Osnovne vrste termičke obrade aluminijskih legura

Žarenje, kaljenje i starenje su osnovne vrste termičke obrade aluminijskih legura. Žarenje je tretman omekšavanja, čija je svrha učiniti leguru ujednačenom i stabilnom po sastavu i strukturi, eliminirati očvršćavanje i vratiti plastičnost legure. Kaljenje i starenje je termička obrada ojačavanja, čija je svrha poboljšanje čvrstoće legure, a uglavnom se koristi za aluminijske legure koje se mogu ojačati termičkom obradom.

1 Žarenje

Prema različitim proizvodnim zahtjevima, žarenje aluminijskih legura dijeli se na nekoliko oblika: žarenje homogenizacijom ingota, žarenje gredica, međužarenje i žarenje gotovih proizvoda.

1.1 Žarenje homogenizacije ingota

U uslovima brze kondenzacije i neravnotežne kristalizacije, ingot mora imati neujednačen sastav i strukturu, a također i veliki unutrašnji napon. Da bi se promijenila ova situacija i poboljšala obradivost ingota u vrućim uslovima, generalno je potrebno homogenizacijsko žarenje.

Da bi se podstakla atomska difuzija, za homogenizacijsko žarenje treba odabrati višu temperaturu, ali ona ne smije biti viša od eutektičke tačke topljenja legure na niskoj tački topljenja. Općenito, temperatura homogenizacijskog žarenja je 5~40℃ niža od tačke topljenja, a vrijeme žarenja je uglavnom između 12~24 sata.

1.2 Žarenje gredice

Žarenje gredice odnosi se na žarenje prije prve hladne deformacije tokom obrade pod pritiskom. Svrha je da gredica dobije uravnoteženu strukturu i maksimalni kapacitet plastične deformacije. Na primjer, temperatura kraja valjanja toplo valjane ploče od aluminijske legure je 280~330℃. Nakon brzog hlađenja na sobnoj temperaturi, fenomen očvršćavanja se ne može u potpunosti eliminirati. Konkretno, kod termički obrađenih ojačanih aluminijskih legura, nakon brzog hlađenja, proces rekristalizacije nije završen, a prezasićena čvrsta otopina nije potpuno razložena, te je dio efekta očvršćavanja i kaljenja i dalje zadržan. Teško je direktno hladno valjati bez žarenja, pa je potrebno žarenje gredice. Za ojačane aluminijske legure koje nisu termički obrađene, kao što je LF3, temperatura žarenja je 370~470℃, a hlađenje zrakom se vrši nakon što se održi toplinom 1,5~2,5 sata. Temperatura gredice i žarenja koja se koristi za obradu hladno vučenih cijevi treba biti odgovarajuće viša, a gornja granica temperature se može odabrati. Za aluminijske legure koje se mogu ojačati termičkom obradom, kao što su LY11 i LY12, temperatura žarenja gredice je 390~450℃, održava se na ovoj temperaturi 1~3 sata, zatim se hladi u peći ispod 270℃ brzinom ne većom od 30℃/h, a zatim se hladi zrakom izvan peći.

1.3 Međužarenje

Međužarenje se odnosi na žarenje između procesa hladne deformacije, čija je svrha eliminiranje očvršćavanja materijala kako bi se olakšao nastavak hladne deformacije. Općenito govoreći, nakon što je materijal žaren, bit će teško nastaviti hladnu obradu bez međužarenja nakon što je prošao kroz 45~85% hladne deformacije.

Procesni sistem međužarenja je u osnovi isti kao i kod žarenja grede. Prema zahtjevima stepena hladne deformacije, međužarenje se može podijeliti na tri vrste: potpuno žarenje (ukupna deformacija ε≈60~70%), jednostavno žarenje (ε≈50%) i blago žarenje (ε≈30~40%). Prva dva sistema žarenja su ista kao i kod žarenja grede, a potonji se zagrijava na 320~350℃ tokom 1,5~2 sata, a zatim hladi na zraku.

1.4. Žarenje gotovog proizvoda

Žarenje gotovog proizvoda je završna termička obrada koja materijalu daje određena organizacijska i mehanička svojstva prema zahtjevima tehničkih uslova proizvoda.

Žarenje gotovih proizvoda može se podijeliti na žarenje na visokim temperaturama (proizvodnja mekih proizvoda) i žarenje na niskim temperaturama (proizvodnja polutvrdih proizvoda u različitim stanjima). Žarenje na visokim temperaturama treba osigurati potpunu rekristalizacijsku strukturu i dobru plastičnost. Pod uslovom da se osigura da materijal dobije dobru strukturu i performanse, vrijeme zadržavanja ne smije biti predugo. Za aluminijumske legure koje se mogu ojačati termičkom obradom, kako bi se spriječio efekat kaljenja usljed hlađenja na zraku, brzina hlađenja treba strogo kontrolisati.

Žarenje na niskim temperaturama uključuje žarenje za ublažavanje napona i djelomično omekšavanje, koja se uglavnom koriste za čisti aluminij i legure aluminija ojačane termičkim tretmanom. Formuliranje sistema za žarenje na niskim temperaturama je vrlo složen zadatak, koji ne samo da mora uzeti u obzir temperaturu žarenja i vrijeme zadržavanja, već i utjecaj nečistoća, stepena legiranja, hladne deformacije, međutemperature žarenja i temperature vruće deformacije. Da bi se formulirao sistem za žarenje na niskim temperaturama, potrebno je izmjeriti krivulju promjene između temperature žarenja i mehaničkih svojstava, a zatim odrediti raspon temperature žarenja prema pokazateljima performansi navedenim u tehničkim uslovima.

2 Kaljenje

Kaljenje aluminijske legure naziva se i obrada rastvaranjem, što znači otapanje što većeg broja legirajućih elemenata u metalu kao drugoj fazi u čvrstom rastvoru zagrijavanjem na visokoj temperaturi, nakon čega slijedi brzo hlađenje kako bi se spriječilo taloženje druge faze, čime se dobija prezasićeni α čvrsti rastvor na bazi aluminija, koji je dobro pripremljen za sljedeći tretman starenja.

Pretpostavka dobijanja prezasićenog α čvrstog rastvora je da se rastvorljivost druge faze u leguri aluminija treba značajno povećati s porastom temperature, u suprotnom se ne može postići cilj obrade čvrstim rastvorom. Većina legirajućih elemenata u aluminijumu može formirati eutektički fazni dijagram s ovom karakteristikom. Uzimajući Al-Cu leguru kao primjer, eutektička temperatura je 548 ℃, a rastvorljivost bakra u aluminijumu na sobnoj temperaturi je manja od 0,1%. Kada se zagrije na 548 ℃, njegova rastvorljivost se povećava na 5,6%. Stoga, Al-Cu legure koje sadrže manje od 5,6% bakra ulaze u α jednofazno područje nakon što temperatura zagrijavanja pređe svoju liniju rastvora, odnosno, druga faza CuAl2 se potpuno rastvori u matrici, a nakon kaljenja se može dobiti jedan prezasićeni α čvrsti rastvor.

Kaljenje je najvažnija i najzahtjevnija operacija termičke obrade aluminijskih legura. Ključno je odabrati odgovarajuću temperaturu kaljenja i osigurati dovoljnu brzinu hlađenja, te strogo kontrolirati temperaturu peći i smanjiti deformaciju pri kaljenju.

Princip odabira temperature kaljenja je povećanje temperature kaljenja koliko god je to moguće, uz osiguranje da aluminijska legura ne pregori ili da zrna ne rastu prekomjerno, kako bi se povećala prezasićenost α čvrstog rastvora i čvrstoća nakon tretmana starenjem. Općenito, peć za grijanje aluminijske legure zahtijeva tačnost kontrole temperature peći unutar ±3℃, a zrak u peći je prisiljen cirkulirati kako bi se osigurala ujednačenost temperature peći.

Prekomjerno sagorijevanje aluminijske legure uzrokovano je djelimičnim topljenjem komponenti s niskom tačkom topljenja unutar metala, kao što su binarne ili višeelementne eutektike. Prekomjerno sagorijevanje ne samo da uzrokuje smanjenje mehaničkih svojstava, već ima i ozbiljan utjecaj na otpornost legure na koroziju. Stoga, kada se aluminijska legura jednom prekomjerno sagori, ne može se eliminirati i proizvod od legure treba odložiti. Stvarna temperatura prekomjernog sagorijevanja aluminijske legure uglavnom je određena sastavom legure i sadržajem nečistoća, a također je povezana sa stanjem obrade legure. Temperatura prekomjernog sagorijevanja proizvoda koji su prošli obradu plastične deformacije viša je nego kod odljevaka. Što je veća obrada deformacijom, lakše je da se neravnotežne komponente s niskom tačkom topljenja rastvaraju u matrici prilikom zagrijavanja, pa se stvarna temperatura prekomjernog sagorijevanja povećava.

Brzina hlađenja tokom kaljenja aluminijske legure ima značajan utjecaj na sposobnost jačanja starenjem i otpornost legure na koroziju. Tokom procesa kaljenja LY12 i LC4, potrebno je osigurati da se α čvrsti rastvor ne raspadne, posebno u temperaturno osjetljivom području od 290~420℃, te je potrebna dovoljno velika brzina hlađenja. Obično se propisuje da brzina hlađenja bude iznad 50℃/s, a za leguru LC4 treba dostići ili premašiti 170℃/s.

Najčešće korišteni medij za kaljenje aluminijskih legura je voda. Proizvodna praksa pokazuje da što je veća brzina hlađenja tokom kaljenja, to su veći zaostali naponi i zaostala deformacija kaljenog materijala ili radnog komada. Stoga, za male radne komade jednostavnih oblika, temperatura vode može biti nešto niža, uglavnom 10~30℃, i ne smije prelaziti 40℃. Za radne komade složenih oblika i velikih razlika u debljini stijenki, kako bi se smanjile deformacije i pucanje pri kaljenju, temperatura vode se ponekad može povećati na 80℃. Međutim, treba istaći da se s porastom temperature vode u posudi za kaljenje, čvrstoća i otpornost materijala na koroziju također smanjuju u skladu s tim.

3. Starenje

3.1 Organizacijska transformacija i promjene performansi tokom starenja

Prezasićeni α čvrsti rastvor dobijen kaljenjem ima nestabilnu strukturu. Kada se zagrije, on će se raspasti i transformisati u ravnotežnu strukturu. Uzimajući Al-4Cu leguru kao primjer, njena ravnotežna struktura trebala bi biti α+CuAl2 (θ faza). Kada se jednofazni prezasićeni α čvrsti rastvor nakon kaljenja zagrijava radi starenja, ako je temperatura dovoljno visoka, θ faza će se direktno taložiti. U suprotnom, to će se provoditi u fazama, odnosno, nakon nekoliko međufaza prelaza, može se dostići konačna ravnotežna faza CuAl2. Slika ispod ilustruje karakteristike kristalne strukture svake faze taloženja tokom procesa starenja Al-Cu legure. Slika a. prikazuje strukturu kristalne rešetke u kaljenom stanju. U ovom trenutku, to je jednofazni α prezasićeni čvrsti rastvor, a atomi bakra (crne tačke) su ravnomjerno i nasumično raspoređeni u rešetki matrice aluminija (bijele tačke). Slika b. prikazuje strukturu rešetke u ranoj fazi taloženja. Atomi bakra počinju se koncentrirati u određenim područjima rešetke matrice formirajući Guinier-Preston područje, nazvano GP područje. GP zona je izuzetno mala i u obliku diska, s promjerom od oko 5~10 μm i debljinom od 0,4~0,6 nm. Broj GP zona u matrici je izuzetno velik, a gustoća distribucije može doseći 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Kristalna struktura GP zone je i dalje ista kao i matrica, obje su plošno centrirane kubne, i održavaju koherentni međupovršinski kontakt s matricom. Međutim, budući da je veličina atoma bakra manja od veličine atoma aluminija, obogaćivanje atoma bakra uzrokovat će skupljanje kristalne rešetke u blizini regije, što uzrokuje izobličenje rešetke.

Shematski dijagram promjena kristalne strukture Al-Cu legure tokom starenja

Slika a. Ugašeno stanje, jednofazni α čvrsti rastvor, atomi bakra (crne tačke) su ravnomjerno raspoređeni;

Slika b. U ranoj fazi starenja formira se GP zona;

Slika c. U kasnoj fazi starenja formira se polukoherentna prelazna faza;

Slika d. Starenje na visokim temperaturama, taloženje nekoherentne ravnotežne faze

GP zona je prvi produkt prije taloženja koji se pojavljuje tokom procesa starenja aluminijskih legura. Produžavanje vremena starenja, posebno povećanje temperature starenja, također će formirati druge međufaze prijelaza. U leguri Al-4Cu, nakon GP zone postoje faze θ” i θ', a konačno se dostiže ravnotežna faza CuAl2. θ” i θ' su obje prijelazne faze θ faze, a kristalna struktura je kvadratna rešetka, ali je konstanta rešetke drugačija. Veličina θ je veća od veličine GP zone, još uvijek u obliku diska, s promjerom od oko 15~40nm i debljinom od 0,8~2,0nm. Ona i dalje održava koherentni međupovršinski kontakt s matricom, ali je stepen distorzije rešetke intenzivniji. Prilikom prelaska iz θ” u θ' fazu, veličina je porasla na 20~600nm, debljina je 10~15nm, a koherentni granični prostor je također djelimično uništen, postajući polukoherentni granični prostor, kao što je prikazano na slici c. Konačni produkt taloženja starenjem je ravnotežna faza θ (CuAl2), u kojem trenutku se koherentni granični prostor potpuno uništava i postaje nekoherentni granični prostor, kao što je prikazano na slici d.

Prema gore navedenoj situaciji, redoslijed starenja Al-Cu legure je αs→α+GP zona→α+θ”→α+θ'→α+θ. Faza starenja strukture zavisi od sastava legure i specifikacije starenja. Često postoji više od jednog produkta starenja u istom stanju. Što je viša temperatura starenja, to je struktura bliža ravnotežnoj strukturi.

Tokom procesa starenja, GP zona i prelazna faza koje se izdvajaju iz matrice su male veličine, visoko dispergovane i ne deformišu se lako. Istovremeno, uzrokuju distorziju rešetke u matrici i formiraju polje napona, što ima značajan uticaj na kretanje dislokacija, čime se povećava otpornost legure na plastičnu deformaciju i poboljšava njena čvrstoća i tvrdoća. Ovaj fenomen očvršćavanja starenjem naziva se očvršćavanje precipitacijom. Slika ispod ilustruje promjenu tvrdoće legure Al-4Cu tokom kaljenja i tretmana starenjem u obliku krivulje. Faza I na slici predstavlja tvrdoću legure u njenom prvobitnom stanju. Zbog različitih istorija vruće obrade, tvrdoća prvobitnog stanja će varirati, uglavnom HV=30~80. Nakon zagrijavanja na 500℃ i kaljenja (faza II), svi atomi bakra se rastvaraju u matrici i formiraju jednofazni prezasićeni α čvrsti rastvor sa HV=60, koji je dvostruko tvrđi od tvrdoće u žarenom stanju (HV=30). Ovo je rezultat očvršćavanja čvrstog rastvora. Nakon kaljenja, legura se stavlja na sobnu temperaturu, a tvrdoća legure se kontinuirano povećava zbog kontinuiranog formiranja GP zona (faza III). Ovaj proces očvršćavanja starenjem na sobnoj temperaturi naziva se prirodno starenje.

I - prvobitno stanje;

II - stanje čvrstog rastvora;

III - prirodno starenje (GP zona);

IVa - regresijski tretman na 150~200℃ (ponovno rastvoreno u GP zoni);

IVb - umjetno starenje (θ”+θ' faza);

V—prestarenje (θ”+θ' faza)

U fazi IV, legura se zagrijava na 150°C radi starenja, a efekat očvršćavanja je očigledniji nego kod prirodnog starenja. U ovom trenutku, produkt taloženja je uglavnom θ” faza, koja ima najveći efekat očvršćavanja u Al-Cu legurama. Ako se temperatura starenja dodatno poveća, faza taloženja prelazi iz θ” faze u θ' fazu, efekat očvršćavanja slabi, a tvrdoća se smanjuje, ulazeći u fazu V. Svaki tretman starenja koji zahtijeva vještačko zagrijavanje naziva se vještačko starenje, a faze IV i V pripadaju ovoj kategoriji. Ako tvrdoća dostigne maksimalnu vrijednost tvrdoće koju legura može dostići nakon starenja (tj. faza IVb), ovo starenje se naziva vršno starenje. Ako se vršna vrijednost tvrdoće ne dostigne, to se naziva nedovoljno starenje ili nepotpuno vještačko starenje. Ako se pređe vršna vrijednost i tvrdoća se smanji, to se naziva prekomjerno starenje. Tretman stabilizacijskog starenja također spada u prekomjerno starenje. GP zona formirana tokom prirodnog starenja je vrlo nestabilna. Kada se brzo zagrije na višu temperaturu, kao što je oko 200°C, i kratko vrijeme drži toplom, GP zona će se ponovo rastvoriti u α čvrsti rastvor. Ako se brzo ohladi (ugasi) prije drugih prelaznih faza kao što su taloženje θ” ili θ', legura se može vratiti u prvobitno stanje kaljenja. Ovaj fenomen se naziva "regresija", što je pad tvrdoće označen isprekidanom linijom u fazi IVa na slici. Aluminijumska legura koja je podvrgnuta regresiji i dalje ima istu sposobnost očvršćavanja starenjem.

Očvršćavanje starenjem je osnova za razvoj aluminijskih legura koje se mogu termički obraditi, a njegova sposobnost očvršćavanja starenjem direktno je povezana sa sastavom legure i sistemom termičke obrade. Binarne legure Al-Si i Al-Mn nemaju efekat taložnog očvršćavanja jer se ravnotežna faza direktno taloži tokom procesa starenja i nisu termički obradive aluminijske legure. Iako Al-Mg legure mogu formirati GP zone i prelazne faze β', one imaju određenu sposobnost taložnog očvršćavanja samo u legurama s visokim sadržajem magnezija. Legure Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si i Al-Zn-Mg-Cu imaju snažnu sposobnost taložnog očvršćavanja u svojim GP zonama i prelaznim fazama i trenutno su glavni sistemi legura koji se mogu termički obraditi i ojačati.

3.2 Prirodno starenje

Generalno, aluminijumske legure koje se mogu ojačati termičkom obradom imaju prirodni efekat starenja nakon kaljenja. Prirodno ojačanje starenjem uzrokovano je GP zonom. Prirodno starenje se široko koristi kod Al-Cu i Al-Cu-Mg legura. Prirodno starenje Al-Zn-Mg-Cu legura traje predugo i često je potrebno nekoliko mjeseci da se dostigne stabilna faza, tako da se sistem prirodnog starenja ne koristi.

U poređenju sa vještačkim starenjem, nakon prirodnog starenja, granica tečenja legure je niža, ali su plastičnost i žilavost bolje, a otpornost na koroziju veća. Situacija sa supertvrdim aluminijumom Al-Zn-Mg-Cu sistema je malo drugačija. Otpornost na koroziju nakon vještačkog starenja je često bolja nego nakon prirodnog starenja.

3.3 Umjetno starenje

Nakon tretmana vještačkim starenjem, aluminijske legure često mogu postići najveću granicu tečenja (uglavnom ojačanje u prelaznoj fazi) i bolju organizacijsku stabilnost. Super tvrdi aluminij, kovani aluminij i lijevani aluminij uglavnom se vještački stare. Temperatura starenja i vrijeme starenja imaju važan utjecaj na svojstva legure. Temperatura starenja je uglavnom između 120~190℃, a vrijeme starenja ne prelazi 24 sata.

Pored jednostepenog vještačkog starenja, aluminijumske legure mogu usvojiti i postepeno vještačko starenje. To jest, zagrijavanje se vrši dva ili više puta na različitim temperaturama. Na primjer, legura LC4 može se podvrgnuti starenju na 115~125℃ tokom 2~4 sata, a zatim na 160~170℃ tokom 3~5 sati. Postepeno starenje ne samo da može značajno skratiti vrijeme, već i poboljšati mikrostrukturu Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu legura, te značajno poboljšati otpornost na koroziju pod naponom, zamornu čvrstoću i žilavost loma bez osnovnog smanjenja mehaničkih svojstava.