Základní typy tepelného zpracování hliníkových slitin

Žíhání, kalení a stárnutí jsou základní typy tepelného zpracování hliníkových slitin. Žíhání je změkčovací zpracování, jehož účelem je dosáhnout jednotného a stabilního složení a struktury slitiny, eliminovat zpevnění a obnovit plasticitu slitiny. Kalení a stárnutí je zpevňovací tepelné zpracování, jehož účelem je zlepšit pevnost slitiny a používá se hlavně pro hliníkové slitiny, které lze tepelným zpracováním zpevnit.

1 Žíhání

Podle různých výrobních požadavků se žíhání hliníkových slitin dělí na několik forem: homogenizační žíhání ingotů, žíhání sochorů, mezižíhání a žíhání hotových výrobků.

1.1 Žíhání homogenizačním způsobem ingotu

Za podmínek rychlé kondenzace a nerovnovážné krystalizace musí mít ingot nerovnoměrné složení a strukturu a také velké vnitřní napětí. Aby se tato situace změnila a zlepšila se zpracovatelnost ingotu za tepla, je obecně nutné homogenizační žíhání.

Aby se podpořila atomová difúze, měla by být pro homogenizační žíhání zvolena vyšší teplota, ale nesmí překročit nízkou eutektickou teplotu tání slitiny. Obecně je teplota homogenizačního žíhání o 5~40 °C nižší než bod tání a doba žíhání se obvykle pohybuje mezi 12~24 hodinami.

1.2 Žíhání sochorů

Žíhání sochoru se týká žíhání před první deformací za studena během tlakového zpracování. Účelem je dosáhnout vyvážené struktury sochoru a maximální plastické deformační kapacity. Například teplota na konci válcování za tepla válcované bramy z hliníkové slitiny je 280~330 °C. Po rychlém ochlazení na pokojovou teplotu nelze zcela eliminovat jev zpevnění za studena. Zejména u tepelně zpracovaných zpevněných hliníkových slitin po rychlém ochlazení proces rekrystalizace ještě neskončil a přesycený pevný roztok nebyl zcela rozložen a část efektu zpevnění a kalení je stále zachována. Je obtížné válcovat sochor přímo za studena bez žíhání, proto je nutné žíhání sochoru. U tepelně nezpracovaných zpevněných hliníkových slitin, jako je LF3, je teplota žíhání 370~470 °C a chlazení vzduchem se provádí po 1,5~2,5 hodinách udržování v teple. Teplota sochoru a žíhání používaná pro zpracování trubek tažených za studena by měla být přiměřeně vyšší a lze zvolit horní mezní teplotu. U hliníkových slitin, které lze zpevnit tepelným zpracováním, jako jsou LY11 a LY12, je teplota žíhání sochoru 390~450 °C, přičemž se tato teplota udržuje po dobu 1~3 hodin, poté se sochor ochladí v peci na teplotu nižší než 270 °C rychlostí maximálně 30 °C/h a poté se z pece ochladí vzduchem.

1.3 Mezižíhání

Mezižíhání označuje žíhání mezi procesy deformace za studena, jehož účelem je eliminovat zpevnění a usnadnit tak pokračující deformaci za studena. Obecně řečeno, po žíhání materiálu bude obtížné pokračovat v tváření za studena bez mezižíhání po 45~85% deformaci za studena.

Procesní systém mezižíhání je v podstatě stejný jako u žíhání sochorů. Podle požadavků na stupeň deformace za studena lze mezižíhání rozdělit na tři typy: úplné žíhání (celková deformace ε≈60~70 %), prosté žíhání (ε≈50 %) a mírné žíhání (ε≈30~40 %). První dva žíhací systémy jsou stejné jako u žíhání sochorů, druhý se zahřívá na 320~350 °C po dobu 1,5~2 hodin a poté se ochladí na vzduchu.

1.4. Žíhání hotového výrobku

Žíhání hotového výrobku je konečné tepelné zpracování, které dodává materiálu určité organizační a mechanické vlastnosti dle požadavků technických podmínek výrobku.

Žíhání hotových výrobků lze rozdělit na vysokoteplotní žíhání (výroba měkkých výrobků) a nízkoteplotní žíhání (výroba polotvrdých výrobků v různých skupenstvích). Vysokoteplotní žíhání by mělo zajistit dosažení úplné rekrystalizační struktury a dobré plasticity. Za předpokladu, že materiál získá dobrou strukturu a vlastnosti, by doba výdrže neměla být příliš dlouhá. U hliníkových slitin, které lze zpevnit tepelným zpracováním, by měla být rychlost ochlazování přísně kontrolována, aby se zabránilo kalení způsobenému ochlazováním na vzduchu.

Nízkoteplotní žíhání zahrnuje žíhání pro uvolnění pnutí a částečné změkčovací žíhání, které se používají hlavně pro čistý hliník a tepelně nezpracované zpevněné hliníkové slitiny. Formulace systému nízkoteplotního žíhání je velmi složitý úkol, který vyžaduje zohlednění nejen teploty žíhání a doby výdrže, ale také vlivu nečistot, stupně legování, deformace za studena, meziteploty žíhání a teploty deformace za tepla. Pro formulaci systému nízkoteplotního žíhání je nutné změřit křivku změny mezi teplotou žíhání a mechanickými vlastnostmi a poté určit rozsah teplot žíhání podle výkonnostních ukazatelů uvedených v technických podmínkách.

2 Kalení

Kalení hliníkové slitiny se také nazývá rozpouštěcí úprava, která spočívá v rozpuštění co největšího množství legujících prvků v kovu jako druhé fáze do pevného roztoku pomocí vysokoteplotního ohřevu a následného rychlého ochlazení, aby se zabránilo srážení druhé fáze, čímž se získá přesycený α pevný roztok na bázi hliníku, který je dobře připraven pro další stárnutí.

Předpokladem pro získání přesyceného α pevného roztoku je, že rozpustnost druhé fáze ve slitině hliníku by se měla s rostoucí teplotou výrazně zvyšovat, jinak nelze dosáhnout cíle zpracování pevným roztokem. Většina legujících prvků v hliníku může tvořit eutektický fázový diagram s touto charakteristikou. Vezměme si jako příklad slitinu Al-Cu, jejíž eutektická teplota je 548 °C a rozpustnost mědi v hliníku při pokojové teplotě je menší než 0,1 %. Při zahřátí na 548 °C se její rozpustnost zvyšuje na 5,6 %. Proto slitiny Al-Cu obsahující méně než 5,6 % mědi vstupují do oblasti jedné fáze α poté, co teplota zahřátí překročí linii solvu, tj. druhá fáze CuAl2 se v matrici zcela rozpustí a po kalení lze získat jeden přesycený α pevný roztok.

Kalení je nejdůležitější a nejnáročnější operací tepelného zpracování hliníkových slitin. Klíčem je zvolit vhodnou teplotu kalení, zajistit dostatečnou rychlost ochlazování a přísně kontrolovat teplotu pece a snížit deformaci při kalení.

Princip volby teploty kalení spočívá v co největším zvýšení teploty kalení a zároveň v zajištění toho, aby se hliníková slitina nepřepálila nebo aby se zrna nadměrně nezvětšila, a tím se zvýšilo přesycení α pevného roztoku a pevnost po stárnutí. Obecně platí, že pec pro ohřev hliníkových slitin vyžaduje přesnost regulace teploty pece v rozmezí ±3 °C a vzduch v peci je nucen cirkulovat, aby se zajistila rovnoměrnost teploty pece.

Přepálení hliníkové slitiny je způsobeno částečným roztavením nízkotavitelných složek uvnitř kovu, jako jsou binární nebo víceprvkové eutektika. Přepálení nejenže způsobuje snížení mechanických vlastností, ale má také vážný dopad na korozní odolnost slitiny. Jakmile je hliníková slitina přepálena, nelze ji tedy odstranit a slitina by měla být sešrotována. Skutečná teplota přepálení hliníkové slitiny je určena především složením slitiny a obsahem nečistot a také souvisí se stavem zpracování slitiny. Teplota přepálení výrobků, které prošly plastickou deformací, je vyšší než u odlitků. Čím větší je deformace, tím snadněji se nerovnovážné nízkotavitelné složky při zahřátí rozpustí v matrici, takže skutečná teplota přepálení se zvyšuje.

Rychlost ochlazování během kalení hliníkové slitiny má významný vliv na schopnost zpevnění stárnutím a korozní odolnost slitiny. Během procesu kalení slitin LY12 a LC4 je nutné zajistit, aby se α pevný roztok nerozkládal, zejména v teplotně citlivé oblasti 290~420 °C, a je nutná dostatečně velká rychlost ochlazování. Obvykle se stanoví, že rychlost ochlazování by měla být vyšší než 50 °C/s a u slitiny LC4 by měla dosáhnout nebo překročit 170 °C/s.

Nejčastěji používaným kalicím médiem pro hliníkové slitiny je voda. Výrobní praxe ukazuje, že čím vyšší je rychlost ochlazování během kalení, tím větší je zbytkové napětí a zbytková deformace kalené látky nebo obrobku. Proto u malých obrobků s jednoduchými tvary může být teplota vody mírně nižší, obvykle 10~30 °C, a neměla by překročit 40 °C. U obrobků se složitými tvary a velkými rozdíly v tloušťce stěny lze teplotu vody někdy zvýšit až na 80 °C, aby se snížila deformace a praskání při kalení. Je však třeba zdůraznit, že se zvyšující se teplotou vody v kalicí nádrži se odpovídajícím způsobem snižuje i pevnost a odolnost materiálu proti korozi.

3. Stárnutí

3.1 Organizační transformace a změny výkonnosti během stárnutí

Přesycený α pevný roztok získaný kalením má nestabilní strukturu. Při zahřátí se rozloží a transformuje do rovnovážné struktury. Vezměme si jako příklad slitiny Al-4Cu, její rovnovážná struktura by měla být α+CuAl2 (fáze θ). Pokud se jednofázový přesycený α pevný roztok po kalení zahřeje za účelem stárnutí, pokud je teplota dostatečně vysoká, fáze θ se vysráží přímo. V opačném případě se proces provádí postupně, tj. po několika přechodných fázích lze dosáhnout konečné rovnovážné fáze CuAl2. Obrázek níže znázorňuje charakteristiky krystalové struktury každé fáze precipitace během procesu stárnutí slitiny Al-Cu. Obrázek a. znázorňuje krystalovou mřížkovou strukturu v kaleném stavu. V tomto okamžiku se jedná o jednofázový α přesycený pevný roztok a atomy mědi (černé tečky) jsou rovnoměrně a náhodně rozloženy v hliníkové (bílé tečky) matriční mřížce. Obrázek b. znázorňuje mřížkovou strukturu v rané fázi precipitace. Atomy mědi se začínají koncentrovat v určitých oblastech matricové mřížky a tvoří Guinier-Prestonovu oblast, nazývanou GP oblast. GP zóna je extrémně malá a má tvar disku, s průměrem přibližně 5~10 μm a tloušťkou 0,4~0,6 nm. Počet GP zón v matrici je extrémně velký a hustota distribuce může dosáhnout 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Krystalová struktura GP zóny je stále stejná jako u matrice, obě jsou plošně centrované kubické a zachovávají si koherentní rozhraní s matricí. Protože je však velikost atomů mědi menší než u atomů hliníku, obohacení atomy mědi způsobí smrštění krystalové mřížky v blízkosti této oblasti, což způsobí její zkreslení.

Schéma změn krystalové struktury slitiny Al-Cu během stárnutí

Obrázek a. Zkalený stav, jednofázový α pevný roztok, atomy mědi (černé tečky) jsou rovnoměrně rozloženy;

Obrázek b. V rané fázi stárnutí se tvoří GP zóna;

Obrázek c. V pozdní fázi stárnutí se tvoří semikoherentní přechodová fáze;

Obrázek d. Stárnutí za vysokých teplot, srážení nekoherentní rovnovážné fáze

GP zóna je prvním produktem před srážením, který se objevuje během procesu stárnutí hliníkových slitin. Prodloužení doby stárnutí, zejména zvýšení teploty stárnutí, bude také tvořit další přechodné fáze. Ve slitině Al-4Cu se po GP zóně nacházejí fáze θ” a θ' a nakonec je dosaženo rovnovážné fáze CuAl2. θ” a θ' jsou obě přechodné fáze fáze θ a krystalová struktura je čtvercová mřížka, ale mřížková konstanta je jiná. Velikost θ je větší než velikost GP zóny, stále má tvar disku, s průměrem asi 15~40nm a tloušťkou 0,8~2,0nm. Stále si udržuje koherentní rozhraní s matricí, ale stupeň zkreslení mřížky je intenzivnější. Při přechodu z fáze θ” do θ' se velikost zvětšila na 20~600 nm, tloušťka je 10~15 nm a koherentní rozhraní je také částečně zničeno, čímž se stává semikoherentním rozhraním, jak je znázorněno na obrázku c. Konečným produktem stárnutí srážením je rovnovážná fáze θ (CuAl2), kdy je koherentní rozhraní zcela zničeno a stává se nekoherentním rozhraním, jak je znázorněno na obrázku d.

Podle výše uvedené situace je pořadí stárnutí slitiny Al-Cu αs→α+GP zóna→α+θ”→α+θ'→α+θ. Stupeň stárnutí struktury závisí na složení slitiny a specifikaci stárnutí. Často se ve stejném stavu nachází více než jeden produkt stárnutí. Čím vyšší je teplota stárnutí, tím blíže je struktura rovnovážnému stavu.

Během procesu stárnutí jsou GP zóna a přechodová fáze vysrážené z matrice malé, vysoce dispergované a nedají se snadno deformovat. Zároveň způsobují mřížkové deformace v matrici a vytvářejí pole napětí, které má významný brzdný vliv na pohyb dislokací, čímž zvyšují odolnost slitiny vůči plastické deformaci a zlepšují její pevnost a tvrdost. Tento jev zpevňování stárnutím se nazývá precipitační zpevňování. Obrázek níže znázorňuje změnu tvrdosti slitiny Al-4Cu během kalení a stárnutí ve formě křivky. Fáze I na obrázku představuje tvrdost slitiny v jejím původním stavu. V důsledku různých historií tváření za tepla se tvrdost původního stavu bude měnit, obecně HV=30~80. Po zahřátí na 500 °C a kalení (fáze II) se všechny atomy mědi rozpustí v matrici a vytvoří jednofázový přesycený α pevný roztok s HV=60, který je dvakrát tvrdší než tvrdost v žíhaném stavu (HV=30). To je výsledek zpevňování pevného roztoku. Po kalení se slitina umístí do pokojové teploty a tvrdost slitiny se neustále zvyšuje díky neustálé tvorbě GP zón (fáze III). Tento proces stárnutí a kalení při pokojové teplotě se nazývá přirozené stárnutí.

I – původní stav;

II – stav pevného roztoku;

III – přirozené stárnutí (zóna GP);

IVa – regresní zpracování při 150–200 °C (znovu rozpuštěno v zóně GP);

IVb – umělé stárnutí (fáze θ”+θ');

V – nadměrné stárnutí (fáze θ”+θ')

Ve fázi IV se slitina zahřeje na 150 °C za účelem stárnutí a efekt kalení je zřetelnější než u přirozeného stárnutí. V této fázi je produktem precipitace hlavně fáze θ”, která má u slitin Al-Cu největší zpevňující účinek. Pokud se teplota stárnutí dále zvýší, fáze precipitace přejde z fáze θ” do fáze θ', efekt kalení se slábne a tvrdost se snižuje, čímž se vstupuje do fáze V. Jakékoli stárnutí, které vyžaduje umělé zahřívání, se nazývá umělé stárnutí a do této kategorie patří fáze IV a V. Pokud tvrdost dosáhne maximální hodnoty tvrdosti, které může slitina po stárnutí dosáhnout (tj. fáze IVb), nazývá se toto stárnutí vrcholovým stárnutím. Pokud není vrcholové hodnoty tvrdosti dosaženo, nazývá se to nedostatečné nebo neúplné umělé stárnutí. Pokud je vrcholová hodnota překročena a tvrdost se snižuje, nazývá se to přestárnutí. Stabilizační stárnutí také patří k přestárnutí. Zóna GP vytvořená během přirozeného stárnutí je velmi nestabilní. Při rychlém zahřátí na vyšší teplotu, například asi 200 °C, a krátkém udržování v teple se zóna GP rozpustí zpět do α pevného roztoku. Pokud se rychle ochladí (zakalí) před vysrážením dalších přechodových fází, jako je θ” nebo θ', lze slitinu obnovit do původního stavu po zakalení. Tento jev se nazývá „regrese“, což je pokles tvrdosti znázorněný tečkovanou čarou ve fázi IVa na obrázku. Hliníková slitina, která prošla regresí, má stále stejnou schopnost zpevnění stárnutím.

Stárnutí je základem pro vývoj tepelně zpracovatelných hliníkových slitin a jeho schopnost stárnutí přímo souvisí se složením slitiny a systémem tepelného zpracování. Binární slitiny Al-Si a Al-Mn nemají žádný účinek precipitačního zpevnění, protože rovnovážná fáze se přímo vysráží během procesu stárnutí, a jsou to tepelně nezpracovatelné hliníkové slitiny. Ačkoli slitiny Al-Mg mohou tvořit GP zóny a přechodové fáze β', mají určitou schopnost precipitačního zpevnění pouze u slitin s vysokým obsahem hořčíku. Slitiny Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si a Al-Zn-Mg-Cu mají silnou schopnost precipitačního zpevnění ve svých GP zónách a přechodových fázích a v současné době jsou hlavními systémy slitin, které lze tepelně zpracovat a zpevnit.

3.2 Přirozené stárnutí

Hliníkové slitiny, které lze zpevnit tepelným zpracováním, mají obecně po kalení efekt přirozeného stárnutí. Zpevnění přirozeným stárnutím je způsobeno zónou GP. Přirozené stárnutí se široce používá u slitin Al-Cu a Al-Cu-Mg. Přirozené stárnutí slitin Al-Zn-Mg-Cu trvá příliš dlouho a často trvá několik měsíců, než dosáhne stabilního stavu, takže se systém přirozeného stárnutí nepoužívá.

Ve srovnání s umělým stárnutím je po přirozeném stárnutí mez kluzu slitiny nižší, ale plasticita a houževnatost jsou lepší a odolnost proti korozi je vyšší. Situace se supertvrdým hliníkem systému Al-Zn-Mg-Cu je mírně odlišná. Odolnost proti korozi po umělém stárnutí je často lepší než po přirozeném stárnutí.

3.3 Umělé stárnutí

Po umělém stárnutí mohou hliníkové slitiny často dosáhnout nejvyšší meze kluzu (zejména zpevnění v přechodové fázi) a lepší organizační stability. Supertvrdý hliník, kovaný hliník a litý hliník se převážně uměle stárnou. Teplota stárnutí a doba stárnutí mají důležitý vliv na vlastnosti slitin. Teplota stárnutí se většinou pohybuje mezi 120~190 °C a doba stárnutí nepřesahuje 24 hodin.

Kromě jednostupňového umělého stárnutí mohou hliníkové slitiny také používat systém stupňovitého umělého stárnutí. To znamená, že se ohřev provádí dvakrát nebo vícekrát při různých teplotách. Například slitina LC4 může být stárnuta při 115~125 °C po dobu 2~4 hodin a poté při 160~170 °C po dobu 3~5 hodin. Postupné stárnutí může nejen výrazně zkrátit dobu, ale také zlepšit mikrostrukturu slitin Al-Zn-Mg a Al-Zn-Mg-Cu a výrazně zlepšit odolnost proti korozi za napětí, únavovou pevnost a lomovou houževnatost, aniž by se zásadně snížily mechanické vlastnosti.