Hehkutus, sammutus ja vanhennus ovat alumiiniseosten peruslämpökäsittelytyyppejä. Hehkutus on pehmennyskäsittely, jonka tarkoituksena on tehdä seoksesta koostumukseltaan ja rakenteeltaan tasainen ja vakaa, poistaa muokkauslujittuminen ja palauttaa seoksen plastisuus. Sammutus ja vanhennus on lujittava lämpökäsittely, jonka tarkoituksena on parantaa seoksen lujuutta, ja sitä käytetään pääasiassa alumiiniseoksille, joita voidaan lujittaa lämpökäsittelyllä.
1 Hehkutus
Erilaisten tuotantovaatimusten mukaan alumiiniseoksen hehkutus jaetaan useisiin muotoihin: harkon homogenisointihehkutus, aihion hehkutus, välihehkutus ja valmiin tuotteen hehkutus.
1.1 Valanteen homogenisointihehkutus
Nopean tiivistymisen ja epätasapainokiteytymisen olosuhteissa harkon koostumuksen ja rakenteen on oltava epätasainen, ja siinä on oltava suuri sisäinen jännitys. Tämän tilanteen muuttamiseksi ja harkon kuumamuokkauskelpoisuuden parantamiseksi tarvitaan yleensä homogenisointihehkutus.
Atomidiffuusion edistämiseksi homogenisointihehkutuksessa tulisi valita korkeampi lämpötila, mutta se ei saa ylittää seoksen alhaisen sulamispisteen eutektista sulamispistettä. Yleensä homogenisointihehkutuslämpötila on 5–40 ℃ alempi kuin sulamispiste ja hehkutusaika on enimmäkseen 12–24 tuntia.
1.2 Aihion hehkutus
Aihion hehkutus tarkoittaa hehkutusta ennen ensimmäistä kylmämuodonmuutosta painekäsittelyn aikana. Tarkoituksena on saada aihio saavuttamaan tasapainoinen rakenne ja maksimaalinen plastinen muodonmuutoskyky. Esimerkiksi kuumavalssatun alumiiniseoslevyn valssauspään lämpötila on 280–330 ℃. Huoneenlämmössä nopean jäähdytyksen jälkeen muokkauslujittumista ei voida täysin eliminoida. Erityisesti lämpökäsitellyillä lujitetuilla alumiiniseoksilla uudelleenkiteytymisprosessi ei ole päättynyt nopean jäähdytyksen jälkeen, eikä ylikyllästetty kiinteä liuos ole hajonnut kokonaan, ja osa muokkauslujittumisesta ja sammutusvaikutuksesta säilyy edelleen. Kylmävalssaus suoraan ilman hehkutusta on vaikeaa, joten aihion hehkutus on tarpeen. Lämpökäsittelemättömillä lujitetuilla alumiiniseoksilla, kuten LF3:lla, hehkutuslämpötila on 370–470 ℃, ja ilmajäähdytys suoritetaan 1,5–2,5 tunnin lämpimänäpidon jälkeen. Kylmävedetyn putken prosessoinnissa käytettävän aihion ja hehkutuslämpötilan tulisi olla vastaavasti korkeampi, ja ylärajalämpötila voidaan valita. Lämpökäsittelyllä lujitettavien alumiiniseosten, kuten LY11:n ja LY12:n, aihion hehkutuslämpötila on 390–450 ℃, jota pidetään tässä lämpötilassa 1–3 tuntia, minkä jälkeen se jäähdytetään uunissa alle 270 ℃:n lämpötilaan enintään 30 ℃/h nopeudella ja sitten ilmajäähdytetään ulos uunista.
1.3 Välivaiheen hehkutus
Välihehkutus tarkoittaa kylmämuokkausprosessien välistä hehkutusta, jonka tarkoituksena on poistaa työkarkeneminen ja helpottaa jatkuvaa kylmämuokkausta. Yleisesti ottaen materiaalin hehkutuksen jälkeen on vaikea jatkaa kylmämuokkausta ilman välihehkutusta 45–85 %:n kylmämuodonmuutoksen jälkeen.
Välihehkutuksen prosessijärjestelmä on pohjimmiltaan sama kuin aihion hehkutus. Kylmämuodonmuutosasteen vaatimusten mukaan välihehkutus voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: täydellinen hehkutus (kokonaismuodonmuutos ε≈60~70%), yksinkertainen hehkutus (ε≤50%) ja kevyt hehkutus (ε≈30~40%). Kaksi ensimmäistä hehkutusjärjestelmää ovat samat kuin aihion hehkutus, ja jälkimmäisessä kuumennetaan 320~350 ℃:ssa 1,5~2 tuntia ja sitten ilmajäähdytetään.
1.4. Valmiin tuotteen hehkutus
Valmiin tuotteen hehkutus on viimeinen lämpökäsittely, joka antaa materiaalille tiettyjä organisatorisia ja mekaanisia ominaisuuksia tuotteen teknisten olosuhteiden vaatimusten mukaisesti.
Valmiin tuotteen hehkutus voidaan jakaa korkean lämpötilan hehkutukseen (pehmeiden tuotteiden valmistus) ja matalan lämpötilan hehkutukseen (eri olomuodoissa olevien puolikovien tuotteiden valmistus). Korkean lämpötilan hehkutuksen tulisi varmistaa täydellinen uudelleenkiteytymisrakenne ja hyvä plastisuus. Materiaalin hyvän rakenteen ja suorituskyvyn varmistamiseksi pitoajan ei tulisi olla liian pitkä. Alumiiniseosten, joita voidaan lujittaa lämpökäsittelyllä, jäähdytysnopeutta on valvottava tarkasti ilmajäähdytyksen sammutusvaikutuksen estämiseksi.
Matalalämpötilainen hehkutus sisältää jännityksenpoistohehkutuksen ja osittaisen pehmennyshehkutuksen, joita käytetään pääasiassa puhtaalle alumiinille ja lämpökäsittelyttömille lujitetuille alumiiniseoksille. Matalalämpötilaisen hehkutusjärjestelmän laatiminen on erittäin monimutkainen tehtävä, jossa on otettava huomioon paitsi hehkutuslämpötila ja pitoaika, myös epäpuhtauksien, seosasteen, kylmämuodonmuutoksen, välihehkutuslämpötilan ja kuumamuodonmuutoksen lämpötilan vaikutus. Matalalämpötilaisen hehkutusjärjestelmän laatimiseksi on tarpeen mitata hehkutuslämpötilan ja mekaanisten ominaisuuksien välinen muutoskäyrä ja määrittää sitten hehkutuslämpötila-alue teknisissä ehdoissa määriteltyjen suorituskykyindikaattoreiden mukaisesti.
2 Sammutus
Alumiiniseoksen sammutusta kutsutaan myös liuoskäsittelyksi, jossa metallin seosaineita liuotetaan mahdollisimman paljon toisena faasina kiinteään liuokseen korkean lämpötilan kuumentamisen avulla, minkä jälkeen se jäähdytetään nopeasti toisen faasin saostumisen estämiseksi, jolloin saadaan ylikyllästetty alumiinipohjainen α-kiinteä liuos, joka on hyvin valmisteltu seuraavaa vanhennuskäsittelyä varten.
Ylikyllästetyn α-faasin kiinteän liuoksen saamisen lähtökohtana on, että toisen faasin liukoisuus alumiiniseoksessa kasvaa merkittävästi lämpötilan noustessa, muuten kiinteän liuoksen käsittelyn tarkoitusta ei voida saavuttaa. Useimmat alumiinin seosaineet voivat muodostaa eutektisen faasidiagrammin, jolla on tämä ominaisuus. Esimerkiksi Al-Cu-seoksen eutektinen lämpötila on 548 ℃ ja kuparin liukoisuus alumiiniin huoneenlämmössä on alle 0,1 %. Kun seos kuumennetaan 548 ℃:seen, sen liukoisuus kasvaa 5,6 %:iin. Siksi alle 5,6 % kuparia sisältävät Al-Cu-seokset siirtyvät α-yksifaasialueeseen, kun lämmityslämpötila ylittää solvuslinjansa. Toisin sanoen toinen faasi CuAl2 on täysin liuennut matriisiin, ja sammutuksen jälkeen voidaan saada yksi ylikyllästetyn α-kiinteän liuoksen.
Sammutus on alumiiniseosten tärkein ja vaativin lämpökäsittelyoperaatio. Keskeistä on valita sopiva sammutuslämmityslämpötila ja varmistaa riittävä sammutusjäähdytysnopeus sekä hallita tarkasti uunin lämpötilaa ja vähentää sammutusmuodonmuutoksia.
Sammutuslämpötilan valinnan periaatteena on nostaa sammutuslämmityslämpötilaa mahdollisimman paljon varmistaen samalla, että alumiiniseos ei ylikuumene tai rakeet kasvavat liikaa, jotta α-kiinteän liuoksen ylikyllästymisaste ja vanhentamiskäsittelyn jälkeinen lujuus lisääntyvät. Yleensä alumiiniseoksesta valmistettu lämmitysuuni vaatii uunin lämpötilan säätötarkkuuden olevan ±3 ℃:n sisällä, ja uunin ilma pakotetaan kiertämään uunin lämpötilan tasaisuuden varmistamiseksi.
Alumiiniseoksen ylikuumeneminen johtuu metallin sisällä olevien alhaisen sulamispisteen omaavien komponenttien, kuten binääristen tai monialkuaineisten eutektisten yhdisteiden, osittaisesta sulamisesta. Ylikuumeneminen ei ainoastaan heikennä mekaanisia ominaisuuksia, vaan sillä on myös vakava vaikutus seoksen korroosionkestävyyteen. Siksi, kun alumiiniseos on kerran ylikuumennettu, sitä ei voida poistaa käytöstä, ja seostuote on romutettava. Alumiiniseoksen todellinen ylikuumenemislämpötila määräytyy pääasiassa seoksen koostumuksen ja epäpuhtauspitoisuuden mukaan, ja se liittyy myös seoksen prosessointitilaan. Plastisen muodonmuutoksen läpikäyneiden tuotteiden ylikuumenemislämpötila on korkeampi kuin valukappaleiden. Mitä suurempi muodonmuutosprosessi on, sitä helpompi epätasapainossa olevien alhaisen sulamispisteen omaavien komponenttien on liueta matriisiin kuumennettaessa, joten todellinen ylikuumenemislämpötila nousee.
Alumiiniseoksen sammutuksen aikainen jäähdytysnopeus vaikuttaa merkittävästi seoksen ikääntymislujuuskykyyn ja korroosionkestävyyteen. LY12:n ja LC4:n sammutusprosessin aikana on varmistettava, että α-kiinteä liuos ei hajoa, erityisesti lämpötilaherkällä alueella 290–420 ℃, ja jäähdytysnopeuden on oltava riittävän suuri. Yleensä jäähdytysnopeuden on oltava yli 50 ℃/s ja LC4-seoksen tapauksessa vähintään 170 ℃/s.
Alumiiniseosten yleisimmin käytetty sammutusväliaine on vesi. Tuotantokäytäntö osoittaa, että mitä suurempi jäähdytysnopeus sammutuksen aikana on, sitä suurempi on sammutetun materiaalin tai työkappaleen jäännösjännitys ja jäännösmuodonmuutos. Siksi pienille ja yksinkertaisille työkappaleille veden lämpötila voi olla hieman alhaisempi, yleensä 10–30 ℃, eikä sen tulisi ylittää 40 ℃. Monimutkaisille työkappaleille, joilla on suuria seinämän paksuuseroja, veden lämpötilaa voidaan joskus nostaa 80 ℃:seen sammutusmuodonmuutoksen ja halkeilun vähentämiseksi. On kuitenkin huomattava, että sammutussäiliön veden lämpötilan noustessa myös materiaalin lujuus ja korroosionkestävyys heikkenevät vastaavasti.
3. Ikääntyminen
3.1 Organisaatiomuutokset ja suorituskyvyn muutokset ikääntymisen aikana
Sammuttamalla saatu ylikyllästetty α-kiinteä liuos on epästabiili rakenne. Kuumennettaessa se hajoaa ja muuttuu tasapainorakenteeksi. Esimerkkinä Al-4Cu-seos, sen tasapainorakenteen tulisi olla α+CuAl2 (θ-faasi). Kun yksifaasista ylikyllästettyä α-kiinteää liuosta sammutuksen jälkeen kuumennetaan vanhentamista varten, jos lämpötila on riittävän korkea, θ-faasi saostuu suoraan. Muussa tapauksessa saostuminen tapahtuu vaiheittain, eli joidenkin välivaiheiden jälkeen voidaan saavuttaa lopullinen tasapainofaasi CuAl2. Alla oleva kuva havainnollistaa Al-Cu-seoksen vanhentamisprosessin kunkin saostusvaiheen kiderakenteen ominaisuuksia. Kuva a esittää sammutetun tilan kidehilarakennetta. Tässä vaiheessa kyseessä on yksifaasinen α-ylikyllästetty kiinteä liuos, ja kupariatomit (mustat pisteet) ovat tasaisesti ja satunnaisesti jakautuneet alumiinimatriisihilaan (valkoiset pisteet). Kuva b esittää hilarakennetta saostumisen alkuvaiheessa. Kupariatomit alkavat keskittyä matriisihilan tietyille alueille muodostaen Guinier-Preston-alueen, jota kutsutaan GP-alueeksi. GP-vyöhyke on erittäin pieni ja kiekonmuotoinen, halkaisijaltaan noin 5–10 μm ja paksuudeltaan 0,4–0,6 nm. GP-vyöhykkeiden lukumäärä matriisissa on erittäin suuri, ja niiden jakautumistiheys voi olla 10¹⁷–10¹⁸cm. GP-vyöhykkeen kiderakenne on edelleen sama kuin matriisin, molemmat ovat pintakeskeisiä kuutiollisia, ja se säilyttää koherentin rajapinnan matriisin kanssa. Koska kupariatomien koko on kuitenkin pienempi kuin alumiiniatomien, kupariatomien rikastuminen aiheuttaa alueen lähellä olevan kidehilan kutistumista, mikä aiheuttaa hilan vääristymistä.
Kaaviokuva Al-Cu-seoksen kiderakenteen muutoksista vanhentamisen aikana
Kuva a. Sammutettu tila, yksifaasinen α-kiinteä liuos, kupariatomit (mustat pisteet) ovat tasaisesti jakautuneet;
Kuva b. Ikääntymisen varhaisessa vaiheessa muodostuu GP-vyöhyke;
Kuva c. Ikääntymisen myöhäisessä vaiheessa muodostuu puolikoherentti siirtymävaihe;
Kuva d. Korkean lämpötilan vanheneminen, epäjohdonmukaisen tasapainofaasin saostuminen
GP-vyöhyke on ensimmäinen esisaostumistuote, joka ilmestyy alumiiniseosten vanhenemisprosessin aikana. Vanhenemisajan pidentäminen, erityisesti vanhenemislämpötilan nostaminen, muodostaa myös muita välivaiheen siirtymävaiheita. Al-4Cu-seoksessa GP-vyöhykkeen jälkeen on θ”- ja θ'-faasit, ja lopulta saavutetaan tasapainovaihe CuAl2. θ” ja θ' ovat molemmat θ-faasin siirtymävaiheita, ja kiderakenne on neliömäinen hila, mutta hilavakio on erilainen. θ:n koko on suurempi kuin GP-vyöhykkeen, edelleen kiekonmuotoinen, halkaisijaltaan noin 15–40 nm ja paksuudeltaan 0,8–2,0 nm. Se säilyttää edelleen koherentin rajapinnan matriisin kanssa, mutta hilan vääristymä on voimakkaampi. Siirtyessämme faasista θ” faasiin θ' koko kasvaa 20–600 nm:iin, paksuus on 10–15 nm ja koherentti rajapinta tuhoutuu osittain ja muuttuu puolikoherentiksi rajapinnaksi, kuten kuvassa c on esitetty. Vanhenevan saostumisen lopputuote on tasapainofaasi θ (CuAl2), jolloin koherentti rajapinta tuhoutuu kokonaan ja muuttuu epäkoherentiksi rajapinnaksi, kuten kuvassa d on esitetty.
Yllä olevan tilanteen mukaan Al-Cu-seoksen vanhenemisen saostumisjärjestys on αs→α+GP-vyöhyke→α+θ”→α+θ'→α+θ. Vanhenemisrakenteen vaihe riippuu seoksen koostumuksesta ja vanhenemisspesifikaatioista. Usein samassa tilassa on useampi kuin yksi vanhenemistuote. Mitä korkeampi vanhenemislämpötila, sitä lähempänä tasapainorakennetta ollaan.
Vanhenemisprosessin aikana matriisista saostunut GP-vyöhyke ja siirtymäfaasi ovat kooltaan pieniä, hyvin dispergoituneina eivätkä helposti muokkaa itseään. Samalla ne aiheuttavat matriisiin hilamuotoutumista ja muodostavat jännityskentän, jolla on merkittävä estävä vaikutus dislokaatioiden liikkumiseen, mikä lisää seoksen vastustuskykyä plastiselle muodonmuutokselle ja parantaa sen lujuutta ja kovuutta. Tätä vanhenemiskarkenemisilmiötä kutsutaan erkautuskarkenemiseksi. Alla oleva kuva havainnollistaa käyrän muodossa Al-4Cu-seoksen kovuuden muutosta sammutuksen ja vanhenemiskäsittelyn aikana. Kuvan vaihe I esittää seoksen kovuutta sen alkuperäisessä tilassa. Erilaisten kuumamuokkaushistorian vuoksi alkuperäisen tilan kovuus vaihtelee, yleensä HV = 30–80. 500 ℃:ssa kuumentamisen ja sammutuksen (vaihe II) jälkeen kaikki kupariatomit liukenevat matriisiin muodostaen yksifaasisen ylikyllästetyn α-kiinteän liuoksen, jonka HV = 60 on kaksi kertaa niin kova kuin kovuus hehkutetussa tilassa (HV = 30). Tämä on seurausta kiinteän liuoksen lujittumisesta. Sammutuksen jälkeen seos asetetaan huoneenlämpötilaan, ja seoksen kovuus kasvaa jatkuvasti GP-vyöhykkeiden jatkuvan muodostumisen ansiosta (vaihe III). Tätä huoneenlämpötilassa tapahtuvaa vanhenemiskarkenemisprosessia kutsutaan luonnolliseksi vanhenemiseksi.
Minä – alkuperäinen tila;
II – kiinteä liuostila;
III – luonnollinen ikääntyminen (GP-alue);
IVa – regressiokäsittely 150–200 ℃:ssa (liuotettu uudelleen GP-vyöhykkeeseen);
IVb – keinotekoinen vanhentaminen (θ”+θ'-vaihe);
V - ylivanheneminen (θ”+θ'-vaihe)
Vaiheessa IV seos kuumennetaan 150 °C:een vanhentamista varten, ja karkaisuvaikutus on selvempi kuin luonnollisessa vanhentamisessa. Tässä vaiheessa saostumistuote on pääasiassa θ”-faasia, jolla on Al-Cu-seoksissa suurin lujittava vaikutus. Jos vanhentamislämpötilaa nostetaan edelleen, saostumisfaasi siirtyy θ”-faasista θ'-faasiin, karkaisuvaikutus heikkenee ja kovuus laskee, jolloin saavutetaan vaihe V. Kaikkia keinotekoista kuumennusta vaativia vanhentamiskäsittelyjä kutsutaan keinotekoiseksi vanhentamiseksi, ja vaiheet IV ja V kuuluvat tähän luokkaan. Jos kovuus saavuttaa vanhentamisen jälkeen seoksen saavuttaman maksimikovuusarvon (eli vaihe IVb), tätä vanhentamista kutsutaan huippuvanhentamiseksi. Jos huippukovuuden arvoa ei saavuteta, sitä kutsutaan alivanhentamiseksi tai epätäydelliseksi keinotekoiseksi vanhentamiseksi. Jos huippuarvo ylitetään ja kovuus laskee, sitä kutsutaan ylivanhentamiseksi. Stabiloiva vanhentaminen kuuluu myös ylivanhentamiseen. Luonnollisen vanhentamisen aikana muodostuva GP-vyöhyke on erittäin epävakaa. Kun GP-vyöhyke kuumennetaan nopeasti korkeampaan lämpötilaan, kuten noin 200 °C:seen, ja pidetään lämpimänä lyhyen aikaa, seos liukenee takaisin α-kiinteäksi liuokseksi. Jos se jäähdytetään (sammutetaan) nopeasti ennen muiden siirtymävaiheiden, kuten θ”:n tai θ':n, saostumista, seos voidaan palauttaa alkuperäiseen sammutettuun tilaansa. Tätä ilmiötä kutsutaan "regressioksi", joka on kuvan vaiheessa IVa katkoviivalla merkitty kovuuden lasku. Regressiolla käsitellyllä alumiiniseoksella on edelleen sama vanhenemiskarkenemiskyky.
Vanhennuslujittuminen on perusta lämpökäsiteltävien alumiiniseosten kehittämiselle, ja sen vanhennuslujittumiskyky liittyy suoraan seoksen koostumukseen ja lämpökäsittelyjärjestelmään. Al-Si- ja Al-Mn-binääriseoksilla ei ole erkautuslujittumisvaikutusta, koska tasapainofaasi saostuu suoraan vanhentamisprosessin aikana, eivätkä ne ole lämpökäsiteltäviä alumiiniseoksia. Vaikka Al-Mg-seokset voivat muodostaa GP-vyöhykkeitä ja siirtymäfaaseja β', niillä on tietty erkautuslujittumiskyky vain korkean magnesiumin seoksissa. Al-Cu-, Al-Cu-Mg-, Al-Mg-Si- ja Al-Zn-Mg-Cu-seoksilla on vahva erkautuslujittumiskyky GP-vyöhykkeillään ja siirtymäfaaseissaan, ja ne ovat tällä hetkellä tärkeimmät lämpökäsiteltävät ja lujitettavat seosjärjestelmät.
3.2 Luonnollinen ikääntyminen
Yleensä alumiiniseoksilla, joita voidaan lujittaa lämpökäsittelyllä, on luonnollinen vanhenemisvaikutus sammutuksen jälkeen. Luonnollisen vanhenemisen lujittuminen johtuu GP-vyöhykkeestä. Luonnollista vanhenemista käytetään laajalti Al-Cu- ja Al-Cu-Mg-seoksissa. Al-Zn-Mg-Cu-seosten luonnollinen vanheneminen kestää liian kauan, ja vakaan vaiheen saavuttaminen kestää usein useita kuukausia, joten luonnollista vanhenemisjärjestelmää ei käytetä.
Verrattuna keinotekoiseen vanhentamiseen, luonnollisen vanhentamisen jälkeen seoksen myötölujuus on alhaisempi, mutta plastisuus ja sitkeys ovat paremmat ja korroosionkestävyys korkeampi. Al-Zn-Mg-Cu-järjestelmän erittäin kovan alumiinin tilanne on hieman erilainen. Keinotekoisen vanhentamisen jälkeinen korroosionkestävyys on usein parempi kuin luonnollisen vanhentamisen jälkeinen.
3.3 Keinotekoinen ikääntyminen
Keinotekoisen vanhentamisen jälkeen alumiiniseokset saavuttavat usein korkeimman myötölujuuden (pääasiassa siirtymävaiheen lujittumisen) ja paremman organisatorisen vakauden. Erittäin kova alumiini, taottu alumiini ja valettu alumiini vanhennetaan pääasiassa keinotekoisesti. Vanhentamislämpötilalla ja -ajalla on tärkeä vaikutus seoksen ominaisuuksiin. Vanhentamislämpötila on enimmäkseen 120–190 ℃, eikä vanhentamisaika ylitä 24 tuntia.
Yksivaiheisen keinotekoisen vanhentamisen lisäksi alumiiniseoksissa voidaan käyttää myös porrastettua keinotekoista vanhentamisjärjestelmää. Toisin sanoen kuumennus suoritetaan kahdesti tai useammin eri lämpötiloissa. Esimerkiksi LC4-seosta voidaan vanhentaa 115–125 ℃:ssa 2–4 tuntia ja sitten 160–170 ℃:ssa 3–5 tuntia. Asteittainen vanhentaminen voi paitsi lyhentää aikaa merkittävästi, myös parantaa Al-Zn-Mg- ja Al-Zn-Mg-Cu-seosten mikrorakennetta ja parantaa merkittävästi jännityskorroosionkestävyyttä, väsymislujuutta ja murtumissitkeyttä ilman, että mekaaniset ominaisuudet olennaisesti heikkenevät.
Julkaisun aika: 06.03.2025
