Trattamento termico di alluminio e leghe di alluminio - soluzioni

Ningbo Hersin in alluminio ealluminioQuando si esegue un trattamento termico, è fondamentale riconoscere i problemi che si incontrano attualmente e perché è importante tenere sotto controllo le fluttuazioni del processo e le deviazioni delle apparecchiature. Per fornire assistenza ai colleghi del settore del trattamento termico, Ningbo Hersin ha riassunto e sintetizzato i problemi di processo più comunemente riscontrati e ha proposto una serie di suggerimenti mirati per risolverli. In seguito, questi argomenti saranno discussi in modo più approfondito.

Problemi legati al trattamento termico

Per il trattamento termico dell'alluminio, i problemi più segnalati includono:

1) Posizionamento errato delle parti

Posizionamento errato - A temperature più elevate durante la soluzione solida, il prodotto è meno rigido e viene facilmente schiacciato e deformato dalla forza di gravità. Un corretto posizionamento (Fig. 1) evita questi problemi.

cercare1. Posizionamento corretto delle parti

2) Riscaldamento/aumento di temperatura troppo rapido-Questo può causare distorsioni termiche e deve essere evitato. Il corretto posizionamento dei pezzi aiuta a riscaldarli in modo uniforme.

3) Livelli di sollecitazione residua superiori al previsto--I trattamenti termici non solo modificano le proprietà meccaniche, ma influiscono anche direttamente sui livelli di stress residuo.

Le cause possibili sono le seguenti: una grande differenza di velocità di raffreddamento tra la superficie e l'interno durante la tempra (anche quando il getto viene raffreddato dopo la solidificazione); un tasso di aumento della temperatura inadeguato; variazioni di temperatura che si verificano in fasi intermedie; e così via.

Le sollecitazioni residue sono legate a fattori quali le (grandi) differenze nelle velocità di raffreddamento, lo spessore della sezione trasversale del pezzo, le variazioni improvvise delle dimensioni della sezione trasversale e la resistenza del materiale. Va ricordato che le sollecitazioni indotte dalla tempra sono molto maggiori di quelle indotte da altri processi, compresa la colata.

4) Fluttuazione dei parametri tempo/temperatura/quenching-Comportano deviazioni nelle proprietà meccaniche e/o fisiche tra i pezzi e tra i lotti.

Le cause possono essere un tempo di trasferimento del pezzo troppo lungo, un indurimento non corretto (troppo lento), un surriscaldamento, un surriscaldamento insufficiente o variazioni dei parametri tempo-temperatura durante l'indurimento per precipitazione. Ad esempio, le particelle più grandi (precipitati) vengono precipitate in caso di tempi troppo lunghi e temperature troppo elevate.

5) Riscaldamento eccessivo--Questo è il momento in cui tende a verificarsi una fusione incipiente o eutettica. Ad esempio, i trattamenti termici in soluzione solida vengono eseguiti a temperature prossime al punto di fusione di molte leghe di alluminio (in particolare della serie 2xxx, che spesso si trovano solo pochi gradi al di sotto del loro punto di fusione). Sono necessarie temperature adeguate per promuovere la dissoluzione degli elementi solidi di lega.

6) Riscaldamento insufficiente--Ciò comporta una perdita delle proprietà meccaniche a causa di una supersaturazione insufficiente. Se la temperatura di invecchiamento è troppo bassa e/o il tempo di invecchiamento è troppo breve, la formazione della zona di aggregazione soluto-atomo (zona GP) non è facilmente raggiungibile, con conseguente bassa resistenza dopo l'invecchiamento.

7) Una tempra insufficiente causa deformazioni--Il problema/difficoltà in quest'area è il movimento del pezzo nel liquido di raffreddamento, soprattutto quando si deve ricorrere alla tempra manuale.

Il pezzo deve entrare nel quenchant senza problemi. Nel gergo dei trattatori termici, si deve evitare di "schiaffeggiare" il pezzo contro il bagno di fusione. Un trasferimento uniforme del calore in tutto il pezzo evita differenze di raffreddamento e di deformazione.

Le variazioni del trasferimento di calore in direzione orizzontale sono di solito più sfavorevoli di quelle in direzione verticale. È importante mantenere il liquido di raffreddamento alla temperatura corretta, controllarne il riscaldamento, assicurarne il flusso uniforme, scegliere il liquido di raffreddamento più adatto (ad esempio, aria, acqua o polimero) e così via.

Ad esempio, la velocità di raffreddamento del polimero può essere regolata per un'applicazione specifica variando la concentrazione, la temperatura e l'intensità dell'agitazione per garantire un trasferimento di calore e una velocità di spegnimento uniformi durante la fase di ebollizione del nucleo. Anche la manutenzione del quenchant è importante. Per i pezzi di forma complessa, come i forgiati, le fusioni, le estrusioni a impatto e i pezzi realizzati con lastre sottili, è possibile utilizzare tassi di tempra più bassi per migliorare il comportamento di deformazione.

8) Pelatura superficiale/ossidazione ad alta temperatura--Questo argomento è trattato in dettaglio in "Ossidazione ad alta temperatura - Un caso di studio".

9) Prescrizione eccessiva--Questo può causare una perdita delle proprietà meccaniche. Se la temperatura di invecchiamento è troppo alta e/o il tempo di invecchiamento è troppo lungo, la dimensione dei nuclei critici delle fasi precipitate nella soluzione solida supersatura aumenta, con conseguente riduzione dell'indice di resistenza dopo l'invecchiamento.

10) Prescrizione inadeguata--Questo può anche comportare la perdita delle proprietà meccaniche.

11) Limitazione naturale impropria--La durata dell'invecchiamento naturale varia da circa 5 giorni per le leghe della serie 2xxx a circa 30 giorni per le altre leghe. Le serie 6xxx e 7xxx sono meno stabili a temperatura ambiente e le variazioni delle proprietà meccaniche possono persistere per molti anni.

Esistono alcune leghe per le quali l'invecchiamento naturale è inibito o ritardato per diversi giorni dopo un trattamento criogenico a -18°C o inferiore.

È prassi comune che la formatura, la raddrizzatura e lo stampaggio vengano completati prima che le proprietà del materiale vengano alterate dall'invecchiamento. Ad esempio, il trattamento criogenico è una misura spesso adottata dai rivetti 2014-T4 per mantenere buone proprietà di rivettatura.

12) Limitazione artificiale impropria--L'invecchiamento artificiale (noto anche come trattamento termico per precipitazione) è un processo più lungo e a bassa temperatura. Il controllo della temperatura è fondamentale e l'uniformità della temperatura di ±6˚C (±10˚F) deve essere rigorosamente garantita. L'obiettivo ottimale per l'uniformità della temperatura dovrebbe essere ±4˚C (±7˚F).

13) Tempo di mantenimento insufficiente- La conseguenza è che non si ottengono le proprietà meccaniche desiderate. Un tempo troppo breve porta a una supersaturazione insufficiente, mentre un tempo troppo lungo tende a deformare il pezzo.

14) Scarsa uniformità della temperatura--Ciò può comportare il mancato raggiungimento delle proprietà meccaniche o addirittura una loro alterazione. I requisiti tipici per l'uniformità della temperatura di processo sono ±6˚C (±10˚F), mentre la maggior parte delle applicazioni aerospaziali prevede ±3˚C (±5˚F).

15) Lavorazione a freddo impropria dopo il trattamento con soluzione solida--Ciò è solitamente dovuto a una mancata comprensione della reazione della lega trattata. Ad esempio, la lavorazione a freddo di una lega della serie 2xxx allo stato bonificato aumenterà notevolmente il grado di reazione ai successivi trattamenti di precipitazione.

(16) Velocità di raffreddamento insufficiente durante la ricottura di prodotti trattati con calore in soluzione-La velocità massima di raffreddamento deve essere mantenuta a 20˚C (40˚F) all'ora finché la temperatura non scende a 290˚C (555˚F). Le velocità di raffreddamento al di sotto di questa temperatura sono meno importanti.

Problemi legati alla fusione

Per inciso, va detto che i lingotti di alluminio in condizioni di fabbrica presentano una serie di difetti che influenzano il successivo trattamento termico e le proprietà meccaniche, tra cui:

1) Buchi/spazialità del centro-Provoca un ritiro insufficiente, una segregazione da idrogeno o un'ossidazione superficiale (spesso dovuta a bolle d'aria).

2) Inclusioni--Impurità di fusione sotto forma di carburi, boruri, ossidi, ecc. (dovute a raffinatori di grani o bolle d'aria)

3) Pregiudizio macro o micro- I componenti soluti, le particelle di composti intermetallici ad alta durezza e le particelle di seconda fase non sono distribuiti in modo uniforme. Una corretta omogeneizzazione aiuta a risolvere questo problema.

4) Deformazione/ritiro-Causa di sollecitazione/deformazione indotta dal raffreddamento

5) Strappo termico--Principalmente a causa di problemi di contrazione.

6) Problemi di laminazione (lastre sottili e spesse) o di duttilità (estrusioni, barre e lamiere) per ottenere proprietà meccaniche più elevate. Tuttavia, il trattamento termico secondario dovrebbe essere evitato se è richiesto un livello di prestazioni più elevato.

osservazioni conclusive

La soluzione alla maggior parte dei problemi legati al trattamento termico dell'alluminio è:

Capire cosa può andare storto; identificare le pratiche e le fasi appropriate; mantenere la coerenza (e la riproducibilità) nell'esecuzione di queste fasi; monitorare il processo in tempo reale, ove possibile; e tenere registrazioni delle operazioni del forno di trattamento termico e dei profili tempo-temperatura per confermare che l'operazione prevista viene effettivamente eseguita.

Infine, è importante garantire che vengano utilizzati metodi di prova appropriati per confermare che i componenti soddisfino i requisiti e funzionino in modo affidabile nell'uso effettivo.

I termotrattatori sono già a conoscenza di questi requisiti, ma sono più critici per il trattamento termico dell'alluminio e delle leghe di alluminio rispetto ad altri settori.