7.1. Термическая обработка алюминиевых сплавов

Структура алюминиевых промышленных сплавов в равновесном состоянии, соответствующем диаграмме, должна представлять собой алюминиевый -твердый раствор c включениями интерметаллидных фаз (CuAl₂), S(Al₂CuMg), Mg₂Si и др. Однако в реальных условиях затвердевания промышленных слитков, а также под действием внешних сил (нагрузки и тепла) происходит изменение равновесного состояния, структуры и свойств сплавов. Получить требуемый комплекс механических и технологических свойств алюминиевых сплавов можно путем термической обработки: отжига, закалки, старения.

Отжиг

Применяется для устранения неравновесного структурного состояния. Гомогенизирующий отжиг устраняет неравновесные структурные составляющие, возникающие в сплаве вследствие неполноты протекания диффузионных процессов при кристаллизации слитков. Неоднородность литой структуры значительно снижает технологическую пластичность сплавов.

В результате гомогенизирующего отжига структура слитка становится более однородной (гомогенной), выравнивается химический состав по сечению зерна. Пластичность слитков в результате гомогенизации значительно возрастает, что положительно сказывается на последующей обработке давлением (прокатке, ковке и др.). Гомогенизирующий отжиг промышленных слитков алюминиевых сплавов проводят при температурах от 450 до 540С, выдержка от 4 до 40 ч (в зависимости от состава сплава), охлаждение с печью или на воздухе.

Рекристаллизационный отжиг устраняет неравновесность структуры, возникающую при холодной или горячей деформации. Его применяют как промежуточную операцию при обработке давлением. В результате отжига в деформированном металле снимается наклеп, протекает процесс рекристаллизации, прочность и твердость снижаются, а пластичность возрастает. Отжиг этого вида осуществляют при температурах 350–500 С в течение 0,5–2 ч.

Неполный (дорекристаллизационный) отжиг дают как окончательную операцию в тех случаях, когда свойства детали должны сочетать прочность и пластичность. Отжиг проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации (при 200–350С), в результате сплав приобретает полигонизованную структуру, поэтому упрочнение от холодной деформации снимается не полностью.

Закалка

Целью закалки является получение при комнатной температуре структурного состояния, свойственного повышенной температуре, а именно пересыщенного твердого раствора. Закалка алюминиевых сплавов основана на переменной растворимости легирующих элементов в твердом растворе. К таким элементам относятся медь, магний, кремний, цинк, присутствующие в сплавах в определенном сочетании. Легирующие элементы образуют интерметаллидные фазы.

Рассмотрим, как происходят фазовые превращения при закалке на примере сплава Аl–4,5%Cu по диаграмме Al-Cu (рис.7.1,б).

В структуре этого сплава имеются кристаллы -фазы и вторичные кристаллы фазы  (СuAl₂). При нагревании до температуры 500С происходит растворение кристаллов интерметаллида СuAl₂ вследствие чего в кристаллической решетке -фазы увеличивается содержание атомов меди от 0,1 % (при комнатной температуре) до 4,5% (в момент достижения температуры закалки). При последующем охлаждении со скоростью больше критической, при которой затормаживаются диффузионные процессы, атомы меди не могут выделиться из решетки алюминия, поэтому в сплаве фиксируется тот твердый раствор, который получился при нагревании (т.е. с содержанием 4,5%Сu). Таким образом, получается -твердый раствор, пересыщенный атомами легирующего элемента.

Критическая скорость закалки большинства алюминиевых сплавов достигается путем охлаждения в воде.