Термічна обробка алюмінієвих сплавів

Деформовані алюмінієві сплави поділяють на дві групи: термічно незміцнені та зміцнені.

До першої групи відносять чистий алюміній, а також сплави системи Al-Mn і Al-Mg. Сплави цієї групи зміцнюються тільки наклепуванням, і до них можна застосувати тільки один вид термообробки — рекристалізаційне відпалювання для знімання наклепу.

Термічно зміцнені сплави, крім відпалювання, піддають гартуванню і старінню. До цієї групи належать сплави систем Al-Cu-Mg; Al-Cu-Mg-Zn; Al-Zn-Mg; Al-Mg-Si ін. Можливість використання гартування з наступним старінням до алюмінієвих сплавів ґрунтується на змінності розчинності легуючих елементів у алюмінії зі зміною температури (рис. 12.1).

Розглянемо механізм гартування алюмінієвих сплавів на прикладі сплаву алюмінію з 5% міді. За кімнатної температура в алюмінії може розчинятися лише до 0,5% міді, а за заевтектичної температури 548 °С — 5,65%, тобто приблизно в 11 разів більше (рис. 12.2). Такий сплав за 20 °С буде складатись із двох фаз — твердого α-розчину міді з алюмінієм у хімічній сполуці CuAl₂. У процесі нагрівання сплаву до високої температури, близької до евтектичної, фаза CuAl₂ повністю розчиняється і вся мідь переходить у твердий α-розчин. Сплав стає однофазним. Якщо нагрітий сплав різко охолодити (загартувати у воді) до кімнатної температури, то виділення фази CuAl₂ із твердого α-розчину затримається і сплав являтиме собою дуже перенасичений твердий розчин міді в алюмінії. Таким чином, мета гартування — одержати перенасичений метастабільний твердий розчин одного або кількох легуючих елементів (Сu, Мg, Zn та ін.) у твердому алюмінії.

Алюмінієві сплави для гартування потрібно обов'язково охолоджувати у воді, тому що дифузійні процеси в них проходять занадто швидко.

У результаті гартування міцність сплаву підвищується. Такий сплав нестійкий, тому в ньому за кімнатної чи за підвищеної температури проходять зміни, що спричинюють подальше зміцнення. Таке явище називають старінням. Гартування — необхідна умова наступного зміцнення сплаву за рахунок старіння.

Старіння буває природне (за 20 °С) і штучне (за 100–200 °С). За природного старіння на окремих атомних площинах ґратки α-розчину з'являються іони, збагачені міддю (зони Гіньс-Престона) і спричиняють зміцнення сплаву. За штучного старіння процес розпаду твердого розчину йде далі, ніж за природного. Спочатку на базі зон Гіньс-Престона утворюється метастабільна фаза CuAl₂ з тетрагональною ґраткою, а за 200 °С й вище виникає перехід її у стабільну фазу CuAl₂, з кубічною ґраткою, виділившись із твердого розчину з наступною коагуляцією цієї фази. Виділення стабільної фази й особливо її коагуляція призводять до великого знеміцнення сплаву.

На рис. 12.3 показано криві старіння дюралюмінію (сплави системи Аl-Сu-Мg) за різних температур. Старіння дюралюмінію за кімнатної температури починається через 2–3 год і завершується через 4–5 діб. Тривалість нагрівання за штучного старіння залежить від температури старіння. При цьому міцність сплаву спочатку збільшується, досягає максимуму, а потім зменшується. Причому, чим вища температура старіння, тим швидше досягається максимум міцності й тим нижчий цей максимум. За температури 50°С старіння практично зупиняється.

Рисунок 12.3 - Зміна міцності загартованого сплаву Д16 при старінні

Після штучного старіння міцність дюралюмінію стає значно меншою, ніж після природного. Знижується також його корозійна стійкість і пластичність. Тому дюралюміній піддають природному старінню.

Дюралюміній має вузький інтервал температур гартування (500–510°С). Недогрівання призводить до неповного розчину легуючих елементів і зниження міцності, а перегрівання — до окиснення і навіть сплавлення меж зерен (перепалювання).