Термическое упрочнение алюминиевых сплавов

“Дисперсное упрочнение” или “упрочнение старением”?

Термическому упрочнению могут подвергаться не все алюминиевые сплавы, а только так называемые “термически упрочняемые алюминиевые сплавы”.  Алюминиевые сплавы, которые принадлежат к этому классу, содержат определенные добавки некоторых растворяемых элементов. Такими элементами или их комбинациями являются медь, магний, кремний, марганец и цинк, которые применяются, например, в качестве легирующих элементов в деформируемых сплавах серий 2ххх, 6ххх и 7ххх. Некоторые другие элементы также могут добавляться в специальные сплавы для достижения ими специальных свойств.

В результате соответствующей термической обработки растворенные в алюминии атомы этих легирующих элементов постепенно образуют своего рода кластеры в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевой “матрицы”. Этот процесс называется так и называют – “выделение” (precipitation). Это выделение частиц является металлургическим процессом (фазовым превращением), который происходит по следующим причинам:

  • Исходный алюминиевый сплав находится в термодинамическом состоянии, далеком от равновесия. В результате резкого охлаждения сплав переводится в “переохлажденное состояние” – все растворенные легирующие элементы “замораживаются” в твердом растворе алюминия;
  • Длительность нахождения сплава при данной температуре достаточна для диффузионного образования металлургической структуры (микроструктуры) с достижением более равновесного состояния согласно соответствующей фазовой диаграммой, например, такой, которая приведена на рисунке 1;
  • Вывод сплава из равновесия происходит в результате быстрого охлаждения. При последующей его выдержке при заданной температуре происходит процесс выделения частиц, которые являются препятствием для пластической деформации скольжением в данном сплаве;
  • В течение некоторого времени в процессе выделения этих частиц происходит увеличение их размеров и количества. В результате этого повышается твердость этого сплава и его прочность Происходит “старение” алюминиевого сплава.

Рисунок 1 – Фазовая диаграмма алюминиевых сплавов серии 6ххх [1]

Этот процесс термического упрочнения алюминиевых сплавов формально относится к “дисперсному упрочнению” (precipitation hardening). Однако обычно для алюминиевых сплавов этот  процесс называют “упрочнение старением” (age hardening) или просто “старение” (ageing или aging).

Термин “старение” (ageing) отражает тот факт, что это процесс упрочнения происходит не мгновенно, как это бывает при закалке стали, в достаточно медленно и в течение некоторого времени, часов, дней, недель, месяцев.  Заметим, что у слова “ageing” кроме значения “старение” есть другие значения – вызревание, выдержка (для вина) и, даже, взросление, которые более положительно и оптимистично отражают суть этого процесса.

Скорость и степень упрочнения возрастает, если сплав подвергается старению при повышенной температуре, например, 200 градусов Цельсия. Этот процесс называется “искусственным старением” в отличие от процесса старения при комнатной (цеховой) температуры, который называют “естественным старением”.

Металлургия термического упрочнения алюминия

Фазовая диаграмма

Главным металлургическим свойством алюминиевых сплавов, которые способны упрочняться путем термической обработки является:

  • полная растворимость некоторого химического элемента (соединения) в твердом растворе при повышенной температуре, но только очень ограниченная его растворимость в твердом растворе при комнатной температуре.

Исторически это было впервые выявлено в сплаве Al-Cu. Схематическая фазовая диаграмма для сплавов Al-Cu показана на рисунке 2. Она является классической эвтектоидной системой, но для теории термического упрочнения представляет интерес только ее часть с большим содержанием алюминия (малым содержанием меди). Рассмотрим ниже сплав с химическим составом Al + 4% Cu.

Рисунок 2 – “Алюминиевая” часть фазовой диаграммы Al-Cu [1]

Твердый раствор

При температуре 550 градусов Цельсия (точка А на диаграмме) равновесной структурой является полностью растворенные в алюминиевой матрице атомы меди. Эта структура обозначена греческой буквой “альфа”.   Эту температуру 550 градусов Цельсия часто называют “температура закалки”.

Медленное охлаждение от температуры закалки

При очень медленном охлаждении сплава от температуры 550 градусов Цельсия образуется равновесная микроструктура, которая состоит из альфа-фазы с очень малым содержанием растворенной меди вместе с грубыми частицами равновесной вторичной фазы CuAl2, которые образовались в основном при высоких температурах при охлаждении примерно от между 450 до 300 градусов Цельсия (рисунок 3). Эта равновесная структура (обозначена буквой D на рисунке 3) является стабильной при комнатной температуре, но является не очень прочной и поэтому практически не представляет собой инженерного интереса.

Рисунок 3 – Выделение вторичной фазы из переохлажденного твердого раствора –
образование кластеров растворенных атомов [1]

Быстрое охлаждение от температуры закалки

Ситуация радикально меняется, когда сплав быстро охлаждается в воде от температуры закалки 550 градусов Цельсия до комнатной температуры.

Быстрое охлаждение от точки А до точки В (см. рисунки 2 и 3) “замораживает” твердый раствор в том состоянии, которое было при 550 градусах Цельсия. Конечно, это уже не может быть равновесным состоянием. Говорят, что закаленный (охлажденный) сплав находится в метастабильном состоянии переохлажденного твердого раствора. Это означает, что эта микроструктура является термодинамически неустойчивой и сплав в этом состоянии имеет металлургическую движущую силу для движения (изменения) к равновесной структуре. При повышенной температуре, например, 150 градусов Цельсия этот процесс идет значительно быстрее, чем при комнатной температуре, так как атомы меди и вакансии в алюминиевой матрицы диффундируют намного быстрее. Атомы меди собираются в кластеры (GP-зоны) и эти кластеры имеют вид выделений из твердого раствора. В сплавах Al-Сu эти кластеры имеют форму пластин, в сплавах Al-Zn – сфер, а сплавов Al-Mg-Si – стержней (рисунок 4).

Рисунок 4 – Форма кластеров (GP-зон) в различных системах алюминиевых сплавов [1]

 

Технология термического упрочнения

Нагрев под закалку 

Нагрев под закалку: сплав выдерживается при температуре, при которой достигается гомогенное однофазное состояние.

Интерметаллидные соединения, такие как Mg2Si  в сплавах серии 6ххх или Al2Cu  в сплавах серии 2ххх, полностью переходят в твердый раствор, и  сплав достигает гомогенного состояния. Температура нагрева под закалку, например, для сплавов серии 6ххх, находится в интервале от 500 до 550 °C.

Закалка

Закалка: быстрое охлаждение твердого раствора, например, погружением в воду, непосредственного на выходе из печи или экструзионного пресса.

При этом гомогенное состояние сплава «замораживается» при комнатной температуре – выпадение интерметаллидных частиц предотвращается. Это очень мягкое состояние, поскольку количество барьеров для движения дислокаций – минимально. Для закалки на прессе температура сплава на выходе из пресса должна быть выше температуры растворения интерметаллидных частиц (температуры сольвуса). Сразу после выхода из пресса сплав закаляют путем охлаждения сжатым воздухом или струями воды.

Старение                   

Пересыщенный однофазный твердый раствор является неустойчивым ниже линии сольвуса на диаграмме равновесия. Это однофазное состояние имеет «врожденное» стремление перехода в двухфазное. Это может быть достигнуто двумя путями.

Естественное старение

Старение при комнатной температуре: медленное – в течение нескольких часов, суток или недель – выпадение выделений, в результате чего происходит повышение твердости.

Искусственное старение

Включает нагрев до температуры ниже линии сольвуса; нагрев способствует более эффективному формированию образований и выделений.

Сначала образуются выделения, которые когерентны с алюминиевой матрицей – они имеют ту же кристаллическую решетку, что и матрица. Эти когерентные фазы вызывают напряжение в матрице, которые становятся эффективными барьерами против пластической деформации путем движения дислокаций. Когда эти выделения становятся достаточно большими, они становятся некогерентными и образуют отдельную фазу. Напряжения снижаются, и металл становится снова более мягким, хотя в любом случае остается тверже, чем в состоянии твердого раствора, за счет напряжений, которые неизбежно возникают около выделений.

Механизм упрочнения старением

Рисунок 5 – Механизм сопротивления кластеров движению дислокаций [1]

Графики упрочнения старением

Типичные графики изменения прочности и твердости при различных режимах старения гипотетичного сплава Al-Cu показаны на рисунке 6.

Рисунок  6 – Изменение прочности сплава при различных температурах старения [1]

  • Естественное старение – упрочнение старением при комнатной температуре – происходит очень медленно, в течение недель и месяцев в зависимости от типа сплава и степени легирования.
  • При повышенной температуре – 140 градусов Цельсия – старение происходит значительно быстрее.
  • Для старения при 160 градусах Цельсия пик прочности достигается через 24 часа, а затем сплав теряет прочность, становится мягче. Для сплавов серии 6ххх этот максимум достигается через 8-12 часов в зависимости от сплава.

Источники:

  1. TALAT 1204.01

Приложение – Дополнительная информация


Искусственное старение сплавов 6ххх - АД31, АД33, АД35