Ủ, tôi và lão hóa là các phương pháp xử lý nhiệt cơ bản của hợp kim nhôm. Ủ là phương pháp làm mềm, mục đích là làm cho hợp kim đồng đều và ổn định về thành phần và cấu trúc, loại bỏ hiện tượng tôi khi gia công và khôi phục tính dẻo của hợp kim. Tôi và lão hóa là phương pháp xử lý nhiệt tăng cường, mục đích là cải thiện độ bền của hợp kim, chủ yếu được sử dụng cho các hợp kim nhôm có thể được gia cường bằng nhiệt luyện.
1 Ủ
Theo yêu cầu sản xuất khác nhau, ủ hợp kim nhôm được chia thành một số hình thức: ủ đồng nhất thỏi, ủ phôi, ủ trung gian và ủ thành phẩm.
1.1 Ủ đồng nhất thỏi
Trong điều kiện ngưng tụ nhanh và kết tinh không cân bằng, phôi phải có thành phần và cấu trúc không đồng đều, đồng thời chịu ứng suất bên trong lớn. Để thay đổi tình trạng này và cải thiện khả năng gia công nóng của phôi, thường cần ủ đồng nhất.
Để thúc đẩy sự khuếch tán nguyên tử, nên chọn nhiệt độ cao hơn cho quá trình ủ đồng nhất hóa, nhưng không được vượt quá điểm nóng chảy eutectic thấp của hợp kim. Thông thường, nhiệt độ ủ đồng nhất hóa thấp hơn điểm nóng chảy từ 5-40℃, thời gian ủ thường từ 12-24 giờ.
1.2 Ủ phôi
Ủ phôi là quá trình ủ trước khi biến dạng nguội lần đầu tiên trong quá trình gia công áp suất. Mục đích là để phôi có được cấu trúc cân bằng và có khả năng biến dạng dẻo tối đa. Ví dụ, nhiệt độ đầu cán của tấm hợp kim nhôm cán nóng là 280~330℃. Sau khi làm nguội nhanh ở nhiệt độ phòng, hiện tượng làm cứng bằng dao không thể loại bỏ hoàn toàn. Đặc biệt, đối với hợp kim nhôm cường độ cao đã qua xử lý nhiệt, sau khi làm nguội nhanh, quá trình kết tinh lại vẫn chưa kết thúc và dung dịch rắn quá bão hòa vẫn chưa bị phân hủy hoàn toàn, và một phần hiệu ứng làm cứng và làm nguội bằng dao vẫn được giữ lại. Rất khó để cán nguội trực tiếp mà không qua ủ, vì vậy cần phải ủ phôi. Đối với hợp kim nhôm cường độ cao chưa qua xử lý nhiệt, chẳng hạn như LF3, nhiệt độ ủ là 370~470℃ và làm mát bằng không khí sau khi giữ ấm trong 1,5~2,5 giờ. Nhiệt độ phôi và nhiệt độ ủ được sử dụng trong quá trình gia công ống kéo nguội nên cao hơn mức quy định, và có thể lựa chọn nhiệt độ giới hạn trên. Đối với hợp kim nhôm có thể gia cường bằng nhiệt luyện, chẳng hạn như LY11 và LY12, nhiệt độ ủ phôi là 390-450℃, giữ ở nhiệt độ này trong 1-3 giờ, sau đó làm nguội trong lò xuống dưới 270℃ với tốc độ không quá 30℃/giờ, sau đó làm nguội bằng không khí ra khỏi lò.
1.3 Ủ trung gian
Ủ trung gian là quá trình ủ giữa các quá trình biến dạng nguội, mục đích là loại bỏ hiện tượng tôi cứng khi gia công để tạo điều kiện cho quá trình biến dạng nguội tiếp theo. Nhìn chung, sau khi vật liệu được ủ, sau khi biến dạng nguội 45~85% mà không ủ trung gian sẽ rất khó để tiếp tục gia công nguội.
Hệ thống quy trình ủ trung gian về cơ bản giống với ủ phôi. Theo yêu cầu về mức độ biến dạng nguội, ủ trung gian có thể được chia thành ba loại: ủ hoàn toàn (biến dạng toàn phần ε≈60~70%), ủ đơn giản (ε≤50%) và ủ nhẹ (ε≈30~40%). Hai hệ thống ủ đầu tiên giống với ủ phôi, hệ thống ủ sau được nung ở nhiệt độ 320~350℃ trong 1,5~2 giờ, sau đó làm mát bằng không khí.
1.4. Ủ thành phẩm
Ủ thành phẩm là quá trình xử lý nhiệt cuối cùng nhằm tạo cho vật liệu những tính chất tổ chức và cơ học nhất định theo yêu cầu về điều kiện kỹ thuật của sản phẩm.
Ủ thành phẩm có thể được chia thành ủ nhiệt độ cao (sản xuất sản phẩm mềm) và ủ nhiệt độ thấp (sản xuất sản phẩm bán cứng ở các trạng thái khác nhau). Ủ nhiệt độ cao cần đảm bảo đạt được cấu trúc kết tinh lại hoàn chỉnh và độ dẻo tốt. Trong điều kiện đảm bảo vật liệu đạt được cấu trúc và tính năng tốt, thời gian giữ nhiệt không nên quá dài. Đối với hợp kim nhôm có thể được gia cường bằng nhiệt luyện, để ngăn ngừa hiệu ứng làm nguội bằng không khí, cần kiểm soát chặt chẽ tốc độ làm nguội.
Ủ nhiệt độ thấp bao gồm ủ giảm ứng suất và ủ làm mềm một phần, chủ yếu được sử dụng cho nhôm nguyên chất và hợp kim nhôm gia cường không qua xử lý nhiệt. Việc xây dựng hệ thống ủ nhiệt độ thấp là một nhiệm vụ rất phức tạp, không chỉ cần xem xét nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt mà còn cần xem xét ảnh hưởng của tạp chất, mức độ hợp kim, biến dạng nguội, nhiệt độ ủ trung gian và nhiệt độ biến dạng nóng. Để xây dựng hệ thống ủ nhiệt độ thấp, cần đo đường cong thay đổi giữa nhiệt độ ủ và các tính chất cơ học, sau đó xác định phạm vi nhiệt độ ủ theo các chỉ số hiệu suất được quy định trong các điều kiện kỹ thuật.
2 Làm nguội
Quá trình làm nguội hợp kim nhôm còn được gọi là xử lý dung dịch, tức là hòa tan càng nhiều nguyên tố hợp kim trong kim loại ở dạng pha thứ hai vào dung dịch rắn càng tốt thông qua quá trình nung ở nhiệt độ cao, sau đó làm nguội nhanh để ngăn chặn sự kết tủa của pha thứ hai, do đó thu được dung dịch rắn α gốc nhôm quá bão hòa, được chuẩn bị tốt cho quá trình xử lý lão hóa tiếp theo.
Tiền đề để thu được dung dịch rắn α quá bão hòa là độ hòa tan của pha thứ hai trong hợp kim nhôm phải tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng, nếu không, mục đích xử lý dung dịch rắn không thể đạt được. Hầu hết các nguyên tố hợp kim trong nhôm có thể tạo thành biểu đồ pha eutectic với đặc điểm này. Lấy hợp kim Al-Cu làm ví dụ, nhiệt độ eutectic là 548℃ và độ hòa tan của đồng trong nhôm ở nhiệt độ phòng nhỏ hơn 0,1%. Khi được nung nóng đến 548℃, độ hòa tan của nó tăng lên 5,6%. Do đó, hợp kim Al-Cu chứa ít hơn 5,6% đồng đi vào vùng pha đơn α sau khi nhiệt độ nung vượt quá đường solvus của nó, nghĩa là pha thứ hai CuAl2 hòa tan hoàn toàn trong chất nền và có thể thu được dung dịch rắn α quá bão hòa duy nhất sau khi tôi.
Tôi là công đoạn xử lý nhiệt quan trọng và đòi hỏi khắt khe nhất đối với hợp kim nhôm. Điều quan trọng là phải lựa chọn nhiệt độ gia nhiệt tôi phù hợp và đảm bảo tốc độ làm nguội tôi đủ nhanh, đồng thời kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ lò và giảm biến dạng tôi.
Nguyên lý lựa chọn nhiệt độ tôi là tăng nhiệt độ tôi càng nhiều càng tốt, đồng thời đảm bảo hợp kim nhôm không bị cháy quá mức hoặc hạt phát triển quá mức, từ đó tăng độ bão hòa của dung dịch rắn α và cường độ sau khi xử lý lão hóa. Thông thường, lò nung hợp kim nhôm yêu cầu độ chính xác kiểm soát nhiệt độ lò phải nằm trong khoảng ±3℃, và không khí trong lò phải được tuần hoàn để đảm bảo nhiệt độ lò đồng đều.
Quá trình cháy quá mức của hợp kim nhôm là do sự nóng chảy một phần của các thành phần có điểm nóng chảy thấp bên trong kim loại, chẳng hạn như eutectic nhị phân hoặc đa nguyên tố. Quá trình cháy quá mức không chỉ làm giảm các tính chất cơ học mà còn có tác động nghiêm trọng đến khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Do đó, một khi hợp kim nhôm bị cháy quá mức, nó không thể bị loại bỏ và sản phẩm hợp kim phải bị loại bỏ. Nhiệt độ cháy quá mức thực tế của hợp kim nhôm chủ yếu được xác định bởi thành phần hợp kim và hàm lượng tạp chất, và cũng liên quan đến trạng thái xử lý hợp kim. Nhiệt độ cháy quá mức của các sản phẩm đã trải qua quá trình biến dạng dẻo cao hơn nhiệt độ cháy quá mức của vật đúc. Quá trình biến dạng càng lớn, các thành phần có điểm nóng chảy thấp không cân bằng càng dễ hòa tan vào ma trận khi được gia nhiệt, do đó nhiệt độ cháy quá mức thực tế tăng lên.
Tốc độ làm nguội trong quá trình tôi hợp kim nhôm có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia cường lão hóa và khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Trong quá trình tôi LY12 và LC4, cần đảm bảo dung dịch rắn α không bị phân hủy, đặc biệt là ở vùng nhạy cảm nhiệt độ 290-420℃, và cần tốc độ làm nguội đủ lớn. Thông thường, tốc độ làm nguội phải trên 50℃/giây, và đối với hợp kim LC4, tốc độ này phải đạt hoặc vượt quá 170℃/giây.
Môi trường tôi luyện phổ biến nhất cho hợp kim nhôm là nước. Thực tế sản xuất cho thấy tốc độ làm nguội trong quá trình tôi luyện càng lớn thì ứng suất dư và biến dạng dư của vật liệu hoặc phôi được tôi luyện càng lớn. Do đó, đối với các phôi nhỏ có hình dạng đơn giản, nhiệt độ nước có thể thấp hơn một chút, thường từ 10-30℃, và không được vượt quá 40℃. Đối với các phôi có hình dạng phức tạp và độ dày thành ống chênh lệch lớn, để giảm biến dạng và nứt do tôi luyện, đôi khi nhiệt độ nước có thể được tăng lên đến 80℃. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi nhiệt độ nước trong bể tôi luyện tăng lên, độ bền và khả năng chống ăn mòn của vật liệu cũng giảm theo.
3. Lão hóa
3.1 Chuyển đổi tổ chức và thay đổi hiệu suất trong quá trình lão hóa
Dung dịch rắn α quá bão hòa thu được bằng cách làm nguội là một cấu trúc không ổn định. Khi được đun nóng, nó sẽ phân hủy và chuyển thành cấu trúc cân bằng. Lấy hợp kim Al-4Cu làm ví dụ, cấu trúc cân bằng của nó phải là α + CuAl2 (pha θ). Khi dung dịch rắn α quá bão hòa một pha sau khi làm nguội được đun nóng để lão hóa, nếu nhiệt độ đủ cao, pha θ sẽ được kết tủa trực tiếp. Nếu không, nó sẽ được thực hiện theo từng giai đoạn, nghĩa là sau một số giai đoạn chuyển tiếp trung gian, có thể đạt được pha cân bằng cuối cùng CuAl2. Hình dưới đây minh họa các đặc điểm cấu trúc tinh thể của từng giai đoạn kết tủa trong quá trình lão hóa của hợp kim Al-Cu. Hình a. là cấu trúc mạng tinh thể ở trạng thái làm nguội. Lúc này, nó là dung dịch rắn α quá bão hòa một pha và các nguyên tử đồng (các chấm đen) được phân bố đều và ngẫu nhiên trong mạng ma trận nhôm (các chấm trắng). Hình b. cho thấy cấu trúc mạng ở giai đoạn đầu của quá trình kết tủa. Các nguyên tử đồng bắt đầu tập trung ở một số vùng nhất định của mạng lưới ma trận để tạo thành vùng Guinier-Preston, được gọi là vùng GP. Vùng GP cực kỳ nhỏ và có hình đĩa, với đường kính khoảng 5~10μm và độ dày 0,4~0,6nm. Số lượng vùng GP trong ma trận cực kỳ lớn và mật độ phân bố có thể đạt tới 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Cấu trúc tinh thể của vùng GP vẫn giống như của ma trận, cả hai đều là lập phương tâm mặt và duy trì giao diện mạch lạc với ma trận. Tuy nhiên, do kích thước của các nguyên tử đồng nhỏ hơn kích thước của các nguyên tử nhôm, nên sự làm giàu của các nguyên tử đồng sẽ khiến mạng tinh thể gần vùng này co lại, gây ra sự biến dạng mạng tinh thể.
Sơ đồ cấu trúc tinh thể của hợp kim Al-Cu thay đổi trong quá trình lão hóa
Hình a. Trạng thái dập tắt, dung dịch rắn α pha đơn, các nguyên tử đồng (chấm đen) phân bố đều;
Hình b. Ở giai đoạn đầu của quá trình lão hóa, vùng GP được hình thành;
Hình c. Ở giai đoạn cuối của quá trình lão hóa, một pha chuyển tiếp bán liên tục được hình thành;
Hình d. Lão hóa ở nhiệt độ cao, sự kết tủa của pha cân bằng không liên kết
Vùng GP là sản phẩm tiền kết tủa đầu tiên xuất hiện trong quá trình lão hóa của hợp kim nhôm. Việc kéo dài thời gian lão hóa, đặc biệt là tăng nhiệt độ lão hóa, cũng sẽ hình thành các pha chuyển tiếp trung gian khác. Trong hợp kim Al-4Cu, có các pha θ” và θ' sau vùng GP, và cuối cùng đạt đến pha cân bằng CuAl2. θ” và θ' đều là các pha chuyển tiếp của pha θ và cấu trúc tinh thể là mạng vuông, nhưng hằng số mạng khác nhau. Kích thước của θ lớn hơn kích thước của vùng GP, vẫn có dạng đĩa, với đường kính khoảng 15~40nm và độ dày 0,8~2,0nm. Nó tiếp tục duy trì giao diện mạch lạc với ma trận, nhưng mức độ biến dạng mạng mạnh hơn. Khi chuyển từ pha θ” sang pha θ', kích thước tăng lên 20~600nm, độ dày 10~15nm, giao diện mạch lạc cũng bị phá hủy một phần, trở thành giao diện bán mạch lạc, như thể hiện trong Hình c. Sản phẩm cuối cùng của quá trình kết tủa lão hóa là pha cân bằng θ (CuAl2), tại thời điểm đó, giao diện mạch lạc bị phá hủy hoàn toàn và trở thành giao diện không mạch lạc, như thể hiện trong Hình d.
Theo tình huống trên, thứ tự kết tủa lão hóa của hợp kim Al-Cu là αs→α+Vùng GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. Giai đoạn cấu trúc lão hóa phụ thuộc vào thành phần hợp kim và đặc điểm lão hóa. Thường có nhiều hơn một sản phẩm lão hóa ở cùng một trạng thái. Nhiệt độ lão hóa càng cao, cấu trúc càng gần trạng thái cân bằng.
Trong quá trình lão hóa, vùng GP và pha chuyển tiếp kết tủa từ ma trận có kích thước nhỏ, phân tán cao và không dễ bị biến dạng. Đồng thời, chúng gây ra sự biến dạng mạng trong ma trận và tạo thành trường ứng suất, có tác dụng cản trở đáng kể đến chuyển động của các sai lệch, do đó làm tăng khả năng chống biến dạng dẻo của hợp kim và cải thiện độ bền và độ cứng của nó. Hiện tượng làm cứng lão hóa này được gọi là làm cứng kết tủa. Hình dưới đây minh họa sự thay đổi độ cứng của hợp kim Al-4Cu trong quá trình tôi và xử lý lão hóa dưới dạng đường cong. Giai đoạn I trong hình biểu thị độ cứng của hợp kim ở trạng thái ban đầu. Do lịch sử làm việc nóng khác nhau, độ cứng của trạng thái ban đầu sẽ thay đổi, thường là HV = 30 ~ 80. Sau khi nung ở 500℃ và làm nguội (giai đoạn II), tất cả các nguyên tử đồng được hòa tan vào ma trận để tạo thành dung dịch rắn α siêu bão hòa một pha với HV = 60, cứng gấp đôi độ cứng ở trạng thái ủ (HV = 30). Đây là kết quả của quá trình tăng cường dung dịch rắn. Sau khi tôi, hợp kim được đặt ở nhiệt độ phòng, độ cứng của hợp kim liên tục tăng lên do sự hình thành liên tục của các vùng GP (giai đoạn III). Quá trình tôi cứng lão hóa ở nhiệt độ phòng này được gọi là lão hóa tự nhiên.
Tôi—trạng thái ban đầu;
II—trạng thái dung dịch rắn;
III—lão hóa tự nhiên (vùng GP);
IVa—xử lý hồi quy ở 150~200℃ (hòa tan trở lại trong vùng GP);
IVb—lão hóa nhân tạo (pha θ”+θ');
V—quá lão hóa (pha θ”+θ')
Ở giai đoạn IV, hợp kim được nung đến 150°C để lão hóa và hiệu ứng làm cứng rõ ràng hơn so với lão hóa tự nhiên. Lúc này, sản phẩm kết tủa chủ yếu là pha θ”, có tác dụng làm cứng lớn nhất trong hợp kim Al-Cu. Nếu nhiệt độ lão hóa tiếp tục tăng, pha kết tủa chuyển từ pha θ” sang pha θ', hiệu ứng làm cứng yếu đi và độ cứng giảm, tiến vào giai đoạn V. Bất kỳ quá trình lão hóa nào cần gia nhiệt nhân tạo đều được gọi là lão hóa nhân tạo và giai đoạn IV và V thuộc loại này. Nếu độ cứng đạt đến giá trị độ cứng tối đa mà hợp kim có thể đạt được sau khi lão hóa (tức là giai đoạn IVb), thì quá trình lão hóa này được gọi là lão hóa đỉnh. Nếu không đạt được giá trị độ cứng đỉnh thì được gọi là lão hóa dưới mức hoặc lão hóa nhân tạo không hoàn toàn. Nếu giá trị đỉnh bị vượt qua và độ cứng giảm thì được gọi là lão hóa quá mức. Xử lý lão hóa ổn định cũng thuộc về lão hóa quá mức. Vùng GP hình thành trong quá trình lão hóa tự nhiên rất không ổn định. Khi được nung nóng nhanh đến nhiệt độ cao hơn, chẳng hạn khoảng 200°C, và giữ ấm trong một thời gian ngắn, vùng GP sẽ hòa tan trở lại vào dung dịch rắn α. Nếu làm nguội nhanh (làm nguội) trước khi các pha chuyển tiếp khác như θ” hoặc θ' kết tủa, hợp kim có thể được phục hồi về trạng thái làm nguội ban đầu. Hiện tượng này được gọi là “hồi quy”, tức là độ cứng giảm được biểu thị bằng đường nét đứt ở giai đoạn IVa trong hình. Hợp kim nhôm đã được hồi quy vẫn có cùng khả năng làm cứng lão hóa.
Làm cứng theo tuổi là cơ sở để phát triển hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt, và khả năng làm cứng theo tuổi của nó liên quan trực tiếp đến thành phần hợp kim và hệ thống xử lý nhiệt. Hợp kim nhị phân Al-Si và Al-Mn không có hiệu ứng làm cứng kết tủa vì pha cân bằng được kết tủa trực tiếp trong quá trình lão hóa và là hợp kim nhôm không thể xử lý nhiệt. Mặc dù hợp kim Al-Mg có thể hình thành vùng GP và pha chuyển tiếp β', nhưng chúng chỉ có khả năng làm cứng kết tủa nhất định trong hợp kim có hàm lượng magiê cao. Hợp kim Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si và Al-Zn-Mg-Cu có khả năng làm cứng kết tủa mạnh trong vùng GP và pha chuyển tiếp của chúng, và hiện là hệ hợp kim chính có thể xử lý nhiệt và gia cường.
3.2 Lão hóa tự nhiên
Nhìn chung, hợp kim nhôm có thể gia cường bằng nhiệt luyện có hiệu ứng lão hóa tự nhiên sau khi tôi. Quá trình lão hóa tự nhiên được tạo ra bởi vùng GP. Lão hóa tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong hợp kim Al-Cu và Al-Cu-Mg. Quá trình lão hóa tự nhiên của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu kéo dài quá lâu, thường mất vài tháng để đạt đến trạng thái ổn định, do đó hệ thống lão hóa tự nhiên không được sử dụng.
So với quá trình lão hóa nhân tạo, sau khi lão hóa tự nhiên, giới hạn chảy của hợp kim thấp hơn, nhưng độ dẻo và độ bền tốt hơn, khả năng chống ăn mòn cao hơn. Trường hợp nhôm siêu cứng hệ Al-Zn-Mg-Cu thì hơi khác một chút. Khả năng chống ăn mòn sau khi lão hóa nhân tạo thường tốt hơn so với lão hóa tự nhiên.
3.3 Lão hóa nhân tạo
Sau khi xử lý lão hóa nhân tạo, hợp kim nhôm thường có thể đạt được giới hạn chảy cao nhất (chủ yếu là gia cường pha chuyển tiếp) và độ ổn định tổ chức tốt hơn. Nhôm siêu cứng, nhôm rèn và nhôm đúc chủ yếu được lão hóa nhân tạo. Nhiệt độ và thời gian lão hóa có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của hợp kim. Nhiệt độ lão hóa chủ yếu nằm trong khoảng 120~190℃ và thời gian lão hóa không quá 24 giờ.
Ngoài phương pháp lão hóa nhân tạo một giai đoạn, hợp kim nhôm còn có thể áp dụng hệ thống lão hóa nhân tạo phân cấp. Tức là gia nhiệt hai lần hoặc nhiều lần ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ, hợp kim LC4 có thể được lão hóa ở 115-125℃ trong 2-4 giờ, sau đó ở 160-170℃ trong 3-5 giờ. Lão hóa dần dần không chỉ rút ngắn đáng kể thời gian mà còn cải thiện cấu trúc vi mô của hợp kim Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn ứng suất, độ bền mỏi và độ dẻo dai gãy mà không làm giảm đáng kể các tính chất cơ học.
Thời gian đăng: 06-03-2025
