I. Überblick über die Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen

Der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen kommt eine entscheidende Bedeutung zu. Es kann die verschiedenen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen deutlich verbessern und ihnen eine größere Rolle in zahlreichen Bereichen ermöglichen. Zu den gängigen Wärmebehandlungsprozessen gehören hauptsächlich Glühen, Abschrecken und Altern.

Durch die Glühbehandlung können die Gussspannungen von Gussteilen und die durch die Bearbeitung verursachten inneren Spannungen beseitigt und die Form und Größe der bearbeiteten Teile stabilisiert werden. Nachdem das Produkt beispielsweise auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und dann mit einer bestimmten Abkühlgeschwindigkeit auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, kann die Mikrostruktur durch Diffusion und Migration von Atomen verbessert werden gleichmäßig und stabil, die inneren Spannungen können beseitigt werden, die Plastizität des Materials kann erheblich verbessert werden, aber die Festigkeit wird verringert. Beim Homogenisierungsglühen von Barren können die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur und die Eigenschaften der Barren durch Halten einer hohen Temperatur über einen langen Zeitraum und anschließendes Abkühlen mit einer bestimmten Geschwindigkeit homogenisiert, die Plastizität des Materials um etwa 20 % erhöht und die Plastizität verringert werden Extrusionsdruck um ca. 20 %, Erhöhung der Extrusionsgeschwindigkeit um ca. 15 % und gleichzeitig Verbesserung der Qualität der Oberflächenbehandlung des Materials.

Beim Abschrecken werden Gussteile aus Aluminiumlegierungen auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt und diese Temperatur mehr als zwei Stunden lang aufrechterhalten, damit sich die löslichen Phasen in der Legierung vollständig auflösen können. Anschließend werden die Gussteile schnell in Wasser abgeschreckt, um sie schnell abzukühlen, sodass sich die verstärkenden Komponenten in der Legierung weitestgehend auflösen und bis zur Raumtemperatur fixiert bleiben. Dieser Vorgang wird auch als Lösungsbehandlung oder Kältebehandlung bezeichnet. Beispielsweise kann bei einigen Legierungsmaterialien mit geringer Abschreckempfindlichkeit eine Lösungsbehandlung durchgeführt werden, indem die hohe Temperatur während der Extrusion ausgenutzt wird, und anschließend kann das Abschrecken durch Luftkühlung (T5) oder Wassernebelkühlung (T6) erfolgen, um bestimmte Ergebnisse zu erzielen Mikrostrukturen und Eigenschaften.

Bei Materialien, die einer Lösungsabschreckung unterzogen wurden, wird eine Alterungsbehandlung durchgeführt. Wenn diese Materialien über einen bestimmten Zeitraum bei Raumtemperatur oder einer relativ hohen Temperatur gehalten werden, zersetzt sich die instabile übersättigte feste Lösung und die Partikel der zweiten Phase fallen aus der übersättigten festen Lösung aus und verteilen sich um die α(Al)-Aluminiumkörner und erzeugt so eine stärkende Wirkung. Bei der natürlichen Alterung können Legierungen wie 2024 bei Raumtemperatur eine ausscheidungsverstärkende Wirkung erzielen. Beim künstlichen Altern zeigen Legierungen wie 7075 bei Raumtemperatur keine offensichtliche Ausscheidungsverfestigungswirkung, aber die Ausscheidungsverfestigungswirkung ist bei relativ hohen Temperaturen signifikant. Die Alterungsbehandlung kann in Unteralterung, Überalterung und mehrstufige Alterung usw. unterteilt werden.

Die Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen wirkt sich positiv sowohl auf die mechanischen Eigenschaften als auch auf die Korrosionsbeständigkeit aus.

Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften kann eine Wärmebehandlung die Kornstruktur verfeinern, die Festigkeit und Härte des Materials erhöhen und gleichzeitig seine Plastizität und Zähigkeit verbessern. Durch die Lösungsbehandlung können beispielsweise feste Lösungselemente wie Cu und Mg in der Legierung innerhalb der Korngrenzen und innerhalb der Körner gleichmäßig verteilt werden, wodurch eine übersättigte feste Lösung entsteht und dadurch die Festigkeit und Härte der Legierung erhöht wird.

Im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit kann eine Wärmebehandlung mikroskopische Defekte und Oberflächenoxidschichten beseitigen, die Oberflächenqualität der Legierung verbessern und ihre Korrosionsbeständigkeit erhöhen. Beispielsweise kann die Lösungsbehandlung die Verteilung der Elemente in der Legierung und die Reinheit der Korngrenzen anpassen, was die Bildung eines gleichmäßigen und dichten Oxidfilms begünstigt und so die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert.

II. Wichtigste Wärmebehandlungsmethoden

(I) Glühbehandlung

Bei der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen spielt die Glühbehandlung eine wichtige Rolle. Es eliminiert hauptsächlich die Gussspannung von Aluminiumlegierungsgussteilen und die durch die Bearbeitung verursachten inneren Spannungen, indem die Aluminiumlegierungsgussteile auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten werden und dann bei geeigneter Kühlung auf Raumtemperatur abgekühlt werden Rate. Diese Behandlung kann die Form und Größe der bearbeiteten Teile stabilisieren und die Mikrostruktur der Aluminiumlegierung gleichmäßiger und stabiler machen.

Beispielsweise kann die Glühbehandlung bei Legierungen der Al-Si-Serie auch dazu führen, dass ein Teil des Si kristallisiert und sphäroidisiert, wodurch die Plastizität der Legierung deutlich verbessert wird. Forschungsdaten zufolge kann die Plastizität der Aluminiumlegierung nach der Glühbehandlung um etwa 20 % gesteigert werden. Der spezifische Prozess besteht darin, die Gussteile aus Aluminiumlegierung auf 280–300 °C zu erhitzen, sie 2–3 Stunden lang auf dieser Temperatur zu halten und sie dann zusammen mit dem Ofen auf Raumtemperatur abzukühlen, so dass sich die feste Lösung langsam zersetzt und der Niederschlag ausfällt Partikel der zweiten Phase aggregieren und somit wird die innere Spannung der Gussteile beseitigt, wodurch die Ziele der Stabilisierung der Größe, der Verbesserung der Plastizität und der Reduzierung der Verformung erreicht werden.

(II) Abschrecken

Das Abschrecken ist einer der Schlüsselschritte bei der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen. Normalerweise werden Gussteile aus Aluminiumlegierungen auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt, im Allgemeinen nahe am Schmelzpunkt des Eutektikums, meist über 500 °C, und länger als 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, damit sich die löslichen Phasen innerhalb der Legierung vollständig auflösen können . Anschließend werden die Gussstücke schnell in Wasser mit einer Temperatur von 60–100 °C abgeschreckt, um sie schnell abzukühlen. Durch einen solchen Vorgang lösen sich die Verstärkungselemente in der Legierung weitestgehend auf und bleiben bis zur Raumtemperatur fixiert.

Beispielsweise kann bei einigen Legierungsmaterialien mit geringer Abschreckempfindlichkeit eine Lösungsbehandlung durchgeführt werden, indem die hohe Temperatur während der Extrusion ausgenutzt wird, und anschließend kann das Abschrecken durch Luftkühlung (T5) oder Wassernebelkühlung (T6) erfolgen, um bestimmte Ergebnisse zu erzielen Mikrostrukturen und Eigenschaften. Während des Abschreckprozesses hofft man, dass die Legierung Eigenschaften wie einen breiten Temperaturbereich zwischen der Löslichkeitslinie und der Soliduslinie, eine geringe Extrusionsverformungskraft bei der Lösungstemperatur und eine geringe Abschreckempfindlichkeit aufweist.

(III) Alterungsbehandlung

Die Alterungsbehandlung ist ein technologischer Prozess, bei dem die abgeschreckten Aluminiumlegierungsgussteile auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten, aus dem Ofen genommen und an der Luft abgekühlt werden, bis sie Raumtemperatur erreichen, um sie zu zersetzen übersättigte feste Lösung und stabilisieren die Mikrostruktur der Legierungsmatrix.

Während des Alterungsbehandlungsprozesses der Legierung durchläuft sie mit steigender Temperatur und zunehmender Zeit mehrere Phasen, einschließlich des Verschwindens des Gitterbereichs der übersättigten festen Lösung und der Trennung von Atomen der zweiten Phase entsprechend bestimmter Regeln und die Bildung von G-PII-Regionen, die anschließende Bildung metastabiler zweiter Phasen (Übergangsphasen), die Kombination einer großen Anzahl von G-PII und einer kleinen Anzahl metastabiler Phasen sowie die Transformation von metastabile Phasen in stabile Phasen und die Aggregation von Partikeln der zweiten Phase. Die Alterungsbehandlung kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: natürliche Alterung und künstliche Alterung. Unter natürlicher Alterung versteht man die Alterung, bei der die Alterungsverfestigung bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Die künstliche Alterung wird weiter unterteilt in unvollständige künstliche Alterung, vollständige künstliche Alterung und Überalterung.

(IV) Zyklenbehandlung Die Zyklenbehandlung ist eine ganz besondere Wärmebehandlungsmethode für Aluminiumlegierungen. Die Gussteile aus Aluminiumlegierung werden auf eine bestimmte Minustemperatur (z. B. -50 °C, -70 °C, -195 °C) abgekühlt und für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten. Anschließend werden die Gussstücke auf unter 350 °C erhitzt, wodurch sich das Gitter der mittelfesten Lösung in der Legierung wiederholt zusammenzieht und ausdehnt und die Körner jeder Phase sich leicht verschieben. Der Zweck besteht darin, die atomaren Segregationsbereiche innerhalb des Kristallgitters dieser festen Lösungen und der Partikel intermetallischer Verbindungen in einen stabileren Zustand zu bringen, um so das Ziel zu erreichen, die Abmessungen und Volumina der Produktteile stabiler zu machen. Dieser Wärmebehandlungsprozess mit wiederholtem Erhitzen und Abkühlen eignet sich für Teile, die während des Gebrauchs eine hohe Präzision und stabile Abmessungen erfordern. Im Allgemeinen wird diese Behandlung bei gewöhnlichen Gussteilen nicht durchgeführt. III. Schlüsselelemente der Wärmebehandlung #(I) Anforderungen an Wärmebehandlungsgeräte Wärmebehandlungsgeräte spielen eine entscheidende Rolle im Wärmebehandlungsprozess von Aluminiumlegierungen. Da der Temperaturunterschied zwischen den Abschreck- und Alterungstemperaturen von Aluminiumlegierungen nicht groß ist, sollte der Temperaturunterschied im Ofen erstens innerhalb von ±5 °C gehalten werden. Dies liegt daran, dass die Abschrecktemperatur von Aluminiumlegierungen nahe am Schmelzpunkt der eutektischen Komponenten mit niedrigem Schmelzpunkt innerhalb der Legierung liegt. Ein zu großer Temperaturunterschied kann zu einer ungleichmäßigen Mikrostruktur der Aluminiumlegierung führen und so deren Eigenschaften beeinträchtigen. Wenn beispielsweise in der tatsächlichen Produktion der Temperaturunterschied im Ofen ±5 °C übersteigt, kann der Grad der festen Lösung von Aluminiumlegierungsgussteilen an verschiedenen Stellen variieren, was sich dann auf die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Härte auswirkt. Zweitens ist es erforderlich, dass die Temperaturmess- und Temperaturkontrollinstrumente empfindlich und genau sind, um sicherzustellen, dass die Temperatur innerhalb des oben genannten Fehlerbereichs liegt. Die Genauigkeit der Temperaturmess- und Temperaturregelgeräte sollte nicht unter der Note 0,5 liegen. Auf diese Weise kann die Temperatur im Ofen präzise gesteuert werden, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Wärmebehandlungsprozesses zu gewährleisten. Einige fortschrittliche Wärmebehandlungsgeräte sind beispielsweise mit hochpräzisen Temperaturmess- und Temperaturkontrollinstrumenten ausgestattet, die die Temperatur im Ofen in Echtzeit überwachen und automatische Anpassungen entsprechend der voreingestellten Temperaturkurve vornehmen können, um sicherzustellen, dass Gussteile aus Aluminiumlegierung immer intakt sind eine geeignete Temperaturumgebung während des Wärmebehandlungsprozesses. Darüber hinaus sollte die Temperatur in jeder Zone im Ofen gleichmäßig sein und einen Unterschied im Bereich von 1 bis 2 °C aufweisen. Um dieses Ziel zu erreichen, sind Wärmebehandlungsgeräte normalerweise mit einer Zirkulationsvorrichtung ausgestattet, um sicherzustellen, dass die heiße Luft im Ofen gleichmäßig strömen kann, sodass Gussteile aus Aluminiumlegierung an allen Teilen gleichmäßig erhitzt und abgekühlt werden können. Beispielsweise verfügen einige große Wärmebehandlungsöfen für Aluminiumlegierungen über ein Zwangsumlauflüftungssystem. Hochleistungsventilatoren blasen heiße Luft gleichmäßig auf Gussteile aus Aluminiumlegierung und halten so die Temperatur in jeder Zone im Ofen in einem kleinen Bereich. Der Abschreckbehälter verfügt außerdem über Heiz- und Zirkulationsvorrichtungen, um die Erwärmung des Wassers und die Gleichmäßigkeit seiner Temperatur zu gewährleisten. Das Abschrecken ist einer der Schlüsselschritte bei der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen, und die Temperaturgleichmäßigkeit des Abschreckmediums wirkt sich direkt auf die Kühlwirkung und die mechanischen Eigenschaften der Gussteile aus. Wenn beispielsweise während des Abschreckvorgangs die Temperatur des Abschreckmediums nicht gleichmäßig ist, kann dies zu unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten von Aluminiumlegierungsgussteilen an verschiedenen Teilen führen, was zu Problemen wie inneren Spannungen und ungleichmäßiger Mikrostruktur führt. Daher können die Heiz- und Zirkulationsvorrichtungen des Abschreckbehälters sicherstellen, dass die Temperatur des Abschreckmediums immer in einem geeigneten Bereich gehalten wird, wodurch die Abschreckwirkung und die Qualität der Gussteile verbessert werden. Abschließend sollte das verunreinigte Kühlwasser regelmäßig überprüft und ausgetauscht werden. Während des Abschreckvorgangs kann das Kühlwasser durch Verunreinigungen und Oxide auf der Oberfläche von Gussteilen aus Aluminiumlegierung verunreinigt werden, wodurch die Kühlwirkung und die Qualität der Gussteile beeinträchtigt werden. Daher gehört die regelmäßige Kontrolle und der Austausch des verunreinigten Kühlwassers zu den wichtigen Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität der Wärmebehandlung. Einige Unternehmen haben beispielsweise strenge Vorschriften zum Kühlwassermanagement formuliert und testen und ersetzen das Kühlwasser regelmäßig, um einen reibungslosen Ablauf des Abschreckprozesses sicherzustellen.

(II) Abschreckmedien Abschreckmedien sind wichtige Faktoren, um das Erreichen verschiedener Zwecke oder Wirkungen der Wärmebehandlung sicherzustellen. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit des Abschreckmediums ist, desto intensiver (schneller) wird die Abkühlung des Gussteils erfolgen und desto höher ist der Grad der Übersättigung der α-Mischkristalllösung in der Metallmikrostruktur, was zu besseren mechanischen Eigenschaften führt das Casting. Dies liegt daran, dass eine große Anzahl festigender Phasen wie intermetallische Verbindungen in der α-Mischkristalllösung von Al gelöst sind. Studien haben beispielsweise gezeigt, dass die Verwendung von PAG-Abschreckflüssigkeiten mit unterschiedlichen Konzentrationen unterschiedliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, die Polarisationskurveneigenschaften und die interkristallinen Korrosionseigenschaften der 7249-Aluminiumlegierung hat. Die mit 30 % PAG-Abschreckflüssigkeit abgeschreckte Legierung weist die beste Festigkeit und Plastizität auf, mit einem geringen Korrosionsstrom und einer geringen Korrosionsrate während des Polarisationsprozesses. Es weist eine gute interkristalline Korrosionsbeständigkeit auf und gewährleistet gleichzeitig eine relativ hohe Festigkeit und Plastizität sowie die beste Gesamtleistung. Ein weiteres Beispiel ist, dass bei Blechen aus der Aluminiumlegierung 2519A die Festigkeit der Legierung, die in verschiedenen Medien abgeschreckt und vorverformt wurde, höher ist als die der Legierung ohne Verformung. Im T8-Zustand weist die Legierung die höchste Zugfestigkeit auf, wenn sie in Wasser bei 20 °C abgeschreckt wird; und es hat die geringste Zugfestigkeit, wenn es an der Luft abgeschreckt wird. Unterdessen sind die interkristalline Korrosionsbeständigkeit und die Abblätterungskorrosionsbeständigkeit der Legierung, die in verschiedenen Medien abgeschreckt und vorverformt wurde, besser als die der Legierung ohne Verformung. Die in Wasser bei 20 °C abgeschreckte Legierung weist die beste Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion und Abblätterungskorrosion auf, während die an Luft abgeschreckte Legierung die schlechteste Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion und Abblätterungskorrosion aufweist. Darüber hinaus hat auch die Temperatur des Abschreckwassers Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen. Studien haben gezeigt, dass die Festigkeit und Härte von Legierungsproben von der Temperatur des Abschreckwassers abhängt und dass durch Abschrecken bei 80 °C Legierungsmaterialien mit der besten Gesamtleistung erhalten werden können. Bei dieser Abschreckwassertemperatur ist der Bruchmodus der Legierungsproben hauptsächlich ein duktiler Bruch, begleitet von lokaler Spaltung, und die Legierung weist relativ gute mechanische Eigenschaften auf.

(III) Instrumente und Materialien zur Temperaturmessung und Temperaturregelung

Die Genauigkeit der Temperaturmess- und Temperaturregelgeräte sollte nicht unter der Note 0,5 liegen. Der Wärmebehandlungsheizofen sollte mit Geräten und Instrumenten ausgestattet sein, die die Temperatur automatisch messen und steuern können, mit Funktionen wie automatischer Aufzeichnung, automatischem Alarm, automatischer Stromabschaltung und Stromwiederherstellung, um sicherzustellen, dass die Temperaturanzeige und Die Steuerung im Ofen ist genau und die Temperatur ist gleichmäßig.

Hochpräzise Temperaturmess- und Temperaturregelgeräte können die Temperatur im Ofeninneren in Echtzeit genau überwachen und sicherstellen, dass die Temperatur während des Wärmebehandlungsprozesses immer im geeigneten Bereich liegt. Wenn beispielsweise die Temperatur im Ofen den voreingestellten Bereich überschreitet, gibt die automatische Alarmvorrichtung rechtzeitig einen Alarm aus, um die Bediener daran zu erinnern, Anpassungen vorzunehmen. Die Vorrichtungen zur automatischen Stromabschaltung und Stromwiederherstellung können die Stromversorgung rechtzeitig unterbrechen, wenn die Temperatur anormal ist oder andere Fehler auftreten, und schützen so die Sicherheit der Ausrüstung und Werkstücke. Nachdem die Probleme gelöst sind, wird die Stromversorgung automatisch wiederhergestellt, um die Kontinuität des Wärmebehandlungsprozesses sicherzustellen.

Das automatische Aufzeichnungsgerät kann die Temperaturänderungen während des Wärmebehandlungsprozesses aufzeichnen und so Datenunterstützung für die anschließende Qualitätsanalyse und Prozessoptimierung liefern. Durch die Analyse der Temperaturaufzeichnungskurve können wir beispielsweise die Temperaturänderungstrends in verschiedenen Phasen nachvollziehen, mögliche Probleme herausfinden und gezielte Anpassungen und Verbesserungen vornehmen.

Die Funktionen dieser automatischen Temperaturkontrollgeräte bestehen darin, die Präzision und Stabilität der Wärmebehandlung zu verbessern, die Beeinflussung durch menschliche Faktoren zu reduzieren, sicherzustellen, dass Gussteile aus Aluminiumlegierungen während des Wärmebehandlungsprozesses eine gleichmäßige Mikrostruktur und Eigenschaften erhalten, und die Qualität und Zuverlässigkeit zu verbessern von Produkten.

IV. Verstärkungsmethoden für Aluminiumlegierungen

(I) Arbeitsstärkung

Die Kaltverfestigung ist eine Methode, mit der Legierungen durch plastische Verformung eine hohe Festigkeit erreichen. Der Kern der Arbeitsverfestigung von Legierungen liegt in der Erhöhung der Versetzungsdichte bei plastischer Verformung. Nach starker Verformung von Metallen kann die Versetzungsdichte von 10⁶ pro cm² auf über 10¹² pro cm² ansteigen. Je größer die Versetzungsdichte in der Legierung ist, desto mehr Möglichkeiten besteht für Versetzungen, sich während des Gleitvorgangs bei weiterer Verformung zu überschneiden, und desto größer ist der Widerstand zwischen ihnen. Dadurch erhöht sich auch der Verformungswiderstand und die Legierung wird dadurch fester.

Der Grad der Arbeitsverfestigung variiert je nach Verformungsgeschwindigkeit, Verformungstemperatur und der Art der Legierung selbst. Für dasselbe Legierungsmaterial, das einer Kaltverformung bei derselben Temperatur unterzogen wird, ist die Festigkeit umso höher, je höher die Verformungsgeschwindigkeit ist, aber die Plastizität nimmt mit zunehmender Verformungsgeschwindigkeit ab. Wenn die Verformungstemperatur relativ niedrig ist, ist die Beweglichkeit der Versetzungen gering. Nach der Verformung sind die meisten Versetzungen ungeordnet und unregelmäßig verteilt und bilden Versetzungsknäuel. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verstärkungswirkung der Legierung gut, aber auch die Plastizität wird deutlich reduziert. Wenn die Verformungstemperatur relativ hoch ist, ist die Beweglichkeit der Versetzungen größer und es kommt zu Quergleitung. Versetzungen können sich lokal ansammeln und verschränken, es bilden sich Versetzungscluster, es entstehen Substrukturen und deren Verstärkung. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verstärkungswirkung nicht so gut wie bei der Kaltverformung, aber der Plastizitätsverlust ist relativ gering.

(II) Lösungsverstärkung

Dem reinen Aluminium werden Legierungselemente zugesetzt, um feste Lösungen auf Aluminiumbasis zu bilden, die eine Gitterverzerrung verursachen und die Bewegung von Versetzungen behindern, wodurch sie eine Rolle bei der Festigung der Lösung und der Erhöhung ihrer Festigkeit spielen. Binäre Legierungen wie Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Zn und Al-Mn können im Allgemeinen begrenzte feste Lösungen bilden und haben alle relativ große Grenzlöslichkeiten, sodass sie erhebliche lösungsverstärkende Wirkungen haben.

Beispielsweise kann in scandiumhaltigen ultrahochfesten Aluminiumlegierungen das Sc-Element als üblicher Zusatzstoff die Festigkeit und Zähigkeit von Aluminiumlegierungen verbessern, indem es feste Sc-Al-Lösungen bildet. Mittlerweile können auch geeignete Mengen an Elementen wie Ti und Zr den Verfestigungslösungsprozess wirksam fördern. Durch ihre Wechselwirkung mit dem Sc-Element kann ein mehrstufiges und mehrphasiges Verbundverstärkungssystem gebildet werden.

(III) Heterophasenstärkung

Bei den Heterophasen in Aluminiumlegierungen handelt es sich meist um harte und spröde intermetallische Verbindungen. Sie behindern die Bewegung von Versetzungen in der Legierung und festigen die Legierung. Beispielsweise kann bei ultrahochfesten Aluminiumlegierungen, die Sc enthalten, eine geeignete Behandlung mit einer Verstärkungslösung auch die Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturleistung der Aluminiumlegierung verbessern. Wenn jedoch die Anzahl der Heterophasen zu groß ist, werden sowohl die Festigkeit als auch die Plastizität verringert. Je komplexer die Zusammensetzung und Struktur der Heterophase und je höher ihr Schmelzpunkt, desto besser ist ihre thermische Stabilität bei hohen Temperaturen.

(IV) Dispersionsverstärkung

Je kleiner die Partikel der Dispersionsphase und je gleichmäßiger ihre Verteilung, desto besser ist die Verstärkungswirkung. Beispielsweise kann die Zugabe feiner Dispersionsphasenpartikel zu Aluminiumlegierungen die Bewegung von Versetzungen behindern und die Festigkeit und Härte der Legierungen verbessern.

(V) Niederschlagsverstärkung

Wenn die Legierung bei der Lösungstemperatur geglüht wird, lösen sich die Legierungselemente in der Matrix auf und bilden eine übersättigte feste Lösung. Anschließend erfolgt ein Abschrecken, um die übersättigte feste Lösung schnell abzukühlen und die Diffusion und Ausfällung der Legierungselemente zu verhindern. Während des Alterungsprozesses fallen die Legierungselemente aus der übersättigten festen Lösung aus und bilden feine und dispergierte Zweitphasenpartikel. Bei diesen Partikeln handelt es sich in der Regel um legierungselementreiche Verbindungen oder intermetallische Phasen, deren Größe, Form und Verteilung einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit und Härte der Legierung haben.

(VI) Korngrenzenstärkung

Während des Alterungsprozesses neigt die ausgefällte Phase dazu, an den Korngrenzen auszufallen und eine Korngrenzen-Ausfällungszone zu bilden. Die Korngrenzen-Ausscheidungszone verhindert das Gleiten der Korngrenzen und verbessert die Scherfestigkeit der Korngrenzen, wodurch die Gesamtfestigkeit der Legierung erhöht wird. Gleichzeitig kann sich die ausgeschiedene Phase auch an den Unterkorngrenzen ausscheiden, wodurch die Unterkorngrenzen gestärkt und die mechanischen Gesamteigenschaften der Legierung weiter verbessert werden.

(VII) Kombinierte Stärkung

In der Praxis wirken meist mehrere Verstärkungsmethoden gleichzeitig. Beispielsweise kann bei ultrahochfesten Aluminiumlegierungen, die Sc enthalten, durch die Optimierung von Parametern wie der Art der Zusatzstoffe, der Erhitzungstemperatur und der Zeit die Verstärkung der Lösung die Festigkeit und Zähigkeit der Aluminiumlegierung erheblich verbessern. Gleichzeitig kann die Verstärkung der Lösung auch die Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturleistung der Aluminiumlegierung verbessern. Zukünftig werden die Mikrostruktur und die Eigenschaften von ultrahochfesten Aluminiumlegierungen, die Sc enthalten, durch mehrere Zusätze auf koordinierte Weise gestärkt, ebenso wie die mechanischen und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften von ultrahochfesten Aluminiumlegierungen, die Sc enthalten, im komplexen Einsatz Umgebungen können weiter untersucht werden.

V. Einfluss der Wärmebehandlung auf die Eigenschaften bestimmter Legierungen

(I) Einfluss auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der 2024-Legierung

Die Legierung 2024 gehört zur Aluminiumlegierung der Al-Cu-Mg-Serie mit hoher Festigkeit und Härte und wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Lösungsbehandlung und Alterungsbehandlung haben einen wichtigen Einfluss auf die Plastizität, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der 2024-Legierung.

Während der Lösungsbehandlung wurde die erste Gruppe von Proben lösungswärmebehandelt und bei unterschiedlichen Temperaturen gehalten. Die Ergebnisse zeigten, dass nach einer 50-minütigen Lösungsbehandlung der Legierung bei einer bestimmten Temperatur (z. B. 500 °C) die löslichen Phasen in der Legierung vollständig aufgelöst werden konnten, was eine Grundlage für die anschließende Alterungsbehandlung bildete. Durch die Lösungsbehandlung kann die Verteilung der Elemente in der Legierung angepasst werden, indem feste Lösungselemente wie Cu und Mg gleichmäßig innerhalb der Korngrenzen und innerhalb der Körner verteilt werden, wodurch eine übersättigte feste Lösung entsteht und dadurch die Festigkeit und Härte der Legierung erhöht wird. Gleichzeitig kann durch Lösungsglühen auch die Plastizität der Legierung verbessert werden. Forschungsdaten zeigen, dass die Plastizität der 2024-Legierung nach der Lösungsbehandlung bis zu einem gewissen Grad verbessert werden kann.

Der Einfluss der Alterungsbehandlung auf die Eigenschaften der 2024-Legierung ist ebenfalls sehr signifikant. Die dritte Probengruppe wurde zunächst lösungsbehandelt und anschließend einer Langzeitalterungswärmebehandlung bei verschiedenen Temperaturen unterzogen. Das Experiment ergab, dass die Legierung nach zehnstündiger künstlicher Alterung bei 180 °C die beste Mikrostruktur und die besten Eigenschaften erreichen konnte und die Härte 81,3 HRB erreichen konnte. Während des Alterungsbehandlungsprozesses zersetzt sich die instabile übersättigte feste Lösung, und die Partikel der zweiten Phase fallen aus der übersättigten festen Lösung aus und verteilen sich um die α(Al)-Aluminiumkörner, wodurch eine verstärkende Wirkung entsteht. Durch die natürliche Alterung von Legierungen wie 2024 kann es zu Ausfällungen kommen, die bei Raumtemperatur einen verstärkenden Effekt haben und die Festigkeit der Legierung erhöhen. Gleichzeitig kann eine Alterungsbehandlung auch die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessern. Durch die Beseitigung mikroskopischer Defekte und Oberflächenoxidschichten wird die Oberflächenqualität der Legierung verbessert, was die Bildung eines gleichmäßigen und dichten Oxidfilms begünstigt und dadurch die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert.

(II) Einfluss auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der 7075-Legierung Die einstufige Alterung hat einen wichtigen Einfluss auf die Faserstruktur, die Bildung von Partikeln der zweiten Phase, die Mikrohärte und die Spitzenfestigkeit der 7075-Legierung. Durch Messung der Härte, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung und Flächenreduzierung der Proben mit unterschiedlichen Alterungszeiten im einstufigen Alterungssystem bei 120 °C wurde festgestellt, dass die Aluminiumlegierung 7075 die beste Kombination aus Festigkeit und Festigkeit erzielen konnte Plastizität bei Alterung bei 120 °C für 24 Stunden. Durch das orthogonale Experiment der zweistufigen Alterung war bekannt, dass für die zweistufige Alterungsbehandlung der Aluminiumlegierung 7075 die Voralterungstemperatur 140 °C und die Haltezeit 4 Stunden sowie die Alterungstemperatur der zweiten Stufe betrugen betrug 140 °C – 160 °C und die Haltezeit betrug 10 Stunden. Durch diesen Behandlungsprozess könnten Produkte mit besseren Gesamteigenschaften erhalten werden. Während des einstufigen Alterungsprozesses verändert sich die Faserstruktur der 7075-Legierung. Mit zunehmender Alterungszeit wird die Faserstruktur allmählich dichter, was der Verbesserung der Festigkeit der Legierung zugute kommt. Gleichzeitig werden nach und nach auch Partikel der zweiten Phase gebildet. Diese Partikel der zweiten Phase behindern die Bewegung von Versetzungen in der Legierung und verstärken die Legierung. Beispielsweise weisen MgZn2 und Al2Mg3Zn3 eine hohe Löslichkeit in Aluminium und einen offensichtlichen temperaturbedingten Zusammenhang auf und haben eine starke Alterungshärtungswirkung. Einstufiges Altern kann auch die Mikrohärte und Spitzenfestigkeit der 7075-Legierung erheblich verbessern. Mit zunehmender Alterungszeit nimmt die Mikrohärte kontinuierlich zu und nach einer gewissen Zeit ist die Härte tendenziell stabil. Auch die Spitzenfestigkeit nimmt während des Alterungsprozesses allmählich zu. Dies liegt daran, dass die Alterungsbehandlung dazu führt, dass sich die festigenden Komponenten in der Legierung weitestgehend auflösen und bis zur Raumtemperatur fixiert bleiben, wodurch die Festigkeit der Legierung erhöht wird.

VI. Wärmebehandlung nach dem Schweißen (1) Einfluss der Wärmebehandlung nach dem Schweißen auf Festigkeit und Zähigkeit Bei wärmebehandelbaren, verstärkten Aluminiumlegierungen kann nach dem Schweißen eine erneute Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die Festigkeit der wärmebeeinflussten Zone des Grundmetalls wiederherzustellen auf ein Niveau nahe der ursprünglichen Stärke. Im Allgemeinen tritt das Verbindungsversagen meist in der Schmelzzone der Schweißnaht auf. Nach einer erneuten Wärmebehandlung nach dem Schweißen hängt die vom Schweißgut erzielte Festigkeit hauptsächlich vom verwendeten Zusatzwerkstoff ab. Wenn sich die Zusammensetzung des Zusatzmetalls von der des Grundmetalls unterscheidet, hängt die Festigkeit von der Verdünnung des Grundmetalls durch das Zusatzmetall ab. Die beste Festigkeit ist mit der Wärmebehandlung des Schweißmetalls vereinbar. Obwohl die Wärmebehandlung nach dem Schweißen die Festigkeit erhöht, kann es zu einem gewissen Verlust an Zähigkeit der Schweißnaht kommen. Aufgrund der Ausfällung in der Nähe der Schweißnaht und des Aufschmelzens der Korngrenzen in der Schmelzzone ist die Zähigkeit einiger Schweißteile aus wärmebehandelten Aluminiumlegierungen sehr schlecht. Wenn die Situation nicht allzu ernst ist, kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen dazu führen, dass sich die löslichen Bestandteile wieder auflösen, wodurch eine gleichmäßigere Struktur entsteht, die Zähigkeit leicht verbessert und die Festigkeit erheblich erhöht wird. Beispielsweise kann bei einer 6061-Aluminiumlegierung, die im Wärmebehandlungszustand T4 (Lösungsbehandlung + natürliche Alterung) geschweißt und dann nach dem Schweißen mit T6 (Lösungsbehandlung + künstliche Behandlung) behandelt wird, die Schweißnahtfestigkeit 280 MPa erreichen. Bei der T6-Behandlung wird die Aluminiumlegierung auf 535 ± 5 °C erhitzt, 6 Stunden lang gehalten und dann in Wasser bei 80 ± 10 °C abgeschreckt, wobei die Abschreckzeit nicht weniger als 5 Minuten beträgt. Anschließend wird es in einem Niedertemperaturofen bei 165 ± 5 °C für 4 ± 0,5 Stunden gealtert. Die Härte nach der Behandlung erreicht im Allgemeinen HB80–90, die Dehnung beträgt mehr als 8 % und die Zugfestigkeit erreicht 250–290 MPa. Für die Schweißverbindung aus der Aluminiumlegierung 6082 – T6 wurden zwei Wärmebehandlungsmethoden durchgeführt, nämlich Lösung + Alterung und Alterung. Die Zugfestigkeit der unbehandelten 6082-T6-Schweißverbindung betrug 225 MPa, die Bruchstelle lag in der Wärmeeinflusszone und der niedrigste Härtewert der Verbindung lag in der Wärmeeinflusszone. Nach der Alterungsbehandlung war die Verteilung der Verstärkungsphase an der 6082-T6-Schweißverbindung gleichmäßiger, es gab keine offensichtliche Veränderung in der Mikrostruktur der Schweißzone und die Mikrostruktur der Schmelzzone und der Wärmeeinflusszone war geringfügig raffiniert. Die Zugfestigkeit betrug 264 MPa, die Bruchstelle lag noch in der Wärmeeinflusszone und der niedrigste Härtewert der Verbindung lag noch in der Wärmeeinflusszone. Nach der Lösungs- und Alterungsbehandlung wurden feine Verstärkungsphasen an der 6082-T6-Schweißverbindung erneut ausgeschieden, die Mikrostruktur der Schmelzzone und der Wärmeeinflusszone wurde deutlich verfeinert, die Zugfestigkeit wurde auf 302 MPa erhöht, der Bruch trat auf in der Schweißzone, und der Härtewert war deutlich höher als der der unbehandelten 6082-T6-Schweißverbindung, und der niedrigste Härtewert lag in der Schweißzone.

(II) Wichtige technische Punkte 1. Problem der Wärmeerhaltung: Die Schlüsseltechnologie liegt in der Frage der Wärmeerhaltung. Es ist wichtig, den Prozess zu verfolgen. Der Übergang vom Hochtemperaturofen (Lösungsofen) zur Wasserabschreckung sollte möglichst schnell erfolgen; Andernfalls wird der Lösungseffekt beeinträchtigt und letztendlich auch der Wärmebehandlungseffekt beeinflusst. 2. Entfernung von Rückständen: Nach dem Schweißen der geschweißten Teile müssen beim Gasschweißen oder Schweißen mit beschichteten Elektroden das verbleibende Flussmittel und die Schlacke auf und auf beiden Seiten der Schweißnaht rechtzeitig vor der Sichtprüfung entfernt werden zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnaht. Dadurch soll verhindert werden, dass die Schlacke und das verbleibende Flussmittel die Schweißnaht und deren Oberfläche angreifen und nachteilige Folgen vermeiden. Zu den am häufigsten verwendeten Reinigungsmethoden nach dem Schweißen gehören das Schrubben in heißem Wasser bei 60 °C bis 80 °C; Eintauchen in Kaliumdichromat (K2Cr2O7) oder Chromsäureanhydrid (CrO3) mit einem Massenanteil von 2 % – 3 %; anschließendes Waschen in heißem Wasser bei 60 °C – 80 °C; und Trocknen im Trockenofen oder Lufttrocknen. Um die Wirkung der Entfernung des restlichen Flussmittels zu testen, kann destilliertes Wasser auf die Schweißnaht des geschweißten Teils getropft werden. Anschließend wird das destillierte Wasser gesammelt und in ein kleines Reagenzglas mit einer 5 %igen Salpetersäurelösung getropft. Wenn ein weißer Niederschlag vorhanden ist, weist dies darauf hin, dass das restliche Flussmittel nicht vollständig entfernt wurde. 3. Oberflächenbehandlung von Schweißteilen: Durch geeignete Schweißprozesse und korrekte Betriebstechniken weist die Oberfläche der Schweißnaht von Aluminium und Aluminiumlegierungen nach dem Schweißen ein gleichmäßiges und glattes, wellenförmiges Aussehen auf. Zur Verbesserung der Oberflächenqualität der Aluminiumwerkstücke können Eloxierungsbehandlungen, mechanisches Polieren usw. durchgeführt werden. Allerdings handelt es sich bei Aluminium und Aluminiumlegierungen um weiche Metalle mit einem relativ hohen Reibungskoeffizienten. Kommt es während des Schleifvorgangs zu einer Überhitzung, kann es zu einer Verformung der geschweißten Teile bis hin zum Bruch an den Korngrenzen kommen. Dies erfordert eine ausreichende Schmierung während des Poliervorgangs und der Druck auf die Metalloberfläche sollte minimiert werden. VII. Neue Wärmebehandlungsmethoden und Ansätze zur Leistungsverbesserung (1) Grenzflächenersatz- und Dispersionsstrategie Das Team unter der Leitung von He Chunnian von der School of Materials der Tianjin-Universität schlug innovativ eine „Grenzflächenersatz“-Dispersionsstrategie vor und erreichte erfolgreich die Einzelpartikelebene gleichmäßige Verteilung von Oxidpartikeln von etwa 5 Nanometern in Aluminiumlegierungen. Die mit dieser Strategie hergestellte oxiddispersionsverstärkte Aluminiumlegierung weist immer noch eine beispiellose Zugfestigkeit (ca. 200 MPa) und Hochtemperatur-Kriechfestigkeit bei einer Temperatur von bis zu 500 °C auf. Im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C, der in aktuellen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt von größter Bedeutung ist, nehmen die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Aluminiumlegierungen stark ab, während die mit dieser Strategie hergestellte Aluminiumlegierung das beste Niveau bei weitem übertrifft Aluminiumbasierte Materialien, über die international berichtet wird. Sie nutzten zunächst den Selbstorganisationseffekt während der Zersetzung des Metallsalzvorläufers, um ultrafeine Oxidpartikel herzustellen, die mit wenigen Graphitschichten beschichtet waren. Die stärkere chemische Bindungskombination zwischen den Nanopartikeln wurde durch die schwächere Van-der-Waals-Kräftekombination zwischen den Graphitbeschichtungsschichten ersetzt, wodurch die Haftung zwischen den Nanopartikeln um 2 bis 3 Größenordnungen verringert wurde. Auf dieser Grundlage wurde durch einen einfachen mechanischen Kugelmahl-Pulvermetallurgieprozess die gleichmäßige Dispersion von ultrafeinen Oxidpartikeln auf Einzelpartikelebene mit einem hohen Volumenanteil (Volumenanteil von 8 %) in der Aluminiummatrix erreicht. und die Aluminiumlegierung zeigte äußerst hervorragende mechanische Hochtemperatureigenschaften und Hochtemperatur-Kriechfestigkeit. Die Zugfestigkeiten dieses Materials betragen bei 300 °C und 500 °C 420 MPa bzw. 200 MPa; Unter der Kriechbedingung von 500 °C und 80 MPa beträgt die stationäre Kriechgeschwindigkeit 10⁻⁷ s⁻¹. Diese Forschung enthüllt den außergewöhnlichen Hitzebeständigkeitsmechanismus ultrafeiner Nanopartikel bei der Verbesserung von Leichtmetallen und liefert neue Ideen für die Entwicklung leichter, hochfester und hitzebeständiger Metallmaterialien und deren Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen und in anderen Bereichen. (2) Elektroimpuls-Behandlungstechnologie Im Jahr 2015 schlug Xu Xiaofeng von der Universität Jilin die Elektroimpuls-Behandlungstechnologie (EPT) für Aluminiumlegierungen vor. Diese Technologie basiert auf einem sofortigen Hochenergieeintrag, um die Lösungszeit der 7075-Aluminiumlegierung auf 220 ms zu verkürzen. Die elektrische Impulsbehandlungstechnologie kann den Lösungsprozess in der Aluminiumlegierung 7075 erheblich beschleunigen. Obwohl im Vergleich zur herkömmlichen Lösungsmethode die Übersättigung der mit Impulsstrom behandelten Proben etwas geringer ist, ist der kombinierte Effekt der Kornverfeinerung und der Präzipitat-Phasenverfeinerung durch die Impulsstrombehandlung besser und die Festigkeit nach künstlicher Alterung ist besser höher als die der mit der herkömmlichen T6-Behandlung behandelten Proben. Darüber hinaus beträgt die Prozesszeit der Pulsstrombehandlung weniger als 1 s, wodurch die Verformung und Oxidation des Materials während des Wärmebehandlungsprozesses vermieden werden kann. Nach SST (Lösungsbehandlung) und EPT ist aus dem optischen Mikrostrukturdiagramm ersichtlich, dass in der Legierung eine Rekristallisation stattgefunden hat. Die Korngröße der mit Impulsstrom behandelten Proben beträgt nur 15 μm, während die Korngröße der herkömmlichen Lösungsproben 53 μm beträgt. Die Zugfestigkeit und Dehnung der Legierung nach Lösungsbehandlung und Impulsstrombehandlung wurden verbessert. Nach der künstlichen Alterung weist die mit Impulsstrom behandelte Legierung eine höhere Festigkeit und einen geringen Dehnungsverlust auf. Man kann davon ausgehen, dass die feinkörnige Struktur nach der Pulsstrombehandlung einen zusätzlichen Beitrag zur Festigkeit der Legierung leistet.

(III) Kryogene Behandlung Die kryogene Behandlung kann nicht nur die Eigenspannung von Aluminiumlegierungen beseitigen, sondern auch die Dimensionsstabilität der Legierungen verbessern und Verformungen bei der Bearbeitung reduzieren. Eine kryogene Behandlung kann die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen wie Festigkeit, Plastizität und Schlagzähigkeit verbessern. Nachdem die Aluminiumlegierung beispielsweise einer Heiß-Kalt-Zyklus-Hoch-Niedertemperatur-Behandlung unter Verwendung des integrierten kryogenen Anlassofens DJL (Dejieli) unterzogen wurde, wird der Wert der Eigenspannung der Aluminiumlegierung deutlich reduziert und die Eigenspannung der Aluminiumlegierung kann maximal um mehr als 50 % reduziert werden. Die kryogene Behandlung von Aluminiumlegierungen mit dem integrierten kryogenen Anlassofen DJL kann die Bearbeitungsverformung von Aluminiumlegierungsprodukten wirksam reduzieren und die Produktverarbeitungsausbeute verbessern. Eine kryogene Behandlung kann die Restspannung innerhalb der Aluminiumlegierungskomponenten wirksam reduzieren, die Dimensionsstabilität und Präzision der Aluminiumlegierung verbessern und Verformungen während der späteren Verwendung verhindern. Die Wirkung mehrerer Heiß-Kalt-Behandlungen ist besser als bei einer einzelnen Behandlung, und die allgemein empfohlene Häufigkeit beträgt 2 bis 3 Mal.