Wärmebehandlung von Aluminium und Aluminiumlegierungen - Lösungen

Ningbo Hersin im Bereich Aluminium undAluminiumBei der Wärmebehandlung ist es wichtig, die aktuellen Probleme zu kennen und Prozessschwankungen und Geräteabweichungen genau im Auge zu behalten. Um den Kollegen im Bereich der Wärmebehandlung eine Hilfestellung zu geben, hat Ningbo Hersin die am häufigsten auftretenden Prozessprobleme zusammengefasst und eine Reihe von gezielten Vorschlägen zu deren Lösung unterbreitet. Im Folgenden werden diese Themen ausführlicher behandelt.

Fragen zur Wärmebehandlung

Bei der Wärmebehandlung von Aluminium sind die am häufigsten gemeldeten Probleme folgende:

1) Falsche Platzierung der Teile

Falsche Platzierung - Bei höheren Temperaturen während des Mischvorgangs ist das Produkt weniger steif und wird durch die Schwerkraft leicht zerdrückt und verformt. Durch die richtige Platzierung (Abb. 1) werden diese Probleme vermieden.

suchen.1. Richtige Platzierung der Teile

2) Heizung/Temperaturanstieg zu schnell-Dies kann zu thermischen Verformungen führen und sollte vermieden werden. Die richtige Platzierung der Teile hilft, sie gleichmäßig zu erhitzen.

3) Höhere Eigenspannungswerte als erwartet--Wärmebehandlungen verändern nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern wirken sich auch direkt auf das Eigenspannungsniveau aus.

Mögliche Ursachen sind: ein großer Unterschied in den Abkühlungsraten zwischen der Oberfläche und dem Inneren während des Abschreckens (einschließlich der Abkühlung des Gussstücks nach der Erstarrung), eine unangemessene Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs, Temperaturänderungen in Zwischenschritten usw.

Eigenspannungen hängen mit Faktoren wie (großen) Unterschieden in der Abkühlgeschwindigkeit, der Querschnittsdicke des Teils, plötzlichen Änderungen der Querschnittsabmessungen und der Festigkeit des Materials zusammen. Es ist zu bedenken, dass die durch das Abschrecken induzierten Spannungen viel größer sind als die durch andere Verfahren, einschließlich des Gießens, induzierten.

4) Schwankung der Zeit/Temperatur/Abschreckparameter-Sie führen zu Abweichungen in den mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften zwischen Teilen und zwischen Chargen.

Zu den Ursachen gehören eine zu lange Teiletransferzeit, eine unsachgemäße (zu langsame) Aushärtung, Überhitzung, Unterhitzung oder Änderungen der Zeit-Temperatur-Parameter während des Ausscheidungshärtungsprozesses. So werden beispielsweise bei zu langer Zeit und zu hoher Temperatur größere Partikel (Ausscheidungen) ausgeschieden.

5) Übermäßige Erwärmung--Dies ist der Fall, wenn ein beginnendes oder eutektisches Schmelzen auftritt. Beispielsweise werden Mischkristall-Wärmebehandlungen bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt vieler Aluminiumlegierungen (insbesondere der 2xxx-Serie, die oft nur wenige Grad unter ihrem Schmelzpunkt liegt) durchgeführt. Geeignete Temperaturen sind erforderlich, um die Auflösung der festen Legierungselemente zu fördern.

6) Unzureichende Heizung--Dies führt zu einem Verlust der mechanischen Eigenschaften aufgrund einer unzureichenden Übersättigung. Wenn die Alterungstemperatur zu niedrig und/oder die Alterungszeit zu kurz ist, wird die Bildung der Lösungsatom-Aggregationszone (GP-Zone) nicht leicht erreicht, was zu einer geringen Festigkeit nach der Alterung führt.

7) Unzureichendes Abschrecken verursacht Verformung--Das Problem bzw. die Schwierigkeit in diesem Bereich ist die Bewegung des Werkstücks in das Abschreckmittel, insbesondere wenn manuell abgeschreckt werden muss.

Das Teil muss reibungslos in das Abschreckmittel eintreten. Im Fachjargon der Wärmebehandler heißt das, dass das Teil nicht gegen das Abschreckmittel "klatschen" darf. Eine gleichmäßige Wärmeübertragung über das gesamte Teil verhindert Abkühlungsunterschiede und Dehnungsunterschiede.

Änderungen des Wärmeübergangs in horizontaler Richtung sind in der Regel ungünstiger als Änderungen in vertikaler Richtung. Es ist wichtig, das Abschreckmittel auf der richtigen Temperatur zu halten, seine Erwärmung zu kontrollieren, seinen gleichmäßigen Fluss zu gewährleisten, das am besten geeignete Abschreckmittel (z. B. Luft, Wasser oder Polymer) zu wählen usw.

So kann beispielsweise die Abkühlungsgeschwindigkeit des Polymers für eine bestimmte Anwendung angepasst werden, indem die Konzentration, die Temperatur und die Intensität des Rührens variiert werden, um eine gleichmäßige Wärmeübertragung und Abschreckungsgeschwindigkeit während der Siedephase des Kerns zu gewährleisten. Auch die Pflege des Abschreckmittels ist wichtig. Bei Teilen mit komplexen Formen, wie Schmiedestücken, Gussstücken, Fließpressteilen und Teilen aus dünnen Platten, können niedrigere Abschreckraten verwendet werden, um das Verformungsverhalten zu verbessern.

8) Oberflächenschälung/Hochtemperaturoxidation-Wir erörtern dieses Thema ausführlich in "Hochtemperaturoxidation - eine Fallstudie".

9) Übermäßige Verschreibung--Dies kann zu einem Verlust der mechanischen Eigenschaften führen. Wenn die Alterungstemperatur zu hoch und/oder die Alterungszeit zu lang ist, erhöht sich die kritische Keimgröße der ausgefällten Phasen im übersättigten Mischkristall, was zu einem niedrigeren Festigkeitsindex nach der Alterung führt.

10) Unzureichende Verjährungsfrist--Dies kann auch zu einem Verlust der mechanischen Eigenschaften führen.

11) Unzulässige natürliche Begrenzung--Die Dauer der natürlichen Alterung schwankt zwischen etwa 5 Tagen für die Legierungen der 2xxx-Serie und etwa 30 Tagen für die anderen Legierungen. Die 6xxx- und 7xxx-Serien sind bei Raumtemperatur weniger stabil, und die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften können über viele Jahre anhalten.

Es gibt einige Legierungen, bei denen die natürliche Alterung nach einer Tieftemperaturbehandlung bei oder unter -18 °C mehrere Tage lang gehemmt oder verzögert wird.

Es ist gängige Praxis, dass das Umformen, Richten und Stanzen abgeschlossen wird, bevor die Materialeigenschaften durch Alterung verändert werden. So ist beispielsweise die Tieftemperaturbehandlung eine Maßnahme, die bei 2014-T4-Nieten häufig ergriffen wird, um gute Nieteigenschaften zu erhalten.

12) Unzulässige künstliche Begrenzung--Künstliche Alterung (auch bekannt als Ausscheidungswärmebehandlung) ist ein längerer Prozess bei niedrigeren Temperaturen. Die Temperaturkontrolle ist von entscheidender Bedeutung und eine Temperaturgleichmäßigkeit von ±6˚C (±10˚F) muss unbedingt gewährleistet sein. Das optimale Ziel für die Temperaturgleichmäßigkeit sollte ±4˚C (±7˚F) betragen.

13) Unzureichende Haltezeit- Die Folge ist, dass die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden. Eine zu kurze Zeit führt zu einer unzureichenden Übersättigung, während eine zu lange Zeit zu einer Verformung des Teils führt.

14) Schlechte Temperaturgleichmäßigkeit--Dies kann dazu führen, dass die mechanischen Eigenschaften nicht erreicht oder sogar verändert werden. Typische Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Prozesstemperatur sind ±6˚C (±10˚F), während die meisten Luft- und Raumfahrtanwendungen ±3˚C (±5˚F) erwarten.

15) Unsachgemäße Kaltbearbeitung nach der Mischkristallbehandlung--Dies ist in der Regel auf ein mangelndes Verständnis der Reaktion der zu behandelnden Legierung zurückzuführen. Zum Beispiel wird die Kaltverformung einer Legierung der Serie 2xxx im abgeschreckten Zustand das Ausmaß, in dem sie auf nachfolgende Ausscheidungsbehandlungen reagiert, deutlich erhöhen.

(16) Unzureichende Abkühlgeschwindigkeit beim Glühen von lösungsgeglühten Erzeugnissen-Die maximale Abkühlungsrate muss bei 20˚C (40˚F) pro Stunde gehalten werden, bis die Temperatur auf 290˚C (555˚F) fällt. Abkühlungsraten unterhalb dieser Temperatur sind weniger wichtig.

Gussbezogene Fragen

Nebenbei sei erwähnt, dass Aluminiumbarren im Werkszustand eine Reihe von Mängeln aufweisen, die sich auf die nachfolgende Wärmebehandlung und die mechanischen Eigenschaften auswirken können, darunter:

1) Löcher/Zentrumsparsamkeit-Verursacht unzureichende Schrumpfung, Wasserstoffentmischung oder Oberflächenoxidation (oft aufgrund von Luftblasen)

2) Einschlüsse-Gussverunreinigungen in Form von Karbiden, Boriden, Oxiden usw. (durch Kornfeinungsmittel oder Luftblasen)

3) Makro- oder Mikroverzerrung- Gelöste Bestandteile und hochharte Partikel aus intermetallischen Verbindungen und Partikel der zweiten Phase sind nicht gleichmäßig verteilt. Die richtige Homogenisierung hilft, dieses Problem zu lösen.

4) Verformung/Schrumpfung-Ursache für kühlungsbedingte Spannungen/Dehnungen

5) Thermisches Reißen--Hauptsächlich aufgrund von Schrumpfungsproblemen

6) Probleme beim Walzen (dünne und dicke Bleche) oder beim Verformen (Strangpressprofile, Stangen und Bleche) zur Erzielung höherer mechanischer Eigenschaften. Eine sekundäre Wärmebehandlung sollte jedoch vermieden werden, wenn ein höheres Leistungsniveau erforderlich ist.

Schlussbemerkungen

Die Lösung für die meisten Probleme im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Aluminium ist:

Verstehen Sie, was schief gehen kann; ermitteln Sie geeignete Verfahren und Schritte; sorgen Sie für Konsistenz (und Reproduzierbarkeit) bei der Durchführung dieser Schritte; überwachen Sie den Prozess nach Möglichkeit in Echtzeit; und führen Sie Aufzeichnungen über die Vorgänge in den Wärmebehandlungsöfen und die Zeit-Temperatur-Profile, um zu bestätigen, dass der beabsichtigte Vorgang tatsächlich durchgeführt wird.

Schließlich muss sichergestellt werden, dass geeignete Prüfverfahren angewandt werden, um zu bestätigen, dass die Bauteile die Anforderungen erfüllen und im tatsächlichen Gebrauch zuverlässig funktionieren.

Wärmebehandler waren sich dieser Anforderungen schon immer bewusst, aber bei der Wärmebehandlung von Aluminium und Aluminiumlegierungen sind sie noch kritischer als in anderen Bereichen.