Glühen, Abschrecken und Altern sind die grundlegenden Wärmebehandlungsarten von Aluminiumlegierungen. Glühen ist eine Erweichungsbehandlung, deren Zweck es ist, die Legierung in Zusammensetzung und Struktur gleichmäßig und stabil zu machen, Kaltverfestigung zu beseitigen und die Plastizität der Legierung wiederherzustellen. Abschrecken und Altern ist eine verstärkende Wärmebehandlung, deren Zweck es ist, die Festigkeit der Legierung zu verbessern. Sie wird hauptsächlich bei Aluminiumlegierungen angewendet, die durch Wärmebehandlung gehärtet werden können.
1 Glühen
Je nach den unterschiedlichen Produktionsanforderungen wird das Glühen von Aluminiumlegierungen in mehrere Formen unterteilt: Homogenisierungsglühen des Barrens, Knüppelglühen, Zwischenglühen und Glühen des fertigen Produkts.
1.1 Blockhomogenisierungsglühen
Unter den Bedingungen schneller Kondensation und ungleichgewichtiger Kristallisation muss der Barren eine ungleichmäßige Zusammensetzung und Struktur aufweisen und weist zudem große innere Spannungen auf. Um diese Situation zu ändern und die Warmumformbarkeit des Barrens zu verbessern, ist im Allgemeinen eine Homogenisierungsglühung erforderlich.
Um die atomare Diffusion zu fördern, sollte für das Homogenisierungsglühen eine höhere Temperatur gewählt werden, die jedoch den eutektischen Schmelzpunkt der Legierung nicht überschreiten darf. Im Allgemeinen liegt die Temperatur beim Homogenisierungsglühen 5 bis 40 °C unter dem Schmelzpunkt, und die Glühzeit beträgt meist 12 bis 24 Stunden.
1.2 Knüppelglühen
Unter Knüppelglühen versteht man das Glühen vor der ersten Kaltverformung während der Druckverarbeitung. Ziel ist es, dem Knüppel eine ausgewogene Struktur zu verleihen und ihm die maximale plastische Verformbarkeit zu verleihen. Beispielsweise beträgt die Walzendtemperatur einer warmgewalzten Bramme aus Aluminiumlegierung 280–330 °C. Nach dem schnellen Abkühlen auf Raumtemperatur lässt sich das Phänomen der Kaltverfestigung nicht vollständig vermeiden. Insbesondere bei wärmebehandelten, gehärteten Aluminiumlegierungen ist der Rekristallisationsprozess nach dem schnellen Abkühlen noch nicht abgeschlossen und die übersättigte feste Lösung noch nicht vollständig zersetzt. Ein Teil der Kaltverfestigungs- und Abschreckwirkung bleibt erhalten. Direktes Kaltwalzen ohne Glühen ist schwierig, daher ist ein Knüppelglühen erforderlich. Bei nicht wärmebehandelten, gehärteten Aluminiumlegierungen wie LF3 beträgt die Glühtemperatur 370–470 °C und wird nach 1,5–2,5 Stunden Warmhalten an der Luft abgekühlt. Die für die Kaltziehrohrverarbeitung verwendete Knüppel- und Glühtemperatur sollte entsprechend höher sein, und die obere Grenztemperatur kann ausgewählt werden. Bei Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung gehärtet werden können, wie z. B. LY11 und LY12, beträgt die Knüppelglühtemperatur 390–450 °C. Diese Temperatur wird 1–3 Stunden lang gehalten, dann im Ofen mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 30 °C/h auf unter 270 °C abgekühlt und anschließend aus dem Ofen luftgekühlt.
1.3 Zwischenglühen
Unter Zwischenglühen versteht man das Glühen zwischen Kaltverformungsprozessen. Ziel ist es, die Kaltverfestigung zu beseitigen und so eine weitere Kaltverformung zu ermöglichen. Im Allgemeinen ist es nach dem Glühen schwierig, die Kaltverformung ohne Zwischenglühen fortzusetzen, wenn das Material eine Kaltverformung von 45 bis 85 % erfahren hat.
Der Prozessablauf des Zwischenglühens ist grundsätzlich derselbe wie beim Knüppelglühen. Je nach den Anforderungen an den Kaltverformungsgrad kann das Zwischenglühen in drei Arten unterteilt werden: Vollglühen (Gesamtverformung ε ≈ 60–70 %), einfaches Glühen (ε ≤ 50 %) und leichtes Glühen (ε ≈ 30–40 %). Die ersten beiden Glühverfahren entsprechen dem Knüppelglühen. Letzteres wird 1,5–2 Stunden lang auf 320–350 °C erhitzt und anschließend luftgekühlt.
1.4. Glühen des fertigen Produkts
Das Glühen des fertigen Produkts ist die abschließende Wärmebehandlung, die dem Material bestimmte organisatorische und mechanische Eigenschaften entsprechend den Anforderungen der technischen Produktbedingungen verleiht.
Das Glühen fertiger Produkte kann in Hochtemperaturglühen (Herstellung weicher Produkte) und Niedertemperaturglühen (Herstellung halbharter Produkte in unterschiedlichen Zuständen) unterteilt werden. Das Hochtemperaturglühen soll eine vollständige Rekristallisationsstruktur und gute Plastizität gewährleisten. Um eine gute Struktur und Leistung des Materials zu gewährleisten, sollte die Haltezeit nicht zu lang sein. Bei Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung gehärtet werden können, sollte die Abkühlrate streng kontrolliert werden, um den Abschreckeffekt durch Luftkühlung zu verhindern.
Niedertemperaturglühen umfasst Spannungsarmglühen und partielles Erweichungsglühen und wird hauptsächlich für reines Aluminium und nicht wärmebehandelte, gehärtete Aluminiumlegierungen verwendet. Die Entwicklung eines Niedertemperaturglühsystems ist eine komplexe Aufgabe. Dabei müssen nicht nur die Glühtemperatur und die Haltezeit berücksichtigt werden, sondern auch der Einfluss von Verunreinigungen, Legierungsgrad, Kaltverformung, Zwischenglühtemperatur und Warmverformungstemperatur. Um ein Niedertemperaturglühsystem zu entwickeln, muss die Änderungskurve zwischen Glühtemperatur und mechanischen Eigenschaften gemessen und anschließend der Glühtemperaturbereich anhand der in den technischen Bedingungen angegebenen Leistungsindikatoren bestimmt werden.
2 Abschrecken
Das Abschrecken einer Aluminiumlegierung wird auch als Lösungsbehandlung bezeichnet. Dabei werden durch Erhitzen auf hohe Temperaturen möglichst viele Legierungselemente des Metalls als zweite Phase in der festen Lösung aufgelöst. Anschließend erfolgt eine schnelle Abkühlung, um die Ausfällung der zweiten Phase zu verhindern. Dadurch entsteht eine übersättigte, aluminiumbasierte α-feste Lösung, die gut für die nächste Alterungsbehandlung vorbereitet ist.
Die Voraussetzung für die Bildung einer übersättigten α-Mischkristallmischung besteht darin, dass die Löslichkeit der zweiten Phase der Aluminiumlegierung mit steigender Temperatur deutlich zunimmt, da sonst der Zweck der Mischkristallmischung nicht erreicht werden kann. Die meisten Legierungselemente in Aluminium können ein eutektisches Phasendiagramm mit dieser Eigenschaft bilden. Am Beispiel einer Al-Cu-Legierung liegt die eutektische Temperatur bei 548 °C, und die Löslichkeit von Kupfer in Aluminium bei Raumtemperatur beträgt weniger als 0,1 %. Beim Erhitzen auf 548 °C steigt die Löslichkeit auf 5,6 %. Daher gelangen Al-Cu-Legierungen mit weniger als 5,6 % Kupfer in den einphasigen α-Bereich, wenn die Heiztemperatur ihre Löslichkeitslinie überschreitet, d. h. die zweite Phase CuAl2 löst sich vollständig in der Matrix auf, und nach dem Abschrecken kann eine einzelne übersättigte α-Mischkristallmischung erhalten werden.
Das Abschrecken ist der wichtigste und anspruchsvollste Wärmebehandlungsvorgang für Aluminiumlegierungen. Der Schlüssel liegt in der Wahl der geeigneten Abschrecktemperatur, der Sicherstellung einer ausreichenden Abkühlrate sowie in der strengen Kontrolle der Ofentemperatur und der Reduzierung der Abschreckverformung.
Das Prinzip der Auswahl der Abschrecktemperatur besteht darin, die Abschrecktemperatur so weit wie möglich zu erhöhen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Aluminiumlegierung nicht überbrennt oder die Körner übermäßig wachsen, um die Übersättigung der α-Feststofflösung und die Festigkeit nach der Alterungsbehandlung zu erhöhen. Im Allgemeinen erfordert der Heizofen für Aluminiumlegierungen eine Ofentemperaturregelungsgenauigkeit von ± 3 °C, und die Luft im Ofen wird zwangsweise zirkuliert, um die Gleichmäßigkeit der Ofentemperatur zu gewährleisten.
Das Überbrennen von Aluminiumlegierungen wird durch das teilweise Schmelzen von niedrigschmelzenden Komponenten im Metall, wie beispielsweise binären oder mehrelementigen Eutektika, verursacht. Das Überbrennen führt nicht nur zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, sondern beeinträchtigt auch die Korrosionsbeständigkeit der Legierung erheblich. Sobald eine Aluminiumlegierung überbrannt ist, kann sie daher nicht mehr beseitigt werden und das Legierungsprodukt sollte verschrottet werden. Die tatsächliche Überbrenntemperatur einer Aluminiumlegierung wird hauptsächlich durch die Legierungszusammensetzung und den Verunreinigungsgehalt bestimmt und hängt auch vom Verarbeitungszustand der Legierung ab. Die Überbrenntemperatur von Produkten, die einer plastischen Verformung unterzogen wurden, ist höher als die von Gussteilen. Je stärker die Verformung, desto leichter lösen sich nicht im Gleichgewicht befindliche niedrigschmelzende Komponenten beim Erhitzen in der Matrix, sodass die tatsächliche Überbrenntemperatur steigt.
Die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken von Aluminiumlegierungen hat einen erheblichen Einfluss auf die Alterungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Beim Abschrecken von LY12 und LC4 muss sichergestellt werden, dass sich der α-Mischkristall nicht zersetzt, insbesondere im temperaturempfindlichen Bereich von 290 bis 420 °C. Eine ausreichend hohe Abkühlgeschwindigkeit ist erforderlich. Normalerweise sollte die Abkühlgeschwindigkeit über 50 °C/s liegen, bei LC4-Legierungen sollte sie 170 °C/s oder mehr erreichen.
Das am häufigsten verwendete Abschreckmedium für Aluminiumlegierungen ist Wasser. Die Produktionspraxis zeigt, dass die Eigenspannung und die Restverformung des abgeschreckten Materials oder Werkstücks umso größer sind, je höher die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken ist. Daher kann die Wassertemperatur bei kleinen Werkstücken mit einfachen Formen etwas niedriger sein, in der Regel 10–30 °C, und sollte 40 °C nicht überschreiten. Bei Werkstücken mit komplexen Formen und großen Wanddickenunterschieden kann die Wassertemperatur manchmal auf 80 °C erhöht werden, um Verformungen und Risse beim Abschrecken zu reduzieren. Es ist jedoch zu beachten, dass mit steigender Wassertemperatur im Abschreckbehälter auch die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Materials entsprechend abnimmt.
3. Altern
3.1 Organisatorische Transformation und Leistungsänderungen im Alter
Die durch Abschrecken erhaltene übersättigte α-Mischkristallstruktur hat eine instabile Struktur. Beim Erhitzen zersetzt sie sich und nimmt eine Gleichgewichtsstruktur an. Am Beispiel einer Al-4Cu-Legierung sollte die Gleichgewichtsstruktur α+CuAl2 (θ-Phase) sein. Wird die einphasige übersättigte α-Mischkristallstruktur nach dem Abschrecken zum Altern erhitzt, scheidet sich die θ-Phase bei ausreichend hoher Temperatur direkt aus. Andernfalls erfolgt dies stufenweise, d. h. nach einigen Zwischenübergängen kann die endgültige Gleichgewichtsphase CuAl2 erreicht werden. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Kristallstruktureigenschaften der einzelnen Ausscheidungsstufen während des Alterungsprozesses einer Al-Cu-Legierung. Abbildung a zeigt die Kristallgitterstruktur im abgeschreckten Zustand. Zu diesem Zeitpunkt liegt eine einphasige übersättigte α-Mischkristallstruktur vor, und die Kupferatome (schwarze Punkte) sind gleichmäßig und zufällig im Aluminiumgitter (weiße Punkte) verteilt. Abbildung b. zeigt die Gitterstruktur im frühen Stadium der Ausfällung. Kupferatome beginnen, sich in bestimmten Bereichen des Matrixgitters zu konzentrieren und bilden einen Guinier-Preston-Bereich, den sogenannten GP-Bereich. Die GP-Zone ist extrem klein und scheibenförmig, mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 μm und einer Dicke von 0,4 bis 0,6 nm. Die Zahl der GP-Zonen in der Matrix ist extrem groß und die Verteilungsdichte kann 10¹⁷ bis 10¹⁸ cm-³ erreichen. Die Kristallstruktur der GP-Zone ist immer noch dieselbe wie die der Matrix, beide sind kubisch-flächenzentriert und sie behält eine kohärente Schnittstelle mit der Matrix bei. Da die Größe der Kupferatome jedoch kleiner ist als die der Aluminiumatome, führt die Anreicherung der Kupferatome dazu, dass das Kristallgitter in der Nähe des Bereichs schrumpft, was zu einer Gitterverzerrung führt.
Schematische Darstellung der Kristallstrukturänderungen einer Al-Cu-Legierung während der Alterung
Abbildung a. Abgeschreckter Zustand, eine einphasige α-Feststofflösung, Kupferatome (schwarze Punkte) sind gleichmäßig verteilt;
Abbildung b. Im frühen Stadium der Alterung wird die GP-Zone gebildet;
Abbildung c. Im Spätstadium der Alterung bildet sich eine halbkohärente Übergangsphase;
Abbildung d. Alterung bei hohen Temperaturen, Ausfällung der inkohärenten Gleichgewichtsphase
Die GP-Zone ist das erste Präzipitationsprodukt, das während des Alterungsprozesses von Aluminiumlegierungen auftritt. Eine Verlängerung der Alterungszeit, insbesondere eine Erhöhung der Alterungstemperatur, führt zur Bildung weiterer Übergangsphasen. In der Al-4Cu-Legierung folgen auf die GP-Zone die Phasen θ'' und θ', bevor schließlich die Gleichgewichtsphase CuAl2 erreicht wird. θ'' und θ' sind beides Übergangsphasen der θ-Phase, und die Kristallstruktur ist ein quadratisches Gitter, die Gitterkonstante ist jedoch unterschiedlich. θ ist größer als die GP-Zone, bleibt aber scheibenförmig mit einem Durchmesser von etwa 15–40 nm und einer Dicke von 0,8–2,0 nm. Die kohärente Grenzfläche zur Matrix bleibt bestehen, der Gitterverzerrungsgrad ist jedoch stärker. Beim Übergang von der θ"- zur θ'-Phase ist die Größe auf 20–600 nm angewachsen, die Dicke beträgt 10–15 nm und die kohärente Schnittstelle wird ebenfalls teilweise zerstört und wird zu einer semikohärenten Schnittstelle, wie in Abbildung c gezeigt. Das Endprodukt der Alterungsausfällung ist die Gleichgewichtsphase θ (CuAl2). Zu diesem Zeitpunkt wird die kohärente Schnittstelle vollständig zerstört und wird zu einer nichtkohärenten Schnittstelle, wie in Abbildung d gezeigt.
Gemäß der obigen Situation ist die Alterungsausscheidungsreihenfolge der Al-Cu-Legierung αs → α + GP-Zone → α + θ → α + θ → α + θ . Das Stadium der Alterungsstruktur hängt von der Legierungszusammensetzung und den Alterungsspezifikationen ab. Oft gibt es mehr als ein Alterungsprodukt im gleichen Zustand. Je höher die Alterungstemperatur, desto näher liegt die Struktur am Gleichgewicht.
Während des Alterungsprozesses sind die GP-Zone und die Übergangsphase, die aus der Matrix ausgeschieden werden, klein, stark verteilt und verformbar. Gleichzeitig verursachen sie Gitterverzerrungen in der Matrix und bilden ein Spannungsfeld, das die Bewegung von Versetzungen erheblich behindert, wodurch die Beständigkeit der Legierung gegen plastische Verformung erhöht und ihre Festigkeit und Härte verbessert wird. Dieses Alterungshärtungsphänomen wird als Ausscheidungshärtung bezeichnet. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Härteänderung einer Al-4Cu-Legierung während der Abschreck- und Alterungsbehandlung in Form einer Kurve. Stufe I in der Abbildung stellt die Härte der Legierung in ihrem ursprünglichen Zustand dar. Aufgrund unterschiedlicher Warmumformungshistorien variiert die Härte im ursprünglichen Zustand, im Allgemeinen liegt sie bei HV = 30–80. Nach dem Erhitzen auf 500 °C und Abschrecken (Stufe II) lösen sich alle Kupferatome in der Matrix auf und bilden eine einphasige übersättigte α-Mischkristalllösung mit HV = 60, die doppelt so hart ist wie die Härte im geglühten Zustand (HV = 30). Dies ist das Ergebnis der Mischkristallverfestigung. Nach dem Abschrecken wird die Legierung auf Raumtemperatur gebracht, wobei die Härte durch die Bildung von GP-Zonen (Stufe III) kontinuierlich zunimmt. Dieser Alterungshärtungsprozess bei Raumtemperatur wird als natürliche Alterung bezeichnet.
I – Originalzustand;
II – fester Lösungszustand;
III – natürliches Altern (GP-Zone);
IVa – Regressionsbehandlung bei 150–200 °C (wiederaufgelöst in der GP-Zone);
IVb – künstliche Alterung (θ”+θ'-Phase);
V – Überalterung (θ”+θ'-Phase)
In Phase IV wird die Legierung zum Altern auf 150 °C erhitzt. Der Härtungseffekt ist dabei deutlicher als bei der natürlichen Alterung. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich hauptsächlich die θ"-Phase aus, die den größten Verfestigungseffekt bei Al-Cu-Legierungen hat. Bei weiterer Erhöhung der Alterungstemperatur geht die Ausscheidungsphase von der θ"-Phase in die θ'-Phase über, der Härtungseffekt lässt nach und die Härte nimmt ab. Phase V wird erreicht. Jede Alterungsbehandlung, die künstliches Erhitzen erfordert, wird als künstliche Alterung bezeichnet, und die Phasen IV und V gehören dazu. Erreicht die Härte den maximalen Härtewert, den die Legierung nach der Alterung erreichen kann (Phase IVb), spricht man von Spitzenalterung. Wird der Spitzenhärtewert nicht erreicht, spricht man von Unteralterung oder unvollständiger künstlicher Alterung. Wird der Spitzenwert überschritten und die Härte nimmt ab, spricht man von Überalterung. Auch eine Stabilisierungsalterung zählt zur Überalterung. Die während der natürlichen Alterung gebildete GP-Zone ist sehr instabil. Bei raschem Erhitzen auf eine höhere Temperatur, beispielsweise etwa 200 °C, und kurzem Warmhalten löst sich die GP-Zone wieder in den α-Mischkristall auf. Durch schnelles Abkühlen (Abschrecken), bevor andere Übergangsphasen wie θ" oder θ' ausfallen, kann die Legierung in ihren ursprünglichen abgeschreckten Zustand zurückversetzt werden. Dieses Phänomen wird als „Regression“ bezeichnet und bezeichnet den Härteabfall, der in der Abbildung durch die gestrichelte Linie in Stufe IVa dargestellt ist. Die zurückgebildete Aluminiumlegierung weist weiterhin die gleiche Alterungshärtbarkeit auf.
Aushärtung ist die Grundlage für die Entwicklung wärmebehandelbarer Aluminiumlegierungen, und ihre Aushärtungsfähigkeit hängt direkt von der Legierungszusammensetzung und dem Wärmebehandlungssystem ab. Binäre Al-Si- und Al-Mn-Legierungen haben keine Ausscheidungshärtungswirkung, da die Gleichgewichtsphase während des Alterungsprozesses direkt ausgeschieden wird, und sind daher keine wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen. Obwohl Al-Mg-Legierungen GP-Zonen und Übergangsphasen β' bilden können, haben sie nur in magnesiumreichen Legierungen eine gewisse Ausscheidungshärtungsfähigkeit. Al-Cu-, Al-Cu-Mg-, Al-Mg-Si- und Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen haben eine starke Ausscheidungshärtungsfähigkeit in ihren GP-Zonen und Übergangsphasen und sind derzeit die wichtigsten wärmebehandelbaren und härtbaren Legierungssysteme.
3.2 Natürliche Alterung
Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung gehärtet werden können, unterliegen nach dem Abschrecken im Allgemeinen einem natürlichen Alterungseffekt. Die natürliche Alterung wird durch die GP-Zone verursacht. Natürliche Alterung wird häufig bei Al-Cu- und Al-Cu-Mg-Legierungen angewendet. Die natürliche Alterung von Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen dauert zu lange und es dauert oft mehrere Monate, bis ein stabiles Stadium erreicht ist. Daher wird das natürliche Alterungssystem nicht angewendet.
Im Vergleich zur künstlichen Alterung ist die Streckgrenze der Legierung nach der natürlichen Alterung geringer, aber die Plastizität und Zähigkeit sind besser und die Korrosionsbeständigkeit höher. Bei superhartem Aluminium des Al-Zn-Mg-Cu-Systems ist die Situation etwas anders. Die Korrosionsbeständigkeit nach der künstlichen Alterung ist oft besser als nach der natürlichen Alterung.
3.3 Künstliche Alterung
Nach künstlicher Alterung erreichen Aluminiumlegierungen häufig die höchste Streckgrenze (hauptsächlich durch Übergangsphasenverfestigung) und eine bessere Strukturstabilität. Superhartes Aluminium, geschmiedetes Aluminium und Aluminiumguss werden hauptsächlich künstlich gealtert. Alterungstemperatur und Alterungsdauer haben einen wichtigen Einfluss auf die Legierungseigenschaften. Die Alterungstemperatur liegt meist zwischen 120 und 190 °C, die Alterungsdauer beträgt höchstens 24 Stunden.
Neben der einstufigen künstlichen Alterung können Aluminiumlegierungen auch stufenweise künstlich gealtert werden. Dabei wird zweimal oder öfter bei unterschiedlichen Temperaturen erhitzt. Beispielsweise kann die LC4-Legierung 2 bis 4 Stunden bei 115 bis 125 °C und anschließend 3 bis 5 Stunden bei 160 bis 170 °C gealtert werden. Die stufenweise Alterung verkürzt nicht nur die Zeit deutlich, sondern verbessert auch die Mikrostruktur von Al-Zn-Mg- und Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen und verbessert die Spannungskorrosionsbeständigkeit, Dauerfestigkeit und Bruchzähigkeit deutlich, ohne die mechanischen Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen.
Beitragszeit: 06.03.2025
