Термическая обработка 

Отжиг алюминия

Что такое отжиг

Термическая обработка алюминиевых изделий с целью умягчения металла. Происходит путем снижения или снятия деформационного упрочнения, полученного в результате холодной деформационной обработки и/или максимально полного выделения из твердого раствора, растворенной в ней упрочняющей фазы.

Включает:

  • нагрев металла до определенной температуры
  • выдержку при этой температуре
  • контролируемое или неконтролируемое охлаждение.

Виды отжига

В металлургии алюминия различают следующие основные виды отжига [1]:

  • полный отжиг
  • частичный отжиг
  • отжиг для снятия остаточных напряжений.

Полный отжиг

После полного отжига все алюминиевые сплавы – как термически упрочняемые, так термически неупрочняемые – получают состояние, которое является самым мягким, самым пластичным и наиболее благоприятным для пластической деформации. Международное обозначение этого состояния буква «О». Иногда эту букву «О» путают с цифрой «0». 

  • Изделия, которые получили упрочнение путем холодной деформации, обычно получают в этом состоянии полностью рекристаллизованную структуру.
  • Изделия, изготовленные путем горячей деформационной обработки могут оставаться некристаллизованными.
  • В случае термически упрочняемых сплавов растворенные легирующие элементы максимально полно осаждаются из твердого раствора, чтобы предотвратить упрочнение естественным старением. Для этого обычно применяется повышенная температура нагрева и дополнительная выдержка при более низкой температуре.


Fig. 1 – When a large amount of cold work is followed by annealing, new grains are formed by the process of recrystallisation [2]


Fig. 2 – Schematic diagram of the processes that may occur during the annealing of a deformed metallic material.
(a) Deformed grain structure; (b) recovered subgrain structure; (c) partially recrystallized structure; (d) recrystallized structure [3]

Температура, время, охлаждение

Как для термически упрочняемых, так и для термически неупрочняемых сплавов снижение или удаление наклепа от холодной деформационной обработки достигается путем нагрева при температуре от 260 до 440 градусов Цельсия. Скорость умягчения сильно зависит от температуры. Время, которое требуется для умягчения данного материала при данной степени наклепа может различаиться от нескольких часов при низкой температуре до нескольких секунд при высокой температуре.

  • Если целью отжига является просто снятие деформационного наклепа, то нагрева до температуры около 345 °С будет вполне достаточно.
  • Если же необходимо удалить упрочнение от термической обработки или даже просто от охлаждения с температуры горячей обработки, то нужна специальная термическая обработка для получения структуры с выделением упрочняющей фазы в виде крупных  частиц.  Это обычно достигается путем выдержки при температуре от 415 до 440 °С и медленного охлаждения со скоростью около 30 °С в час до 260 °С.  В этом случае высокие скорости диффузии дают максимальную коалесценцию выделившихся частиц и, в результате, минимальную твердость.  

При отжиге важно обеспечить, чтобы заданная температура была достигнута во всех частях садки и во всех точках каждого изделия. Поэтому обычно назначают длительность выдержки при температуре отжига не менее 1 часа. Максимальная температура отжига является умеренно критической: рекомендуется не превышать температуру 415 °С из-за возможного окисления и роста зерна. Скорость нагрева может быть критической, например, для сплава 3003, который обычно требует быстрого нагрева для предотвращения роста зерна. Относительно медленное охлаждение на спокойном воздухе или с печью рекомендуется для всех сплавов для минимизации коробления.

Типичные параметры полного отжига 

Ниже указаны типичные параметры полного отжига в зависимости от его цели и сплава [1].

а) Сплавы:

  • 1060, 1100, 1350
  • 3003, 3004, 3105
  • 5005, 5050, 5052, 5083, 5086, 5154, 5182, 5254, 5454, 5456, 5457, 5652

Температура нагрева:

  • 345 °С

Длительность выдержки:

  • Время в печи не должно быть более, чем это необходимо, что довести бы все части садки до температуры отжига.

Особые указания:

  • Скорость охлаждения после отжига не имеет значения.

b) Сплавы:

  • 2014, 2017, 2024, 2036, 2117, 2124, 2219
  • 6005, 6061, 6060, 6063, 6066
  • 7079, 7050, 7075, 7079, 7178, 7475

Температура отжига

415 °С

Длительность выдержки при температуре нагрева

От 2 до 3 часов

Особые указания:

  • Эти режимы отжига предназначены для для снятия эффекта обработки на твердый раствор и включает охлаждение со скоростью около 30 °С в час от температуры отжига до 260 °С. Скорость последующего охлаждения не имеет значения.
  • Обработка при 345 °С с последующим неконтролируемым охлаждением может применяться для снятия эффекта холодной деформационной обработки или частичного снятия эффекта термической обработки.

с) Сплавы:

  • 7079, 7050, 7075, 7079, 7178, 7475

Температура отжига

415 °С

Длительность выдержки при температуре нагрева

От 2 до 3 часов

Особые указания:

  • Эти режимы отжига предназначены для для снятия эффекта обработки на твердый раствор и включают неконтролируемое охлаждение до 205 °С или ниже с последующим повторным нагревом до 230 °С в течение 4 часов. Скорость последующего охлаждения не имеет значения.
  • Обработка при 345 °С с последующим неконтролируемым охлаждением может применяться для снятия эффекта холодной деформационной обработки или частичного снятия эффекта термической обработки.

d) Сплав:

  • 7005

Температура отжига

345 °С

Длительность выдержки при температуре нагрева

От 2 до 3 часов

Особые указания:

  • Охлаждение до 205 °С или ниже со скоростью не выше 30 °С в час.

Частичный отжиг

Частичным отжигом называют отжиг нагартованных, термически неупрочняемых деформируемых сплавов для получеия промежуточных механических свойств (тип состояний – Н2) . Частичный отжиг называют также востановительным отжигом. Температуры частичного отжига ниже тех, при которых происходит  экстенсивная кристаллизация, а происходит неполное умягчение за счет субструктурных изменений в плотности дислокаций и полигонизации (Fig. 3 и Fig.4). Пример применения промежуточного отжига при производстве алюминиевой фольги показан на Fig. 2.

Fig. 3 – Граница температур полного и промежуточного отжига для сплава AlMg3-H18 [4]

Fig. 4 – Evolution of Vickers microhardness HV with annealing
time t as a function of annealing temperature
(Al-1.3% Mn, 97% cold-rolled)[3]

 

Fig. 5 – Применение промежуточного (востановительного) отжига при производстве фольги [3]

Способность к гибке и изменению формы путем пластической деформации у сплавов, отожженных на состояние типа Н2 обычно значительно выше, чем у того же сплава с равной прочностью, но в состоянии типа Н1. Тип состояний Н1 – это состояние, которое достигается, когда холодная деформационная обработка является последней операцией. Различие между состояниями Н1х и Н2х показано на Fig. 6.

На Fig. 6 и Fig. 7 показано изменение предела текучести в зависимости от температуры и выдержки отжига двух термически неупрочняемых сплавов 1100 и 5052, которые исходно находились в сильно нагартованном состоянии Н18. Из этих кривых видно, что путем выбора подходящих температуры и выдержки отжига можно получить промежуточные механические свойства между высокой прочностью нагартованного состояния (Н18) и полностью отжженного состояния (О). Из этих кривых также видно, что предел текучести зависит от температуры намного сильнее, чем от длительности нагрева.


Figure 5 – Различие между типами состояний Н1х и Н2х

Figure 6 – Representative isothermal annealing curves for alloy 1100-H18 [1]


Figure 7 – Representative isothermal annealing curves for alloy 5052-H18 [1]

 

Отжиг алюминиевых отливок

Отжиг алюминиевых отливок производят в течение 2-4 часов при температуре от 315 до 345 °С обеспечивает наиболее полное снятие остаточных напряжений. Обеспечивает максимальную размерную стабильность  при эксплуатацию при повышенных рабочих температурах. Обозначается как “О” [1].

Источники:

  1. Heat Treating //Aluminum and Aluminum Alloys, AMS International, 1993. 
  2. Mechanical Working and Forming of Shapes – TALAT 1251 – 1999
  3. Design of Aluminum Rolling Process for Foil, Sheet and Plate // Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys, Two-Volume Set (2019) – Eds. G.E. Totten, M. Tiryakioğlu, and O. Kessler
  4. Materials – Alloy constitution // The Aluminium Automotive Manual – EEA, 2002