Tipi basi di trattamentu termicu di leghe d'aluminiu

A ricottura, a tempra è l'invecchiamento sò i tipi di trattamentu termicu di basa di e leghe d'aluminiu. A ricottura hè un trattamentu di addulcimentu, u scopu di u quale hè di rende a lega uniforme è stabile in cumpusizione è struttura, eliminà l'incrudimentu per travagliu è restaurà a plasticità di a lega. A tempra è l'invecchiamento sò un trattamentu termicu di rinfurzamentu, u scopu di u quale hè di migliurà a resistenza di a lega, è hè principalmente adupratu per e leghe d'aluminiu chì ponu esse rinfurzate da u trattamentu termicu.

1 Ricottura

Sicondu i sfarenti requisiti di pruduzzione, a ricottura di lega d'aluminiu hè divisa in parechje forme: ricottura d'omogeneizazione di lingotti, ricottura di billette, ricottura intermedia è ricottura di u pruduttu finitu.

1.1 Ricottura di omogeneizazione di lingotti

In cundizioni di cundensazione rapida è cristallizazione fora di equilibriu, u lingotto deve avè una cumpusizione è una struttura irregulari, è ancu una grande tensione interna. Per cambià sta situazione è migliurà a processabilità di travagliu à caldu di u lingotto, hè generalmente necessaria una ricottura di omogeneizazione.

Per prumove a diffusione atomica, una temperatura più alta deve esse scelta per a ricottura di omogeneizazione, ma ùn deve micca superà u puntu di fusione eutetticu di a lega à bassu puntu di fusione. In generale, a temperatura di ricottura di omogeneizazione hè 5 ~ 40 ℃ più bassa di u puntu di fusione, è u tempu di ricottura hè generalmente trà 12 ~ 24 ore.

1.2 Ricottura di billette

A ricottura di billetta si riferisce à a ricottura prima di a prima deformazione à fretu durante u trattamentu à pressione. U scopu hè di fà chì a billetta ottenga una struttura equilibrata è abbia a massima capacità di deformazione plastica. Per esempiu, a temperatura finale di laminazione di a lastra di lega d'aluminiu laminata à caldu hè 280 ~ 330 ℃. Dopu un raffreddamentu rapidu à temperatura ambiente, u fenomenu di indurimentu per travagliu ùn pò esse eliminatu cumpletamente. In particulare, per e leghe d'aluminiu rinforzate trattate termicamente, dopu un raffreddamentu rapidu, u prucessu di ricristallizazione ùn hè micca finitu, è a soluzione solida supersaturata ùn hè micca stata cumpletamente decomposta, è una parte di l'effettu di indurimentu è di tempra hè sempre cunservata. Hè difficiule di laminà à fretu direttamente senza ricottura, dunque hè necessaria a ricottura di billetta. Per e leghe d'aluminiu rinforzate micca trattate termicamente, cum'è LF3, a temperatura di ricottura hè 370 ~ 470 ℃, è u raffreddamentu à l'aria hè effettuatu dopu avè mantenutu u calore per 1,5 ~ 2,5 ore. A temperatura di billetta è di ricottura aduprata per u trattamentu di tubi trafilati à fretu deve esse apprupriatamente più alta, è a temperatura limite superiore pò esse selezziunata. Per e leghe d'aluminiu chì ponu esse rinforzate da u trattamentu termicu, cum'è LY11 è LY12, a temperatura di ricottura di a billetta hè 390 ~ 450 ℃, mantenuta à sta temperatura per 1 ~ 3 ore, poi raffreddata in u fornu à menu di 270 ℃ à una velocità micca superiore à 30 ℃ / h è poi raffreddata à l'aria fora di u fornu.

1.3 Ricottura intermedia

A ricottura intermedia si riferisce à a ricottura trà i prucessi di deformazione à fretu, u scopu di a quale hè di eliminà l'incrudimentu per facilità a deformazione à fretu cuntinua. In generale, dopu chì u materiale hè statu ricottu, serà difficiule di cuntinuà a lavorazione à fretu senza ricottura intermedia dopu avè subitu una deformazione à fretu di 45 ~ 85%.

U sistema di prucessu di ricottura intermedia hè basicamente u listessu chè quellu di a ricottura di billette. Sicondu i requisiti di u gradu di deformazione à fretu, a ricottura intermedia pò esse divisa in trè tippi: ricottura cumpleta (deformazione tutale ε≈60~70%), ricottura simplice (ε≤50%) è ricottura ligera (ε≈30~40%). I primi dui sistemi di ricottura sò listessi chè a ricottura di billette, è quest'ultima hè riscaldata à 320~350℃ per 1,5~2 ore è poi raffreddata à l'aria.

1.4. Ricottura di u pruduttu finitu

A ricottura di u pruduttu finitu hè u trattamentu termicu finale chì dà à u materiale certe proprietà urganizative è meccaniche secondu i requisiti di e cundizioni tecniche di u pruduttu.

A ricottura di u pruduttu finitu pò esse divisa in ricottura à alta temperatura (pruduzzione di prudutti morbidi) è ricottura à bassa temperatura (pruduzzione di prudutti semi-duri in diversi stati). A ricottura à alta temperatura deve assicurà chì si possi ottene una struttura di ricristallizazione cumpleta è una bona plasticità. Sottu a cundizione di assicurà chì u materiale ottenga una bona struttura è prestazioni, u tempu di mantenimentu ùn deve esse troppu longu. Per e leghe d'aluminiu chì ponu esse rinforzate da u trattamentu termicu, per impedisce l'effettu di tempra di raffreddamentu à l'aria, a velocità di raffreddamentu deve esse strettamente cuntrullata.

A ricottura à bassa temperatura include a ricottura di rilassamentu di stress è a ricottura di rammollimentu parziale, chì sò principalmente aduprate per l'aluminiu puru è e leghe d'aluminiu rinforzate senza trattamentu termicu. A formulazione di un sistema di ricottura à bassa temperatura hè un compitu assai cumplicatu, chì ùn solu deve cunsiderà a temperatura di ricottura è u tempu di mantenimentu, ma deve ancu cunsiderà l'influenza di l'impurità, u gradu di lega, a deformazione à fretu, a temperatura di ricottura intermedia è a temperatura di deformazione à caldu. Per formulà un sistema di ricottura à bassa temperatura, hè necessariu misurà a curva di cambiamentu trà a temperatura di ricottura è e proprietà meccaniche, è dopu determinà l'intervallu di temperatura di ricottura secondu l'indicatori di prestazione specificati in e cundizioni tecniche.

2 Tempra

A tempra di a lega d'aluminiu hè ancu chjamata trattamentu in suluzione, chì hè di dissolve a più quantità pussibule d'elementi di lega in u metallu cum'è una seconda fase in a suluzione solida per mezu di un riscaldamentu à alta temperatura, seguitu da un raffreddamentu rapidu per inibisce a precipitazione di a seconda fase, ottenendu cusì una suluzione solida α supersaturata à basa d'aluminiu, chì hè ben preparata per u prossimu trattamentu d'invecchiamentu.

A premessa per ottene una soluzione solida α supersaturata hè chì a solubilità di a seconda fase in a lega in l'aluminiu deve aumentà significativamente cù l'aumentu di a temperatura, altrimenti, u scopu di u trattamentu in soluzione solida ùn pò esse ottenutu. A maiò parte di l'elementi di lega in l'aluminiu ponu furmà un diagramma di fase eutettica cù sta caratteristica. Pigliendu a lega Al-Cu cum'è esempiu, a temperatura eutettica hè 548 ℃, è a solubilità di u rame in l'aluminiu à temperatura ambiente hè inferiore à 0,1%. Quandu hè riscaldata à 548 ℃, a so solubilità aumenta à 5,6%. Dunque, e leghe Al-Cu chì cuntenenu menu di 5,6% di rame entranu in a regione α di fase unica dopu chì a temperatura di riscaldamentu supera a so linea di solutus, vale à dì, a seconda fase CuAl2 hè cumpletamente dissolta in a matrice, è una sola soluzione solida α supersaturata pò esse ottenuta dopu a tempra.

A tempra hè l'operazione di trattamentu termicu a più impurtante è a più esigente per e leghe d'aluminiu. A chjave hè di selezziunà a temperatura di riscaldamentu di tempra adatta è assicurà una velocità di raffreddamentu di tempra sufficiente, è di cuntrullà strettamente a temperatura di u fornu è riduce a deformazione di tempra.

U principiu di a selezzione di a temperatura di tempra hè di aumentà a temperatura di riscaldamentu di tempra u più pussibule, assicurendu chì a lega d'aluminiu ùn si brusgi micca troppu o chì i grani ùn crescinu micca eccessivamente, in modu da aumentà a supersaturazione di a suluzione solida α è a resistenza dopu u trattamentu di invechjamentu. In generale, u fornu di riscaldamentu di lega d'aluminiu richiede una precisione di cuntrollu di a temperatura di u fornu di ± 3 ℃, è l'aria in u fornu hè furzata à circulà per assicurà l'uniformità di a temperatura di u fornu.

A surcombustione di a lega d'aluminiu hè causata da a fusione parziale di cumpunenti à bassu puntu di fusione in l'internu di u metallu, cum'è l'eutettici binari o multi-elementi. A surcombustione ùn solu provoca a riduzione di e proprietà meccaniche, ma hà ancu un impattu seriu nantu à a resistenza à a corrosione di a lega. Dunque, una volta chì una lega d'aluminiu hè surcombusta, ùn pò esse eliminata è u pruduttu in lega deve esse scartatu. A temperatura di surcombustione effettiva di a lega d'aluminiu hè principalmente determinata da a cumpusizione di a lega è da u cuntenutu d'impurità, è hè ancu ligata à u statu di trasfurmazione di a lega. A temperatura di surcombustione di i prudutti chì anu subitu un trattamentu di deformazione plastica hè più alta di quella di i getti. Più grande hè u trattamentu di deformazione, più faciule hè per i cumpunenti à bassu puntu di fusione fora di equilibriu di dissolve si in a matrice quandu sò riscaldati, cusì a temperatura di surcombustione effettiva aumenta.

A velocità di raffreddamentu durante a tempra di a lega d'aluminiu hà un impattu significativu nantu à a capacità di rinfurzà l'invecchiamentu è a resistenza à a corrosione di a lega. Durante u prucessu di tempra di LY12 è LC4, hè necessariu assicurà chì a suluzione solida α ùn si decomponi micca, in particulare in a zona sensibile à a temperatura di 290 ~ 420 ℃, è hè necessaria una velocità di raffreddamentu sufficientemente grande. Di solitu hè stipulatu chì a velocità di raffreddamentu deve esse superiore à 50 ℃ / s, è per a lega LC4, deve ghjunghje o superà 170 ℃ / s.

U mediu di tempra u più cumunamente utilizatu per e leghe d'aluminiu hè l'acqua. A pratica di pruduzzione mostra chì più grande hè a velocità di raffreddamentu durante a tempra, più grande hè a tensione residuale è a deformazione residuale di u materiale o di a pezza temprata. Dunque, per e piccule pezze cù forme simplici, a temperatura di l'acqua pò esse ligeramente più bassa, generalmente 10 ~ 30 ℃, è ùn deve micca superà i 40 ℃. Per e pezze cù forme cumplesse è grandi differenze in u spessore di u muru, per riduce a deformazione è a screpolatura da tempra, a temperatura di l'acqua pò qualchì volta esse aumentata à 80 ℃. Tuttavia, si deve nutà chì à misura chì a temperatura di l'acqua di u serbatoiu di tempra aumenta, a resistenza è a resistenza à a corrosione di u materiale diminuiscenu ancu di cunsiguenza.

3. Invecchiamentu

3.1 Trasfurmazione urganizativa è cambiamenti di rendiment durante l'invecchiamentu

A suluzione solida α supersaturata ottenuta per tempra hè una struttura instabile. Quandu hè riscaldata, si decompone è si trasforma in una struttura d'equilibriu. Pigliendu a lega Al-4Cu cum'è esempiu, a so struttura d'equilibriu deve esse α+CuAl2 (fase θ). Quandu a suluzione solida α supersaturata monofase dopu a tempra hè riscaldata per l'invecchiamentu, se a temperatura hè abbastanza alta, a fase θ serà precipitata direttamente. Altrimenti, serà realizatu per tappe, vale à dì, dopu alcune tappe di transizione intermedie, si pò ghjunghje à a fase d'equilibriu finale CuAl2. A figura sottu illustra e caratteristiche di a struttura cristallina di ogni tappa di precipitazione durante u prucessu d'invecchiamentu di a lega Al-Cu. A figura a. hè a struttura di u reticolo cristallinu in u statu tempratu. In questu mumentu, hè una suluzione solida α supersaturata monofase, è l'atomi di rame (punti neri) sò distribuiti uniformemente è aleatoriamente in u reticolo di matrice d'aluminiu (punti bianchi). A figura b. mostra a struttura di u reticolo in a prima fase di precipitazione. L'atomi di rame cumincianu à cuncentrassi in certe zone di u reticolo di matrice per furmà una zona Guinier-Preston, chjamata zona GP. A zona GP hè estremamente chjuca è in forma di discu, cù un diametru di circa 5~10 μm è un spessore di 0,4~0,6 nm. U numeru di zone GP in a matrice hè estremamente grande, è a densità di distribuzione pò ghjunghje à 10¹⁷~10¹⁸cm-³. A struttura cristallina di a zona GP hè sempre a listessa chè quella di a matrice, tramindui sò cubiche à facce centrate, è mantene una interfaccia coerente cù a matrice. Tuttavia, postu chì a dimensione di l'atomi di rame hè più chjuca di quella di l'atomi d'aluminiu, l'arricchimentu di l'atomi di rame farà chì u reticolo cristallinu vicinu à a regione si ristringa, ciò chì provoca una distorsione di u reticolo.

Schema di i cambiamenti di a struttura cristallina di a lega Al-Cu durante l'invecchiamentu

Figura a. Statu spento, una soluzione solida α monofase, l'atomi di rame (punti neri) sò distribuiti uniformemente;

Figura b. In a prima fase di l'invecchiamentu, si forma a zona GP;

Figura c. In a fase avanzata di l'invecchiamento, si forma una fase di transizione semi-coerente;

Figura d. Invecchiamento à alta temperatura, precipitazione di fase d'equilibriu incoerente

A zona GP hè u primu pruduttu di pre-precipitazione chì appare durante u prucessu d'invecchiamentu di e leghe d'aluminiu. L'allungamentu di u tempu d'invecchiamentu, in particulare l'aumentu di a temperatura d'invecchiamentu, formerà ancu altre fasi di transizione intermedie. In a lega Al-4Cu, ci sò e fasi θ” è θ' dopu à a zona GP, è infine si righjunghje a fase d'equilibriu CuAl2. θ” è θ' sò tramindui fasi di transizione di a fase θ, è a struttura cristallina hè un reticolo quadratu, ma a costante di reticolo hè diversa. A dimensione di θ hè più grande di quella di a zona GP, sempre in forma di discu, cù un diametru di circa 15~40nm è un spessore di 0,8~2,0nm. Continua à mantene una interfaccia coerente cù a matrice, ma u gradu di distorsione di u reticolo hè più intensu. Quandu si passa da a fase θ” à a fase θ’, a dimensione hè cresciuta finu à 20~600nm, u spessore hè 10~15nm, è l'interfaccia coerente hè ancu parzialmente distrutta, diventendu una interfaccia semi-coerente, cum'è mostratu in a Figura c. U pruduttu finale di a precipitazione per invechjamentu hè a fase d'equilibriu θ (CuAl2), à quellu mumentu l'interfaccia coerente hè cumpletamente distrutta è diventa una interfaccia non coerente, cum'è mostratu in a Figura d.

Sicondu a situazione sopra, l'ordine di precipitazione di l'invecchiamentu di a lega Al-Cu hè αs → α + zona GP → α + θ” → α + θ' → α + θ. U stadiu di a struttura di l'invecchiamentu dipende da a cumpusizione di a lega è da e specificazioni di l'invecchiamentu. Ci hè spessu più di un pruduttu d'invecchiamentu in u listessu statu. Più alta hè a temperatura d'invecchiamentu, più vicinu à a struttura d'equilibriu.

Durante u prucessu d'invecchiamentu, a zona GP è a fase di transizione precipitata da a matrice sò di piccula dimensione, assai disperse è micca facilmente deformate. À u listessu tempu, causanu distorsioni di reticolo in a matrice è formanu un campu di stress, chì hà un effettu ostativu significativu nantu à u muvimentu di dislocazioni, aumentendu cusì a resistenza à a deformazione plastica di a lega è migliurendu a so resistenza è durezza. Stu fenomenu di invecchiamentu hè chjamatu invecchiamentu per precipitazione. A figura sottu illustra u cambiamentu di durezza di a lega Al-4Cu durante u trattamentu di tempra è d'invecchiamentu in forma di curva. A fase I in a figura rapprisenta a durezza di a lega in u so statu originale. A causa di diverse storie di travagliu à caldu, a durezza di u statu originale varierà, generalmente HV = 30 ~ 80. Dopu u riscaldamentu à 500 ℃ è a tempra (fase II), tutti l'atomi di rame sò dissolti in a matrice per furmà una soluzione solida α supersaturata monofase cù HV = 60, chì hè duie volte più dura di a durezza in u statu ricottu (HV = 30). Questu hè u risultatu di u rinfurzamentu di a soluzione solida. Dopu à a tempra, hè piazzatu à temperatura ambiente, è a durezza di a lega hè aumentata continuamente per via di a furmazione cuntinua di zone GP (stadiu III). Stu prucessu di indurimentu per invechjamentu à temperatura ambiente hè chjamatu invechjamentu naturale.

I—statu uriginale;

II—statu di suluzione solida;

III—invecchiamentu naturale (zona GP);

IVa—trattamentu di regressione à 150~200℃ (ridissolutu in a zona GP);

IVb—invecchiamentu artificiale (fase θ”+θ');

V—sovrainvecchiamentu (fase θ”+θ')

In a tappa IV, a lega hè riscaldata à 150 ° C per l'invecchiamentu, è l'effettu di indurimentu hè più evidente chè quellu di l'invecchiamentu naturale. In questu mumentu, u pruduttu di precipitazione hè principalmente a fase θ ", chì hà u più grande effettu di rinfurzamentu in e leghe Al-Cu. Se a temperatura di invecchiamentu hè aumentata ulteriormente, a fase di precipitazione passa da a fase θ " à a fase θ', l'effettu di indurimentu s'indebulisce è a durezza diminuisce, entrendu in a tappa V. Ogni trattamentu di invecchiamentu chì richiede riscaldamentu artificiale hè chjamatu invecchiamentu artificiale, è e tappe IV è V appartenenu à sta categuria. Se a durezza righjunghji u valore massimu di durezza chì a lega pò ghjunghje dopu l'invecchiamentu (vale à dì, a tappa IVb), questu invecchiamentu hè chjamatu invecchiamentu di piccu. Se u valore di durezza di piccu ùn hè micca righjuntu, hè chjamatu sottu-invecchiamentu o invecchiamentu artificiale incompletu. Se u valore di piccu hè attraversatu è a durezza diminuisce, hè chjamatu sovra-invecchiamentu. U trattamentu di stabilizazione di l'invecchiamentu appartene ancu à u sovra-invecchiamentu. A zona GP furmata durante l'invecchiamentu naturale hè assai instabile. Quandu hè riscaldata rapidamente à una temperatura più alta, cum'è circa 200 °C, è mantenuta calda per un cortu periodu, a zona GP si dissolverà di novu in a suluzione solida α. S'ella hè raffreddata rapidamente (spegnita) prima di altre fasi di transizione cum'è u precipitatu θ” o θ', a lega pò esse restaurata à u so statu spento originale. Stu fenomenu hè chjamatu "regressione", chì hè a caduta di durezza indicata da a linea punteggiata in a fase IVa in a figura. A lega d'aluminiu chì hè stata regressa hà sempre a stessa capacità di indurimentu per invecchiamento.

L'indurimentu per invechjamentu hè a basa per u sviluppu di leghe d'aluminiu trattabili termicamente, è a so capacità d'indurimentu per invechjamentu hè direttamente ligata à a cumpusizione di a lega è à u sistema di trattamentu termicu. E leghe binarie Al-Si è Al-Mn ùn anu micca effettu d'indurimentu per precipitazione perchè a fase d'equilibriu hè precipitata direttamente durante u prucessu d'invechjamentu, è sò leghe d'aluminiu micca trattabili termicamente. Ancu s'è e leghe Al-Mg ponu furmà zone GP è fasi di transizione β', anu solu una certa capacità d'indurimentu per precipitazione in leghe à altu magnesiu. E leghe Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si è Al-Zn-Mg-Cu anu una forte capacità d'indurimentu per precipitazione in e so zone GP è fasi di transizione, è sò attualmente i principali sistemi di lega chì ponu esse trattabili termicamente è rinforzati.

3.2 Invecchiamentu Naturale

In generale, e leghe d'aluminiu chì ponu esse rinforzate da u trattamentu termicu anu un effettu d'invecchiamentu naturale dopu a tempra. U rinforzu di l'invecchiamentu naturale hè causatu da a zona GP. L'invecchiamentu naturale hè largamente utilizatu in e leghe Al-Cu è Al-Cu-Mg. L'invecchiamentu naturale di e leghe Al-Zn-Mg-Cu dura troppu longu, è spessu ci vole parechji mesi per ghjunghje à una fase stabile, dunque u sistema d'invecchiamentu naturale ùn hè micca utilizatu.

In paragone cù l'invecchiamentu artificiale, dopu l'invecchiamentu naturale, a resistenza à a snervatura di a lega hè più bassa, ma a plasticità è a tenacità sò megliu, è a resistenza à a corrosione hè più alta. A situazione di l'aluminiu superduru di u sistema Al-Zn-Mg-Cu hè ligeramente diversa. A resistenza à a corrosione dopu l'invecchiamentu artificiale hè spessu megliu cà dopu l'invecchiamentu naturale.

3.3 Invecchiamentu artificiale

Dopu à u trattamentu d'invecchiamentu artificiale, e leghe d'aluminiu ponu spessu ottene a più alta resistenza à u snervamentu (principalmente rinfurzamentu di a fase di transizione) è una migliore stabilità urganizativa. L'aluminiu superduru, l'aluminiu forgiatu è l'aluminiu fusu sò principalmente invecchiati artificialmente. A temperatura d'invecchiamentu è u tempu d'invecchiamentu anu una influenza impurtante nantu à e proprietà di a lega. A temperatura d'invecchiamentu hè principalmente trà 120 ~ 190 ℃, è u tempu d'invecchiamentu ùn supera micca e 24 ore.

In più di l'invecchiamentu artificiale in una sola tappa, e leghe d'aluminiu ponu ancu aduttà un sistema d'invecchiamentu artificiale graduale. Vale à dì, u riscaldamentu hè realizatu duie o più volte à diverse temperature. Per esempiu, a lega LC4 pò esse invecchiata à 115 ~ 125 ℃ per 2 ~ 4 ore è dopu à 160 ~ 170 ℃ per 3 ~ 5 ore. L'invecchiamentu graduale ùn pò micca solu riduce significativamente u tempu, ma ancu migliurà a microstruttura di e leghe Al-Zn-Mg è Al-Zn-Mg-Cu, è migliurà significativamente a resistenza à a corrosione da stress, a resistenza à a fatica è a tenacità à a frattura senza riduce basicamente e proprietà meccaniche.