3.3. Термообработка цветных сплавов

Для цветных сплавов, как и для сталей, применяют различные виды отжигов: отжиг для снятия внутренних напряжений после механической обработки, диффузионный отжиг, рекристаллизационный отжиг.

Но процессы, происходящие в цветных сплавах при закалке, отличаются от процессов, происходящих в сталях при закалке на мартенсит.

Закалка на твердый раствор – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. Закалка без полиморфного превращения применима к сплавам с переменной растворимостью легирующих элементов, в которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой (рис.3.2,а). Например, в сплаве концентрации В₀ при нагреве до температуры T_ЗАК -фаза растворяется в матричной -фазе, образуется -твердый раствор, обогащенный В компонентом. При последующем охлаждении выделение -фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов системы, но при достаточно быстрой скорости охлаждения с температуры Т_ЗАК диффузия в сплаве подавляется, зарождения и роста кристаллов -фазы не происходит, и сплав состоит из одной -фазы. Она сохраняет повышенную концентрацию компонента В, характерную для высокой температуры и называется пересыщенный твердый раствор. Основное требование при выборе температуры закалки – возможно более полное растворение

а) б)

Рис.3.2. Размер выделений при разной пересыщенности твердого раствора (а); схема микроструктуры алюминиевого сплава, закаленного на твердый раствор и затем состаренного (б)

избыточных фаз в матричной фазе, т.е. нагрев производится выше линии предельной растворимости. Время выдержки выбирают так, чтобы завершились процессы растворения избыточных фаз. При закалке не обязательно очень быстрое охлаждение. Важно лишь, чтобы не произошло распада пересыщенного твердого раствора на отдельные фазы. Для одних сплавов обязательна закалка в холодной воде, другие можно закаливать в масле или на воздухе. Механические свойства сплавов, закаленных на твердый раствор, отличаются от сталей закаленных на мартенсит: сильное упрочнение с одновременным резким снижением пластичности не наблюдается. Наиболее часто встречается вариант небольшого повышения прочности при сохранении высокой пластичности. Основное назначение закалки на пересыщенный твердый раствор – это подготовка сплава к старению.

Старение представляет собой выдержку закаленного сплава со структурой пересыщенного твердого раствора при сравнительно низких температурах Т_СТ, при этом из раствора выделяется дисперсная фаза, отличающаяся от матрицы и химическим составом и структурой (рис.3.2,а). На рис.3.2,б представлена схема микроструктуры закаленного и, затем, состаренного алюминиевого сплава.

Различают естественное и искусственное старение. В закаленных сплавах на основе алюминия и магния диффузионная подвижность атомов при комнатной температуре настолько высока, что распад твердого раствора происходит при этой температуре – наблюдается естественное старение (рис.3.3–1). Если эти сплавы после закалки нагревать, то процесс распада пересыщенного твердого раствора происходит быстрее и полнее, такой процесс называют искусственным старением (рис.3.3–2). В закаленных сплавах на основе меди, никеля и железа диффузионная подвижность атомов при комнатной температуре столь мала, что естественное старение не развивается; эти сплавы подвергают только искусственному старению. Естественное старение происходит при комнатной температуре длительное время (до нескольких суток). Искусственное старение проводят при повышенных температурах в течение нескольких часов.

Наибольшее упрочнение при сохранении пластичности достигается при условии достаточно высокой дисперсности частиц и их равномерного распределения в сплаве. Механизм упрочнения сплава дисперсными частицами подробно рассмотрен в главе 1 (рис. 1.4,а). Дисперсные выделения склонны к укрупнению, при котором мелкие частицы исчезают, а крупные вырастают. Такой процесс, называемый коагуляцией и приводит к снижению прочности сплава (рис.3.3–2). Режим старения выбирают, ориентируясь на достижение максимальной прочности или на достижение оптимального сочетания характеристик прочности, пластичности, коррозионной стойкости. В заключение следует отметить, что закалка с последующим старением – это основной способ упрочняющей термической обработки для цветных сплавов.

Рис.3.3. Изменение прочности _В алюминиевого сплава типа дуралюмин при естественном старении ( t₁=20 С ) и при искусственном старении(t₂= 100С и t₃ = 150С)