Термическая обработка дуралюмина марки Д-16

Дуралюмин Д16 – это сложнолегированный сплав на основе алюминия. Химический состав Д16: СИ – 4,3%; Si – 0,38%; Mg – 1,8%; Mn – 0,48%; Fe – 0,6%. Основным легирующим элементам, дающим наибольшее упрочнение является медь. Поэтому для выяснения процессов, происходящих в дуралюмине при нагреве и охлаждении можно использовать диаграмму состояния Al-Cu (смотри рисунок 1).

Линия аб – линия ограниченной растворимости, показывает, как меняется растворимость меди в решетке алюминия при изменении температуры. При комнатной температуре (20ºС) растворимость Cu в алюминии составляет 0,5%.

Сu

Рисунок 1– Диаграмма состояния Al-Cu

С повышением температуры растворимость меди возрастает и достигает максимального значения 5,7% при эвтектической температуре 548ºС.

Сплавы, содержащие до 0,5 Cu (сплав 1) имеет однородную структуру раствора. При нагреве (до температуры ниже температуры начала плавления) и охлаждении никаких структурных изменений в них не происходит. Эти сплавы не упрочняются термической обработкой. Единственным способом их упрочнения является холодная деформация.

Сплавы, содержащие от 0,5 до 5,7% Cu (сплав II), в равновесном (отожженном) состоянии, имеет двухфазную структуру, состоящую из α – раствора с концентрацией Cu 0,5% и частичек соединения CuAl₂.

При нагреве сплава II концентрация Cu в твердом растворе возрастает (по линии аб) за счет растворения кристаллов соединения CuAl₂. Нагревом до температуры T°_кр или выше нее сплав II переходит в однофазное состояние со структурой α, с концентрацией Cu, соответствующей концентрации ее в сплаве. При медленном охлаждении (с печью или на воздухе) будет происходить обратный процесс выделения из α – твердого раствора частичек CuAl₂. Если же охлаждение сплава происходит быстро (закалка в воде), то выделение частичек CuAl₂ произойти не успеет, а вся медь будет зафиксирована в твердом растворе α. Полученный таким образом твердый раствор, содержащий при комнатной температуре столько же меди, сколько было переведено в него при нагреве, является пересыщенным, а следовательно метастабильным, неустойчивым. Неустойчивый пересыщенный твердый раствор будет стремиться перейти в устойчивое равновесное состояние. Поэтому после закалки самопроизвольно протекает процесс распада пересыщенного твердого раствора (или подготовительные к распаду процессы), сопровождающиеся упрочнением сплава. этот процесс упрочнения называется старением.

Таким образом термическая обработка сплава II состоит из 2-х операций: закалки и последующего старения.

Дуралюмин Д16 – многокомпонентный сплав в котором кроме Al и Cu присутствуют Mg, Si, Fe, Mn, поэтому использование двойной диаграммы состояния Al-Cu является условным, позволяющим выяснить лишь принципиальную сторону явления. Присутствующие в сплаве легирующие элементы взаимодействуют с алюминием, входя как твердый раствор так и образуя химические соединения CuAl₂, MnAl₆, FeAl₃, а также взаимодействуют между собой, образуя соединения Mg₂MnAl₆FeAl₃ (S фаза), Cu₂FeAl и др.

Нагрев Д16 приводит к растворению указанных соединений (кроме железистых) и обогащению твердого раствора α легирующими элементами. Чем выше температура нагрева, тем выше концентрация легирующих элементов в твердом растворе. Однако нагрев выше 500-520°С приводит к интенсивному росту зерен α – твердого раствора. Кроме того ускоряется процесс окисления сплава по границам зерен. Поэтому при термической обработке дуралюмина температура закалки строго контролируется и составляет для Д16 – 500С±3%.

Нагрев дуралюмина под закалку обычно производится в селитровых ваннах (состав селитровой ванны: 55% NaNO₃ и 45% KNO₃). Селитровая ванна обеспечивает быстроту равномерность нагрева деталей, отсутствие окисления, дает возможность более точно регулировать температуру закалки. Закалка дуралюмина производится в холодной воде, после закалки структура сплава состоит из однородного пересыщенного твердого раствора с наличием нерастворимых соединений (в основном железистых). В результате закалки σ_в Д16 повышается до 30 кг/мм² (в отожженном состоянии σ_в 20 кг/мм²).

Как уже был указано выше, пересыщенный твердый раствор, полученный после закалки является неустойчивой метастабильной фазой и самопроизвольно стремится перейти в термически устойчивое состояние с меньшим запасом свободной энергии. При этом происходит процесс упрочнения (смотри рисунок 2).

Процесс упрочнения, протекающий при комнатной температуре в течении 5-7 суток, называется естественным старением. Упрочнение протекающее при повышенной температуре называется искусственным старением.

Рисунок 2–Кривые старения Д16

Сущность процесса старения дуралюмина составляет, как уже было указано выше, распад пересыщенного твердого раствора или подготовительные к распаду процессы.

При естественном старении распада пересыщенного твердого раствора не происходит, а происходит лишь подготовка к распаду. Сущность этих подготовительных процессов заключается в том, что в результате диффузии атомов Cu в решетке α – раствора образуются частички, обогащенные атомами Cu (до 50-55%), называемые зонами Гинье-Престона. Эти зоны, образовавшиеся при комнатной температуре, имеют форму "дисков" толщиной в несколько атомных слоев и диаметром порядка 50A. Образование зон Гинье-Престона приводит к искажению решетка α – раствора, возникновению больших внутренних напряжений, что и является причиной упрочнения. Процесс естественного старения заканчивается образованием зон Гинье-Престана.

Процесс искусственного старения также начинается с образования зон Гинье-Престона. С повышением температуры старения возникают зоны большего размера, каждой температуре старения соответствует свой устойчивый размер этих зон. Так, если для комнатной температуры устойчивыми зонами являются зоны с диаметром 50А, то при 100ºС устойчивыми зонами будут зоны с диметром 200А, при 150ºС – 600А, при 200ºС – 800А. Однако, процесс искусственного старения не останавливается на образовании зон Гинье-Престона, а идет дальше. На базе зон Гинье-Престона возникает неустойчивая фаза так называемая Ǿ - фаза с тетрагональной кристаллической решеткой, по составу близкая к химическому соединению CuAl₂. С течением времени Ǿ - фаза превращается в Ø – фазу (соединение CuAl₂), имеющую кубическую решетку.

Наиболее высокая степень упрочнения закаленного сплава при старении наблюдается при образовании в его структуре неоднородного твердого раствора зон Гинье-Престона, то есть зон с повышенной концентрацией меди. Несколько меньшее упрочнение достигается при структуре состоящей из твердого раствора и Ǿ - фазы. Еще меньшее упрочнение сплава будет при структуре, состоящей из твердого раствора и дисперсных частиц CuAl₂, а при коагуляции этих частиц эффект упрочнения будет снижаться. При температурах старения порядка 250ºС коагуляция частиц CuAl₂ сплава происходит почти одновременно с их образованием, что приводит к разупрочнению сплава.