Термічна обробка алюмінієвих сплавів

Мета роботи: ознайомитись із видами і режимами термічної обробки алюмінієвих сплавів; з'ясувати сутність структурних перетворень при загартуванні й старінні; набути практичних навичок гартування і старіння алюмінієвих сплавів.

Устаткування, інструменти, матеріали

Муфельна електрична піч, водяна ванна з киплячою водою для старіння, гартувальне середовище (холодна вода), щипці для гартування, годинник, твердомір Роквелла, комплекти зразків термічно зміцнених алюмінієвих сплавів.

Основні відомості з термообробки алюмінієвих сплавів

Деформовані алюмінієві сплави поділяють на дві групи: термічно незміцнені та зміцнені.

До першої групи відносять чистий алюміній, а також сплави системи Al-Mn і Al-Mg. Сплави цієї групи зміцнюються тільки наклепуванням, і до них можна застосувати тільки один вид термообробки — рекристалізаційне відпалювання для знімання наклепу.

Термічно зміцнені сплави, крім відпалювання, піддають гартуванню і старінню. До цієї групи належать сплави систем Al-Cu-Mg; Al-Cu-Mg-Zn; Al-Zn-Mg; Al-Mg-Si ін. Можливість використання гартування з наступним старінням до алюмінієвих сплавів ґрунтується на змінності розчинності легуючих елементів у алюмінії зі зміною температури (рис. 12.1).

Розглянемо механізм гартування алюмінієвих сплавів на прикладі сплаву алюмінію з 5% міді. За кімнатної температура в алюмінії може розчинятися лише до 0,5% міді, а за заевтектичної температури 548 °С — 5,65%, тобто приблизно в 11 разів більше (рис. 12.2). Такий сплав за 20 °С буде складатись із двох фаз — твердого α-розчину міді з алюмінієм у хімічній сполуці CuAl₂. У процесі нагрівання сплаву до високої температури, близької до евтектичної, фаза CuAl₂ повністю розчиняється і вся мідь переходить у твердий α-розчин. Сплав стає однофазним. Якщо нагрітий сплав різко охолодити (загартувати у воді) до кімнатної температури, то виділення фази CuAl₂ із твердого α-розчину затримається і сплав являтиме собою дуже перенасичений твердий розчин міді в алюмінії. Таким чином, мета гартування — одержати перенасичений метастабільний твердий розчин одного або кількох легуючих елементів (Сu, Мg, Zn та ін.) у твердому алюмінії.

Рисунок 12.1 - Залежність розчинності легуючих елементів у алюмінії від температури

Рисунок 12.2 - Частина діаграми стану сплавів алюмінію з міддю

Алюмінієві сплави для гартування потрібно обов'язково охолоджувати у воді, тому що дифузійні процеси в них проходять занадто швидко.

У результаті гартування міцність сплаву підвищується. Такий сплав нестійкий, тому в ньому за кімнатної чи за підвищеної температури проходять зміни, що спричинюють подальше зміцнення. Таке явище називають старінням. Гартування — необхідна умова наступного зміцнення сплаву за рахунок старіння.

Старіння буває природне (за 20 °С) і штучне (за 100–200 °С). За природного старіння на окремих атомних площинах ґратки α-розчину з'являються іони, збагачені міддю (зони Гіньс-Престона) і спричиняють зміцнення сплаву. За штучного старіння процес розпаду твердого розчину йде далі, ніж за природного. Спочатку на базі зон Гіньс-Престона утворюється метастабільна фаза CuAl₂ з тетрагональною ґраткою, а за 200 °С й вище виникає перехід її у стабільну фазу CuAl₂, з кубічною ґраткою, виділившись із твердого розчину з наступною коагуляцією цієї фази. Виділення стабільної фази й особливо її коагуляція призводять до великого знеміцнення сплаву.

На рис. 12.3 показано криві старіння дюралюмінію (сплави системи Аl-Сu-Мg) за різних температур. Старіння дюралюмінію за кімнатної температури починається через 2–3 год і завершується через 4–5 діб. Тривалість нагрівання за штучного старіння залежить від температури старіння. При цьому міцність сплаву спочатку збільшується, досягає максимуму, а потім зменшується. Причому, чим вища температура старіння, тим швидше досягається максимум міцності й тим нижчий цей максимум. За температури 50°С старіння практично зупиняється.

Рисунок 12.3 - Зміна міцності загартованого сплаву Д16 при старінні

Після штучного старіння міцність дюралюмінію стає значно меншою, ніж після природного. Знижується також його корозійна стійкість і пластичність. Тому дюралюміній піддають природному старінню.

Дюралюміній має вузький інтервал температур гартування (500–510°С). Недогрівання призводить до неповного розчину легуючих елементів і зниження міцності, а перегрівання — до окиснення і навіть сплавлення меж зерен (перепалювання).

Порядок виконання роботи

1. Виміряти твердість на комплектах зразків із різних термічно зміцнених алюмінієвих сплавів, підданих повному циклу зміцнювальної термообробки (загартуванню та старінню) і загартованих із різних температур нагрівання.

2. Результати вимірювань занести до табл. 12.1.

Таблиця 12.1 - Залежність твердості алюмінієвих сплавів від температури нагрівання під гартування

Температура нагрівання, °С	Д16Т	АК6-Т1
dвідб., мм	НВ, МПа	dвідб., мм	НВ, МПа

3. За даними табл. 12.1 побудувати графіки залежності твердості НВ досліджених сплавів від температури нагрівання під гартування.

4. Загартувати у воді зразки із сплаву АК6.

5. Виконати старіння загартованих зразків за температури 100°С (у киплячій воді) та 200 °С (у печі) протягом 10, 20 і 40 хв.

6. Виміряти твердість відпалених, свіжозагартованих та зістарених зразків.

7. Результати досліджень занести до табл. 12.2.

Таблиця 12.2 - Зміна твердості сплаву АК6 при старінні

Час старіння, хв	За температури
100°С	200°С
dвідб., мм	НВ, МПа	dвідб., мм	НВ, МПа

8. За даними табл. 12.2 побудувати графік залежності НВ від часу старіння за температури 100 і 200°С.

9. Зробити висновки за виконаною роботою.

Запитання для самоперевірки

1. Класифікація алюмінієвих сплавів за способом їх зміцнення.

2. На якому явищі засноване гартування алюмінієвих сплавів?

3. Як змінюються структура і властивості сплавів за гартування?

4. Схарактеризуйте процес старіння сплавів.

5. Як змінюються властивості дюралюмінію за старіння?

6. Визначте режим зміцнювальної термообробки дюралюмінію.

7. До чого призводить відхилення температури нагрівання під гартування дюралюмінію?

Література: [1, с. 364; 2, с. 207, 3, с. 309].

Лабораторна робота №13