A hőkezelés, a kioltás és az öregítés az alumíniumötvözetek alapvető hőkezelési típusai. A kioltás egy lágyító kezelés, amelynek célja az ötvözet egyenletessé és stabillá tétele összetételében és szerkezetében, a feszültségmentesítés kiküszöbölése és az ötvözet képlékenységének helyreállítása. A kioltás és az öregítés egy erősítő hőkezelés, amelynek célja az ötvözet szilárdságának javítása, és főként olyan alumíniumötvözetekhez használják, amelyeket hőkezeléssel lehet erősíteni.
1. Lágyítás
A különböző gyártási követelmények szerint az alumíniumötvözet-lágyítást több formára osztják: ingot homogenizációs lágyítás, billet lágyítás, közbenső lágyítás és késztermék lágyítás.
1.1 Öntet homogenizálása hőkezeléssel
A gyors kondenzáció és a nem egyensúlyi kristályosodás körülményei között a tuskónak egyenetlen összetételűnek és szerkezetűnek kell lennie, valamint nagy belső feszültséggel kell rendelkeznie. Ennek megváltoztatása és a tuskó melegmegmunkálhatóságának javítása érdekében általában homogenizációs hőkezelésre van szükség.
Az atomdiffúzió elősegítése érdekében a homogenizációs lágyításhoz magasabb hőmérsékletet kell választani, de az nem haladhatja meg az ötvözet alacsony olvadáspontú eutektikus olvadáspontját. A homogenizációs lágyítás hőmérséklete általában 5–40 °C-kal alacsonyabb az olvadáspontnál, és a lágyítási idő többnyire 12–24 óra között van.
1.2 Tuskó lágyítása
A buga lágyítása a nyomásos eljárás során az első hidegalakítás előtti lágyítást jelenti. A cél a buga kiegyensúlyozott szerkezetének és a maximális képlékeny alakváltozási kapacitásnak az elérése. Például a melegen hengerelt alumíniumötvözet hengerlési véghőmérséklete 280–330 °C. Szobahőmérsékleten történő gyors hűtés után a feszültségkeltés jelensége nem szüntethető meg teljesen. Különösen a hőkezelt, megerősített alumíniumötvözetek esetében a gyors hűtés után az átkristályosodási folyamat még nem fejeződött be, a túltelített szilárd oldat nem bomlott le teljesen, és a feszültségkeltés és a kioltás hatásának egy része továbbra is megmarad. Nehéz közvetlenül hideghengerelni lágyítás nélkül, ezért buga lágyításra van szükség. Nem hőkezelt, megerősített alumíniumötvözetek, például LF3 esetén a lágyítási hőmérséklet 370–470 °C, és a levegőhűtést 1,5–2,5 órás melegen tartás után kell elvégezni. A hidegen húzott csőfeldolgozáshoz használt buga és lágyítási hőmérsékletnek megfelelően magasabbnak kell lennie, és a felső határhőmérsékletet meg kell választani. A hőkezeléssel erősíthető alumíniumötvözetek, mint például az LY11 és LY12 esetében a tuskó lágyítási hőmérséklete 390–450 °C, amelyet 1–3 órán át ezen a hőmérsékleten tartanak, majd a kemencében legfeljebb 30 °C/h sebességgel 270 °C alá hűtik, és végül levegőn kihűtik a kemencéből.
1.3 Köztes hőkezelés
A közbenső lágyítás a hidegalakítási folyamatok közötti lágyítást jelenti, amelynek célja a feszültségmentesítés kiküszöbölése a folyamatos hidegalakítás elősegítése érdekében. Általánosságban elmondható, hogy a lágyítás után a 45–85%-os hidegalakítás után nehéz lesz folytatni a hidegalakítást közbenső lágyítás nélkül.
A közbenső lágyítás folyamatrendszere alapvetően megegyezik a tuskólágyításéval. A hidegalakítási fok követelményei szerint a közbenső lágyítás három típusra osztható: teljes lágyítás (teljes alakváltozás ε≈60~70%), egyszerű lágyítás (ε≤50%) és enyhe lágyítás (ε≈30~40%). Az első két lágyítási rendszer megegyezik a tuskólágyítással, az utóbbit 320~350℃-on 1,5~2 órán át melegítik, majd levegőn hűtik.
1.4. Késztermék hőkezelése
A késztermék lágyítása az a végső hőkezelés, amely az anyagnak bizonyos szervezeti és mechanikai tulajdonságokat ad a termék műszaki feltételeinek követelményei szerint.
A késztermék hőkezelése két csoportra osztható: magas hőmérsékletű hőkezelés (lágy termékek előállítása) és alacsony hőmérsékletű hőkezelés (különböző halmazállapotú félkemény termékek előállítása). A magas hőmérsékletű hőkezelésnek biztosítania kell a teljes átkristályosodási szerkezetet és a jó képlékenységet. A jó szerkezet és teljesítmény biztosítása érdekében a hőntartási idő nem lehet túl hosszú. A hőkezeléssel erősíthető alumíniumötvözetek esetében a levegőhűtés kioltási hatásának elkerülése érdekében a hűtési sebességet szigorúan ellenőrizni kell.
Az alacsony hőmérsékletű lágyítás magában foglalja a feszültségmentesítő lágyítást és a részleges lágyító lágyítást, amelyeket főként tiszta alumínium és hőkezelés nélküli erősítésű alumíniumötvözetek esetében alkalmaznak. Az alacsony hőmérsékletű lágyító rendszer kialakítása nagyon bonyolult feladat, amely nemcsak a lágyítási hőmérsékletet és a tartási időt veszi figyelembe, hanem a szennyeződések, az ötvözési fok, a hidegalakítás, a közbenső lágyítási hőmérséklet és a melegalakítási hőmérséklet hatását is. Az alacsony hőmérsékletű lágyító rendszer kialakításához meg kell mérni a lágyítási hőmérséklet és a mechanikai tulajdonságok közötti változási görbét, majd a műszaki feltételekben meghatározott teljesítménymutatók alapján meg kell határozni a lágyítási hőmérséklet tartományát.
2 Kioltás
Az alumíniumötvözet oltását oldatkezelésnek is nevezik, amelynek lényege, hogy magas hőmérsékletű melegítéssel a fémben lévő annyi ötvözőelemet oldanak fel második fázisként a szilárd oldatban, amennyit csak lehet, majd gyors lehűtéssel gátolják a második fázis kicsapódását, ezáltal egy túltelített alumínium alapú α szilárd oldatot kapnak, amely jól előkészített a következő öregítési kezelésre.
A túltelített α szilárd oldat előállításának előfeltétele, hogy az ötvözet második fázisának oldhatósága az alumíniumban jelentősen növekedjen a hőmérséklet növekedésével, ellenkező esetben a szilárd oldatkezelés célja nem érhető el. Az alumíniumban található legtöbb ötvözőelem képes ilyen jellemzővel rendelkező eutektikus fázisdiagramot képezni. Az Al-Cu ötvözet esetében az eutektikus hőmérséklet 548 ℃, a réz szobahőmérsékleten való oldhatósága pedig kevesebb, mint 0,1%. 548 ℃-ra hevítve az oldhatósága 5,6%-ra nő. Ezért az 5,6%-nál kevesebb rezet tartalmazó Al-Cu ötvözetek a melegítési hőmérséklet szolvusvonalának elérése után az α egyfázisú tartományba lépnek, azaz a CuAl2 második fázis teljesen feloldódik a mátrixban, és a kioltás után egyetlen túltelített α szilárd oldat nyerhető.
Az alumíniumötvözetek hőkezelési művelete a legfontosabb és legigényesebb: a kioltás. A kulcs a megfelelő kioltási melegítési hőmérséklet kiválasztása és a megfelelő kioltási hűtési sebesség biztosítása, valamint a kemence hőmérsékletének szigorú szabályozása és a kioltási deformáció csökkentése.
A kioltási hőmérséklet kiválasztásának alapelve az, hogy a kioltási melegítési hőmérsékletet a lehető legnagyobb mértékben növeljük, miközben biztosítjuk, hogy az alumíniumötvözet ne égjen túl, és a szemcsék ne növekedjenek túlzottan, hogy növeljük az α-szilárd oldat túltelítettségét és az öregítési kezelés utáni szilárdságot. Az alumíniumötvözet melegítő kemence általában megköveteli, hogy a kemence hőmérséklet-szabályozási pontossága ±3 ℃-on belül legyen, és a kemencében lévő levegőt keringetni kell a kemence hőmérsékletének egyenletességének biztosítása érdekében.
Az alumíniumötvözet túlégését az alacsony olvadáspontú komponensek, például a bináris vagy többelemű eutektikumok részleges megolvadása okozza a fém belsejében. A túlégetés nemcsak a mechanikai tulajdonságok romlását okozza, hanem komoly hatással van az ötvözet korrózióállóságára is. Ezért, ha egy alumíniumötvözetet egyszer túlégetnek, azt nem lehet megsemmisíteni, és az ötvözetből készült terméket selejtezni kell. Az alumíniumötvözet tényleges túlégési hőmérsékletét főként az ötvözet összetétele és szennyeződéstartalma határozza meg, és az ötvözet feldolgozási állapotával is összefügg. A képlékeny alakításon átesett termékek túlégési hőmérséklete magasabb, mint az öntvényeké. Minél nagyobb a alakítás, annál könnyebben oldódnak fel a nem egyensúlyi alacsony olvadáspontú komponensek a mátrixban melegítés közben, így a tényleges túlégési hőmérséklet emelkedik.
Az alumíniumötvözet edzése során a hűtési sebesség jelentős hatással van az ötvözet öregedésállóságára és korrózióállóságára. Az LY12 és LC4 edzési folyamata során biztosítani kell, hogy az α szilárd oldat ne bomljon le, különösen a 290–420 ℃ hőmérséklet-érzékeny tartományban, és kellően nagy hűtési sebességre van szükség. Általában előírják, hogy a hűtési sebességnek 50 ℃/s felett kell lennie, LC4 ötvözet esetén pedig el kell érnie vagy meg kell haladnia a 170 ℃/s-ot.
Az alumíniumötvözetek leggyakrabban használt edzőközege a víz. A gyártási gyakorlat azt mutatja, hogy minél nagyobb a hűtési sebesség az edzés során, annál nagyobb a maradékfeszültség és a maradék deformáció az edzett anyagban vagy munkadarabban. Ezért egyszerű alakú kis munkadarabok esetén a víz hőmérséklete valamivel alacsonyabb lehet, általában 10~30 ℃, és nem haladhatja meg a 40 ℃-ot. Összetett alakú és nagy falvastagság-különbségű munkadarabok esetén a edzés közbeni deformáció és repedés csökkentése érdekében a víz hőmérséklete néha 80 ℃-ra emelhető. Meg kell azonban jegyezni, hogy az edzőtartály vízhőmérsékletének növekedésével az anyag szilárdsága és korrózióállósága is ennek megfelelően csökken.
3. Öregedés
3.1 Szervezeti átalakulás és teljesítményváltozások az öregedés során
A kioltással kapott túltelített α szilárd oldat instabil szerkezet. Melegítés hatására bomlik és egyensúlyi szerkezetté alakul. Példaként véve az Al-4Cu ötvözetet, az egyensúlyi szerkezetének α+CuAl2-nek (θ fázis) kell lennie. Amikor a kioltás utáni egyfázisú túltelített α szilárd oldatot öregítés céljából melegítik, ha a hőmérséklet elég magas, a θ fázis közvetlenül kicsapódik. Ellenkező esetben a folyamat szakaszosan megy végbe, azaz néhány köztes átmeneti szakasz után elérhető a végső egyensúlyi fázis, a CuAl2. Az alábbi ábra az Al-Cu ötvözet öregítési folyamata során az egyes kicsapódási szakaszok kristályszerkezeti jellemzőit szemlélteti. Az a. ábra a kioltott állapotú kristályrács-szerkezetet mutatja. Ekkor egyfázisú α túltelített szilárd oldatról van szó, és a rézatomok (fekete pontok) egyenletesen és véletlenszerűen oszlanak el az alumínium (fehér pontok) mátrixrácsában. A b. ábra a kicsapódás korai szakaszában lévő rácsszerkezetet mutatja. A rézatomok a mátrixrács bizonyos területein kezdenek koncentrálódni, egy Guinier-Preston területet képezve, amelyet GP területnek neveznek. A GP zóna rendkívül kicsi és korong alakú, átmérője körülbelül 5~10 μm, vastagsága pedig 0,4~0,6 nm. A mátrixban a GP zónák száma rendkívül nagy, az eloszlási sűrűségük elérheti a 10¹⁷~10¹⁸cm-³ értéket. A GP zóna kristályszerkezete továbbra is megegyezik a mátrixéval, mindkettő lapcentrált köbös, és koherens határfelületet tart fenn a mátrixszal. Mivel azonban a rézatomok mérete kisebb, mint az alumíniumatomoké, a rézatomok dúsulása a régió közelében lévő kristályrács zsugorodását okozza, ami rácstorzulást okoz.
Az Al-Cu ötvözet kristályszerkezeti változásainak vázlatos ábrája az öregedés során
a. ábra. Kioltott állapot, egyfázisú α szilárd oldat, a rézatomok (fekete pontok) egyenletesen oszlanak el;
b. ábra: Az öregedés korai szakaszában kialakul a GP zóna;
c. ábra: Az öregedés késői szakaszában egy félkoherens átmeneti fázis alakul ki;
d. ábra. Magas hőmérsékletű öregítés, inkoherens egyensúlyi fázis kicsapódása
A GP zóna az első kicsapódás előtti termék, amely az alumíniumötvözetek öregedési folyamata során megjelenik. Az öregítési idő meghosszabbítása, különösen az öregítési hőmérséklet növelése, más köztes átmeneti fázisokat is létrehoz. Az Al-4Cu ötvözetben a GP zóna után θ” és θ' fázisok vannak, végül pedig eléri a CuAl2 egyensúlyi fázist. A θ” és θ' egyaránt a θ fázis átmeneti fázisai, és a kristályszerkezet négyzetrácsos, de a rácsállandó eltérő. A θ mérete nagyobb, mint a GP zónáé, továbbra is korong alakú, átmérője körülbelül 15~40 nm, vastagsága pedig 0,8~2,0 nm. Továbbra is koherens határfelületet tart fenn a mátrixszal, de a rács torzulásának mértéke intenzívebb. A θ” fázisról θ' fázisra való átmenet során a méret 20~600 nm-re, a vastagság 10~15 nm-re nőtt, és a koherens határfelület is részben megsemmisült, félkoherens határfelületté vált, ahogy a c. ábra mutatja. Az öregedő kicsapódás végterméke az egyensúlyi fázis θ (CuAl2), ekkor a koherens határfelület teljesen megsemmisült, és nem koherens határfelületté vált, ahogy a d. ábra mutatja.
A fenti helyzet szerint az Al-Cu ötvözet öregedési kiválási sorrendje αs→α+GP zóna→α+θ”→α+θ'→α+θ. Az öregedési szerkezet állapota az ötvözet összetételétől és az öregítési specifikációtól függ. Gyakran több öregedési termék is van ugyanabban az állapotban. Minél magasabb az öregítési hőmérséklet, annál közelebb van az egyensúlyi szerkezethez.
Az öregítési folyamat során a mátrixból kivált GP zóna és átmeneti fázis kis méretű, erősen diszpergált és nehezen deformálódik. Ugyanakkor rácstorzulást okoznak a mátrixban, és feszültségteret képeznek, ami jelentősen akadályozza a diszlokációk mozgását, ezáltal növeli az ötvözet képlékeny alakváltozással szembeni ellenállását, és javítja szilárdságát és keménységét. Ezt az öregedési keményedési jelenséget kicsapódásos keményedésnek nevezik. Az alábbi ábra görbe formájában szemlélteti az Al-4Cu ötvözet keménységének változását a kioltás és az öregítési kezelés során. Az ábrán az I. szakasz az ötvözet keménységét mutatja eredeti állapotában. A különböző melegalakítási előzmények miatt az eredeti állapot keménysége változó, általában HV=30~80. 500 ℃-ra történő hevítés és kioltás (II. szakasz) után az összes rézatom feloldódik a mátrixban, egyfázisú, túltelített α szilárd oldatot képezve, amelynek HV=60, ami kétszer olyan kemény, mint a lágyított állapot keménysége (HV=30). Ez a szilárd oldat erősödésének eredménye. Edzés után szobahőmérsékletre helyezik, és az ötvözet keménysége folyamatosan növekszik a GP zónák folyamatos kialakulása miatt (III. szakasz). Ezt a szobahőmérsékleten történő öregedési keményedési folyamatot természetes öregedésnek nevezik.
Én – eredeti állapot;
II – szilárd oldat halmazállapot;
III – természetes öregedés (GP zóna);
IVa – regressziós kezelés 150–200 °C-on (GP zónában újra feloldva);
IVb – mesterséges öregítés (θ”+θ' fázis);
V – túlöregedés (θ”+θ' fázis)
A IV. szakaszban az ötvözetet 150°C-ra hevítik az öregítéshez, és a keményedési hatás jobban érvényesül, mint a természetes öregítésnél. Ekkor a kicsapódási termék főként a θ” fázis, amely az Al-Cu ötvözetekben a legnagyobb erősítő hatással bír. Ha az öregítési hőmérsékletet tovább növeljük, a kicsapódási fázis a θ” fázisból a θ' fázisba megy át, a keményedési hatás gyengül, és a keménység csökken, belépve az V. szakaszba. Minden olyan öregítési kezelést, amely mesterséges melegítést igényel, mesterséges öregítésnek nevezünk, és a IV. és V. szakasz ebbe a kategóriába tartozik. Ha a keménység eléri az ötvözet által az öregítés után elérhető maximális keménységi értéket (azaz a IVb szakaszt), akkor ezt az öregítést csúcsöregítésnek nevezzük. Ha a csúcskeménységi értéket nem érik el, akkor alulöregedésnek vagy hiányos mesterséges öregítésnek nevezzük. Ha a csúcsértéket átlépjük és a keménység csökken, akkor túlöregedésnek nevezzük. A stabilizáló öregítési kezelés szintén a túlöregedéshez tartozik. A természetes öregítés során kialakuló GP zóna nagyon instabil. Ha gyorsan magasabb hőmérsékletre, például körülbelül 200 °C-ra hevítjük, és rövid ideig melegen tartjuk, a GP zóna visszaoldódik az α szilárd oldatba. Ha gyorsan lehűtjük (kioltjuk), mielőtt más átmeneti fázisok, például a θ” vagy θ' kicsapódnának, az ötvözet visszaállítható eredeti kioltott állapotába. Ezt a jelenséget „regressziónak” nevezzük, ami a IVa szakaszban a szaggatott vonallal jelölt keménységcsökkenést jelenti az ábrán. A regressziónak kitett alumíniumötvözet továbbra is ugyanolyan öregedési keményedési képességgel rendelkezik.
Az öregedési keményedés az alapja a hőkezelhető alumíniumötvözetek fejlesztésének, és az öregedési keményedési képessége közvetlenül összefügg az ötvözet összetételével és a hőkezelési rendszerrel. Az Al-Si és Al-Mn bináris ötvözetek nem rendelkeznek kicsapódásos keményedési hatással, mivel az egyensúlyi fázis közvetlenül kicsapódik az öregítési folyamat során, és nem hőkezelhető alumíniumötvözetek. Bár az Al-Mg ötvözetek GP zónákat és β' átmeneti fázisokat képezhetnek, csak bizonyos kicsapódásos keményedési képességgel rendelkeznek a nagy magnéziumtartalmú ötvözetekben. Az Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si és Al-Zn-Mg-Cu ötvözetek erős kicsapódásos keményedési képességgel rendelkeznek GP zónáikban és átmeneti fázisaikban, és jelenleg ezek a fő ötvözetrendszerek, amelyek hőkezelhetők és erősíthetők.
3.2 Természetes öregedés
Általában a hőkezeléssel erősíthető alumíniumötvözetek természetes öregedési hatással rendelkeznek a kioltás után. A természetes öregedési szilárdulást a GP zóna okozza. A természetes öregedést széles körben alkalmazzák az Al-Cu és az Al-Cu-Mg ötvözetekben. Az Al-Zn-Mg-Cu ötvözetek természetes öregedése túl sokáig tart, és gyakran több hónapba telik, mire elérik a stabil állapotot, ezért a természetes öregedési rendszert nem alkalmazzák.
A mesterséges öregítéssel összehasonlítva a természetes öregítés utáni ötvözet folyáshatára alacsonyabb, de képlékenysége és szívóssága jobb, korrózióállósága pedig magasabb. Az Al-Zn-Mg-Cu rendszerű szuperkemény alumínium helyzete kissé eltér. A mesterséges öregítés utáni korrózióállóság gyakran jobb, mint a természetes öregítés utáni.
3.3 Mesterséges öregítés
A mesterséges öregítés után az alumíniumötvözetek gyakran elérik a legnagyobb folyáshatárt (főleg az átmeneti fázisú erősítést) és jobb szervezeti stabilitást. A szuperkemény alumíniumot, a kovácsolt alumíniumot és az öntött alumíniumot főként mesterségesen öregítik. Az öregítési hőmérséklet és az öregítési idő fontos hatással van az ötvözet tulajdonságaira. Az öregítési hőmérséklet többnyire 120~190 ℃ között van, és az öregítési idő nem haladja meg a 24 órát.
Az egylépcsős mesterséges öregítés mellett az alumíniumötvözetek fokozatos mesterséges öregítési rendszert is alkalmazhatnak. Ez azt jelenti, hogy a hevítést kétszer vagy többször, különböző hőmérsékleteken végzik. Például az LC4 ötvözetet 2-4 órán át 115-125 °C-on, majd 3-5 órán át 160-170 °C-on lehet öregíteni. A fokozatos öregítés nemcsak jelentősen lerövidítheti az időt, hanem javíthatja az Al-Zn-Mg és Al-Zn-Mg-Cu ötvözetek mikroszerkezetét is, és jelentősen javíthatja a feszültségkorrózióállóságot, a kifáradási szilárdságot és a törési szívósságot anélkül, hogy alapvetően csökkentené a mechanikai tulajdonságokat.
Közzététel ideje: 2025. márc. 06.
