סוגים בסיסיים של טיפול בחום של סגסוגות אלומיניום

חישול, מרווה ויישון הם סוגי טיפולי החום הבסיסיים של סגסוגות אלומיניום. חישול הוא טיפול ריכוך, שמטרתו להפוך את הסגסוגת לאחידה ויציבה בהרכבה ובמבנה, לבטל התקשות בעבודה ולשקם את הפלסטיות של הסגסוגת. מרווה ויישון הוא טיפול בחום לחיזוק, שמטרתו לשפר את חוזק הסגסוגת, ומשמש בעיקר עבור סגסוגות אלומיניום שניתן לחזק באמצעות טיפול בחום.

1 חישול

בהתאם לדרישות הייצור השונות, חישול סגסוגת אלומיניום מחולק למספר צורות: חישול הומוגניזציה של מטילי אלומיניום, חישול בילט, חישול ביניים וחישול מוצר מוגמר.

1.1 חישול הומוגניזציה של מטילי

בתנאים של עיבוי מהיר וגיבוש לא שיווי משקל, המטיל חייב להיות בעל הרכב ומבנה לא אחידים, וגם להיות בעל מאמץ פנימי גדול. על מנת לשנות מצב זה ולשפר את יכולת העיבוד החם של המטיל, נדרש בדרך כלל חישול הומוגני.

על מנת לקדם דיפוזיה אטומית, יש לבחור טמפרטורה גבוהה יותר לחישול הומוגני, אך אסור שתעלה על נקודת ההיתוך האוטקטית הנמוכה של הסגסוגת. באופן כללי, טמפרטורת חישול ההומוגני היא נמוכה ב-5~40℃ מנקודת ההיתוך, וזמן החישול הוא לרוב בין 12~24 שעות.

1.2 חישול בילט

חישול בילט מתייחס לחישול לפני העיוות הקר הראשון במהלך עיבוד בלחץ. המטרה היא לגרום לבילט לקבל מבנה מאוזן וקיבולת עיוות פלסטי מקסימלית. לדוגמה, טמפרטורת סוף הגלגול של לוח סגסוגת אלומיניום מגולגל חם היא 280~330℃. לאחר קירור מהיר בטמפרטורת החדר, לא ניתן לבטל לחלוטין את תופעת ההתקשות בעבודה. בפרט, עבור סגסוגות אלומיניום מחוזקות שטופלו בחום, לאחר קירור מהיר, תהליך ההתגבשות מחדש לא הסתיים, והתמיסה המוצקה הרוויה לא התפרקה לחלוטין, וחלק מאפקט ההתקשות והמרווה בעבודה עדיין נשמר. קשה לגלגל קר ישירות ללא חישול, ולכן נדרש חישול בילט. עבור סגסוגות אלומיניום מחוזקות שלא טופלו בחום, כגון LF3, טמפרטורת החישול היא 370~470℃, וקירור אוויר מתבצע לאחר שמירה על חום למשך 1.5~2.5 שעות. טמפרטורת הבילט והחישול המשמשת לעיבוד צינורות משיכה קרה צריכה להיות גבוהה יותר בהתאם, וניתן לבחור את טמפרטורת הגבול העליונה. עבור סגסוגות אלומיניום שניתן לחזק באמצעות טיפול בחום, כגון LY11 ו-LY12, טמפרטורת חישול הבילט היא 390~450℃, נשמרים בטמפרטורה זו למשך שעה עד 3 שעות, לאחר מכן מקוררים בכבשן מתחת ל-270℃ בקצב של לא יותר מ-30℃/שעה ולאחר מכן מקוררים באוויר אל מחוץ לכבשן.

1.3 חישול ביניים

חישול ביניים מתייחס לחישול בין תהליכי דפורמציה קרה, שמטרתו למנוע התקשות בעבודה כדי להקל על המשך דפורמציה קרה. באופן כללי, לאחר חישול החומר, יהיה קשה להמשיך בעיבוד קר ללא חישול ביניים לאחר שעבר דפורמציה קרה של 45~85%.

מערכת החישול הביניים זהה בעיקרה לזו של חישול בילט. בהתאם לדרישות דרגת העיוות הקר, ניתן לחלק את החישול הביניים לשלושה סוגים: חישול מלא (עיוות מלא ε≈60~70%), חישול פשוט (ε≤50%) וחישול קל (ε≈30~40%). שתי מערכות החישול הראשונות זהות לחישול בילט, והאחרונה מחוממת ב-320~350℃ למשך 1.5~2 שעות ולאחר מכן מקוררת באוויר.

1.4. חישול מוצר מוגמר

חישול מוצר מוגמר הוא טיפול החום הסופי המעניק לחומר תכונות ארגוניות ומכניות מסוימות בהתאם לדרישות התנאים הטכניים של המוצר.

חישול מוצר מוגמר ניתן לחלק לחישול בטמפרטורה גבוהה (ייצור מוצרים רכים) וחישול בטמפרטורה נמוכה (ייצור מוצרים חצי קשים במצבים שונים). חישול בטמפרטורה גבוהה אמור להבטיח קבלת מבנה התגבשות מחדש מלא ופלסטיות טובה. בתנאי שהחומר מקבל מבנה וביצועים טובים, זמן ההחזקה לא צריך להיות ארוך מדי. עבור סגסוגות אלומיניום שניתן לחזק באמצעות טיפול בחום, על מנת למנוע את אפקט קירור האוויר, יש לשלוט בקפדנות בקצב הקירור.

חישול בטמפרטורה נמוכה כולל חישול להפגת מתחים וחישול ריכוך חלקי, המשמשים בעיקר עבור אלומיניום טהור וסגסוגות אלומיניום מחוזקות ללא טיפול בחום. ניסוח מערכת חישול בטמפרטורה נמוכה הוא משימה מורכבת מאוד, אשר לא רק צריכה להתחשב בטמפרטורת החישול ובזמן ההחזקה, אלא גם בהשפעת זיהומים, דרגת הסגסוגת, עיוות קר, טמפרטורת חישול ביניים וטמפרטורת עיוות חמה. כדי לנסח מערכת חישול בטמפרטורה נמוכה, יש צורך למדוד את עקומת השינוי בין טמפרטורת החישול לתכונות מכניות, ולאחר מכן לקבוע את טווח טמפרטורות החישול בהתאם למדדי הביצועים שצוינו בתנאים הטכניים.

2 מרווה

כיבוי סגסוגת אלומיניום נקרא גם טיפול בתמיסה, כלומר להמיס כמה שיותר יסודות סגסוגת במתכת כפאזה שנייה לתוך התמיסה המוצקה באמצעות חימום בטמפרטורה גבוהה, ולאחר מכן קירור מהיר כדי לעכב את משקעי הפאזה השנייה, ובכך לקבל תמיסה מוצקה α מבוססת אלומיניום רוויה יתר על המידה, המוכנה היטב לטיפול ההזדקנות הבא.

הנחת היסוד להשגת תמיסה מוצקה α רוויה-על היא שהמסיסות של הפאזה השנייה בסגסוגת האלומיניום צריכה לעלות משמעותית עם עליית הטמפרטורה, אחרת, לא ניתן להשיג את מטרת הטיפול בתמיסה המוצקה. רוב יסודות הסגסוגת באלומיניום יכולים ליצור דיאגרמת פאזה אוטקטית עם מאפיין זה. אם ניקח לדוגמה סגסוגת Al-Cu, הטמפרטורה האוטקטית היא 548℃, והמסיסות של נחושת באלומיניום בטמפרטורת החדר היא פחות מ-0.1%. כאשר מחוממים ל-548℃, המסיסות שלה עולה ל-5.6%. לכן, סגסוגות Al-Cu המכילות פחות מ-5.6% נחושת נכנסות לאזור הפאזה החד-פאזית α לאחר שטמפרטורת החימום עולה על קו הסולבוס שלהן, כלומר, הפאזה השנייה CuAl2 מתמוססת לחלוטין במטריצה, וניתן לקבל תמיסה מוצקה α רוויה-על אחת לאחר כיבוי.

מרווה היא פעולת טיפול החום החשובה והתובענית ביותר עבור סגסוגות אלומיניום. המפתח הוא לבחור את טמפרטורת החימום המתאימה של המרווה ולהבטיח קצב קירור מספק, ולשלוט בקפדנות בטמפרטורת התנור ולהפחית את עיוות המרווה.

עקרון בחירת טמפרטורת הכיבוי הוא להגדיל את טמפרטורת חימום הכיבוי ככל האפשר, תוך הבטחה שסגסוגת האלומיניום לא תישרף יתר על המידה או שהגרגירים יגדלו יתר על המידה, על מנת להגביר את רוויון היתר של תמיסת ה-α המוצקה ואת החוזק לאחר טיפול ההזדקנות. באופן כללי, תנור חימום מסגסוגת אלומיניום דורש שדיוק בקרת טמפרטורת התנור יהיה בטווח של ±3℃, והאוויר בכבשן נאלץ להסתובב כדי להבטיח אחידות של טמפרטורת התנור.

שריפת יתר של סגסוגת אלומיניום נגרמת מהתכה חלקית של רכיבים בעלי נקודת התכה נמוכה בתוך המתכת, כגון אאוטקטיקה בינארית או רב-אלמנטית. שריפת יתר לא רק גורמת לירידה בתכונות המכניות, אלא גם משפיעה באופן משמעותי על עמידות הסגסוגת בפני קורוזיה. לכן, לאחר שריפת יתר של סגסוגת אלומיניום, לא ניתן להסירה ויש לגרוט את מוצר הסגסוגת. טמפרטורת שריפת היתר בפועל של סגסוגת אלומיניום נקבעת בעיקר על ידי הרכב הסגסוגת ותכולת הטומאה, והיא קשורה גם למצב עיבוד הסגסוגת. טמפרטורת שריפת היתר של מוצרים שעברו עיבוד דפורמציה פלסטית גבוהה מזו של יציקות. ככל שעיבוד הדפורמציה גדול יותר, כך קל יותר לרכיבים בעלי נקודת התכה נמוכה שאינם בשיווי משקל להתמוסס לתוך המטריצה ​​בעת חימום, ולכן טמפרטורת שריפת היתר בפועל עולה.

לקצב הקירור במהלך הקירור של סגסוגת אלומיניום יש השפעה משמעותית על יכולת חיזוק ההזדקנות ועמידותה בפני קורוזיה של הסגסוגת. במהלך תהליך הקירור של LY12 ו-LC4, יש לוודא שתמיסת ה-α המוצקה לא תתפרק, במיוחד באזור הרגיש לטמפרטורה של 290~420℃, ונדרש קצב קירור גדול מספיק. בדרך כלל נקבע שקצב הקירור צריך להיות מעל 50℃/s, ועבור סגסוגת LC4, הוא צריך להגיע או לעלות על 170℃/s.

חומר החימום הנפוץ ביותר לסגסוגות אלומיניום הוא מים. שיטות הייצור מראות שככל שקצב הקירור במהלך החימום גדול יותר, כך גדלים המאמץ השיורי והעיוות השיורי של החומר או חומר העבודה המרופים. לכן, עבור חומרי עבודה קטנים בעלי צורות פשוטות, טמפרטורת המים יכולה להיות מעט נמוכה יותר, בדרך כלל 10~30℃, ולא צריכה לעלות על 40℃. עבור חומרי עבודה בעלי צורות מורכבות והבדלים גדולים בעובי הדופן, על מנת להפחית עיוות וסדקים כתוצאה מהחימום, ניתן לעיתים להעלות את טמפרטורת המים ל-80℃. עם זאת, יש לציין שככל שטמפרטורת המים של מיכל החימום עולה, גם החוזק ועמידות הקורוזיה של החומר יורדים בהתאם.

3. הזדקנות

3.1 טרנספורמציה ארגונית ושינויים בביצועים במהלך ההזדקנות

תמיסת מוצקה α רוויה במיוחד המתקבלת על ידי כיבוי היא מבנה לא יציב. כאשר היא מחוממת, היא מתפרקת ותהפוך למבנה שיווי משקל. אם ניקח לדוגמה את סגסוגת Al-4Cu, מבנה שיווי המשקל שלה צריך להיות α+CuAl2 (פאזה θ). כאשר תמיסת מוצקה α רוויה במיוחד חד-פאזית מחוממת לאחר כיבוי לצורך הזדקנות, אם הטמפרטורה גבוהה מספיק, פאזת θ תשקע ישירות. אחרת, זה יבוצע בשלבים, כלומר, לאחר כמה שלבי מעבר ביניים, ניתן להגיע לפאזה הסופית של שיווי המשקל CuAl2. האיור שלהלן ממחיש את מאפייני מבנה הגביש של כל שלב משקעים במהלך תהליך ההזדקנות של סגסוגת Al-Cu. איור א' מציג את מבנה הסריג הגבישי במצב מרווה. בשלב זה, מדובר בתמיסה מוצקה α רוויה במיוחד חד-פאזית, ואטומי הנחושת (נקודות שחורות) מפוזרים באופן שווה ואקראי בסריג המטריצה ​​של האלומיניום (נקודות לבנות). איור ב' מציג את מבנה הסריג בשלב המוקדם של המשקעים. אטומי הנחושת מתחילים להתרכז באזורים מסוימים של סריג המטריצה ​​ויוצרים אזור גינייה-פרסטון, הנקרא אזור GP. אזור ה-GP קטן ביותר ובעל צורת דיסק, בקוטר של כ-5~10 מיקרומטר ועובי של 0.4~0.6 ננומטר. מספר אזורי ה-GP במטריצה ​​גדול ביותר, וצפיפות ההתפלגות יכולה להגיע ל-10¹⁷~10¹⁸סמ-³. מבנה הגביש של אזור ה-GP עדיין זהה לזה של המטריצה, שניהם בעלי ממורכז פאות קובי, והוא שומר על ממשק קוהרנטי עם המטריצה. עם זאת, מכיוון שגודל אטומי הנחושת קטן יותר מזה של אטומי האלומיניום, העשרת אטומי הנחושת תגרום לסריג הגביש ליד האזור להתכווץ, מה שגורם לעיוות הסריג.

תרשים סכמטי של שינויי מבנה הגביש של סגסוגת Al-Cu במהלך ההזדקנות

איור א. מצב מרווה, תמיסה מוצקה α חד-פאזית, אטומי נחושת (נקודות שחורות) מפוזרים באופן שווה;

איור ב'. בשלב מוקדם של ההזדקנות, נוצר אזור ה-GP;

איור ג'. בשלב המאוחר של ההזדקנות, נוצר שלב מעבר חצי קוהרנטי;

איור ד. הזדקנות בטמפרטורה גבוהה, שקיעה של פאזה לא קוהרנטית של שיווי משקל

אזור GP הוא תוצר טרום-משקע הראשון המופיע במהלך תהליך ההזדקנות של סגסוגות אלומיניום. הארכת זמן ההזדקנות, ובמיוחד העלאת טמפרטורת ההזדקנות, תיצור גם שלבי מעבר ביניים אחרים. בסגסוגת Al-4Cu, ישנן פאזות θ” ו-θ' לאחר אזור GP, ולבסוף מגיעים לפאזה של שיווי משקל CuAl2. θ” ו-θ' הן שתיהן פאזות מעבר של פאזת θ, ומבנה הגביש הוא סריג מרובע, אך קבוע הסריג שונה. גודל θ גדול יותר מזה של אזור GP, עדיין בצורת דיסק, עם קוטר של כ-15~40 ננומטר ועובי של 0.8~2.0 ננומטר. הוא ממשיך לשמור על ממשק קוהרנטי עם המטריצה, אך מידת עיוות הסריג עזה יותר. במעבר מפאזה θ” לפאזה θ', הגודל גדל ל-20~600 ננומטר, העובי הוא 10~15 ננומטר, והממשק הקוהרנטי גם הוא נהרס חלקית, והופך לממשק קוהרנטי למחצה, כפי שמוצג באיור ג'. התוצר הסופי של משקעים מזדקנים הוא פאזה של שיווי משקל θ (CuAl2), שבה הממשק הקוהרנטי נהרס לחלוטין והופך לממשק לא קוהרנטי, כפי שמוצג באיור ד'.

בהתאם למצב הנ"ל, סדר משקעי ההזדקנות של סגסוגת Al-Cu הוא αs→α+GP zone→α+θ”→α+θ'→α+θ. שלב מבנה ההזדקנות תלוי בהרכב הסגסוגת ובמפרט ההזדקנות. לעתים קרובות יש יותר ממוצר הזדקנות אחד באותו מצב. ככל שטמפרטורת ההזדקנות גבוהה יותר, כך המבנה קרוב יותר לשיווי משקל.

במהלך תהליך ההזדקנות, אזור ה-GP ופאזה המעבר הנוצרים מהמטריקס קטנים בגודלם, מפוזרים מאוד, ואינם מתעוותים בקלות. יחד עם זאת, הם גורמים לעיוות סריג במטריצה ​​ויוצרים שדה מאמץ, בעל השפעה מעכבת משמעותית על תנועת הנקעים, ובכך מגדילים את העמידות לעיוות פלסטי של הסגסוגת ומשפרים את חוזקה וקשיחותה. תופעת התקשות ההזדקנות הזו נקראת התקשות משקעים. האיור שלהלן ממחיש את שינוי הקשיות של סגסוגת Al-4Cu במהלך טיפולי מרווה והזדקנות בצורת עקומה. שלב I באיור מייצג את קשיות הסגסוגת במצבה המקורי. עקב היסטוריות שונות של עיבוד חם, קשיות המצב המקורי תשתנה, בדרך כלל HV=30~80. לאחר חימום ב-500℃ ומרווה (שלב II), כל אטומי הנחושת מומסים במטריקס ליצירת תמיסה מוצקה α חד-פאזית רוויה-על עם HV=60, שהיא קשה פי שניים מהקשיות במצב מחושל (HV=30). זוהי תוצאה של חיזוק תמיסה מוצקה. לאחר החימום, הסגסוגת מוקמה בטמפרטורת החדר, וקשיותה עולה בהתמדה עקב היווצרות מתמשכת של אזורי GP (שלב III). תהליך התקשות הזדקנות זה בטמפרטורת החדר נקרא הזדקנות טבעית.

אני - מצב מקורי;

II - מצב תמיסה מוצק;

III—הזדקנות טבעית (אזור GP);

IVa - טיפול רגרסיה ב-150~200℃ (המסה חוזרת באזור GP);

IVb—הזדקנות מלאכותית (שלב θ”+θ');

V—הזדקנות יתר (שלב θ”+θ')

בשלב IV, הסגסוגת מחוממת ל-150 מעלות צלזיוס לצורך הזדקנות, ואפקט ההתקשות ניכר יותר מזה של הזדקנות טבעית. בשלב זה, תוצר המשקע הוא בעיקר פאזה θ”, בעלת אפקט החיזוק הגדול ביותר בסגסוגות Al-Cu. אם טמפרטורת ההזדקנות עולה עוד יותר, פאזת המשקע עוברת מפאזה θ” לפאזה θ', אפקט ההתקשות נחלש והקשיות יורדת, ונכנסת לשלב V. כל טיפול הזדקנות הדורש חימום מלאכותי נקרא הזדקנות מלאכותית, ושלבים IV ו-V שייכים לקטגוריה זו. אם הקשיות מגיעה לערך הקשיות המקסימלי שהסגסוגת יכולה להגיע אליו לאחר ההזדקנות (כלומר, שלב IVb), הזדקנות זו נקראת הזדקנות שיא. אם ערך הקשיות השיא לא מושג, זה נקרא הזדקנות חסרת או הזדקנות מלאכותית לא שלמה. אם ערך השיא נחצה והקשיות יורדת, זה נקרא הזדקנות יתר. טיפול הזדקנות ייצוב שייך גם הוא להזדקנות יתר. אזור ה-GP שנוצר במהלך ההזדקנות הטבעית אינו יציב מאוד. כאשר מחממים אותו במהירות לטמפרטורה גבוהה יותר, כגון כ-200 מעלות צלזיוס, ומשמרים אותו חם לזמן קצר, אזור ה-GP יתמוסס בחזרה לתמיסה מוצקה α. אם הוא מקורר (מרוסן) במהירות לפני שלבי מעבר אחרים כגון משקעים של θ” או θ', ניתן להחזיר את הסגסוגת למצבה המקורי המרוסן. תופעה זו נקראת "רגרסיה", שהיא ירידת הקשיות המסומנת על ידי הקו המקווקו בשלב IVa באיור. לסגסוגת האלומיניום שעברה רגרסיה עדיין יש את אותה יכולת התקשות הזדקנות.

הקשיית גיל היא הבסיס לפיתוח סגסוגות אלומיניום הניתנות לטיפול בחום, ויכולת הקשיית הגיל שלה קשורה ישירות להרכב הסגסוגת ולמערכת הטיפול בחום. לסגסוגות בינאריות Al-Si ו-Al-Mn אין אפקט הקשיית משקעים מכיוון שפאזה שיווי המשקל שוקעת ישירות במהלך תהליך ההזדקנות, והן סגסוגות אלומיניום שאינן ניתנות לטיפול בחום. למרות שסגסוגות Al-Mg יכולות ליצור אזורי GP ופאזות מעבר β', יש להן יכולת הקשיית משקעים מסוימת רק בסגסוגות עתירות מגנזיום. לסגסוגות Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si ו-Al-Zn-Mg-Cu יש יכולת הקשיית משקעים חזקה באזורי ה-GP ובפאזות המעבר שלהן, והן כיום מערכות הסגסוגות העיקריות הניתנות לטיפול בחום ולחיזוק.

3.2 הזדקנות טבעית

באופן כללי, סגסוגות אלומיניום הניתנות לחיזוק באמצעות טיפול בחום מאופיינות בהשפעת הזדקנות טבעית לאחר כיבוי. חיזוק הזדקנות טבעי נגרם על ידי אזור GP. הזדקנות טבעית נמצאת בשימוש נרחב בסגסוגות Al-Cu ו-Al-Cu-Mg. ההזדקנות הטבעית של סגסוגות Al-Zn-Mg-Cu נמשכת זמן רב מדי, ולעתים קרובות לוקח מספר חודשים עד שהן מגיעות לשלב יציב, ולכן מערכת ההזדקנות הטבעית אינה בשימוש.

בהשוואה ליישון מלאכותי, לאחר יישון טבעי, חוזק הכניעה של הסגסוגת נמוך יותר, אך הפלסטיות והקשיחות טובות יותר, ועמידות בפני קורוזיה גבוהה יותר. המצב של אלומיניום סופר-קשה ממערכת Al-Zn-Mg-Cu שונה במקצת. עמידות הקורוזיה לאחר יישון מלאכותי לרוב טובה יותר מזו לאחר יישון טבעי.

3.3 הזדקנות מלאכותית

לאחר טיפול הזדקנות מלאכותית, סגסוגות אלומיניום יכולות לרוב להשיג את חוזק הכניעה הגבוה ביותר (בעיקר חיזוק בשלבי מעבר) ויציבות ארגונית טובה יותר. אלומיניום סופר-קשה, אלומיניום מחושל ואלומיניום יצוק עוברים בעיקר הזדקנות מלאכותית. טמפרטורת ההזדקנות וזמן ההזדקנות משפיעים באופן משמעותי על תכונות הסגסוגת. טמפרטורת ההזדקנות היא לרוב בין 120 ל-190 מעלות צלזיוס, וזמן ההזדקנות אינו עולה על 24 שעות.

בנוסף להזדקנות מלאכותית חד-שלבית, סגסוגות אלומיניום יכולות גם לאמץ מערכת הזדקנות מלאכותית מדורגת. כלומר, חימום מתבצע פעמיים או יותר בטמפרטורות שונות. לדוגמה, ניתן להזדקן סגסוגת LC4 בטמפרטורה של 115~125℃ למשך 2~4 שעות ולאחר מכן בטמפרטורה של 160~170℃ למשך 3~5 שעות. הזדקנות הדרגתית יכולה לא רק לקצר משמעותית את הזמן, אלא גם לשפר את המיקרו-מבנה של סגסוגות Al-Zn-Mg ו-Al-Zn-Mg-Cu, ולשפר משמעותית את עמידות קורוזיה במאמץ, חוזק עייפות וקשיחות שבר מבלי לפגוע באופן מהותי בתכונות המכניות.