Obróbka cieplna stopów aluminium

Obróbka cieplna stopów aluminium

Obróbka cieplna stopów aluminium polega na ich przesyceniu oraz starzeniu. Przesycanie opiera się na nagrzewaniu do odpowiedniej temperatury, wygrzewaniu w niej przez odpowiednio długi czas, a następnie schładzanie z określoną prędkością, by uzyskać przesycony roztwór stały. Odpowiednie dostosowanie parametrów obróbki cieplnej ma kluczowe znaczenie dla właściwości stopów aluminium.

Przesycanie i wygrzewanie stopów aluminium

Temperatura przesycania stopów aluminium uzależniona jest od ich składu chemicznego oraz stanu materiału. Standardowo dla stopów AL-Cu-Mg temperatury przesycania oscylują w dość wąskim zakresie, tj. 495 – 510/505^oC. Przekroczenie zakresu temperaturowego może spowodować miejscowe nadtopienie metalu, co przy ochłodzeniu spowoduje krzepnięcie jako eutektyka. 

Szerszy zakres temperatury przesycania dotyczy stopów Al-Zn-Mg-(Cu), który wynosi 460 – 480^oC. Temperatura wygrzewania w każdym wypadku musi być niższa od temperatury eutektycznej oraz jednocześnie tak duża, by umożliwić przejście do roztworu stałego pierwiastków stopowych, które tworzą fazy międzymetaliczne.

Czas wygrzewania musi pozwolić na uzyskanie jednorodnego roztworu stałego, który odpowiada danej temperaturze przesycenia. Zależnie od składu chemicznego stopu, temperatury i stopnia przeróbki plastycznej oscyluje on w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset minut.

Po przesyceniu stopy aluminium posiadają budowę jednorodną i jednofazową budowę o znacznej plastyczności i niskiej wytrzymałości. Ich umocnienie następuje dopiero po ich starzeniu. Ochładzanie z temperatury przesycenia zwykle przeprowadzane jest w zimnej albo gorącej wodzie lub w oleju.

Stan przesycony charakteryzuje nadmiar energii swobodnej, a naturalnie układ dąży do osiągnięcia stanu minimum energii wewnętrznej, co prowadzi do powstania równowagi fazowej. Zmiany te związane są z procesami zachodzącymi podczas starzenia. Jeśli starzenie zachodzi w temperaturze otoczenia, wówczas jest to starzenie samorzutne lub naturalne. Jeżeli starzenie wywoływane jest poprzez podwyższanie temperatury stopu, jest to starzenie przyśpieszone lub sztuczne.

Zmiany fazowe i przyczyny poprawy parametrów wytrzymałościowych

Zmiany fazowe zachodzące w procesie starzenia polegają na dynamicznym przemieszczaniu się atomów. Im wyższa temperatura starzenia, tym atomy szybciej poruszają się w roztworze. 

Największe umocnienie stopów aluminium występuje podczas starzenia naturalnego w temperaturze 20^oC, jednak stop ten nie uzyskuje odpowiednio dużej wytrzymałości mechanicznej. Po nagrzewaniu stopu w temperaturze 200 - 250^oC przez 2 - 3 minuty, jego umocnienie zanika, a właściwości stopu odpowiadają właściwościom uzyskanym po przesyceniu. Zjawisko to nazywa się nawrotem.

Najważniejszą przyczyną poprawy parametrów wytrzymałościowych podczas starzenia jest wysoki stan naprężeń własnych, które powstają w wyniku tworzenia się koherentnych wydzieleń. Sieć przestrzenna odkształcona sprężyście stawia znaczny opór przesuwaniu się dyslokacji. 

Druga przyczyna wzrostu wytrzymałości związana jest z małą wielkością wydzieleń oraz niewielką odległością między nimi, co utrudnia ruch dyslokacji.