Jak klasyfikuje się obróbkę cieplną płyt aluminiowych
Obróbka cieplna to etap, który przekształca walcowaną płytę aluminiową z miękkiego, obrobionego produktu w materiał konstrukcyjny. W praktyce stosowane są cztery grupy.
Obróbka termomechaniczna łączy odkształcenie z cyklem termicznym. Najczęstszym przykładem jest rozciąganie lub ściskanie płyty po hartowaniu w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych.
Obróbka cieplna w roztworze rozpuszcza rozpuszczalne fazy stopowe w wysokiej temperaturze, a następnie chłodzi płytę wystarczająco szybko, aby utrzymać ją w przesyconym roztworze stałym. Powstały w ten sposób niestabilny temperament jest oznaczony jako W.
Utwardzanie wydzieleniowe, czyli sztuczne starzenie, utrzymuje hartowaną płytę w pośredniej temperaturze, dzięki czemu tworzą się drobne wydzielenia wzmacniające. W ten sposób powstają rodziny temperamentów T6 i T7.
Wyżarzanie, oznaczone literą O, zmiękcza płytę poprzez rekrystalizację i służy do przywracania odkształcalności pomiędzy operacjami formowania.
| Hartować | Oznaczający | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|
| O | wyżarzane, całkowicie miękkie | formowanie ciężkie przed hartowaniem wydzieleniowym |
| W | traktowany roztworem, niestabilny | formowanie lub prostowanie przed starzeniem |
| T4 | poddane obróbce roztworowej i naturalnie starzone | Płyta 2xxx uformowana po starzeniu |
| T6 | poddane obróbce roztworem i sztucznie starzone | ogólna płyta konstrukcyjna |
| T651 | T6 plus odprężanie poprzez rozciąganie | obrobiona płyta, szczelna płaskość |
| T73 | traktowane roztworem i przestarzałe | Płyta 7xxx narażona na korozję naprężeniową |
| T7451 | przestarzałe, odprężone przez kompresję | gruba płyta 7xxx dla przemysłu lotniczego |
Jeden punkt jest często błędnie zgłaszany: T651 nie zwiększa siły o 10-15% w porównaniu z T6. Obydwa stany osiągają ten sam stan wydzielenia, a zatem prawie takie same właściwości rozciągające. Różnica polega na naprężeniu szczątkowym. Rozciągnięcie 1,5–3% zastosowane pomiędzy hartowaniem a starzeniem usuwa większość naprężeń hartowniczych, dzięki czemu obrabiana część jest płaska i stabilna wymiarowo.
Obróbka roztworowa i hartowanie
Temperatura obróbki roztworu jest ustalana na podstawie serii stopu i celowo jest utrzymywana poniżej temperatury eutektyki lub początkowej-temperatury topnienia, ponieważ przegrzanie na tym etapie jest nieodwracalne.
| Szereg | Temperatura roztworu | Droga hartowania i starzenia |
|---|---|---|
| 2xxx (Al-Cu) | około 495-505 C | hartowanie zimną wodą; naturalne starzenie do T4 lub sztuczne starzenie w pobliżu 175-190 C do T6 |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | około 529-541 C | gasić w umiarkowanym tempie; sztuczne starzenie się do T6 |
| 7xxx (Al-Zn-Mg) | około 466-482 C | szybkie hartowanie; starzenie się jedno lub dwu-w zależności od temperamentu |
| 5xxx (Al-Mg) | nie dotyczy | nie-poddający się-obróbce cieplnej; wzmocnione jedynie przez umocnienie przez zgniot |
Hartowanie jest częścią cyklu, która najczęściej powoduje problemy. Płyta musi zostać schłodzona wystarczająco szybko, aby stłumić opady podczas upadku w wrażliwym zakresie temperatur; grube profile 7xxx wymagają na ogół szybkości chłodzenia znacznie powyżej 100°C na sekundę na powierzchni, aby zachować dobrą reakcję na starzenie. Ponieważ powierzchnia zawsze ochładza się szybciej niż rdzeń, hartowanie blokuje również gradient naprężeń, który później objawia się jako zniekształcenie, więc równomierność hartowania ma takie samo znaczenie jak prędkość hartowania. Hartowanie natryskowe, hartowanie polimerowe i hartowanie przerywane z krótkim opóźnieniem powietrza przed etapem wodnym są stosowane w celu zamiany niewielkiej twardości na dużą redukcję szoku termicznego i wypaczenia.
Harmonogramy starzenia i wynikające z nich temperamenty
Temperatura i czas sztucznego starzenia dobierają wielkość wydzieleń zapewniającą wymaganą równowagę wytrzymałości, plastyczności i odporności na korozję.
| Stop i temperament | Typowy harmonogram starzenia | Wynik |
|---|---|---|
| 6061-T6 | około 175°C przez 8 godzin | około 310 MPa rozciągania, 12% wydłużenia |
| 2024-T6 | sztuczne starzenie w pobliżu 190 C | wytrzymałość na rozciąganie około 450 MPa, wydłużenie mniejsze niż T4 |
| 7075-T6 | około 121°C przez 24 godziny | około 505-540 MPa wytrzymałości na rozciąganie, wytrąca się eta-prime MgZn2 |
| 7075-T73 | dwa etapy, około 107°C, a następnie 163°C, każdy utrzymywany przez wiele godzin | niższa wytrzymałość, ale znacznie poprawiona odporność na korozję naprężeniową |
Podstawa fizyczna jest prosta. Szczytowe starzenie, w wyniku którego powstaje T6, zapewnia maksymalną gęstość spójnych wydzieleń, a tym samym najwyższą wytrzymałość, ale pozostawia również stop wrażliwy na pękanie korozyjne naprężeniowe i złuszczanie w środowiskach chlorkowych. Przegrzanie, w wyniku którego powstają T73 i T7451, powoduje zgrubienie wydzieleń i utratę pewnej wytrzymałości na rzecz dużego wzrostu odporności na korozję. W serii 7xxx wydzielenia należą do rodziny MgZn2, a śladowe dodatki, takie jak cyrkon, stosuje się w celu spowolnienia rekrystalizacji, tak aby obrobiona struktura przetrwała cykl termiczny.
Redukcja naprężeń i kontrola zniekształceń
Kontrola zniekształceń jest problemem związanym z projektem procesu, a nie problemem kontroli końcowej, dlatego poniższe środki stosuje się łącznie.
Mechaniczne odprężanie: rozciąganie do 1,5-3% dla T651 lub ściskanie dla T7451, stosowane po hartowaniu i przed starzeniem.
Konstrukcja mocowania: sztywne uchwyty prostujące oraz, w przypadku długich płyt, uchwyty podtrzymujące, które utrzymują płytę w etapach rozpuszczania i hartowania.
Jednorodność hartowania: kontrolowane wzory natryskiwania, równomierne mieszanie i, jeśli stop na to pozwala, hartowanie przerywane.
Naddatek na obróbkę: pozostawia wystarczającą ilość naddatku, aby obie powierzchnie mogły zostać oczyszczone po jakimkolwiek ruchu resztkowym.
Symulacja procesu: modele hartowania oparte na elementach skończonych służą do przewidywania wzorca zniekształceń, dzięki czemu można uwzględnić naddatek w wymiarach płyty.
W praktyce lotniczej kontrolowane trzymanie kriogeniczne po hartowaniu jest czasami stosowane jako dodatkowy etap odprężania przed obróbką końcową, co zmniejsza naddatek wymagany w przypadku grubej blachy.
Normy, badania i weryfikacja
Parametry obróbki cieplnej są określane i kontrolowane zgodnie z opublikowanymi normami, a nie uzgadniane nieformalnie pomiędzy hutą a klientem. Główne dokumenty to AMS 2772 dotycząca obróbki cieplnej przesycającej części ze stopów aluminium, AMS 2770 dotycząca obróbki cieplnej kutych stopów aluminium, ASTM B918 dotycząca praktyki obróbki cieplnej wyrobów z kutego aluminium oraz norma pirometryczna AMS 2750, która określa klasę jednorodności temperatury pieca wymaganą dla danej tolerancji. NADCAP AC7102 zapewnia ścieżkę akredytacji dla dostawców obróbki cieplnej dla przemysłu lotniczego.
Testy odbiorcze zwykle obejmują twardość w kilku miejscach płyty, badanie rozciągania zgodnie z ASTM B557 i ASTM E8, pomiar wielkości ziaren zgodnie z ASTM E112 oraz, tam gdzie to określone, kontrolę metalograficzną lub transmisyjną mikroskopią elektronową wielkości i odstępów wydzieleń. Jedna poprawka do powszechnie kopiowanego stwierdzenia: badanie kruchości wodorowej nie jest częścią norm dotyczących obróbki cieplnej aluminium. Dotyczy stali o wysokiej wytrzymałości i podawanie go dla blachy aluminiowej jest błędem w specyfikacji.
Często zadawane pytania
P: Czy T651 zapewnia większą wytrzymałość niż T6?
Nr T651 i T6 osiągają ten sam stan wytrącenia, więc właściwości rozciągające są zasadniczo równe. T651 jest odprężany przez rozciąganie, co poprawia płaskość i stabilność obróbki.
P: Dlaczego szybkość hartowania jest tak krytyczna?
Powolne chłodzenie pozwala na wytrącenie się substancji rozpuszczonej podczas chłodzenia, co powoduje zużycie pierwiastków potrzebnych później do utwardzenia wydzieleniowego. Grube sekcje wymagają dużej szybkości chłodzenia powierzchniowego, dlatego należy kontrolować zarówno szybkość, jak i jednorodność.
P: Czy płytę 5xxx można poddać obróbce cieplnej?
Nie. Stopy Al-Mg nie podlegają-obróbce cieplnej-. Są wzmacniane przez utwardzanie przez odkształcenie, a cykl termiczny powyżej zakresu wyżarzania jedynie je zmiękcza.
P: Jaki zakres temperatur stosuje się do sztucznego starzenia?
Większość stopów do obróbki plastycznej starzeje się w temperaturze od około 120 C do 200 C. Niższe temperatury i dłuższe czasy sprzyjają wytrzymałości szczytowej, podczas gdy wyższe temperatury i nadmierne starzenie poprawiają odporność na korozję pewnym kosztem wytrzymałości.
P: Po co przeciążać płytę do T73 lub T7451?
Przegrzanie powoduje pogrubienie osadów i znacznie poprawia odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe i złuszczanie, co jest niezbędne w przypadku płyt 7xxx stosowanych na zewnątrz lub w konstrukcjach lotniczych.
P: W jaki sposób sprawdzana jest jakość obróbki cieplnej?
Poprzez badania twardości, próby rozciągania próbek z partii zgodnie z normą ASTM B557, określenie wielkości ziaren zgodnie z normą ASTM E112 oraz zapisy procesu wykazujące, że temperatury pieca i hartowania spełniają wymagania pirometrii AMS 2750.