Duralumiiniumi termotöötlus (0)

TTÜ EESTI MEREAKADEEMIA
Üld- ja alusõppekeskus
Felix Laig
DURALUMIINIUMI TERMOTÖÖTLUS
Kodutöö 3
Õppejõud: lektor Aleksander Lill
Tallinn 2017

Sisukord

Duralumiiniumsulamid 3
Alumiiniumsulamite termotöötlus 3
AlCu4Mg keemiline koostis ja omadused 6
Kasutatud kirjandus 7

Duralumiiniumsulamid

Duralumiiniumsulamid on deformeeritavaist alumiiniumsulamitest tuntud oma kerguse ja tugevuse poolest, mistõttu neid kasutatakse palju lennukitööstuses. Sulami tugevusomadused saavutatakse peamiselt termotöötluse teel. Samas on duralumiiniumsulamite termotöötlus oma põhimõtte poolest erinev terase termotöötlusest.
Mitterauasulamid jaotatakse, lähtudes toodete valmistamisviisist, deformeeritavaiks (survetöödeldavaiks) ja valusulameiks, termotöötluse järgi aga termotöödeldavaiks (vanandatavaiks) ja mittetermotöödeldavaiks (mittevanandatavaiks). Alumiiniumisulamite liigituse alusek on Al ja nende põhilisandite faasidiagrammid (joonis 1.1).
Joonis 1.1 Mitterauasulamite liigitus töödeldavuse järgi (faasidiagrammi alusel)
Termotöötluse tulemusena tekib struktuuri dispersne kõvafaas – leiab aset tugevnemine/kõvenemine. Dispersioonkõvendamine on protsess, mille käigus materjali tugevus suureneb termotöötluse tulemusena tekkinud üleküllastunud ühefaasilisest struktuurist väga peenikeste uue faasi osakeste tekkimisel. Kuna tekkivate osakeste hulk kasvab aja möödudes, nimetatakse ka protsessi vanandamiseks. Vanandamise eeltingimuseks on lahustava komponendi maksimaalne lahustumine lahustaja komponendis mitme protsendi ulatuses ning lahustuvuse järsk vähenemine temperatuuri alanedes. Teise faasi moodustumisel struktuuris tekivad materjalis sisepinged mis tõstavad tugevust ja kõvadust. Dispersioonkõvenemine ja martensiidi moodustumine terastes on täiesti erinevad protsessid, kuigi termotöötlus on mõlemal juhul sarnane.

Alumiiniumsulamite termotöötlus

Alumiiniumisulamite tugevdamiseks rakendatakse karastamist ja vanandamist, ebapüsivate struktuuride ja kristallilise ehituse deformatsioonidefektide kõrvaldamiseks ka lõõmutamist. Karastamine seisneb kuumutamises temperatuurini, mil sulami intermetallilised(keemiline ühend) faasid lahustuvad alumiiniumis kas täielikult või osaliselt, sellel temperatuuril seisutamises ja seejärel kiires jahutamises üleküllastatud tardlahuse saamiseks. Al-Cu-sulamite karastustemperatuur on määratud (joonisel 1.2.) joonega ABC: - kuni 5,7% vasesisaldusega sulamite puhul üle lahustuvusjoone AB - suurema vasesisaldusega sulamite korral allpool eutektjoont BC Vanandamine on karastamisel järgnev toatemperatuuril seisutamine mõned ööpäevad. Vanandamise käigus toimuvad üleküllastunud a-tardlahuses muutused, mille tulemusena sulam tugevneb. Loomulikul(20 °C) ja madalatemperatuursel kunstlikul(100...150 °C) vanandamisel ei täheldata üleküllastunud tardlahusest liigse vase eraldumist – toimub vaid vase aatomite ümberpaigutus tardlahuse kristallivõres ja vaserikaste tsoonide teke. Kuumutamisel 200...250 °C toimub stabiilse ühendi CuAl2 teke. Vanandamine põhineb asjaolul, et süsteemi sulamites esineb piiratud lahustuvus , mis erineb suuresti madalal ja kõrgel temperatuuril Vanandamisel tõuseb sulami kõvadus, tõmbetugevus ja voolavuspiir . Seejuures väheneb plastsus ja sitkus. Lõõmutamine võib olla homogeniseeriv või rekristalliseeriv. Homogeniseeriva lõõmutamise eesmärk on kõrvaldada dendriitset likvatsiooni(metalli kristallide koostise ebaühtlust). Lõõmutatakse temperatuuril 450...520 °C kestusega 4...40 h ning jahutatakse õhus või koos ahjuga. Rekristalliseeriva lõõmutamise eesmärk on kõrvaldada kalestumine ja peenendada tera . Lõõmutatakse temperatuuril 350...500 °C kestusega 0,5...2 h. Karastamise ja vanandamise efekt kaob, kui lõõmutada temperatuuril 350...450 °C kestusega 1...2 h
Joonis 1.2 Al-Cu faasidiagrammi Al-sulami struktuuriskeemid
Duralumiiniumil on konstruktsioonimaterjalina olulisemad tugevusomadused, plastse deformeerimise (survetöötlemise) seisukohalt aga plastsusnäitajad. Kuna duralumiiniumi kõvadus ja tugevus muutuvad ühes suunas, plastsus aga vastupidises suunas, saame tugevuse ja plastsuse muutuse üle otsustada tema kõvaduse muutuse järgi.
Joonistel 1.3. ja 1.4 on toodud duralumiiniumi omaduste muutumise kõverad vananemisel . Pärast karastamist esimese 2…3 tunni jooksul omadused muutuvad vähe – see on nn inkubatsiooniperiood, millel on suur tehnoloogiline tähtsus, sest duralumiinium on sel ajal hästi deformeeritav. Loomulikul vananemisel saab karastatud duralumiinium maksimaalse tugevuse (ja kõvaduse) 4…5 ööpäeva pärast. Kunstlikul vananemisel (T = 100…200 oC) saavutatakse märgatav tugevuse ja kõvaduse kasv aga juba mõnekümne minuti jooksul.
Joonis 1.3. Al-Cu sulamite vanandamiskõverad (T=130 °C) ja CuAl2 osakeste lõbimõõt d
Joonis 1.4. Duraalumiiniumi vananemiskõverad

AlCu4Mg keemiline koostis ja omadused

Mark
Keemiline koostis
Mehaanilised omadused
Kuumutustemperatuur
AlCu4Mg
Al +4,5% Cu; 0,5% Mg; 0,8% Mn

• Suur tugevus
  
• Hea kõrgetemperatuurne tugevus
  
• Piiratud korrosiooni kindlus
  
• Piiratud keevitatavus
  
• Hea lõiketöödeldavus termotöödeldult
  

550-600 °C
Tabel 1.1. AlCu4Mg andmed

Kasutatud kirjandus

1. Hendre , E., Kulu P., Kübarsepp J., Metusala T., Tapupere O. (2003). Materjalitehnika. Õpperaamat. TTÜ Kirjastus
2. Kulu P., Saarna M., Tarbe R., Kers, J., Veinthal R. (2010). Materjaliõpetuse praktikumide ja kodutööde juhendid. TTÜ Kirjastus
3. Hendre, E., Kulu P jt. (2015). Mehaanikainseneri käsiraamat. TTÜ Kirjastus