Alumiiniumsulamite põhilised kuumtöötlusliigid on lõõmutamine, karastamine ja vanandamine. Lõõmutamine on pehmendav töötlus, mille eesmärk on muuta sulam koostise ja struktuuri poolest ühtlaseks ja stabiilseks, kõrvaldada töötlemiskõvenemine ning taastada sulami plastilisus. Karastamine ja vanandamine on tugevdav kuumtöötlus, mille eesmärk on parandada sulami tugevust ja seda kasutatakse peamiselt alumiiniumisulamite puhul, mida saab kuumtöötlusega tugevdada.
1 Lõõmutamine
Erinevate tootmisnõuete kohaselt jaguneb alumiiniumisulamite lõõmutamine mitmeks vormiks: valuplokkide homogeniseerimise lõõmutamine, tooriku lõõmutamine, vahelõõmutamine ja valmistoote lõõmutamine.
1.1 Valuplokkide homogeniseerimise lõõmutamine
Kiire kondenseerumise ja mittetasakaalulise kristalliseerumise tingimustes peab valuplokil olema ebaühtlane koostis ja struktuur ning suur sisemine pinge. Selle olukorra muutmiseks ja valuploki kuumtöötlemise parandamiseks on üldiselt vaja homogeniseerivat lõõmutamist.
Aatomite difusiooni soodustamiseks tuleks homogeniseeriva lõõmutamise temperatuur valida kõrgem, kuid see ei tohi ületada sulami madala sulamistemperatuuriga eutektilist sulamistemperatuuri. Üldiselt on homogeniseeriva lõõmutamise temperatuur 5–40 ℃ madalam sulamistemperatuurist ja lõõmutamise aeg on enamasti 12–24 tundi.
1.2 Tooriku lõõmutamine
Tooriku lõõmutamine viitab lõõmutamisele enne esimest külmdeformatsiooni survetöötluse ajal. Selle eesmärk on saavutada tooriku tasakaalustatud struktuur ja maksimaalne plastne deformatsioonivõime. Näiteks kuumvaltsitud alumiiniumisulamist plaadi valtsimistemperatuur on 280–330 ℃. Pärast kiiret jahutamist toatemperatuuril ei saa töötlemiskõvenemist täielikult kõrvaldada. Eelkõige kuumtöödeldud tugevdatud alumiiniumisulamite puhul ei ole pärast kiiret jahutamist rekristalliseerumisprotsess lõppenud ja üleküllastunud tahke lahus ei ole täielikult lagunenud ning osa töötlemiskõvenemise ja kustutamise efektist säilib. Ilma lõõmutamata on külmvaltsimine otse keeruline, seega on vajalik tooriku lõõmutamine. Kuumtöötlemata tugevdatud alumiiniumisulamite, näiteks LF3 puhul on lõõmutamistemperatuur 370–470 ℃ ja õhkjahutus toimub pärast 1,5–2,5-tunnist soojas hoidmist. Külmtõmmatud torude töötlemisel kasutatav tooriku ja lõõmutamistemperatuur peaksid olema vastavalt kõrgemad ning ülempiiri temperatuuri saab valida. Kuumtöötlemisel tugevdatavate alumiiniumisulamite, näiteks LY11 ja LY12 puhul on tooriku lõõmutamistemperatuur 390–450 ℃, hoitakse sellel temperatuuril 1–3 tundi, seejärel jahutatakse ahjus kiirusega mitte üle 30 ℃/h temperatuurini alla 270 ℃ ja seejärel eemaldatakse õhkjahutusega ahjust.
1.3 Vahepealne lõõmutamine
Vahelõõmutamine viitab külmdeformatsiooniprotsesside vahelisele lõõmutamisele, mille eesmärk on kõrvaldada töötlemiskõvenemine, et hõlbustada jätkuvat külmdeformatsiooni. Üldiselt on pärast materjali lõõmutamist pärast 45–85% külmdeformatsiooni raske külmtöötlemist jätkata ilma vahepealse lõõmutamata.
Vahelõõmutamise protsessisüsteem on põhimõtteliselt sama, mis toorikulõõmutusel. Külmdeformatsiooni astme nõuete kohaselt saab vahelõõmutamise jagada kolme tüüpi: täielik lõõmutus (täielik deformatsioon ε≈60–70%), lihtne lõõmutus (ε≤50%) ja kerge lõõmutus (ε≈30–40%). Kaks esimest lõõmutussüsteemi on samad, mis toorikulõõmutusel, kusjuures viimast kuumutatakse temperatuuril 320–350 ℃ 1,5–2 tundi ja seejärel jahutatakse õhkjahutusega.
1.4. Valmistoote lõõmutamine
Valmistoote lõõmutamine on viimane kuumtöötlus, mis annab materjalile teatud organisatsioonilised ja mehaanilised omadused vastavalt toote tehniliste tingimuste nõuetele.
Valmistoote lõõmutamist saab jagada kõrgtemperatuurseks lõõmutamiseks (pehmete toodete tootmine) ja madaltemperatuurseks lõõmutamiseks (poolkõvade toodete tootmine erinevates olekutes). Kõrgtemperatuurne lõõmutamine peaks tagama täieliku ümberkristalliseerumise struktuuri ja hea plastilisuse. Materjali hea struktuuri ja jõudluse tagamiseks ei tohiks hoidmisaeg olla liiga pikk. Alumiiniumisulamite puhul, mida saab kuumtöötlemisega tugevdada, tuleks jahutuskiirust rangelt kontrollida, et vältida õhujahutuse summutamise efekti.
Madaltemperatuuriline lõõmutamine hõlmab pingevabastuslõõmutamist ja osalist pehmenduslõõmutamist, mida kasutatakse peamiselt puhta alumiiniumi ja kuumtöötluseta tugevdatud alumiiniumisulamite puhul. Madaltemperatuurilise lõõmutussüsteemi väljatöötamine on väga keeruline ülesanne, mis ei nõua mitte ainult lõõmutustemperatuuri ja hoidmisaega, vaid ka lisandite, legeerimisastme, külmdeformatsiooni, vahepealse lõõmutustemperatuuri ja kuumdeformatsioonitemperatuuri mõju. Madaltemperatuurilise lõõmutussüsteemi väljatöötamiseks on vaja mõõta lõõmutustemperatuuri ja mehaaniliste omaduste vahelist muutuskõverat ning seejärel määrata lõõmutustemperatuuri vahemik vastavalt tehnilistes tingimustes täpsustatud jõudlusnäitajatele.
2 Kustutamine
Alumiiniumsulami karastamist nimetatakse ka lahusega töötlemiseks, mille eesmärk on lahustada võimalikult palju metalli legeerelemente teise faasina tahkes lahuses kõrgel temperatuuril kuumutamise teel, millele järgneb kiire jahutamine teise faasi sadestumise pärssimiseks, saades seeläbi üleküllastunud alumiiniumil põhineva α-tahke lahuse, mis on hästi ette valmistatud järgmiseks vanandamise töötlemiseks.
Üleküllastunud α-faasi tahke lahuse saamise eelduseks on see, et teise faasi lahustuvus alumiiniumisulamis peaks temperatuuri tõustes oluliselt suurenema, vastasel juhul ei ole tahke lahuse töötlemise eesmärki võimalik saavutada. Enamik alumiiniumi legeerelemente võivad moodustada selle omadusega eutektilise faasidiagrammi. Näiteks Al-Cu sulami eutektiline temperatuur on 548 ℃ ja vase lahustuvus alumiiniumis toatemperatuuril on alla 0,1%. Kuumutamisel temperatuurini 548 ℃ suureneb selle lahustuvus 5,6%-ni. Seega sisenevad alla 5,6% vaske sisaldavad Al-Cu sulamid pärast kuumutamistemperatuuri ületamist oma solvusjoone α-ühefaasi piirkonda, st teine faas CuAl2 on maatriksis täielikult lahustunud ja pärast kustutamist on võimalik saada üks üleküllastunud α-tahke lahus.
Karastamine on alumiiniumisulamite kõige olulisem ja nõudlikum kuumtöötlusoperatsioon. Peamine on valida sobiv karastuskuumutustemperatuur ja tagada piisav jahutuskiirus, samuti kontrollida ahju temperatuuri rangelt ja vähendada karastusdeformatsiooni.
Kustutustemperatuuri valiku põhimõte on karastuskuumutustemperatuuri võimalikult kõrgele tõstmine, tagades samal ajal, et alumiiniumisulam ei põleks üle ega terad liiga suureks kasvaks, et suurendada α-tahke lahuse üleküllastumist ja tugevust pärast vanandamist. Üldiselt nõuab alumiiniumisulamist kuumutusahi ahju temperatuuri reguleerimise täpsust ±3 ℃ piires ja ahju õhk sunnitakse ringlema, et tagada ahju temperatuuri ühtlus.
Alumiiniumsulami ülepõlemine tekib metalli sees olevate madala sulamistemperatuuriga komponentide, näiteks binaarsete või mitmeelemendiliste eutektiliste elementide, osalise sulamise tagajärjel. Ülepõlemine mitte ainult ei halvenda mehaanilisi omadusi, vaid avaldab tõsist mõju ka sulami korrosioonikindlusele. Seetõttu ei saa alumiiniumisulamist ülepõlemise järel enam kõrvaldada ja sulamistoode tuleks utiliseerida. Alumiiniumsulami tegelik ülepõlemistemperatuur sõltub peamiselt sulami koostisest ja lisandite sisaldusest ning on seotud ka sulami töötlemisolekuga. Plastilise deformatsiooniga töödeldud toodete ülepõlemistemperatuur on kõrgem kui valanditel. Mida suurem on deformatsiooniga töötlemine, seda lihtsam on mittetasakaalulistel madala sulamistemperatuuriga komponentidel kuumutamisel maatriksis lahustuda, mistõttu tegelik ülepõlemistemperatuur tõuseb.
Alumiiniumsulami karastamise ajal on jahutuskiirusel oluline mõju sulami vananemis- ja korrosioonikindlusele. LY12 ja LC4 karastamise ajal on vaja tagada, et α-tahke lahus ei laguneks, eriti temperatuuritundlikus piirkonnas 290–420 ℃, mistõttu on vaja piisavalt suurt jahutuskiirust. Tavaliselt on ette nähtud, et jahutuskiirus peaks olema üle 50 ℃/s ja LC4 sulami puhul peaks see ulatuma 170 ℃/s või ületama seda.
Alumiiniumsulamite puhul on kõige sagedamini kasutatav karastuskeskkond vesi. Tootmispraktika näitab, et mida suurem on jahutuskiirus karastamise ajal, seda suurem on karastatud materjali või tooriku jääkpinge ja jääkdeformatsioon. Seetõttu võib lihtsa kujuga väikeste toorikute puhul vee temperatuur olla veidi madalam, tavaliselt 10–30 ℃, ja see ei tohiks ületada 40 ℃. Keerulise kuju ja suurte seinapaksuse erinevustega toorikute puhul võib karastusdeformatsiooni ja pragunemise vähendamiseks vee temperatuuri mõnikord tõsta 80 ℃-ni. Siiski tuleb märkida, et karastuspaagi vee temperatuuri tõustes väheneb vastavalt ka materjali tugevus ja korrosioonikindlus.
3. Vananemine
3.1 Organisatsiooni ümberkujundamine ja tulemuslikkuse muutused vananemise ajal
Karastamise teel saadud üleküllastunud α-tahke lahus on ebastabiilne struktuur. Kuumutamisel see laguneb ja muutub tasakaalustruktuuriks. Näiteks Al-4Cu sulami tasakaalustruktuur peaks olema α+CuAl2 (θ faas). Kui ühefaasilist üleküllastunud α-tahket lahust pärast karastamist kuumutatakse vanandamiseks, siis piisavalt kõrge temperatuuri korral sadestub θ-faas otse. Vastasel juhul toimub see etappidena, st pärast mõningaid vahepealseid üleminekuetappe on võimalik saavutada lõplik tasakaalufaas CuAl2. Allolev joonis illustreerib Al-Cu sulami vanandamise käigus iga sadestamisetapi kristallstruktuuri omadusi. Joonis a kujutab kustutatud olekus kristallvõre struktuuri. Sel ajal on tegemist ühefaasilise α-üleküllastunud tahke lahusega ja vase aatomid (mustad punktid) on alumiiniumi (valged punktid) maatriksvõres ühtlaselt ja juhuslikult jaotunud. Joonis b näitab võre struktuuri sadestamise algstaadiumis. Vase aatomid hakkavad koonduma maatriksvõre teatud piirkondadesse, moodustades Guinier-Prestoni piirkonna, mida nimetatakse GP piirkonnaks. GP-tsoon on äärmiselt väike ja kettakujuline, läbimõõduga umbes 5–10 μm ja paksusega 0,4–0,6 nm. GP-tsoonide arv maatriksis on äärmiselt suur ja jaotustihedus võib ulatuda 10¹⁷–10¹⁸cm-³. GP-tsooni kristallstruktuur on endiselt sama mis maatriksil, mõlemad on tahukesksed kuubilised ja säilitavad maatriksiga koherentse liidese. Kuna vase aatomite suurus on aga väiksem kui alumiiniumi aatomitel, põhjustab vase aatomite rikastumine piirkonna lähedal asuva kristallvõre kokkutõmbumist, mis omakorda põhjustab võre moonutusi.
Al-Cu sulami kristallstruktuuri muutuste skemaatiline diagramm vananemise ajal
Joonis a. Kustutatud olek, ühefaasiline α-tahke lahus, vase aatomid (mustad punktid) on ühtlaselt jaotunud;
Joonis b. Vananemise varases staadiumis moodustub GP-tsoon;
Joonis c. Vananemise hilisemas staadiumis moodustub poolkoherentne üleminekufaas;
Joonis d. Kõrgel temperatuuril vanandamine, mittekoherentse tasakaalufaasi sadestumine
GP-tsoon on esimene sademeeelne produkt, mis ilmub alumiiniumisulamite vananemisprotsessi käigus. Vananemisaja pikendamine, eriti vananemistemperatuuri tõstmine, moodustab ka teisi vahepealseid üleminekufaase. Al-4Cu sulamis on pärast GP-tsooni θ” ja θ' faasid ning lõpuks saavutatakse tasakaalufaas CuAl2. θ” ja θ' on mõlemad θ-faasi üleminekufaasid ning kristallstruktuur on ruudukujuline võre, kuid võre konstant on erinev. θ suurus on suurem kui GP-tsoonil, see on endiselt kettakujuline, läbimõõduga umbes 15–40 nm ja paksusega 0,8–2,0 nm. See säilitab jätkuvalt sidusa liidese maatriksiga, kuid võre moonutuse aste on intensiivsem. θ” faasilt θ' faasile üleminekul on suurus kasvanud 20–600 nm-ni, paksus on 10–15 nm ja koherentne piirpind on samuti osaliselt hävinud, muutudes poolkoherentseks piirpinnaks, nagu on näidatud joonisel c. Vananeva sadestumise lõppsaadus on tasakaalufaas θ (CuAl2), mille ajal koherentne piirpind hävib täielikult ja muutub mittekoherentseks piirpinnaks, nagu on näidatud joonisel d.
Eeltoodud olukorra kohaselt on Al-Cu sulami vananemise sadestumise järjekord αs→α+GP tsoon→α+θ”→α+θ'→α+θ. Vananemisstruktuuri staadium sõltub sulami koostisest ja vananemisspetsifikatsioonist. Sageli on samas olekus rohkem kui üks vananemisprodukt. Mida kõrgem on vananemistemperatuur, seda lähemal on tasakaalustruktuur.
Vananemisprotsessi käigus on maatriksist sadestunud GP-tsoon ja siirdefaas väikese suurusega, väga hajutatud ja raskesti deformeeruvad. Samal ajal põhjustavad need maatriksis võre deformatsiooni ja moodustavad pingevälja, millel on oluline takistus dislokatsioonide liikumisele, suurendades seeläbi sulami vastupidavust plastilisele deformatsioonile ning parandades selle tugevust ja kõvadust. Seda vananemiskõvenemise nähtust nimetatakse sadestumiskõvenemiseks. Allolev joonis illustreerib Al-4Cu sulami kõvaduse muutust karastamise ja vanandamise ajal kõvera kujul. Joonisel olev I etapp kujutab sulami kõvadust selle algolekus. Erineva kuumtöötlemise ajaloo tõttu varieerub algoleku kõvadus, üldiselt HV = 30–80. Pärast kuumutamist temperatuuril 500 ℃ ja karastamist (II etapp) lahustuvad kõik vase aatomid maatriksis, moodustades ühefaasilise üleküllastunud α-tahke lahuse, mille HV = 60 on kaks korda kõvem kui lõõmutatud olekus (HV = 30). See on tahke lahuse tugevdamise tulemus. Pärast karastamist asetatakse see toatemperatuurile ja sulami kõvadus suureneb pidevalt GP-tsoonide pideva moodustumise tõttu (III etapp). Seda toatemperatuuril toimuvat vananemisprotsessi nimetatakse loomulikuks vananemiseks.
Mina – algseisund;
II – tahke lahuse olek;
III – loomulik vananemine (GP tsoon);
IVa – regressioontöötlus temperatuuril 150–200 ℃ (lahustatakse uuesti GP-tsoonis);
IVb – kunstlik vanandamine (faas θ”+θ');
V – ülevananemine (θ”+θ' faas)
IV etapis kuumutatakse sulam vanandamiseks temperatuurini 150 °C ja kõvenemisefekt on ilmsem kui loomulikul vanandamisel. Sel ajal on sademeprodukt peamiselt θ” faas, millel on Al-Cu sulamites suurim tugevdav efekt. Kui vanandamise temperatuuri veelgi tõstetakse, läheb sademefaas üle θ” faasist θ’ faasi, kõvenemisefekt nõrgeneb ja kõvadus väheneb, sisenedes V etappi. Igasugust kunstlikku kuumutamist nõudvat vanandamist nimetatakse kunstlikuks vanandamiseks ning IV ja V etapp kuuluvad sellesse kategooriasse. Kui kõvadus saavutab maksimaalse kõvadusväärtuse, mille sulam pärast vanandamist saavutada saab (st etapp IVb), nimetatakse seda vananemist tippvanandamiseks. Kui tippkõvaduse väärtust ei saavutata, nimetatakse seda alakõvendamiseks või mittetäielikuks kunstlikuks vanandamiseks. Kui tippväärtus ületatakse ja kõvadus väheneb, nimetatakse seda ülevanandamiseks. Stabiliseeriv vanandamine kuulub samuti ülevanandamise alla. Loodusliku vananemise käigus moodustunud GP-tsoon on väga ebastabiilne. Kui GP-tsooni kiiresti kõrgemale temperatuurile, näiteks umbes 200 °C-ni, kuumutada ja lühikest aega soojas hoida, lahustub see tagasi α-tahkeks lahuseks. Kui see enne teiste üleminekufaaside, näiteks θ” või θ' sadestumist kiiresti jahutada (kustutada), saab sulami taastada oma algsesse kustutatud olekusse. Seda nähtust nimetatakse "regressiooniks", mis on joonisel IVa etapis punktiirjoonega tähistatud kõvaduse langus. Regressiooni läbinud alumiiniumisulamil on endiselt sama vananemiskõvenemisvõime.
Vananemiskõvenemine on kuumtöödeldavate alumiiniumisulamite väljatöötamise alus ning selle vananemiskõvenemisvõime on otseselt seotud sulami koostise ja kuumtöötlussüsteemiga. Al-Si ja Al-Mn binaarsetel sulamitel puudub sademekarastumisvõime, kuna tasakaalufaas sadestub otse vananemisprotsessi käigus ja need on mittekuumtöödeldavad alumiiniumisulamid. Kuigi Al-Mg sulamid võivad moodustada GP-tsoone ja üleminekufaase β', on neil teatav sademekarastumisvõime ainult kõrge magneesiumisisaldusega sulamites. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si ja Al-Zn-Mg-Cu sulamitel on tugev sademekarastumisvõime oma GP-tsoonides ja üleminekufaasides ning need on praegu peamised sulamisüsteemid, mida saab kuumtöödelda ja tugevdada.
3.2 Loomulik vananemine
Üldiselt on kuumtöötlemisel tugevdatavatel alumiiniumisulamitel pärast karastamist loomulik vananemisefekt. Loodusliku vananemise tugevdamine on põhjustatud GP-tsoonist. Looduslikku vananemist kasutatakse laialdaselt Al-Cu ja Al-Cu-Mg sulamites. Al-Zn-Mg-Cu sulamite loomulik vananemine kestab liiga kaua ja stabiilse staadiumi saavutamiseks kulub sageli mitu kuud, seega loomuliku vananemise süsteemi ei kasutata.
Võrreldes kunstliku vanandamisega on sulami voolavuspiir pärast loomulikku vanandamist madalam, kuid plastsus ja sitkus on paremad ning korrosioonikindlus kõrgem. Al-Zn-Mg-Cu süsteemi ülikõva alumiiniumi olukord on veidi erinev. Kunstliku vanandamise järgne korrosioonikindlus on sageli parem kui loomuliku vanandamise järgne.
3.3 Kunstlik vananemine
Pärast kunstlikku vanandamist saavutavad alumiiniumisulamid sageli kõrgeima voolavuspiiri (peamiselt üleminekufaasi tugevdamise) ja parema organisatsioonilise stabiilsuse. Ülikõva alumiiniumi, sepistatud alumiiniumi ja valatud alumiiniumi vanandatakse peamiselt kunstlikult. Vananemistemperatuuril ja -ajal on sulami omadustele oluline mõju. Vananemistemperatuur on enamasti vahemikus 120–190 ℃ ja vananemisaeg ei ületa 24 tundi.
Lisaks üheastmelisele kunstlikule vanandamisele saab alumiiniumisulamite puhul kasutada ka astmelist kunstliku vanandamise süsteemi. See tähendab, et kuumutamist tehakse kaks või enam korda erinevatel temperatuuridel. Näiteks LC4 sulamit saab vanandada temperatuuril 115–125 ℃ 2–4 tundi ja seejärel temperatuuril 160–170 ℃ 3–5 tundi. Järkjärguline vanandamine mitte ainult ei lühenda oluliselt aega, vaid parandab ka Al-Zn-Mg ja Al-Zn-Mg-Cu sulamite mikrostruktuuri ning parandab oluliselt pingekorrosioonikindlust, väsimustugevust ja purunemiskindlust, ilma et mehaanilised omadused oluliselt väheneksid.
Postituse aeg: 06.03.2025
