Старение закаленных сплавов.

После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) либо при повышенной температуре несколько часов (искусственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплавов.

Старение представляет собой упрочение сплава за счет дисперсионного твердения, которое вызывается при распаде пересыщенного твердого раствора образованием зон повышенной концентрации легирующих элементов, затрудняющих движение дислокаций, что приводит к повышению прочности и твердости сплава Старение подразделяется на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное, происходящее при нагреве. В сплавах Al-Cu при естественном или низкотемпературном старении (ниже 50°С) образуются зоны Гинье-Престона ГП1 - неупорядоченные скопления атомов меди толщиной 1- 2 атомных слоя и диаметром 10-50 нм (рис. а).

 

 

Повышение температуры старения до 100-150°С приводит к утолщению зон ГП1 и обогащению их медью до стехиометрического соотношения СuАl₂. Такие когерентные зоны обозначаются как ГП 2 (θ ''-фаза). При температурах старения 150-200°С образуется метастабильная θ'-фаза (CuAl₂), имеющая полукогерентную связь с кристаллами α'- фазы (рис. б). При температурах старения свыше 200°С происходит нарушение когерентности θ'-фазы, образование некогерентных (обособленых) частиц θ-фазы (рис. в), их коагуляция (укрупнение), приводящая к снижению твердости и прочности сплава, называемому перестариванием.

Структурное упрочнение. Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюминия с марганцем, хромом, никелем, цирконием, титаном и другими переходными металлами превышает температуру закалки или деформации, поэтому после закалки и старения таких сплавов в них сохраняется нерекристаллизованная (полигонизованная) структура с высокой плотностью дислокаций, что повышает ее прочность по сравнению с рекристаллизованной структурой. Это явление получило название структурного упрочнения. Структурное упрочнение наиболее существенно проявляется в прессованных полуфабрикатах.

Возврат при старении. Возврат - термическая обработка закаленных и естественно состаренных сплавов с целью "возвращения" их в свежезакаленное состояние. Эта обработка бывает необходима тогда, когда упрочненный сплав обладает недостаточной пластичностью. Явление возврата после старения было открыто на дуралюмине. Если естественно состаренный дуралюмин нагреть до температуры примерно 250°С, выдержать 20 — 60 с и быстро охладить, то его свойства возвращаются к значениям, характерным для свежезакаленного состояния. 

Сущность явления возврата состоит в том, что зоны ГП, возникшие при естественном старении, во время нагрева сплава растворяются, метастабильные и стабильные фазы из-за короткой выдержки не успевают образоваться и быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор. Температура обработки дураюмина на возврат (~ 250°С) далека от температуры нагрева под закалку (~ 500 °С), необходимого для растворения стабильных фаз.

После обработки на возврат дуралюмин, как и после обычной перезакалки, способен упрочняться при естественном старении. Повторная обработка на возврат вновь его разупрочняет и т. д. Так как при каждом нагреве до температуры возврата все же успевает в небольшой степени пройти необратимое фазовое старение (особенно по границам зерен), то с каждым циклом свойства несколько отклоняются от свойств свежезакаленного сплава. В частности, усиливается склонность дуралюмина к межкристаллитной коррозии.

Обработку на возврат применяют, когда требуется восстановить пластичность дуралюмина перед гибкой, отбортовкой и т. п., а перезакалка нежелательна из-за коробления. Основной технологический недостаток обработки на возврат — необходимость строгого (с точностью до 10 с) регулирования времени выдержки изделий в селитряной ванне. Если эта выдержка окажется короче оптимальной, то не все зоны ГП растворятся и разупрочнение будет неполным, а при передержке упрочнение произойдет из-за начавшегося фазового старения

 

Отжиг. Диффузионный отжиг (гомогенизация). Этому виду отжига подвергают слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических включений СuАl₂; Аl₂СuМg (S-фаза); Мg₂Si и др. В процессе гомогенизации состав кристаллитов твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются. При охлаждении они выделяются в виде равномерно распределенных включений. Гомогенизация способствует получению мелкозернистой структуры в отожженных местах и уменьшает склонность к коррозии под напряжением. В результате пластичность литого сплава повышается, что позволяет уменьшить технологические отходы. Температура гомогенизации лежит в пределах 450—520°С, выдержка составляет 4—40 ч. Охлаждение проводят на воздухе или вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации. Применяют для снятия наклепа и получения мелкого зерна. Температура рекристаллизованного отжига в зависимости от состава сплава колеблется от 350 до 500°С, выдержка — 0,5-2 ч. После рекристаллизационного отжига сплавов, не упрочняемых термообработкой, скорость охлаждения выбирают произвольно. Для сплавов, упрочняемых термообработкой, скорость охлаждения до 200-250°С должна составлять 30 град/ч. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформациями.

Отжиг для разупрочнения после закалки и старения проводят при температуре 360—450°С с выдержкой 1—2 ч. При этих температурах происходят полный распад перенасыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз. Скорость охлаждения не должна превышать 30 град/ч.

После отжига сплав имеет низкий предел прочности, удовлетворительную пластичность и высокую сопротивляемость коррозии под напряжением.