Metallide tehnoloogia, materjalid I Kodutöö nr: 3 (0)

TTÜ EESTI MEREAKADEEMIA
Metallide tehnoloogia , materjalid I
Kodutöö nr: 3
Teema: Duralumiiniumi termotöötlus.
Variant: 4
Üliõpilane: Valery Fedorishchev Õppejõud: A. Lill
Tallinn 2017
Термическая обработка алюминиевых сплавов
Термическая обработка алюминиевых сплавов
Термическую обработку алюминиевых профилей применяют для модификации свойств алюминиевых сплавов, из которых они сделаны, путем изменения их микроструктуры. Основными упрочняющими механизмами в алюминиевых сплавах являются упрочнение за счет легирования твердого раствора и упрочнение за счет выделений вторичных фаз. Как правило, один из этих механизмов в сплаве является доминирующим. 
Твердый раствор алюминиевых сплавов
Твердый раствор получают нагревом алюминиевого сплава, при котором все имеющиеся в нем фазы растворяются с образованием одной гомогенной фазы – алюминия с растворенными в нем легирующими элементами. С повышением температуры растворимость элементов увеличивается, со снижением температуры – снижается. Механизм упрочнения заключается в том, что при достаточно быстром охлаждении алюминиевого сплава растворенные элементы остаются в атомной решетке алюминия и искажают, упруго деформируют ее. Эта искаженная атомная решетка затрудняет движение дислокаций и, следовательно, пластическую деформацию сплава и тем самым повышает его механическую прочность.   
Старение алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы, которые упрочняются старением, содержат определенное количество растворимых легирующих элементов, например, некоторых комбинаций из меди, магния, кремния, марганца и цинка. При соответствующей термической обработке эти растворенные атомы соединяются в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевого сплава. Этот процесс и называют старением, так он происходит «сам собой» при комнатной температуре. Для ускорения и достижения большей эффективности упрочнения алюминиевого сплава старение проводят при повышенной температуре, скажем, 200 °С.    
Закалка алюминиевых профилей на прессе
Закалка на прессе является экономически выгодной технологией термической обработки алюминиевых профилей по сравнению с закалкой с отдельного нагрева. При закалке на прессе охлаждение алюминиевых профилей проводят от температуры, с которой они выходят из матрицы. Необходимое условие для закалки на прессе — интервал температур нагрева алюминиевого сплава под закалку должен совпадать с интервалом температур алюминиевых профилей на выходе из пресса. Это, в принципе, выполняется только для «мягких» и «полутвердых» алюминиевых сплавов – технического алюминия, алюминиевых сплавов серий 3ххх и 6ххх, а также малолегированных сплавов серии 5ххх (с магнием до 3 %) и некоторых алюминиевых сплавов серии 7ххх без легирования медью. Эффект закалки для алюминиевых сплавов 3ххх и 5ххх очень незначителен и, как правило, не принимается во внимание. Окончательные механические свойства алюминиевые сплавы 3ххх и 5ххх принимают не в результате термического упрочнения, а при последующей нагартовке, что может включать и операции термической обработки: один или несколько отжигов. Упрочняющей фазой для сплавов серии 6ххх является соединениеMg2Si.
Термическая обработка алюминиевых сплавов Al-Zn-Mg
Алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg без легирования медью (7020, 7005 (1915), 7003) также относят к «полутвердым» сплавам. Их успешно применяют при изготовлении кузовов вагонов, несущих, в том числе, сварных, конструкций. Эти алюминиевые сплавы успешно подвергаются упрочнению старением, если температура профилей на выходе из пресса составляет хотя бы 400 °С. Чаще всего их применяют вообще без принудительного охлаждения в виду их склонности к коррозии под напряжением. Вместе с тем, например, алюминиевый сплав 1915 обеспечивает даже в горячепрессованном состоянии с естественным старением от 30 до 35 суток предел прочности более 315 МПа.
Таб.1 – типичные режимы термической обработки некоторых сплавов алюминия.
Закалка алюминиевых профилей с отдельного нагрева
Алюминиевые сплавы Al—Cu—Mg и Al—Zn—Mg—Cu, а также сплавы серии Al—Mg при содержании магния более 3 % относят к трудно прессуемым. Алюминиево-магниевые сплавы не подвергаются термическому упрочнению, а процесс термического упрочнения алюминиевых сплавов Al—Cu—Mg и Al—Zn—Mg—Cu(2ххх и 7ххх) значительно отличается от термической обработки сплавов 6ххх, которые всегда закаливают на прессе. Закалку этих сплавов, например, сплавов 7075 и 2024 (Д16),  производят только с отдельного нагрева, чаще всего в вертикальных печах, с последующей быстрой закалкой в вертикальных ваннах-баках с водой. Заключительную операцию термической обработки — операцию старения — проводят или при комнатной температуре (естественное старение) или при заданной повышенной температуре в течение необходимого времени (искусственное старение).
Закалка твердых алюминиевых сплавов
В таблице 2 представлены упрочняющие фазы термически упрочняемых твердых сплавов. При печном нагреве под закалку они растворяются в твердом растворе. Процесс нагрева включает выдержку при заданной температуре для достижения почти гомогенного твердого раствора. Скорость охлаждения алюминиевых профилей от температуры закалки должна превышать некоторую критическую скорость, разную для разных алюминиевых сплавов, чтобы получить максимальные прочностные свойства и сопротивление межкристаллитной в состаренном состоянии. Например, для сплава 7075 скорость охлаждения должна быть не менее чем 300°С/c в температурном интервале от 400 до 280 °С.  В закаленном состоянии алюминиевые сплавы, упрочняемые старением, являются нестабильными. При старении алюминиевых сплавов выделяются субмикроскопические частицы вторичной фазы, которые образуют нерегулярную дислокационную структуру. За счет формирования этой структуры и происходит упрочнение сплава. Размер и распределение этих выделений определяет оптимальные механические свойства алюминиевого сплава. Типичные режимы термической обработки некоторых твердых алюминиевых сплавов приведены в таблице 3. Длительность нагрева зависит от толщины алюминиевых профилей.             
Таб.2 – основные упрочняющие фазы сплавов 2ххх и 7ххх.
Mark
Keemiline koostis
Mehaanilised omadused
Kuumutamis temperatuur
AlCu4Mg1
Si
0.5
Fe
0.5
Cu
3.8-4.9
Mn
0.3-0.9
Mg
1.2-1.8
Märgitähis
VO*
Paksus/läbimõõt,mm
Tõmbetugevus Rm N/mm2
Voolepiir Rp 0,2 N/mm2
Katkevenivus A%
AlCu4Mg1
P
Z
Z
200
10-80
80
250
425
425
150
290
315
12
9
5
AlCu4Mg1
W
0,5-1,4
1,5-2,9
3,0-5,9
220
220
220
140
140
140
12
13
13
650°C
Таб.1 – химический состав, механические свойства, температура нагрева сплава алюминия AlCu4Mg1
VO* - väljastusolek. P – ekstrudeeritud, Z – tõmmatud, W – külmvaltsitud
Termotöötlus
Tõmbetugevus Rm, N/mm2
Temperatuur, °C
Kestus,
min.
Teoreetiline saadud kõvadus
Kasutus
Karastamine
550
19
Loomulik vanandamine
440
20
70
Lennukikonstruktsiooni raskkoormatud osad ja muu tehnika
Kunstlik vanandamine
400-480
130
0,5
40
Lennukikonstruktsiooni raskkoormatud osad ja muu tehnika
400-480
130
1
44
400-480
2
42
Таб.2 – термообработка, сила растяжения, температура, длительность в минутах, применение.
График 1 - HRB
Kasutatud kirjandus:
1. Kulu P. (2005). Materjaliõpetus . Õpperaamat. TTÜ Kirjastus
2. Kulu P., Saarna M., Tarbe R., Kers, J., Veinthal R. (2010). Materjaliõpetuse praktikumide ja kodutööde juhendid. TTÜ Kirjastus
3. Mehaanikainseneri käsiraamat