Tavlama, söndürme ve yaşlandırma, alüminyum alaşımlarının temel ısıl işlem türleridir. Tavlama, alaşımı bileşim ve yapı olarak tekdüze ve kararlı hale getirmeyi, iş sertleşmesini ortadan kaldırmayı ve alaşımın plastisitesini geri kazandırmayı amaçlayan bir yumuşatma işlemidir. Söndürme ve yaşlandırma, alaşımın mukavemetini artırmayı amaçlayan bir güçlendirme ısıl işlemidir ve esas olarak ısıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları için kullanılır.
1 Tavlama
Farklı üretim gereksinimlerine göre alüminyum alaşım tavlama çeşitli formlara ayrılır: külçe homojenizasyon tavlama, kütük tavlama, ara tavlama ve bitmiş ürün tavlama.
1.1 Külçe homojenizasyon tavlama
Hızlı yoğunlaşma ve denge dışı kristalleşme koşulları altında, külçenin düzensiz bir bileşime ve yapıya sahip olması ve ayrıca büyük bir iç gerilime sahip olması gerekir. Bu durumu değiştirmek ve külçenin sıcak işlenebilirliğini iyileştirmek için genellikle homojenizasyon tavlaması gerekir.
Atomik difüzyonu teşvik etmek için homojenizasyon tavlaması için daha yüksek bir sıcaklık seçilmelidir, ancak alaşımın düşük erime noktalı ötektik erime noktasını aşmamalıdır. Genellikle homojenizasyon tavlama sıcaklığı erime noktasından 5~40℃ daha düşüktür ve tavlama süresi çoğunlukla 12~24 saat arasındadır.
1.2 Kütük tavlama
Kütük tavlama, basınç işlemi sırasında ilk soğuk deformasyondan önce tavlamayı ifade eder. Amaç, kütüğün dengeli bir yapı elde etmesini ve maksimum plastik deformasyon kapasitesine sahip olmasını sağlamaktır. Örneğin, sıcak haddelenmiş alüminyum alaşımlı levhanın haddeleme ucu sıcaklığı 280 ~ 330℃'dir. Oda sıcaklığında hızlı soğutmadan sonra, iş sertleşmesi olgusu tamamen ortadan kaldırılamaz. Özellikle, ısıl işlem görmüş güçlendirilmiş alüminyum alaşımları için, hızlı soğutmadan sonra yeniden kristalleşme süreci sona ermemiş ve aşırı doymuş katı çözelti tamamen ayrışmamış ve iş sertleşmesi ve söndürme etkisinin bir kısmı hala korunmuştur. Tavlamadan doğrudan soğuk haddeleme yapmak zordur, bu nedenle kütük tavlaması gerekir. LF3 gibi ısıl işlem görmemiş güçlendirilmiş alüminyum alaşımları için tavlama sıcaklığı 370 ~ 470℃'dir ve 1,5 ~ 2,5 saat sıcak tutulduktan sonra hava soğutması gerçekleştirilir. Soğuk çekme boru işleme için kullanılan kütük ve tavlama sıcaklığı uygun şekilde daha yüksek olmalı ve üst sınır sıcaklığı seçilebilir. LY11 ve LY12 gibi ısıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları için kütük tavlama sıcaklığı 390~450℃'dir, bu sıcaklıkta 1~3 saat tutulur, ardından fırında 30℃/saatten fazla olmayan bir oranda 270℃'nin altına soğutulur ve ardından fırından hava ile soğutulur.
1.3 Ara tavlama
Ara tavlama, soğuk deformasyon işlemleri arasındaki tavlamayı ifade eder ve amacı, sürekli soğuk deformasyonu kolaylaştırmak için iş sertleşmesini ortadan kaldırmaktır. Genel olarak, malzeme tavlandıktan sonra, %45~85 soğuk deformasyona uğradıktan sonra ara tavlama olmadan soğuk işleme devam etmek zor olacaktır.
Ara tavlamanın işlem sistemi temel olarak kütük tavlamanınkiyle aynıdır. Soğuk deformasyon derecesinin gereksinimlerine göre, ara tavlama üç türe ayrılabilir: tam tavlama (toplam deformasyon ε≈60~70%), basit tavlama (ε≤50%) ve hafif tavlama (ε≈30~40%). İlk iki tavlama sistemi kütük tavlama ile aynıdır ve ikincisi 320~350℃'de 1,5~2 saat ısıtılır ve ardından hava ile soğutulur.
1.4. Bitmiş ürünün tavlanması
Son ürün tavlaması, ürünün teknik şartlarının gereklerine göre malzemeye belirli organizasyonel ve mekanik özellikler kazandıran son ısıl işlemdir.
Bitmiş ürün tavlaması, yüksek sıcaklık tavlaması (yumuşak ürünlerin üretimi) ve düşük sıcaklık tavlaması (farklı durumlarda yarı sert ürünlerin üretimi) olarak ikiye ayrılabilir. Yüksek sıcaklık tavlaması, tam bir yeniden kristalleşme yapısı ve iyi bir plastisitenin elde edilebilmesini sağlamalıdır. Malzemenin iyi bir yapı ve performans elde etmesini sağlama koşulu altında, tutma süresi çok uzun olmamalıdır. Isıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları için, hava soğutma söndürme etkisini önlemek amacıyla, soğutma hızı sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir.
Düşük sıcaklıkta tavlama, esas olarak saf alüminyum ve ısıl işlem görmemiş güçlendirilmiş alüminyum alaşımları için kullanılan gerilim giderme tavlama ve kısmi yumuşatma tavlamasını içerir. Düşük sıcaklıkta tavlama sistemi formüle etmek, sadece tavlama sıcaklığını ve tutma süresini değil, aynı zamanda safsızlıkların, alaşım derecesinin, soğuk deformasyonun, ara tavlama sıcaklığının ve sıcak deformasyon sıcaklığının etkisini de dikkate alması gereken çok karmaşık bir iştir. Düşük sıcaklıkta tavlama sistemi formüle etmek için, tavlama sıcaklığı ile mekanik özellikler arasındaki değişim eğrisini ölçmek ve ardından teknik koşullarda belirtilen performans göstergelerine göre tavlama sıcaklığı aralığını belirlemek gerekir.
2 Söndürme
Alüminyum alaşımının su verilmesi işlemine çözelti işlemi de denir; bu işlemde, yüksek sıcaklıkta ısıtma yoluyla metaldeki alaşım elementlerinin mümkün olduğunca çoğunu ikinci faz olarak katı çözeltiye çözmek, ardından ikinci fazın çökelmesini engellemek için hızlı bir soğutma uygulamak ve böylece bir sonraki yaşlandırma işlemi için iyi hazırlanmış aşırı doymuş alüminyum esaslı α katı çözeltisi elde etmek amaçlanır.
Aşırı doymuş bir α katı çözeltisi elde etmenin öncülü, alaşımdaki ikinci fazın alüminyumdaki çözünürlüğünün sıcaklık artışıyla önemli ölçüde artması gerektiğidir, aksi takdirde katı çözelti işleminin amacına ulaşılamaz. Alüminyumdaki alaşım elementlerinin çoğu bu özellik ile ötektik bir faz diyagramı oluşturabilir. Örnek olarak Al-Cu alaşımını ele alırsak, ötektik sıcaklık 548℃'dir ve bakırın alüminyumdaki oda sıcaklığındaki çözünürlüğü %0,1'den azdır. 548℃'ye ısıtıldığında çözünürlüğü %5,6'ya çıkar. Bu nedenle, %5,6'dan az bakır içeren Al-Cu alaşımları, ısıtma sıcaklığı solvus çizgisini aştıktan sonra α tek faz bölgesine girer, yani ikinci faz CuAl2 matriste tamamen çözülür ve söndürmeden sonra tek bir aşırı doymuş α katı çözeltisi elde edilebilir.
Söndürme, alüminyum alaşımları için en önemli ve en zorlu ısıl işlem işlemidir. Önemli olan, uygun söndürme ısıtma sıcaklığını seçmek ve yeterli söndürme soğutma hızını sağlamak ve fırın sıcaklığını sıkı bir şekilde kontrol etmek ve söndürme deformasyonunu azaltmaktır.
Söndürme sıcaklığının seçilmesinin ilkesi, alüminyum alaşımının aşırı yanmamasını veya tanelerin aşırı büyümemesini sağlayarak söndürme ısıtma sıcaklığını mümkün olduğunca artırmaktır, böylece α katı çözeltisinin aşırı doygunluğu ve yaşlanma işleminden sonraki mukavemet artar. Genellikle, alüminyum alaşım ısıtma fırını, fırın sıcaklık kontrol doğruluğunun ±3℃ içinde olmasını gerektirir ve fırın sıcaklığının tekdüzeliğini sağlamak için fırındaki havanın dolaşması zorlanır.
Alüminyum alaşımının aşırı yanması, ikili veya çok elemanlı ötektikler gibi düşük erime noktalı bileşenlerin metalin içinde kısmen erimesiyle oluşur. Aşırı yanma sadece mekanik özelliklerin azalmasına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda alaşımın korozyon direnci üzerinde de ciddi bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, bir alüminyum alaşımı bir kez aşırı yakıldığında, ortadan kaldırılamaz ve alaşım ürünü hurdaya çıkarılmalıdır. Alüminyum alaşımının gerçek aşırı yanma sıcaklığı esas olarak alaşım bileşimi ve safsızlık içeriği tarafından belirlenir ve ayrıca alaşım işleme durumuyla da ilgilidir. Plastik deformasyon işlemine tabi tutulmuş ürünlerin aşırı yanma sıcaklığı, dökümlerden daha yüksektir. Deformasyon işlemi ne kadar büyükse, ısıtıldığında denge dışı düşük erime noktalı bileşenlerin matrise çözünmesi o kadar kolay olur, bu nedenle gerçek aşırı yanma sıcaklığı artar.
Alüminyum alaşımının söndürülmesi sırasında soğutma hızı, alaşımın yaşlanma güçlendirme yeteneği ve korozyon direnci üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. LY12 ve LC4'ün söndürme işlemi sırasında, özellikle 290~420℃'lik sıcaklık hassasiyeti alanında α katı çözeltisinin ayrışmamasını sağlamak ve yeterince büyük bir soğutma hızı gereklidir. Genellikle soğutma hızının 50℃/s'nin üzerinde olması ve LC4 alaşımı için 170℃/s'ye ulaşması veya onu aşması gerektiği öngörülür.
Alüminyum alaşımları için en yaygın kullanılan söndürme ortamı sudur. Üretim uygulaması, söndürme sırasında soğutma hızı ne kadar büyük olursa, söndürülen malzemenin veya iş parçasının artık gerilimi ve artık deformasyonunun da o kadar büyük olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, basit şekillere sahip küçük iş parçaları için su sıcaklığı biraz daha düşük olabilir, genellikle 10 ~ 30℃ ve 40℃'yi geçmemelidir. Karmaşık şekillere ve duvar kalınlıklarında büyük farklılıklara sahip iş parçaları için, söndürme deformasyonunu ve çatlamayı azaltmak için su sıcaklığı bazen 80℃'ye çıkarılabilir. Ancak, söndürme tankının su sıcaklığı arttıkça, malzemenin mukavemetinin ve korozyon direncinin de buna bağlı olarak azaldığı belirtilmelidir.
3. Yaşlanma
3.1 Yaşlanma sırasında örgütsel dönüşüm ve performans değişiklikleri
Söndürme ile elde edilen aşırı doymuş α katı çözeltisi kararsız bir yapıdır. Isıtıldığında ayrışacak ve bir denge yapısına dönüşecektir. Örnek olarak Al-4Cu alaşımını ele alırsak, denge yapısı α+CuAl2 (θ fazı) olmalıdır. Söndürme sonrası tek fazlı aşırı doymuş α katı çözeltisi yaşlandırma için ısıtıldığında, sıcaklık yeterince yüksekse, θ fazı doğrudan çökelecektir. Aksi takdirde, aşamalar halinde gerçekleştirilecektir, yani bazı ara geçiş aşamalarından sonra, son denge fazı CuAl2'ye ulaşılabilir. Aşağıdaki şekil, Al-Cu alaşımının yaşlandırma işlemi sırasında her çökelme aşamasının kristal yapı özelliklerini göstermektedir. Şekil a. söndürülmüş haldeki kristal kafes yapısıdır. Bu sırada, tek fazlı bir α aşırı doymuş katı çözeltidir ve bakır atomları (siyah noktalar) alüminyum (beyaz noktalar) matris kafesinde eşit ve rastgele dağılmıştır. Şekil b. çökelmenin erken aşamasında kafes yapısını gösterir. Bakır atomları, GP alanı adı verilen bir Guinier-Preston alanı oluşturmak için matris kafesinin belirli bölgelerinde yoğunlaşmaya başlar. GP bölgesi son derece küçük ve disk şeklindedir, çapı yaklaşık 5~10μm ve kalınlığı 0,4~0,6nm'dir. Matristeki GP bölgelerinin sayısı son derece fazladır ve dağılım yoğunluğu 10¹⁷~10¹⁸cm-³'e ulaşabilir. GP bölgesinin kristal yapısı hala matrisinkiyle aynıdır, her ikisi de yüz merkezli kübiktir ve matrisle tutarlı bir arayüzü korur. Ancak, bakır atomlarının boyutu alüminyum atomlarının boyutundan daha küçük olduğundan, bakır atomlarının zenginleşmesi, bölgeye yakın kristal kafesinin küçülmesine neden olur ve bu da kafes bozulmasına neden olur.
Al-Cu alaşımının yaşlanma sırasında kristal yapı değişimlerinin şematik diyagramı
Şekil a. Söndürülmüş hal, tek fazlı α katı çözeltisi, bakır atomları (siyah noktalar) eşit olarak dağılmıştır;
Şekil b. Yaşlanmanın erken evresinde GP bölgesi oluşur;
Şekil c. Yaşlanmanın geç evresinde yarı tutarlı bir geçiş fazı oluşur;
Şekil d. Yüksek sıcaklıkta yaşlanma, tutarsız denge fazının çökelmesi
GP bölgesi, alüminyum alaşımlarının yaşlandırma süreci sırasında ortaya çıkan ilk ön çökelme ürünüdür. Yaşlandırma süresinin uzatılması, özellikle yaşlandırma sıcaklığının artırılması, diğer ara geçiş fazlarını da oluşturacaktır. Al-4Cu alaşımında, GP bölgesinden sonra θ” ve θ' fazları vardır ve son olarak denge fazı CuAl2'ye ulaşılır. θ” ve θ', θ fazının her ikisi de geçiş fazlarıdır ve kristal yapı kare kafestir, ancak kafes sabiti farklıdır. θ'nin boyutu, yaklaşık 15~40nm çapında ve 0,8~2,0nm kalınlığında, hala disk şeklinde olan GP bölgesinin boyutundan daha büyüktür. Matrisle tutarlı bir arayüzü korumaya devam eder, ancak kafes bozulma derecesi daha yoğundur. θ” fazından θ' fazına geçişte boyut 20~600nm'ye, kalınlık 10~15nm'ye ulaşmış ve tutarlı arayüz de kısmen yok olarak Şekil c'de gösterildiği gibi yarı tutarlı bir arayüz haline gelmiştir. Yaşlanma çökelmesinin son ürünü denge fazı θ'dir (CuAl2), bu noktada tutarlı arayüz tamamen yok olur ve Şekil d'de gösterildiği gibi tutarlı olmayan bir arayüz haline gelir.
Yukarıdaki duruma göre, Al-Cu alaşımının yaşlanma çökelme sırası αs→α+GP zone→α+θ”→α+θ'→α+θ'dir. Yaşlanma yapısının aşaması alaşım bileşimine ve yaşlanma spesifikasyonuna bağlıdır. Genellikle aynı durumda birden fazla yaşlanma ürünü vardır. Yaşlanma sıcaklığı ne kadar yüksekse denge yapısına o kadar yakındır.
Yaşlandırma işlemi sırasında matristen çöken GP bölgesi ve geçiş fazı küçük boyutlu, oldukça dağılmış ve kolayca deforme olmayan bir yapıya sahiptir. Aynı zamanda matriste kafes bozulmasına neden olurlar ve dislokasyonların hareketini önemli ölçüde engelleyen bir gerilim alanı oluşturarak alaşımın plastik deformasyona karşı direncini artırır ve mukavemetini ve sertliğini iyileştirirler. Bu yaşlanma sertleşmesi olayına çökelme sertleşmesi denir. Aşağıdaki şekil, Al-4Cu alaşımının söndürme ve yaşlandırma işlemi sırasında sertlik değişimini bir eğri şeklinde göstermektedir. Şekildeki Aşama I, alaşımın orijinal halindeki sertliğini temsil eder. Farklı sıcak çalışma geçmişleri nedeniyle, orijinal haldeki sertlik genellikle HV=30~80 olacak şekilde değişecektir. 500℃'de ısıtıldıktan ve söndürüldükten sonra (aşama II), tüm bakır atomları matriste çözülerek HV=60 olan tek fazlı aşırı doymuş α katı çözeltisi oluşturur, bu da tavlanmış durumdaki sertliğin (HV=30) iki katıdır. Bu, katı çözelti güçlendirmesinin sonucudur. Söndürmeden sonra, oda sıcaklığına yerleştirilir ve GP bölgelerinin sürekli oluşumu nedeniyle alaşımın sertliği sürekli olarak artırılır (aşama III). Oda sıcaklığındaki bu yaşlandırma sertleştirme işlemine doğal yaşlandırma denir.
Ben—orijinal hali;
II—katı çözelti hali;
III—doğal yaşlanma (GP bölgesi);
IVa—150~200℃'de regresyon tedavisi (GP bölgesinde yeniden çözüldü);
IVb—yapay yaşlandırma (θ”+θ' fazı);
V—aşırı yaşlanma (θ”+θ' fazı)
Aşama IV'te, alaşım yaşlandırma için 150 °C'ye kadar ısıtılır ve sertleştirme etkisi doğal yaşlandırmadan daha belirgindir. Bu sırada, çökelme ürünü esas olarak Al-Cu alaşımlarında en büyük güçlendirme etkisine sahip olan θ” fazıdır. Yaşlandırma sıcaklığı daha da artırılırsa, çökelme fazı θ” fazından θ' fazına geçer, sertleştirme etkisi zayıflar ve sertlik azalarak aşama V'e girer. Yapay ısıtma gerektiren herhangi bir yaşlandırma işlemine yapay yaşlandırma denir ve aşama IV ve V bu kategoriye aittir. Sertlik, alaşımın yaşlandırmadan sonra ulaşabileceği maksimum sertlik değerine ulaşırsa (yani aşama IVb), bu yaşlandırmaya tepe yaşlandırma denir. Tepe sertlik değerine ulaşılmazsa, yetersiz yaşlandırma veya eksik yapay yaşlandırma denir. Tepe değeri geçilirse ve sertlik azalırsa, aşırı yaşlandırma denir. Stabilizasyon yaşlandırma işlemi de aşırı yaşlandırmaya aittir. Doğal yaşlandırma sırasında oluşan GP bölgesi çok kararsızdır. Yaklaşık 200°C gibi daha yüksek bir sıcaklığa hızla ısıtıldığında ve kısa bir süre sıcak tutulduğunda, GP bölgesi tekrar α katı çözeltisine dönüşecektir. θ” veya θ' gibi diğer geçiş fazları çökelmeden önce hızla soğutulursa (söndürülürse), alaşım orijinal söndürülmüş haline geri döndürülebilir. Bu olguya "gerileme" denir ve bu, şekildeki IVa aşamasında noktalı çizgiyle gösterilen sertlik düşüşüdür. Geriletilmiş alüminyum alaşımı hala aynı yaşlanma sertleştirme yeteneğine sahiptir.
Yaşlandırma sertleştirmesi, ısıl işlem uygulanabilen alüminyum alaşımlarının geliştirilmesinin temelidir ve yaşlandırma sertleştirme yeteneği doğrudan alaşım bileşimi ve ısıl işlem sistemiyle ilgilidir. Al-Si ve Al-Mn ikili alaşımları, denge fazı yaşlandırma işlemi sırasında doğrudan çökeldiği için çökelme sertleştirme etkisine sahip değildir ve ısıl işlem uygulanamayan alüminyum alaşımlarıdır. Al-Mg alaşımları GP bölgeleri ve geçiş fazları β' oluşturabilmesine rağmen, yalnızca yüksek magnezyum alaşımlarında belirli bir çökelme sertleştirme yeteneğine sahiptirler. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si ve Al-Zn-Mg-Cu alaşımları GP bölgelerinde ve geçiş fazlarında güçlü çökelme sertleştirme yeteneğine sahiptir ve şu anda ısıl işlem uygulanabilen ve güçlendirilebilen ana alaşım sistemleridir.
3.2 Doğal Yaşlanma
Genellikle, ısıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları söndürmeden sonra doğal yaşlanma etkisine sahiptir. Doğal yaşlanma güçlendirmesi GP bölgesinden kaynaklanır. Doğal yaşlanma, Al-Cu ve Al-Cu-Mg alaşımlarında yaygın olarak kullanılır. Al-Zn-Mg-Cu alaşımlarının doğal yaşlanması çok uzun sürer ve genellikle kararlı bir aşamaya ulaşması birkaç ay sürer, bu nedenle doğal yaşlanma sistemi kullanılmaz.
Yapay yaşlandırma ile karşılaştırıldığında, doğal yaşlandırmadan sonra alaşımın akma dayanımı daha düşüktür, ancak plastisite ve tokluk daha iyidir ve korozyon direnci daha yüksektir. Al-Zn-Mg-Cu sisteminin süper sert alüminyumunun durumu biraz farklıdır. Yapay yaşlandırmadan sonraki korozyon direnci genellikle doğal yaşlandırmadan sonrakinden daha iyidir.
3.3 Yapay yaşlandırma
Yapay yaşlandırma işleminden sonra, alüminyum alaşımları genellikle en yüksek akma mukavemetini (çoğunlukla geçiş fazı güçlendirmesi) ve daha iyi organizasyonel kararlılığı elde edebilir. Süper sert alüminyum, dövme alüminyum ve döküm alüminyum çoğunlukla yapay olarak yaşlandırılır. Yaşlandırma sıcaklığı ve yaşlandırma süresi alaşım özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yaşlandırma sıcaklığı çoğunlukla 120~190℃ arasındadır ve yaşlandırma süresi 24 saati geçmez.
Tek aşamalı yapay yaşlandırmaya ek olarak, alüminyum alaşımları ayrıca kademeli bir yapay yaşlandırma sistemi de benimseyebilir. Yani, ısıtma farklı sıcaklıklarda iki veya daha fazla kez gerçekleştirilir. Örneğin, LC4 alaşımı 115~125℃'de 2~4 saat ve ardından 160~170℃'de 3~5 saat yaşlandırılabilir. Kademeli yaşlandırma yalnızca süreyi önemli ölçüde kısaltmakla kalmaz, aynı zamanda Al-Zn-Mg ve Al-Zn-Mg-Cu alaşımlarının mikro yapısını iyileştirebilir ve mekanik özellikleri temelde azaltmadan gerilim korozyon direncini, yorulma mukavemetini ve kırılma tokluğunu önemli ölçüde iyileştirebilir.
Gönderi zamanı: Mar-06-2025
