Термическая обработка алюминиевых отливок

Термическая алюминиевых литых деталей дает возможность улучшения их механических свойств или даже коррозионной стойкости.

Виды термической обработки отливок

В зависимости от метода литья и применяемого сплава к алюминиевой отливке могут применяться следующие виды термической обработки:

• отжиг для снятия остаточных напряжений;
• стабилизирующий отпуск;
• гомогенизация;
• полный отжиг;
• упрочнение старением.

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

Принципы упрочнения алюминиевых сплавов старением

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.

Обычные сплавы подвергают искусственному старению. 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 (рисунки 1-4).

Рисунок 1 – Зависимость предела текучести литейного алюминиевого сплава
Al Si10Mg от температуры его искусственного старения

Рисунок 2 – Зависимость относительного удлинения литейного алюминиевого сплава Al Si10Mg от температуры его искусственного старения

Рисунок 3 – Зависимость предела прочности литейного алюминиевого сплава
Al Si10Mg от температуры его искусственного старения

Рисунок 4 – Зависимость твердости литейного алюминиевого сплава Al Si10Mg
от температуры его искусственного старения

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 (рисунок 5).

Рисунок 5 – Влияние содержания магния в сплаве Al Si7 на предел прочности в литом и состаренном состояниях

Типичные параметры искусственного старения для различных типов литейных алюминиевых сплавов представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Параметры искусственного старения литейных алюминиевых сплавов

Источник: Aleris International, 2014