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
Entsprechend 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 zudem große innere Spannungen aufweisen. 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 niedrigschmelzenden eutektischen Schmelzpunkt der Legierung nicht überschreiten darf. Im Allgemeinen liegt die Temperatur beim Homogenisierungsglühen 5 bis 40 °C unter dem Schmelzpunkt, und die Glühdauer 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 die Kaltverfestigung nicht vollständig vermeiden. Insbesondere bei wärmebehandelten, gehärteten Aluminiumlegierungen ist der Rekristallisationsprozess nach dem schnellen Abkühlen noch nicht abgeschlossen und die übersättigte feste Lösung wurde noch nicht vollständig zersetzt. Ein Teil der Kaltverfestigungs- und Abschreckwirkung bleibt erhalten. Da direktes Kaltwalzen ohne Glühen schwierig ist, 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 gewählt 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, anschließend im Ofen mit einer Geschwindigkeit von maximal 30 °C/h auf unter 270 °C abgekühlt und anschließend luftgekühlt aus dem Ofen abgelassen.
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. Generell gilt: Nach dem Glühen ist eine weitere Kaltverformung ohne Zwischenglühen nach einer Kaltverformung von 45–85 % schwierig.
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 %), Einfachglühen (ε ≤ 50 %) und Leichtglühen (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 gemäß den Anforderungen der technischen Produktbedingungen bestimmte organisatorische und mechanische Eigenschaften 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 gute Eigenschaften 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 vermeiden.
Niedertemperaturglühen umfasst Spannungsarmglühen und partielles Erweichungsglühen und wird hauptsächlich für Reinaluminium und nicht wärmebehandelte, gehärtete Aluminiumlegierungen verwendet. Die Entwicklung eines Niedertemperaturglühsystems ist eine komplexe Aufgabe. Dabei müssen nicht nur Glühtemperatur und Haltezeit, sondern auch der Einfluss von Verunreinigungen, Legierungsgrad, Kaltverformung, Zwischenglühtemperatur und Warmverformungstemperatur berücksichtigt werden. Zur Entwicklung eines Niedertemperaturglühsystems ist es notwendig, die Änderungskurve zwischen Glühtemperatur und mechanischen Eigenschaften zu messen und anschließend den Glühtemperaturbereich entsprechend den in den technischen Bedingungen festgelegten Leistungsindikatoren zu bestimmen.
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 gelöst. 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 richtigen Abschrecktemperatur, der Sicherstellung einer ausreichenden Abschreckkühlrate sowie in der strengen Kontrolle der Ofentemperatur und der Reduzierung der Abschreckverformung.
Das Prinzip 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. Dadurch wird die Übersättigung der α-Mischkristalle und die Festigkeit nach der Alterungsbehandlung erhöht. Im Allgemeinen muss die Temperaturregelung im Aluminiumlegierungsofen auf ± 3 °C genau sein. Um eine gleichmäßige Ofentemperatur zu gewährleisten, wird die Luft im Ofen zwangsweise zirkuliert.
Das Überbrennen von Aluminiumlegierungen wird durch das teilweise Schmelzen von niedrigschmelzenden Komponenten im Metall, wie beispielsweise binären oder mehrelementigen Eutektika, verursacht. Überbrennen führt nicht nur zu einer Verminderung 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 Deformation unterzogen wurden, ist höher als die von Gussteilen. Je stärker die Deformation, 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 deren Alterungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. 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. Üblicherweise wird eine Abkühlgeschwindigkeit von über 50 °C/s empfohlen, 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 bzw. 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 Rissbildung beim Abschrecken zu reduzieren. Es ist jedoch zu beachten, dass mit steigender Wassertemperatur im Abschreckbehälter auch die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Materials abnehmen.
3. Altern
3.1 Organisatorische Transformation und Leistungsänderungen im Alter
Die durch Abschrecken erhaltene übersättigte α-Mischkristallstruktur hat eine instabile Struktur. Bei Erwärmung zersetzt sie sich und nimmt eine Gleichgewichtsstruktur an. Am Beispiel einer Al-4Cu-Legierung sollte deren Gleichgewichtsstruktur α+CuAl2 (θ-Phase) sein. Wird die einphasige übersättigte α-Mischkristalllösung nach dem Abschrecken zum Altern erhitzt, scheidet sich die θ-Phase direkt aus, sofern die Temperatur hoch genug ist. 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-Mischkristalllösung vor, und die Kupferatome (schwarze Punkte) sind gleichmäßig und zufällig im Aluminiumgitter (weiße Punkte) verteilt. Abbildung b. zeigt die Gitterstruktur im Frühstadium 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 erreichen. Die Kristallstruktur der GP-Zone ist noch immer dieselbe wie die der Matrix, beide sind kubisch-flächenzentriert und sie behält eine kohärente Schnittstelle mit der Matrix bei. Da jedoch die Größe der Kupferatome kleiner ist als die der Aluminiumatome, führt die Anreicherung von Kupferatomen dazu, dass das Kristallgitter in der Nähe dieser Region 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 bildet sich die GP-Zone.
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 quadratisch, die Gitterkonstante jedoch unterschiedlich. θ ist größer als die GP-Zone und bleibt weiterhin scheibenförmig mit einem Durchmesser von etwa 15–40 nm und einer Dicke von 0,8–2,0 nm. Die Grenzfläche zur Matrix bleibt weiterhin kohärent, die Gitterverzerrung ist jedoch stärker ausgeprägt. Beim Übergang von der θ"- zur θ'-Phase wächst die Größe auf 20–600 nm, die Dicke beträgt 10–15 nm, und die kohärente Grenzfläche wird teilweise zerstört und wird zu einer halbkohärenten Grenzfläche, wie in Abbildung c dargestellt. Das Endprodukt der Alterungsausfällung ist die Gleichgewichtsphase θ (CuAl2). Zu diesem Zeitpunkt wird die kohärente Grenzfläche vollständig zerstört und wird zu einer nichtkohärenten Grenzfläche, wie in Abbildung d dargestellt.
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. Oftmals gibt es mehrere Alterungsprodukte im gleichen Zustand. Je höher die Alterungstemperatur, desto näher liegt die Struktur dem Gleichgewicht.
Während des Alterungsprozesses sind die GP-Zone und die aus der Matrix ausgeschiedenen Übergangsphasen klein, stark verteilt und verformungsarm. Gleichzeitig verursachen sie Gitterverzerrungen in der Matrix und bilden ein Spannungsfeld, das die Bewegung von Versetzungen stark behindert. Dadurch erhöht sich die Widerstandsfähigkeit der Legierung gegen plastische Verformung und ihre Festigkeit und Härte verbessern sich. Dieses Phänomen der Alterungshärtung 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 und liegt im Allgemeinen bei HV = 30–80. Nach dem Erhitzen auf 500 °C und dem 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 in Al-Cu-Legierungen hat. Steigt die Alterungstemperatur weiter an, 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 eine künstliche Erwärmung erfordert, wird als künstliche Alterung bezeichnet, und die Phasen IV und V gehören dazu. Erreicht die Härte den maximal erreichbaren Härtewert der Legierung nach Alterung (Phase IVb), spricht man von Spitzenalterung. Wird der Spitzenwert nicht erreicht, spricht man von Unteralterung oder unvollständiger künstlicher Alterung. Wird der Spitzenwert überschritten und die Härte nimmt ab, spricht man von Überalterung. Auch die Stabilisierungsalterung zählt zur Überalterung. Die bei 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 zurückgeführt werden. Dieses Phänomen wird als „Regression“ bezeichnet und beschreibt den Härteabfall, der in der Abbildung durch die gestrichelte Linie in Stufe IVa dargestellt ist. Die zurückgebliebene 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, weisen nach dem Abschrecken in der Regel einen natürlichen Alterungseffekt auf. Die natürliche Alterungsverfestigung 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 erreicht oft erst nach mehreren Monaten ein stabiles Stadium. Daher wird das natürliche Alterungssystem nicht angewendet.
Im Vergleich zur künstlichen Alterung ist die Streckgrenze der Legierung nach der natürlichen Alterung geringer, jedoch sind Plastizität und Zähigkeit besser und die Korrosionsbeständigkeit höher. Bei superhartem Aluminium des Al-Zn-Mg-Cu-Systems verhält es sich 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 Alterungszeit haben einen wichtigen Einfluss auf die Legierungseigenschaften. Die Alterungstemperatur liegt meist zwischen 120 und 190 °C, die Alterungszeit beträgt höchstens 24 Stunden.
Neben der einstufigen künstlichen Alterung können Aluminiumlegierungen auch ein abgestuftes künstliches Alterungssystem anwenden. Das heißt, die Erwärmung erfolgt zweimal oder öfter bei unterschiedlichen Temperaturen. Beispielsweise kann die LC4-Legierung 2–4 Stunden bei 115–125 °C und anschließend 3–5 Stunden bei 160–170 °C gealtert werden. Die schrittweise Alterung kann nicht nur die Zeit deutlich verkürzen, sondern auch die Mikrostruktur von Al-Zn-Mg- und Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen verbessern und die Spannungskorrosionsbeständigkeit, Dauerfestigkeit und Bruchzähigkeit deutlich verbessern, ohne die mechanischen Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen.
Beitragszeit: 06.03.2025
