Термическая обработка алюминиевых сплавов

Для термически обрабатываемых алюминиевых сплавов типа дуралюминов проводят закалку, старение, обработку на «возврат», отжиг. В исходном состоянии сплав имеет структуру твердого раствора легирующих элементов в алюминии и фазы типа CuAl₂, CuMgAl₂ по границам зерен.

Нагрев при закалке обычно ведут до температуры 500-510°С, выдержка при этой температуре и охлаждение в воде. При быстром охлаждении в воде фаза CuAl₂не успевает выделиться, и при комнатной температуре фиксируется неравновесное состояние сплава, представляющего собой однородный пересыщенный α- твердый раствор меди в алюминии. Свежезакаленный сплав обладает высокой пластичностью (δ=20%) и низкой твердостью и прочностью (σ =300 МПа).

Старение. Пересыщенный α-твердый раствор метастабилен (неустойчив). Через некоторое время после закалки (по окончанию инкубационного периода) избыточные элементы будут стремиться выделиться из пересыщен­ного твердого раствора. На этом явлении и основан процесс "старения" алюминиевых сплавов.

При нормальной температуре +20°С (процесс естественного старения) в пересыщенном твер­дом растворе начинается диффузия атомов меди к некоторым определенным плоскостям кристаллической решетки. Зоны с повышенной концентрацией меди представляют собой пластинки или диски толщиной в несколько атомных слоев (2–3) и протяженностью или диаметром до 20–50 атомных слоев. Эти зоны принято называть зонами Гинье–Престона (Г-П), по имени уче­ных, впервые установивших их существование. Образование зон Г-П ведет к искажению кристаллической решетки, что сопровождается повышением прочности и снижением пластич­ности сплавов.

Процесс естественного старения практически закан­чивается по истечения 5-7 суток. Сплав при этом приобретает максимальную прочность, остающуюся в дальнейшем постоянной. Время инкубационного периода варьируется в зависимости от состава сплава, но всегда составляет не менее 2-3 часов. В это время сплав сохраняет высокую пластичность, хо­рошо обрабатывается давлением, что используется на практике для проведения таких технологических операций, как клепка, правка и т.д. При температурах ниже 0⁰С процесс старения замедляется и при температурах ниже -50⁰С практически прекращается, что позволяет при этих температурах длительное время сохранять струк­туру однородного пересыщенного твердого раствора, обладающе­го высокой пластичностью.

Процесс старения при высоких температурах (искусст­венное старение) протекает значительно быстрее, и сложнее по сравнению с естественным процессом. Процесс идет в три стадии: Первая стадия, как и в случае естественного старения, состоит в образовании зон Г – П, которые имеют ту же имеют ту же природу, что при естественном старении, но обладают большими размерами. Вторая стадия старения – образование новой промежуточной θ' – фазы.по составу и кристаллическому строению близкой к θ – фазе (твердому раствору алюминия в интерметаллическом соединении CuAl₂). θ' – фаза представляет собой мелкодисперсные частицы когерентно связанной с твердым раствором, т.е. на границе раздела имеются общие атомы, которые одновременно принадлежат обеим фазам. Мелкодисперсные частички θ' – фазы, когерентно связанные с основным твердым раствором, еще способны упрочнять сплав.

Третья стадия старения заключается в разрыве когерент­ной связи, в образовании стабильной θ – фазы и в ее укрупнении. Максимум прочности при старении будет соответствовать пер­вой стадии и будет меньше во второй стадия старения. Третья ста­дия старения всегда связана с разупрочнением.

Как видно из кривых, при искусственном старении дуралюмина его прочность вначале возрастает, а затем начинает падать. Чем выше температура старения, тем быстрее достигается максимум прочности. Следовательно, для достижения максимальной прочности время старения при искусственном старении необходимо ограничивать.

Обработка на «возврат».Обработку проводят в течение I – 2 минут в селитро­вой ванне (расплав смеси двух солей 55% KNO₃ и 45% NaNO₃) при температуре 250⁰С с последующим быстрым охлаж­дением в воде. При этом зоны Г-П растворятся в твердом растворе, и свойства сплава вновь возвратятся к свежезакаленному со­стоянию. Время полного разупрочнения при обра­ботке на "возврат" очень невелико и исчисляется минутами, а иногдапосле кратковременного нагрева дои долями минут. Продолжительная выдержка ведет к повышению прочности вследствие искусственного старения Обработанный на "возврат" дуралюмин обладает низкой проч­ностью и высокой пластичностью. С течением времена такой дуралюмин стареет подобно свежезакаленному.

Наибольшее распространение получили сплавы составов:

- А1—Мn, Al—Si,

- Al— Mg,

- Al—Cu—Mg,

- Al—Сu—Mg—Si,

- Al—Mg—Si,

- Al—Zn—Mg—Сu.

В равновесном состоянии эти сплавы представляют собой низколегированный твердый раствор и интерметаллидные фазы CuAl₂ (θ-фаза), Mg₂Si, Al₂CuMg, (S-фаза), Al₆CuMg₄ (Т-фаза), Al₃Mg₂, Al₂Mg₃Zn₃ (Т-фаза) и др.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся технический алюминий АД1, АД, алюминиево-марганцевые сплавы АМц и АМц1. Это высокопластичные и коррозионностойкие сплавы, обладают хорошей свариваемостью.

Группа сплавов системы Аl-Mg: АМг1, АМг2, АМг3, АМг5В и АМг6. В сварных соединениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и коррозионной стойкости, однако характеристики прочности у этой группы сплавов относительно невысоки.

Термически упрочняемые деформируемые сплавы подразделяются на следующие группы:

-дуралюмины – сплавы на основе системы А1-Cu-Mg: Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18;

-авиали – сплавы на основе системы А1-Mg-Si и А1-Cu-Mg-Si: АВ, АД31, АД33, АД35 и АК6, АК1, АК8. Данные сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичностью, достаточно высокой пластичностью, способностью подвергаться цветному анодированию;

- сплавы на основе системы Аl-Cu-Mg-Fe-Ni: АК2, АК4, АК4-1;

- сплавы на основе системы Аl – Zn – Mg-Cu: В93, В95, В96, В94.

- сплавы на основе системы Аl-Cu-Mn: Д20, 1201, Д21, ВАД23 (Аl-Cu-Mn-Li-Cd). Сплавы обладают средней прочностью, высокой технологической пластичностью, хорошо свариваемые. Коррозионная стойкость под напряжением удовлетворительная. Сплавы способны работать в широком интервале температур.

- сплавы на основе системы А1-Mg – Zn: В92, В92Ц, АЦМ, 1911,1915.

Сплавы имеют высокую прочность при комнатной и криогенной температурах, удовлетворительную свариваемость и хорошую общую коррозионную стойкость. При сварке этих сплавов удается получить соединения с прочностью 80-90% прочности основного металла в закаленном и состаренном состоянии. Однако с повышением температуры сплавы системы А1-Mg – Zn разупрочняются и подвержены коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

Ниже описаны алюминиевые сплавы последних разработок ФГУП «ВИАМ»