» » Технология гомогенизационного отжига и отжига слитков для снятия напряжений
20.01.2015

Отжиг слитков проводят для устранения или уменьшения дендритной ликвации компонентов, снятия остаточных. напряжений, возникающих в процессе литья и формирования структуры, обеспечивающей наилучшие технологические свойства. В соответствии с этим различают следующие виды отжига слитков: а) гомогенизационный; б) для уменьшения остаточных напряжений, в) гетерогенизирующий. Эта классификация условна, так как при отжиге может происходить несколько процессов. Так, например, при гомогенизационном отжиге не только устраняются последствия дендритной ликвации, но и уменьшаются остаточные напряжения.
При гомогенизационном отжиге никогда не удается устранить зональную ликвацию, как это иногда ошибочно полагают. Дело в том, что химический состав при го-могенизационном отжиге выравнивается диффузионным путем. За время τ атомы успевают продиффундировать на расстояние δ, сопоставимое с определенным по формуле
δ≈√20τ,

где D — коэффициент диффузии компонента в алюминиевой матрице.
Из этой формулы следует, что время, необходимое для диффузионного выравнивания концентрации, пропорционально квадрату расстояния, на котором выравнивается концентрация компонентов:
τ=δ2/2D.

Расчеты показывают, что время, необходимое для устранения дендритной неоднородности (б равно размеру ячеек), составляет при температурах гомогенизации алюминиевых сплавов несколько часов. Для устранения же зональной ликвидации (δ равно нескольким сантиметрам) потребуются годы выдержки при тех же температурах, что, конечно же, неприемлемо в условиях производства.
Основные параметры режима гомогенизационного отжига - температура и время выдержки. Скорости нагрева имеют несущественное значение. Влияние скорости охлаждения более значительно и будет рассмотрено
Скорость гомогенизационного процесса определяется коэффициентами диффузии легирующих компонентов, возрастающих с повышением температуры. Ориентировочно можно принять, что с увеличением температуры на 40—50° С коэффициенты диффузии возрастают на порядок. Температуру гомогенизационного отжига выбирают разной в зависимости от состава сплава, но близкой к температуре равновесного или неравновесного солидуса.
Для сплавов 1 и 3 на рис. 27 указаны температурные области гомогенизации ниже температур неравновесного солидуса, и такую гомогенизацию называют обычной. Для сплава 2 возможна обычная гомогенизация, а также гомогенизация при температуре выше неравновесного солидуса. В последнем случае при нагреве расплавляются неравновесные фазы, но при последующей выдержке они рассасываются, и сплав вновь затвердевает. Такой вид гомогенизационного отжига называют высокотемпературной гомогенизацией.
Выдержка при температуре гомогенизации приводит к растворению избыточных фаз, а также и выравниванию химического состава по объему ячеек. Скорость гомогенизации существенно зависит от дисперсности неравновесных фаз. Чем мельче дендритные ячейки и тоньше частички неравновесных фаз, тем с большей скоростью и полнотой протекают процессы растворения.
Увеличение скорости охлаждения при кристаллизации приводит к более тонкому микростроению слитка. Поэтому, по В. С. Золотаревскому, продолжительность растворения τр неравновесных эвтектик и фаз при гомогенизации можно оценить по соотношению
Технология гомогенизационного отжига и отжига слитков для снятия напряжений

где К и В — константы для данного сплава; vохл — скорость охлаждения при кристаллизации.
Непосредственно после растворения неравновесных эвтектик и фаз концентрация легирующих элементов остается еще неоднородной по объем) ячеек. Для достаточно полного выравнивания химического состава по объему ячеек требуется гомогенизация продолжительностью τв:
Технология гомогенизационного отжига и отжига слитков для снятия напряжений

где l0 — линейные размеры ячеек; D — коэффициент диффузии легирующих элементов. После отжига продолжительностью τв различие в содержании легирующих элементов по объему ячейки не превышает ошибки химического анализа.
В слитках многокомпонентных алюминиевых сплавов, кроме неравновесных эвтектик и интерметаллических соединении, образовавшихся вследствие дендритной ликвации, содержатся и избыточные фазы или сложные равновесные эвтектики, которые не растворяются при гомогенизационном отжиге. Интерметаллидные фазы часто имеют скелетообразное разветвленное строение, и для перевода их в компактную форму необходимы высокие температуры отжига. Так, для того чтобы в сплаве АМг6 достичь заметной коагуляции разветвленных включений силицида магния, приходится использовать высокотемпературную гомогенизацию сплава при 480—500° С (температура неравновесного солидуса в этом сплаве равна 451, а равновесного 540°С).
После гомогенизации слитки обычно охлаждают на воздухе. При медленном охлаждении успевают протекать процессы выделения из твердого раствора соединений алюминия с компонентами, имеющими высокие скорости диффузии, — медью, магнием, цинком и кремнием. Сплавы разупрочняются и могут быть продеформированы при меньших величинах удельных давлений, чем ли той материал. Однако строчечное расположение выделений, возникающее в процессе деформации, может привести к существенному снижению механических свойств в определенных направлениях.
В результате гомогенизации существенно изменяются механические свойства слитка. Изменения структуры, вызываемые растворением неравновесных и коагуляцией избыточных фаз, обусловливают значительное повышение пластических характеристик при комнатной температуре и технологической пластичности при деформации. При быстром охлаждении после гомогенизации несколько возрастает и прочность сплава. Гомогенизированные слитки, как правило, требуют меньших удельных давлении и допускают большие скорости деформации чем негомогенизированные.
Изменение структуры слитка после гомогенизации оказывает наследственное влияние на свойства деформированных полуфабрикатов. Пластичность, ударная вязкость, выносливость существенно повышаются. Уровень прочностных характеристик зависит от степени распада твердого раствора с выделением соединений алюминия с марганцем, хромом, цирконием н с другими тугоплавкими элементами с малой растворимостью. Если степень распада достаточно велика, то прочностные характеристики полуфабрикатов, полученных с использованием высоких степеней деформации, несколько снижаются. На уровень прочностных характеристик массивных прессованных полуфабрикатов гомогенизация влияет меньше
Гомогенизацию используют не только для повышения свойств сплавов алюминия, упрочняемых термической обработкой, но и в производстве полуфабрикатов из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, таких как технический алюминий, АМц и др.
Гомогенизация слитков технического алюминия позволяет резко снизить анизотропию свойств холоднокатаных листов и уменьшить фестонистость при изготовлении из этих листов изделии методом глубокой штамповки. Полагают, что этот эффект связан с выделением при гомогенизации из твердого раствора соединении, содержащих железо.
Применение гомогенизации слитков сплава АМц позволяет устранить склонность полуфабрикатов к образованию грубозернистой структуры, что связано с выравниванием концентрации марганца в твердом растворе
Режимы гомогенизации слитков, предназначенных для прессования, определяются габаритами и назначением полуфабрикатов. В. А. Ливанов и E Д. Захаров предложили следующую классификацию прессованных полуфабрикатов в зависимости от назначения:
а) полуфабрикаты ответственного назначения (лонжеронные профили, панели, законцовочные профили);
б) массивные прессованные полуфабрикаты с контролем механических свойств по всем направлениям:
в) мелкие серийные профили для ответственных конструкций;
г) мелкие профили для продукции широкого потребления.
Для полуфабрикатов группы важны свойства при статических и динамических нагрузках. Требования к свойствам этих полуфабрикатов могут быть удовлетворены при длительной обычной гомогенизации. При производстве полуфабрикатов группы "б" требуемый уровень свойств может быть обеспечен применением не только обычной, по и высокотемпературной гомогенизации. В этом случае целесообразен ступенчатый режим: на первой ступени проводят нагрев и выдержку при температуре ниже равновесного солидуса, достаточной для растворения неравновесных фаз; на второй ступени применяют выдержку при температуре выше неравновесного, но ниже равновесного солидуса.
Для сплавов группы «в» при низких температурах прессования высокотемпературная гомогенизация не рекомендуется из-за снижения прочностных характеристик сплавов, но ее можно использовать при температурах прессования выше 400° С Режимы гомогенизации сплавов группы «г» должны обеспечивать высокие скорости прессования.
Режимы гомогенизации плоских слитков должны обеспечивать достаточную технологическую пластичность при прокатке и необходимый уровень свойств. Рекомендуемые режимы гомогенизации слитков основных алюминиевых сплавов приведены в табл. 5.
Технология гомогенизационного отжига и отжига слитков для снятия напряжений

Слитки режут обычно после гомогенизации, при которой высокие термические напряжения, свойственные литому слитку, снимаются В ряде случаев гомогенизацию не проводят, а напряжения перед резкой необходимо снять. Тогда применяют отжиг слитков при температурах 275—350° С в течение 1—3 ч. Такая обработка достаточна для устранения остаточных напряжений, и опасность растрескивания слитков при резке снимается, тот температурный интервал для большинства алюминиевых сплавов соответствует минимальной устойчивости твердого раствора Поэтому при отжиге происходит распад пересыщенных растворов в слитке, и сплавы разупрочняются.