein sehr milder Zustand., da die Anzahl der Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen – minimal. Beim Presshärten muss die Temperatur der Legierung am Austritt der Presse höher sein als die Auflösungstemperatur der intermetallischen Partikel (Solvus-Temperatur). Unmittelbar nach dem Verlassen der Presse wird die Legierung durch Abkühlen mit Druckluft oder Wasserstrahlen abgeschreckt.

Altern

Ein übersättigter einphasiger Mischkristall ist unterhalb der Solvuslinie im Gleichgewichtsdiagramm instabil. Dieser einphasige Zustand hat eine "angeborene" Tendenz, in einen zweiphasigen überzugehen. Dies kann auf zwei Arten erreicht werden..

Natürliches Altern

Alterung bei Raumtemperatur: langsam – während ein paar Stunden, Tage oder Wochen – Verlust von Sekreten, was zu einer Erhöhung der Härte führt.

Künstliche Alterung

Beinhaltet das Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb der Solvuslinie; Erhitzen fördert eine effizientere Bildung von Formationen und Sekreten.

Zuerst entladen, die mit der Aluminiummatrix kohärent sind - sie haben das gleiche Kristallgitter, als Matrix. Diese kohärenten Phasen verursachen Spannungen in der Matrix, die durch Versetzungsbewegungen zu wirksamen Barrieren gegen plastische Verformung werden. Wenn dieser Ausfluss groß genug wird, sie werden inkohärent und bilden eine separate Phase. Spannungen nehmen ab, und das Metall wird wieder weicher, obwohl es trotzdem fester bleibt, als im festen Lösungszustand, aufgrund von stress, die unweigerlich um die Entladung herum auftreten.

Alterungshärtungsmechanismus

Bild 5 – Der Mechanismus des Clusterwiderstands gegen Versetzungsbewegungen [1]

Alterungshärtekurven

Typische Diagramme von Festigkeits- und Härteänderungen bei verschiedenen Alterungsmodi einer hypothetischen Al-Cu-Legierung sind in der Abbildung dargestellt. 6.

Bild 6 – Die Festigkeitsänderung der Legierung bei unterschiedlichen Alterungstemperaturen [1]

  • Natürliches Altern – Alterungshärtung bei Raumtemperatur – sehr langsam, innerhalb von Wochen und Monaten je nach Legierungsart und Legierungsgrad.
  • Bei erhöhten Temperaturen – 140 Grad Celsius – Altern geht viel schneller.
  • Zum Altern bei 160 Grad Celsius, die Spitzenfestigkeit wird erreicht nach 24 Uhr, und dann verliert die Legierung an Festigkeit, weicher werden. Bei Legierungen der Serie 6xxx wird dieses Maximum erreicht nach 8-12 Stunden je nach Legierung.

Quellen:

  1. TALAT 1204.01

Anwendung – Weitere Informationen


Künstliche Alterung von Legierungen 6xxx - AD31, AD33, AD35