|
Трем видам термической обработки подвергаются алюминиевые сплавы: отжиг, закалка и старение. Основными видами отжига являются: диффузионный (гомогенизация), рекри-сталлизационный и термически упрочненных сплавов.
Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора путем диффузии, то есть уменьшения дендритной ликвации в слитках. Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, а количество продиффундировавшего вещества тем больше, чем длительнее выдержка, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура (близкая к температуре линии солидуса) и продолжительная выдержка.
Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы (слитки) нагревают до 450-520° С и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 ч; после выдержки - охлаждение вместе с печью или на воздухе. В результате гомогенизации структура становится более однородной (гомогенной), повышается пластичность, что значительно улучшает последующую деформацию слитка горячей обработкой давлением. Поэтому гомогенизацию широко применяют для деформируемых сплавов.
Для алюминия и алюминиевых сплавов (а также для других цветных металлов и сплавов) рекристаллизационный отжиг применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, что такие металлы, как алюминий и медь (используемые в промышленности в чистом виде), а также многие сплавы на их основе, не упрочняются закалкой и повышение их механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке (для восстановления пластичности) является рекристаллизационный отжиг. Кроме того, сплавы, упрочняемые закалкой, часто подвергают холодной обработке давлением с последующим рекристаллизационным отжигом для придания требуемых свойств. Температура рекристаллизационного отжига 300-500° С, выдержка 0,5-2 ч.
Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, полученного в результате закалки и старения; он проводится при температурах 350-450° С с выдержкой 1-2 ч и последующим достаточно медленным охлаждением (со скоростью не более 30° С/ч), чтобы обеспечить протекание диффузионных процессов распада твердого раствора и коагуляцию продуктов распада.
Закалка. В современной технике применяют много сплавов на алюминиевой основе с различным количеством легирующих элементов. Одни из них, например Сu, Si, Mg, Zn, резко изменяют свойства алюминия и его сплавов. Другие, например Mn, Ni, Сr, дополнительно улучшают свойства и вводятся только при наличии перечисленных выше, одного или нескольких, основных легирующих элементов. Часть элементов вводят в качестве модификаторов, добавок, действующих различно, но улучшающих (главным образом измельчающих) структуру; к таким добавкам относятся Na, Be, Ti, Ce, Nb. Некоторые элементы, входящие в алюминиевые сплавы, образуют с алюминием ограниченные твердые растворы переменной концентрации, в которых растворимость элементов с понижением температуры уменьшается. На этом и основывается закалка.
В качестве примера рассмотрим процесс закалки алюминиево-медных сплавов. При температуре 20° С растворимость меди в алюминии равна 0,1%, а при температуре 548° С - 5,65%. Данные сплавы с содержанием меди менее 0,1 % не могут быть закалены, так как являются однофазными. Сплавы с содержанием меди от 0,1 до 5,65% являются двухфазными и в исходном отожженном состоянии имеют структуру твердого а-раствора меди в алюминии и включений химического соединения СuАl2. При нагреве выше линии ограниченной растворимости, например сплава, содержащего 4% Сu, до температуры t1, включения СuАl2 растворяются, и образуется однофазный твердый а-раствор. Быстрым охлаждением (закалка в воде) фиксируется твердый а-
раствор (пересыщенный) меди в алюминии. После закалки прочность сплава несколько повышается, а пластичность не изменяется.
Старение. После закалки алюминиевые сплавы подверстают старению, при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора. При старении в А1-Сu протекают следующие процессы.
1. При температуре 20°С: (естественное старение) и при температурах до 100°С (искусственное старение) в пересыщенном твердом растворе возникают области (тонкопластинчатой, дискообразной формы), обогащенные атомами меди, названные зонами Гинье-Престона и обозначаемые Г. П., а для данного начального процесса Г. П. 1. Эти зоны имеют толщину 5-10 А и диаметр 40-100 А. Структура их неупорядоченная, как и твердого раствора. Образование зон Г. П. 1 сопровождается искажением кристаллической решетки, что приводит к повышению механических свойств сплава.
2. При температурах 100-150°С происходит рост зон Г. П. 1 до толщины 10-40 А и диаметра 200-300 А, обогащение атомами меди до состава, близкого к составу стабильной фазы 8 (СuАl2). Структура образующихся зон становится упорядоченной. Такие зоны называются зонами Г. П. 2 или фазой 0´, и их наличие обусловливает максимальную прочность сплава.
3. При температурах 150-200°С образуется метастабильная промежуточная фаза 9', имеющая такой же состав, как равновесная 9-фаза (СuАl2). Но выделения б'-фазы не имеют границ раздела с зернами твердого раствора, то есть когерентно связаны с решеткой алюминия. Таким образом, появление зон Г. П. 1 и Г. П. 2 - это подготовительные стадии к началу распада твердого раствора (выделению избыточной фазы), а образование 9'-фазы - начало распада твердого раствора (выделение избыточной фазы).
4. При температурах 200-250°С решетка 9'-фазы отрывается от решетки твердого раствора (когерентность полностью нарушается) и оформляется в решетку, соответствующую соединению СuАl2 (0-фаза).
5. Дальнейшее повышение температуры приводит к коагуляции выделившейся 9-фазы, резкому снижению прочности и повышению пластичности.
Таким образом, структура сплавов при старении изменяется в следующей последовательности:
зоны Г.П.1 → зоны Г.П.2 (фаза Ø') → фаза Ø' → фаза Ø (CuAl2)
|
