Ricottura, tempra e invecchiamento sono i trattamenti termici di base delle 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 dei lingotti, ricottura di billette, 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 avere una composizione e una struttura non uniformi, oltre a presentare elevate tensioni interne. 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 della 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 far sì che la billetta ottenga una struttura bilanciata e la massima capacità di deformazione plastica. Ad esempio, la temperatura finale di laminazione di una bramma 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 è stata 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 mantenimento in caldo per 1,5~2,5 ore. La temperatura di billetta e di ricottura 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 quindi raffreddata ad aria fuori 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 una 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 ai requisiti di deformazione a freddo, 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, e quest'ultima viene riscaldata a 320~350 °C per 1,5~2 ore e poi 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 l'ottenimento 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 lega, 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 sovrasatura, che è ben preparata per il successivo trattamento di invecchiamento.
La premessa per ottenere una soluzione solida α sovrasatura è che la solubilità della seconda fase nella lega in alluminio debba aumentare significativamente con l'aumentare della temperatura, altrimenti lo scopo del trattamento in soluzione solida non può essere raggiunto. 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 a temperatura ambiente del rame nell'alluminio è inferiore allo 0,1%. Quando riscaldata 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, è possibile 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 che la precisione del controllo della temperatura del forno sia entro ±3 °C e che l'aria nel forno sia forzata a circolare per garantire l'uniformità della temperatura del forno.
La sovracottura delle leghe di alluminio è causata dalla fusione parziale di componenti a basso punto di fusione all'interno del metallo, come eutettici binari o multi-elemento. La sovracottura non solo causa la riduzione delle proprietà meccaniche, ma ha anche un grave impatto sulla resistenza alla corrosione della lega. Pertanto, una volta che una lega di alluminio è stata sovracottura, non può essere eliminata e il prodotto in lega deve essere scartato. La temperatura effettiva di sovracottura 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 sovracottura dei prodotti sottoposti a deformazione plastica è superiore a quella dei getti. Maggiore è la deformazione, più facile è per i componenti a basso punto di fusione non in equilibrio dissolversi nella matrice quando riscaldati, quindi la temperatura effettiva di sovracottura aumenta.
La velocità di raffreddamento durante la tempra della lega 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 stabilisce che la velocità di raffreddamento debba essere superiore a 50 °C/s e, 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 o del pezzo temprato. 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 nelle prestazioni durante l'invecchiamento
La soluzione solida α sovrasatura ottenuta tramite tempra è una struttura instabile. Se 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. Altrimenti, 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 allo 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 reticolare.
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 quella θ', le dimensioni sono aumentate fino a 20~600 nm, lo spessore è 10~15 nm e anche l'interfaccia coerente è parzialmente distrutta, diventando un'interfaccia semi-coerente, come mostrato nella Figura c. Il prodotto finale della precipitazione dovuta all'invecchiamento è la fase di equilibrio θ (CuAl2), momento in cui l'interfaccia coerente è completamente distrutta e diventa un'interfaccia non coerente, come mostrato nella Figura d.
Secondo la 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 una distorsione reticolare nella matrice e formano un campo di stress, che ha un significativo effetto di ostacolo sul 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. La fase 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 è due volte più dura della durezza allo stato ricotto (HV=30). Questo è il risultato del rafforzamento della soluzione solida. Dopo la tempra, la lega viene posta a temperatura ambiente e la durezza della lega aumenta costantemente grazie alla continua formazione 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 un 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", ovvero la diminuzione della 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', hanno 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 hanno 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 trattabili termicamente e rinforzati.
3.2 Invecchiamento naturale
In genere, 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 dura troppo a lungo e spesso impiega 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 ottenere 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 in un'unica fase, le leghe di alluminio possono anche adottare un sistema di invecchiamento artificiale graduale. In altre parole, il riscaldamento viene eseguito due o più volte a temperature diverse. Ad esempio, la lega LC4 può essere invecchiata a 115~125 °C per 2~4 ore e poi a 160~170 °C per 3~5 ore. L'invecchiamento graduale può non solo 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
