Ricottura, tempra e invecchiamento sono i trattamenti termici fondamentali per le leghe di alluminio. La ricottura è un trattamento di addolcimento, il cui scopo è rendere la lega uniforme e stabile nella composizione e nella struttura, eliminare l'incrudimento e ripristinare la plasticità della lega. La tempra e l'invecchiamento sono trattamenti termici di rinforzo, il cui scopo è migliorare la resistenza della lega e sono utilizzati principalmente per le leghe di alluminio che possono essere rinforzate mediante trattamento termico.
1 Ricottura
A seconda delle diverse esigenze di produzione, la ricottura delle leghe di alluminio si divide in diverse forme: ricottura di omogeneizzazione del lingotto, ricottura della billetta, ricottura intermedia e ricottura del prodotto finito.
1.1 Ricottura di omogeneizzazione del lingotto
In condizioni di condensazione rapida e cristallizzazione non in equilibrio, il lingotto deve presentare una composizione e una struttura non uniformi, oltre a presentare un elevato stress interno. Per modificare questa situazione e migliorare la lavorabilità a caldo del lingotto, è generalmente necessaria la ricottura di omogeneizzazione.
Per favorire la diffusione atomica, è necessario selezionare una temperatura più elevata per la ricottura di omogeneizzazione, senza tuttavia superare il punto di fusione eutettico a basso punto di fusione della lega. Generalmente, la temperatura di ricottura di omogeneizzazione è inferiore di 5-40 °C rispetto al punto di fusione e il tempo di ricottura è generalmente compreso tra 12 e 24 ore.
1.2 Ricottura del billetta
La ricottura della billetta si riferisce alla ricottura prima della prima deformazione a freddo durante la lavorazione a pressione. Lo scopo è quello di conferire alla billetta una struttura equilibrata e la massima capacità di deformazione plastica. Ad esempio, la temperatura finale di laminazione di una lastra di lega di alluminio laminata a caldo è di 280~330 °C. Dopo un rapido raffreddamento a temperatura ambiente, il fenomeno dell'incrudimento non può essere completamente eliminato. In particolare, per le leghe di alluminio rinforzate trattate termicamente, dopo un rapido raffreddamento, il processo di ricristallizzazione non è terminato e la soluzione solida sovrasatura non si è completamente decomposta, mantenendo in parte l'effetto di incrudimento e tempra. È difficile laminare a freddo direttamente senza ricottura, quindi è necessaria la ricottura della billetta. Per le leghe di alluminio rinforzate non trattate termicamente, come la LF3, la temperatura di ricottura è di 370~470 °C e il raffreddamento ad aria viene eseguito dopo un periodo di riscaldamento di 1,5~2,5 ore. La temperatura di ricottura e di billetta utilizzata per la lavorazione dei tubi trafilati a freddo deve essere opportunamente più elevata, ed è possibile selezionare la temperatura limite superiore. Per le leghe di alluminio che possono essere rinforzate mediante trattamento termico, come LY11 e LY12, la temperatura di ricottura della billetta è di 390~450 °C, mantenuta a questa temperatura per 1~3 ore, quindi raffreddata in forno a una temperatura inferiore a 270 °C a una velocità non superiore a 30 °C/h e infine raffreddata ad aria all'uscita dal forno.
1.3 Ricottura intermedia
La ricottura intermedia si riferisce alla ricottura tra i processi di deformazione a freddo, il cui scopo è eliminare l'incrudimento per facilitare la continuazione della deformazione a freddo. In generale, dopo la ricottura del materiale, sarà difficile continuare la lavorazione a freddo senza la ricottura intermedia dopo aver subito una deformazione a freddo del 45-85%.
Il processo di ricottura intermedia è sostanzialmente lo stesso della ricottura della billetta. In base al grado di deformazione a freddo richiesto, la ricottura intermedia può essere suddivisa in tre tipologie: ricottura completa (deformazione totale ε≈60~70%), ricottura semplice (ε≤50%) e ricottura leggera (ε≈30~40%). I primi due sistemi di ricottura sono gli stessi della ricottura della billetta, mentre quest'ultima viene riscaldata a 320~350 °C per 1,5~2 ore e successivamente raffreddata ad aria.
1.4. Ricottura del prodotto finito
La ricottura del prodotto finito è il trattamento termico finale che conferisce al materiale determinate proprietà organizzative e meccaniche in base ai requisiti delle condizioni tecniche del prodotto.
La ricottura del prodotto finito può essere suddivisa in ricottura ad alta temperatura (produzione di prodotti morbidi) e ricottura a bassa temperatura (produzione di prodotti semiduri in stati diversi). La ricottura ad alta temperatura dovrebbe garantire il raggiungimento di una struttura di ricristallizzazione completa e di una buona plasticità. Per garantire che il materiale ottenga una buona struttura e buone prestazioni, il tempo di mantenimento non dovrebbe essere troppo lungo. Per le leghe di alluminio che possono essere rinforzate mediante trattamento termico, al fine di evitare l'effetto di tempra dovuto al raffreddamento ad aria, la velocità di raffreddamento deve essere rigorosamente controllata.
La ricottura a bassa temperatura include la ricottura di distensione e la ricottura di rammollimento parziale, utilizzate principalmente per alluminio puro e leghe di alluminio rinforzate senza trattamento termico. Formulare un sistema di ricottura a bassa temperatura è un compito molto complesso, che non solo deve considerare la temperatura di ricottura e il tempo di mantenimento, ma anche l'influenza delle impurità, del grado di alligazione, della deformazione a freddo, della temperatura di ricottura intermedia e della temperatura di deformazione a caldo. Per formulare un sistema di ricottura a bassa temperatura, è necessario misurare la curva di variazione tra la temperatura di ricottura e le proprietà meccaniche, quindi determinare l'intervallo di temperatura di ricottura in base agli indicatori di prestazione specificati nelle condizioni tecniche.
2 Tempra
La tempra della lega di alluminio è anche chiamata trattamento di soluzione, che consiste nello sciogliere quanti più elementi di lega possibili nel metallo come seconda fase nella soluzione solida mediante riscaldamento ad alta temperatura, seguito da un rapido raffreddamento per inibire la precipitazione della seconda fase, ottenendo così una soluzione solida α a base di alluminio supersatura, che è ben preparata per il successivo trattamento di invecchiamento.
Il presupposto per ottenere una soluzione solida α sovrasatura è che la solubilità della seconda fase nella lega di alluminio aumenti significativamente con l'aumentare della temperatura, altrimenti non si può raggiungere lo scopo del trattamento di soluzione solida. La maggior parte degli elementi di lega nell'alluminio può formare un diagramma di fase eutettico con questa caratteristica. Prendendo come esempio la lega Al-Cu, la temperatura eutettica è di 548 °C e la solubilità del rame nell'alluminio a temperatura ambiente è inferiore allo 0,1%. Riscaldando a 548 °C, la sua solubilità aumenta al 5,6%. Pertanto, le leghe Al-Cu contenenti meno del 5,6% di rame entrano nella regione monofasica α dopo che la temperatura di riscaldamento supera la sua linea di solvus, ovvero la seconda fase CuAl₂ è completamente disciolta nella matrice e dopo la tempra si può ottenere una singola soluzione solida α sovrasatura.
La tempra è l'operazione di trattamento termico più importante e impegnativa per le leghe di alluminio. È fondamentale selezionare la temperatura di riscaldamento e di raffreddamento appropriata, garantire una velocità di raffreddamento sufficiente e controllare rigorosamente la temperatura del forno per ridurre al minimo le deformazioni dovute alla tempra.
Il principio di selezione della temperatura di tempra è quello di aumentare il più possibile la temperatura di riscaldamento per tempra, assicurandosi al contempo che la lega di alluminio non bruci eccessivamente o che i grani non crescano eccessivamente, in modo da aumentare la sovrasaturazione della soluzione solida α e la resistenza dopo il trattamento di invecchiamento. Generalmente, il forno di riscaldamento per leghe di alluminio richiede una precisione di controllo della temperatura entro ±3 °C e l'aria nel forno è forzata a circolare per garantire l'uniformità della temperatura.
La sovracombustione delle leghe di alluminio è causata dalla fusione parziale di componenti a basso punto di fusione presenti all'interno del metallo, come eutettici binari o multi-elemento. La sovracombustione non solo riduce le proprietà meccaniche, ma ha anche un impatto significativo sulla resistenza alla corrosione della lega. Pertanto, una volta che una lega di alluminio è stata sovracombusta, non può essere eliminata e il prodotto in lega deve essere scartato. La temperatura effettiva di sovracombustione delle leghe di alluminio è determinata principalmente dalla composizione della lega e dal contenuto di impurità, ed è anche correlata allo stato di lavorazione della lega. La temperatura di sovracombustione dei prodotti sottoposti a deformazione plastica è superiore a quella dei getti. Maggiore è il processo di deformazione, maggiore è la facilità con cui i componenti a basso punto di fusione non in equilibrio si dissolvono nella matrice durante il riscaldamento, quindi la temperatura effettiva di sovracombustione aumenta.
La velocità di raffreddamento durante la tempra delle leghe di alluminio ha un impatto significativo sulla capacità di rafforzamento dopo invecchiamento e sulla resistenza alla corrosione della lega. Durante il processo di tempra di LY12 e LC4, è necessario garantire che la soluzione solida α non si decomponga, soprattutto nell'intervallo di temperatura di 290~420 °C, ed è richiesta una velocità di raffreddamento sufficientemente elevata. Di solito si richiede una velocità di raffreddamento superiore a 50 °C/s, mentre per la lega LC4 deve raggiungere o superare i 170 °C/s.
Il mezzo di tempra più comunemente utilizzato per le leghe di alluminio è l'acqua. La pratica produttiva dimostra che maggiore è la velocità di raffreddamento durante la tempra, maggiori sono le tensioni residue e la deformazione residua del materiale temprato o del pezzo. Pertanto, per pezzi di piccole dimensioni con forme semplici, la temperatura dell'acqua può essere leggermente inferiore, generalmente 10~30 °C, e non deve superare i 40 °C. Per pezzi con forme complesse e grandi differenze di spessore delle pareti, al fine di ridurre la deformazione e la formazione di cricche durante la tempra, la temperatura dell'acqua può talvolta essere aumentata fino a 80 °C. Tuttavia, è necessario sottolineare che all'aumentare della temperatura dell'acqua nella vasca di tempra, anche la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione del materiale diminuiscono di conseguenza.
3. Invecchiamento
3.1 Trasformazione organizzativa e cambiamenti delle prestazioni durante l'invecchiamento
La soluzione solida α sovrasatura ottenuta per tempra è una struttura instabile. Una volta riscaldata, si decompone e si trasforma in una struttura di equilibrio. Prendendo come esempio la lega Al-4Cu, la sua struttura di equilibrio dovrebbe essere α+CuAl₂ (fase θ). Quando la soluzione solida α sovrasatura monofase dopo la tempra viene riscaldata per l'invecchiamento, se la temperatura è sufficientemente elevata, la fase θ verrà precipitata direttamente. In caso contrario, il processo avverrà per fasi, ovvero, dopo alcune fasi di transizione intermedie, si può raggiungere la fase di equilibrio finale CuAl₂. La figura seguente illustra le caratteristiche della struttura cristallina di ogni fase di precipitazione durante il processo di invecchiamento della lega Al-Cu. La Figura a. mostra la struttura del reticolo cristallino nello stato temprato. In questo momento, si tratta di una soluzione solida α sovrasatura monofase, e gli atomi di rame (punti neri) sono distribuiti uniformemente e casualmente nel reticolo della matrice di alluminio (punti bianchi). La Figura b. mostra la struttura del reticolo nella fase iniziale della precipitazione. Gli atomi di rame iniziano a concentrarsi in determinate aree del reticolo della matrice per formare un'area di Guinier-Preston, chiamata area GP. La zona GP è estremamente piccola e a forma di disco, con un diametro di circa 5~10 μm e uno spessore di 0,4~0,6 nm. Il numero di zone GP nella matrice è estremamente elevato e la densità di distribuzione può raggiungere 10¹⁷~10¹⁸cm-³. La struttura cristallina della zona GP è ancora la stessa di quella della matrice, entrambe sono cubiche a facce centrate e mantengono un'interfaccia coerente con la matrice. Tuttavia, poiché le dimensioni degli atomi di rame sono inferiori a quelle degli atomi di alluminio, l'arricchimento di atomi di rame causerà il restringimento del reticolo cristallino vicino alla regione, causando una distorsione del reticolo.
Diagramma schematico dei cambiamenti nella struttura cristallina della lega Al-Cu durante l'invecchiamento
Figura a. Stato di spegnimento, una soluzione solida α monofase, gli atomi di rame (punti neri) sono distribuiti uniformemente;
Figura b. Nella fase iniziale dell'invecchiamento si forma la zona GP;
Figura c. Nella fase avanzata dell'invecchiamento, si forma una fase di transizione semi-coerente;
Figura d. Invecchiamento ad alta temperatura, precipitazione della fase di equilibrio incoerente
La zona GP è il primo prodotto di pre-precipitazione che compare durante il processo di invecchiamento delle leghe di alluminio. Prolungando il tempo di invecchiamento, in particolare aumentando la temperatura di invecchiamento, si formeranno anche altre fasi di transizione intermedie. Nella lega Al-4Cu, dopo la zona GP si trovano le fasi θ” e θ', e infine si raggiunge la fase di equilibrio CuAl2. θ” e θ' sono entrambe fasi di transizione della fase θ, e la struttura cristallina è un reticolo quadrato, ma la costante reticolare è diversa. La dimensione di θ è maggiore di quella della zona GP, ancora a forma di disco, con un diametro di circa 15~40 nm e uno spessore di 0,8~2,0 nm. Continua a mantenere un'interfaccia coerente con la matrice, ma il grado di distorsione reticolare è più intenso. Durante la transizione dalla fase θ” a θ', le dimensioni sono aumentate fino a 20~600 nm, lo spessore è di 10~15 nm e anche l'interfaccia coerente viene parzialmente distrutta, diventando un'interfaccia semi-coerente, come mostrato in Figura c. Il prodotto finale della precipitazione dovuta all'invecchiamento è la fase di equilibrio θ (CuAl2), momento in cui l'interfaccia coerente viene completamente distrutta e diventa un'interfaccia non coerente, come mostrato in Figura d.
In base alla situazione sopra descritta, l'ordine di precipitazione dell'invecchiamento della lega Al-Cu è αs→α+zona GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. Lo stadio di invecchiamento della struttura dipende dalla composizione della lega e dalle specifiche di invecchiamento. Spesso si riscontrano più prodotti di invecchiamento nello stesso stato. Maggiore è la temperatura di invecchiamento, più ci si avvicina alla struttura di equilibrio.
Durante il processo di invecchiamento, la zona GP e la fase di transizione precipitate dalla matrice sono di piccole dimensioni, altamente disperse e difficilmente deformabili. Allo stesso tempo, causano distorsioni reticolari nella matrice e formano un campo di stress, che ostacola significativamente il movimento delle dislocazioni, aumentando così la resistenza alla deformazione plastica della lega e migliorandone la resistenza e la durezza. Questo fenomeno di indurimento per invecchiamento è chiamato indurimento per precipitazione. La figura seguente illustra la variazione di durezza della lega Al-4Cu durante il trattamento di tempra e invecchiamento sotto forma di curva. Lo stadio I nella figura rappresenta la durezza della lega nel suo stato originale. A causa delle diverse storie di lavorazione a caldo, la durezza dello stato originale varierà, generalmente HV=30~80. Dopo il riscaldamento a 500 °C e la tempra (fase II), tutti gli atomi di rame si dissolvono nella matrice per formare una soluzione solida α monofase sovrasatura con HV=60, che presenta una durezza doppia rispetto a quella allo stato ricotto (HV=30). Questo è il risultato del rafforzamento della soluzione solida. Dopo la tempra, la lega viene portata a temperatura ambiente e la sua durezza aumenta costantemente grazie alla formazione continua di zone GP (fase III). Questo processo di invecchiamento a temperatura ambiente è chiamato invecchiamento naturale.
Io—stato originale;
II—stato di soluzione solida;
III—invecchiamento naturale (zona GP);
IVa—trattamento di regressione a 150~200℃ (ridisciolto nella zona GP);
IVb—invecchiamento artificiale (fase θ”+θ');
V—sovrainvecchiamento (fase θ”+θ')
Nella fase IV, la lega viene riscaldata a 150 °C per l'invecchiamento, e l'effetto di indurimento è più evidente rispetto a quello dell'invecchiamento naturale. In questa fase, il prodotto di precipitazione è principalmente la fase θ", che ha il maggiore effetto di rafforzamento nelle leghe Al-Cu. Se la temperatura di invecchiamento viene ulteriormente aumentata, la fase di precipitazione passa dalla fase θ" alla fase θ', l'effetto di indurimento si indebolisce e la durezza diminuisce, entrando nella fase V. Qualsiasi trattamento di invecchiamento che richiede riscaldamento artificiale è chiamato invecchiamento artificiale, e le fasi IV e V appartengono a questa categoria. Se la durezza raggiunge il valore massimo che la lega può raggiungere dopo l'invecchiamento (ovvero, fase IVb), questo invecchiamento è chiamato invecchiamento di picco. Se il valore di durezza di picco non viene raggiunto, si parla di sottoinvecchiamento o invecchiamento artificiale incompleto. Se il valore di picco viene superato e la durezza diminuisce, si parla di sovrainvecchiamento. Anche il trattamento di invecchiamento di stabilizzazione appartiene al sovrainvecchiamento. La zona GP formata durante l'invecchiamento naturale è molto instabile. Riscaldata rapidamente a una temperatura più elevata, ad esempio circa 200 °C, e mantenuta calda per un breve periodo, la zona GP si dissolverà nuovamente nella soluzione solida α. Se raffreddata rapidamente (temprata) prima che altre fasi di transizione come θ” o θ' precipitino, la lega può essere riportata al suo stato di tempra originale. Questo fenomeno è chiamato "regressione", che corrisponde alla diminuzione di durezza indicata dalla linea tratteggiata nella fase IVa in figura. La lega di alluminio che ha subito la regressione mantiene la stessa capacità di indurimento per invecchiamento.
L'indurimento per invecchiamento è la base per lo sviluppo di leghe di alluminio trattabili termicamente, e la sua capacità di indurimento per invecchiamento è direttamente correlata alla composizione della lega e al sistema di trattamento termico. Le leghe binarie Al-Si e Al-Mn non hanno effetto di indurimento per precipitazione poiché la fase di equilibrio viene precipitata direttamente durante il processo di invecchiamento e sono leghe di alluminio non trattabili termicamente. Sebbene le leghe Al-Mg possano formare zone GP e fasi di transizione β', presentano una certa capacità di indurimento per precipitazione solo nelle leghe ad alto contenuto di magnesio. Le leghe Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg-Cu presentano una forte capacità di indurimento per precipitazione nelle loro zone GP e fasi di transizione e sono attualmente i principali sistemi di lega che possono essere trattati termicamente e rinforzati.
3.2 Invecchiamento naturale
Generalmente, le leghe di alluminio che possono essere rinforzate mediante trattamento termico presentano un effetto di invecchiamento naturale dopo la tempra. Il rinforzo per invecchiamento naturale è causato dalla zona GP. L'invecchiamento naturale è ampiamente utilizzato nelle leghe Al-Cu e Al-Cu-Mg. L'invecchiamento naturale delle leghe Al-Zn-Mg-Cu è troppo lungo e spesso richiede diversi mesi per raggiungere una fase stabile, quindi il sistema di invecchiamento naturale non viene utilizzato.
Rispetto all'invecchiamento artificiale, dopo l'invecchiamento naturale, il limite di snervamento della lega è inferiore, ma la plasticità e la tenacità sono migliori e la resistenza alla corrosione è maggiore. La situazione dell'alluminio superduro del sistema Al-Zn-Mg-Cu è leggermente diversa. La resistenza alla corrosione dopo l'invecchiamento artificiale è spesso migliore rispetto a quella dopo l'invecchiamento naturale.
3.3 Invecchiamento artificiale
Dopo il trattamento di invecchiamento artificiale, le leghe di alluminio possono spesso raggiungere il massimo limite di snervamento (principalmente un rafforzamento in fase di transizione) e una migliore stabilità strutturale. L'alluminio superduro, l'alluminio forgiato e l'alluminio fuso vengono principalmente invecchiati artificialmente. La temperatura e il tempo di invecchiamento hanno un'influenza importante sulle proprietà della lega. La temperatura di invecchiamento è generalmente compresa tra 120 e 190 °C e il tempo di invecchiamento non supera le 24 ore.
Oltre all'invecchiamento artificiale a fase singola, le leghe di alluminio possono anche adottare un sistema di invecchiamento artificiale graduale. In altre parole, il riscaldamento viene effettuato due o più volte a temperature diverse. Ad esempio, la lega LC4 può essere invecchiata a 115~125 °C per 2~4 ore e successivamente a 160~170 °C per 3~5 ore. L'invecchiamento graduale non solo può ridurre significativamente i tempi, ma anche migliorare la microstruttura delle leghe Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu, migliorando significativamente la resistenza alla corrosione sotto sforzo, la resistenza a fatica e la tenacità alla frattura, senza sostanzialmente ridurre le proprietà meccaniche.
Data di pubblicazione: 06-03-2025
