Термическая обработка алюминиевых отливок

 

Металлургия алюминия и его сплавов предлагает ряд возможностей для использования методов термической обработки для получения желаемых сочетаний механических и физических свойств.

Металлургия термической обработки алюминиевых отливок

Режимы термической обработки

Термин “термическая обработка” используется для описания всех термических методов, направленных на изменение металлургической структуры изделий таким образом, чтобы физические и механические характеристики контролируемо изменялись в соответствии с конкретными техническими критериями.

Диаграмма состояния на Fig. 1 дает следующие возможности для термического воздействия на свойства алюминиевых сплавов:

• annealing
• solution heat treatment
• quenching
• ageing (precipitation hardening)
• overageing.

Fig. 1 – Typical temperature ranges for various thermal operations for aluminum alloy castings superimposed
on a binary aluminum-copper phase diagram.
The vertical dashed lines represent alloys containing (a) 4.5% Cu and (b) 6.3% Cu [1].

Термическая обработка алюминиевых сплавов основана на различной растворимости металлургических фаз в алюминии. Растворимость эвтектической фазы с повышением температуры увеличивается. Поэтому управляя образованием и распределением вылеляющихся осажденных фаз можно влиять на свойства материала.

Различие между деформируемыми и литейными алюминиевыми сплавами

В целом, принципы и режимы  термической обработки деформируемых и литых сплавов аналогичны. Основные различия между условиями обработки на твердый раствор для отливок и деформируемых изделий заключаются во времени выдержки и типе закалочной среды. Растворение относительно больших микрокомпонентов, присутствующих в отливках, требует более длительных периодов выдержки, чем те, которые применяются для изделий, которые получены методами обработки металлов давлением. Уменьшение напряжений и деформации при закалке также важно, поскольку отливки обычно имеют сложную форму с различной толщиной сечения.

Различные процессы литья и методы литейного производства также приводят к различиям в микроструктуре, имеющим отношение к практике термообработки. Более грубая микроструктура, связанная с медленными скоростями затвердевания, требует, например, более длительного времени при нагреве для достижения твердого раствора. Поэтому, время, необходимое достижения полного растоворения легирующих компненетов в алюминии соотвественно уменьшается, напрмимер, для отливок при лите по выплавляемым моделям, в песчаные формы и в постоянные лиейные формы.

Различие между немодифицированными и модифицированными литейными сплавами

Существует также принципиальная разница между немодифицированными и модифицированными литейнфми сплавами.

В модифицированных размер и форма кристаллов кремния модифицируются добавками таких элементов, как кальций, натрий, стронций или сурьма. Модифицированные сплавы претерпевают быструю сфероидизацию, в то время как в немодифицированных сплавах полная сфероидизация не достигается даже по прошествии очень длительного времени. Практическое значение заключается в том, что для полностью модифицированных отливок може применяться более короткая термообработка на твердый раствор.

Закалочные среды

Закалку алюминиевых отливок часто проводят в кипящей воде или в более мягкой среде, чтобы уменьшить напряжения закалки в сложных формах, например, в смеси полиалкиленгликоля и воды.

Влияние методов литья

На Fig. 2 показано влияние методов литья на развитие свойств. Из-за более тонкой структуры литья и более высокого пересыщения более быстро затвердевающей отливки в постоянной форме их свойства при растяжении превосходят свойства песчаных отливок того же состава, прошедших аналогичную термическую обработку.

Fig. 2 – C.omparison of the precipitation-hardeningc haracteristics of 356.0-T4 sand and permanent-mold castings [2]

Состояния

В алюминиевой промышленности для литейных отливок применяются следующие основные стандартизированные виды термического воздействия (состояния) и их обозначения:
• F, литой
• О, отожженный
• T4, термообработка на твердый раствор и закалка
• T5, искусственно состаренный из литого состояния
• T6, термообработка на твердый раствор, закалка и искусственное старение
• T7, термообработка на твердый раствор, закалка и перестаривание

Для обозначения вариантов состояний от T4 до T7 могут применяться дополнительные цифры, например, такие как T5x, T5xx, T6x и т. д.

Состояния Т5 и Т6

итые изделия из термообрабатываемых алюминиевых сплавов имеют наивысшие сочетания прочности, пластичности и ударной вязкости при изготовлении в состоянии типа Т6. Для получения состояния типа Т6 в литых изделиях требуется та же последовательность операций, что и деформируемых изделий: термическая обработка на твердый раствор, закалка и старение.

Состояние типа Т5 получают просто обработкой на старение литой отливки без предварительной обработки на твердый раствор. Умеренный прирост прочности достигается без коробления и последующей правки. Высокая твердость, размерная и прочностная стабильность при повышенных температурах обуславливают почти универсальное использование материалов в состоянии типа Т5 для поршней и других деталей двигателя.

Состояние Т7

Для некоторых применений требуется сочетание прочности, ударной вязкости и стабильности размеров, чего нельзя достичь при термообработке на состояние типа Т5 или Т6. Для этих применений состояние типа Т7 получают путем:

• термообработки на твердый раствор,
• закалки в среде, обеспечивающей умеренную скорость охлаждения, а затем
• термообработки на искусственное старение при температуре выше, чем те, которые используются для получения отпуска типа Т5 и Т6.

Термическая обработка до отпуска типа Т7 приводит к снижению прочности по сравнению с прочностью материала в отпусках типа Т6, развивает высокую пластичность и ударную вязкость, а выделение осадков происходит достаточно далеко, чтобы свести к минимуму дальнейшее осаждение во время эксплуатации.

Искусственное старение

Наиболее важным видом термической обработки для алюминиевых отливок является старение, обычно – искусственное старение.

Процесс  искусственного старения

Необходимым условием для того, чтобы в алюминиевом сплаве происходило упрочнение старением, является уменьшение растворимости в твердом растворе алюминия одного или нескольких компонентов сплава с понижением температуры.

Как правило, процесс искусственного старения включает три стадии:

1. При нагреве на твердый раствор (нагреве под закалку) происходит растворение в твердом растворе алюминия достаточного количества компонентов сплава, которые обеспечивают упрочнение старением.
2. При достаточно быстром охлаждении при закалке эти компоненты остаются в твердом растворе. В этом состоянии отливки остаются относительно мягкими.
3. При старении – для литых изделий, в основном, искусственном – происходит выделение этих растворенных компонентов в форме мельчайших субмикроскопических фаз, которые дают повышение твердости и прочности алюминиевого сплава. Эти мельчайшие фазы, которые по-научному называют «когерентными или полукогерентными фазами», представляют  собой препятствия для движения дислокаций в металле и поэтому упрочняют до этого мягкий металл.

Термически упрочняемые литейные алюминиевые сплавы

Термической обработке старением поддаются следующие типы алюминиевых литейных сплавов:

• алюминий-медь;
• алюминий-медь-магний;
• алюминий-кремний- магний;
• алюминий-магний-кремний;
• алюминий-цинк-магний.

Нагрев на твердый раствор (нагрев под закалку)

Для того, чтобы ввести упрочняющие компоненты сплава в твердый раствор так быстро, как это только возможно, температура нагрева на твердый раствор должна быть максимально высокой, не ближе чем 15 °С к температуре ликвидус, чтобы избежать локального подплавления. По этой причине часто литейные алюминиевые сплавы, содержащие медь, подвергают нагреву на твердый раствор в два этапа: сначала до 480 °С, потом до 520 °С.

Длительность нагрева под закалку зависит от толщины стенки отливки и метода литья. По сравнению с литьем в песчаные формы, литье в кокиль требует более короткий нагрев под закалку для растворения упрочняющих компонентов сплава благодаря более измельченной микроструктуре. В принципе, нагрева около одного часа обычно достаточно. Более длительный нагрев под закалку – до 12 часов – применяют, например, для сплавов алюминий-кремний-магний для сфероидизации или округления эвтектического кремния, чтобы повысить пластические свойства сплава (относительное удлинение).

В ходе нагрева под закалку прочность отливок остается еще очень низкой. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению их прогиба и коробления. Для этого большие и сложные отливки закрепляют в специальных приспособлениях.

Закалка алюминиевых отливок

Горячую отливку необходимо охладить в воде как можно быстрее – за 5-20 секунд в зависимости от толщины ее стенок, чтобы подавить любое нежелательное и преждевременное выделение растворенных компонентов сплава.

После закалки отливки имеют высокую пластичность. Резкое охлаждение отливки при закалке может приводить к образованию больших внутренних напряжений и короблению изделия. Эту проблему решают выбором закалочной среды и способа ее подачи: погружение в воду или подача воды через спрейеры – вода холодная, вода горячая или масло.

В любом случае, любые действия по правке изделия должны производиться после закалки, но до старения.

Операция старения

Операция старения приводит к значительному увеличению твердости и прочности литейной структуры за счет выделения мельчайших упрочняющих фаз. Только после этой операции изделие получает свои заданные свойства, свою окончательную форму и размеры.

Искусственное старение – это старение при повышенных температурах, в отличие от естественного старения, которое проводят при температуре окружающей среды («комнатной» температуре).

Температура старения и ее длительность могут быть различными в зависимости от требуемых свойств алюминиевого сплава в отливке. Например, механические свойства можно «отрегулировать» так, чтобы получить высокую твердость и прочность, но за счет более низкой пластичности (относительного удлинения) материала отливки. И наоборот, можно достичь более высокой пластичности (относительного удлинения), но в ущерб твердости и прочности. При выборе температуры старения и длительности его выдержки применяют диаграммы старения конкретного сплава, которые разработаны для многих сплавов (Figs.  3-6).

Fig. 3 – Yield strength of gravity die cast test bars (Diez die) in Al Si10Mg alloy [3]

Fig. 4 – Elongation of gravity die cast test bars (Diez die) in Al Si10Mg alloy [3]

Fig. 5 – Зависимость предела прочности литейного алюминиевого сплава
Al Si10Mg от температуры его искусственного старения [3]

Fig. 6 – Brinell hardness of gravity die cast test bars (Diez die) in Al Si10Mg alloy [3]

Сплавы алюминий-кремний-магний

В сплавах алюминий-кремний-магний имеется дополнительная возможность влиять на уровень предела прочности и относительного удлинения материала отливки путем изменения содержания магния в комбинации с варьированием параметров термической обработки (Fig. 7).

Рисунок 7 – Influence of Magnesium on the tensile strength (Diez bars) [3]

Типичные параметры искусственного старения для различных типов литейных алюминиевых сплавов представлены в Tabl. 1.

Table 1 – Procedures used in artificial ageing ¹⁾ [3]

Источники:

1. Aluminum Alloy Castings. Properties, Processes, and Applications / J. Gilbert Kaufman, Elwin L. Rooy – ASM International – 2004
2. Heat Treating // Aluminun and Alumunum Alloys – ASM Speciality Handbook – 1996
3. Aluminium Casting Alloys – Aleris International – 2011