Ủ và tôi và lão hóa là các loại xử lý nhiệt cơ bản của hợp kim nhôm. Ủ là một phương pháp xử lý làm mềm, mục đích là làm cho hợp kim đồng nhất và ổn định về thành phần và cấu trúc, loại bỏ sự làm cứng khi làm việc và khôi phục tính dẻo của hợp kim. Tôi và lão hóa là một phương pháp xử lý nhiệt tăng cường, mục đích là cải thiện độ bền của hợp kim và chủ yếu được sử dụng cho hợp kim nhôm có thể được gia cường bằng cách xử lý nhiệt.
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 có ứng suất bên trong lớn. Để thay đổi tình trạng này và cải thiện khả năng gia công nóng của phôi, thường phải ủ đồng nhất.
Để thúc đẩy sự khuếch tán nguyên tử, nên chọn nhiệt độ cao hơn cho quá trình ủ đồng nhất, nhưng không được vượt quá nhiệt độ nóng chảy eutectic thấp của hợp kim. Nhìn chung, nhiệt độ ủ đồng nhất thấp hơn nhiệt độ nóng chảy 5~40℃, thời gian ủ chủ yếu là từ 12~24h.
1.2 Ủ phôi
Ủ phôi là quá trình ủ trước khi biến dạng nguội 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 khi làm việc 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 khi làm việc 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 để gia công ống kéo nguội phải cao hơn một cách thích hợp và có thể lựa chọn nhiệt độ giới hạn trên. Đối với hợp kim nhôm có thể được gia cường bằng xử lý nhiệt, 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 và sau đó làm mát bằng không khí ra khỏi lò.
1.3 Ủ trung gian
Ủ trung gian là ủ giữa các quá trình biến dạng nguội, mục đích là để loại bỏ quá trình làm cứng để tạo điều kiện cho quá trình biến dạng nguội liên tục. Nói chung, sau khi vật liệu được ủ, sau khi trải qua 45~85% biến dạng nguội 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 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, và sau đó được nung ở 320~350℃ trong 1,5~2 giờ và 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 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 phải đảm bảo có thể 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 hiệu suất tốt, thời gian giữ không được quá dài. Đối với hợp kim nhôm có thể được gia cường bằng xử lý nhiệt, để ngăn ngừa hiệu ứng làm nguội bằng không khí, tốc độ làm nguội phải được kiểm soát chặt chẽ.
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 cường độ không qua xử lý nhiệt. Việc lập công thức 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 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 lập công thức hệ thống ủ nhiệt độ thấp, cần phải đo đường cong thay đổi giữa nhiệt độ ủ và tính chất cơ học, sau đó xác định phạm vi nhiệt độ ủ theo các chỉ số hiệu suất được chỉ định trong các điều kiện kỹ thuật.
2 Làm nguội
Quá trình tôi hợp kim nhôm còn được gọi là xử lý dung dịch, tức là hòa tan càng nhiều nguyên tố hợp kim trong kim loại dưới 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 ức chế 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 trong 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 ở nhiệt độ phòng của đồng trong nhôm nhỏ hơn 0,1%. Khi đun 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 gia nhiệt vượt quá đường solvus của nó, nghĩa là pha thứ hai CuAl2 hòa tan hoàn toàn trong ma trận và có thể thu được dung dịch rắn α quá bão hòa duy nhất sau khi tôi.
Làm nguội là hoạt động xử lý nhiệt quan trọng nhất và đòi hỏi khắt khe nhất đối với hợp kim nhôm. Điều quan trọng là phải lựa chọn nhiệt độ gia nhiệt làm nguội thích hợp và đảm bảo tốc độ làm nguội làm nguội đủ, đồng thời kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ lò và giảm biến dạng làm nguội.
Nguyên lý lựa chọn nhiệt độ tôi là tăng nhiệt độ gia nhiệt tôi càng nhiều càng tốt, đồng thời đảm bảo hợp kim nhôm không bị cháy quá mức hoặc hạt phát triển quá mức, để tăng độ quá bão hòa của dung dịch rắn α và cường độ sau khi xử lý lão hóa. Nhìn chung, lò nung hợp kim nhôm yêu cầu độ chính xác kiểm soát nhiệt độ lò phải nằm trong phạm vi ±3℃, không khí trong lò phải tuần hoàn cưỡng bức 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 ảnh hưởng 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, đồng thời 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 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 tác động đáng kể đến khả năng tăng cường lão hóa và khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Trong quá trình tôi của LY12 và LC4, cần đảm bảo dung dịch rắn α không bị phân hủy, đặc biệt là trong vùng nhạy cảm với 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 đối với 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 là 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 khi tôi luyện, nhiệt độ nước đôi khi có thể tăng lên 80℃. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi nhiệt độ nước của 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 pha đơn 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 pha đơn và các nguyên tử đồng (chấm đen) được phân bố đều và ngẫu nhiên trong mạng ma trận nhôm (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, 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 thống nhất 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 đó 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 đồng nhất
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 là 10~15nm và 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+GP zone→α+θ”→α+θ'→α+θ. Giai đoạn cấu trúc lão hóa phụ thuộc vào thành phần hợp kim và thông số lão hóa. Thường có nhiều hơn một sản phẩm lão hóa ở cùng một trạng thái. Nhiệt độ lão hóa càng cao, cấu trúc cân bằng càng gần.
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 vị trí 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 tôi (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 gia cường dung dịch rắn. Sau khi tôi, đặt ở nhiệt độ phòng, độ cứng của hợp kim liên tục tăng lên do sự hình thành liên tục của 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 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, đi vào giai đoạn V. Bất kỳ quá trình xử lý lão hóa nào đòi hỏi phải gia nhiệt nhân tạo đều được gọi là lão hóa nhân tạo và giai đoạn IV và V thuộc về 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 nhân tạo chưa hoàn thiện hoặc lão hóa chưa đầy đủ. 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 đun nóng nhanh đến nhiệt độ cao hơn, chẳng hạn như khoảng 200°C, và giữ ấm trong thời gian ngắn, vùng GP sẽ hòa tan trở lại thành 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”, là độ cứng giảm được chỉ ra bởi đường chấm chấm 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
Nói chung, hợp kim nhôm có thể được gia cường bằng xử lý nhiệt có hiệu ứng lão hóa tự nhiên sau khi tôi. Sự gia cường lão hóa tự nhiên là do vùng GP gây ra. 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 và thường mất vài tháng để đạt đến giai đoạn ổn định, vì vậy 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 dai tốt hơn, khả năng chống ăn mòn cao hơn. Tình hình của nhôm siêu cứng hệ Al-Zn-Mg-Cu hơi khác một chút. Khả năng chống ăn mòn sau khi lão hóa nhân tạo thường tốt hơn sau khi 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 độ bền kéo 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 lão hóa và thời gian lão hóa có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất hợp kim. Nhiệt độ lão hóa chủ yếu nằm trong khoảng 120 ~ 190℃ và thời gian lão hóa không quá 24 giờ.
Ngoài quá trình lão hóa nhân tạo một giai đoạn, hợp kim nhôm cũng có thể áp dụng hệ thống lão hóa nhân tạo phân cấp. Tức là, gia nhiệt được thực hiện hai lần trở lên ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ, hợp kim LC4 có thể được lão hóa ở 115~125℃ trong 2~4 giờ và sau đó ở 160~170℃ trong 3~5 giờ. Lão hóa dần dần không chỉ có thể 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 khi gãy mà không làm giảm cơ tính cơ bản.
Thời gian đăng: 06-03-2025
