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Ricottura e Invecchiamento: Processi Chiave di Trattamento Termico per Leghe Metalliche
Il trattamento termico è un passaggio critico nella lavorazione dei metalli che migliora significativamente le proprietà dei materiali. Tra le varie tecniche, la solubilizzazione e l'invecchiamento si distinguono come processi essenziali per migliorare le prestazioni meccaniche, la resistenza al calore e la resistenza alla corrosione dei materiali in lega. Questo articolo approfondisce le loro definizioni, i principi, le applicazioni e i dettagli operativi per fornire un riferimento completo del settore.
Solubilizzazione
Definizione
La solubilizzazione si riferisce a un processo di trattamento termico in cui una lega viene riscaldata nella regione monofase ad alta temperatura, mantenuta a temperatura costante per dissolvere completamente le fasi in eccesso nella soluzione solida e quindi raffreddata rapidamente per ottenere una soluzione solida sursatura.
Obiettivi
- Migliorare la plasticità e la tenacità degli acciai o delle leghe, ponendo le basi per il trattamento di indurimento per precipitazione.
- Dissolvere completamente varie fasi nella lega per rafforzare la soluzione solida, migliorare la tenacità e la resistenza alla corrosione, eliminare le tensioni interne e ammorbidire il materiale per la successiva lavorazione o formatura.
Campo di applicazione
È applicabile ad acciai speciali, superleghe, metalli non ferrosi come acciaio inossidabile, leghe di rame e leghe di alluminio. In questi materiali, la solubilizzazione affina la struttura del grano, elimina le fasi precipitate degli elementi di lega e migliora la resistenza e la resistenza alla corrosione. Ad esempio, le leghe di alluminio trattate con solubilizzazione acquisiscono un'eccellente plasticità e resistenza, rendendole adatte all'aerospaziale, alla produzione automobilistica e ad altri settori ad alta richiesta. Il processo viene utilizzato anche per:
- Parti che richiedono un'ulteriore lavorazione dopo il trattamento termico;
- Eliminare l'incrudimento a freddo tra le operazioni di formatura;
- Pezzi saldati.
Principi
Il principio fondamentale della solubilizzazione è quello di dissolvere carburi, fasi γ' e altri precipitati nella matrice per formare una soluzione solida sursatura uniforme. Ciò facilita la ri-precipitazione di carburi fini e distribuiti uniformemente e fasi di rafforzamento γ' durante l'invecchiamento. Inoltre, il processo elimina le sollecitazioni causate dalla lavorazione a caldo e a freddo, inducendo la ricristallizzazione nella lega. Ottiene anche una dimensione del grano appropriata per garantire l'elevata resistenza allo scorrimento della lega.
Parametri chiave del processo
- Intervallo di temperatura: Tipicamente 980~1250℃, selezionato in base alle leggi di precipitazione/dissoluzione di fase della lega specifica e ai requisiti di servizio.
- Temperature di solubilizzazione elevate (per leghe utilizzate in ambienti ad alta temperatura a lungo termine): promuovono dimensioni del grano maggiori per migliorare la resistenza alle alte temperature e la resistenza allo scorrimento.
- Temperature di solubilizzazione basse (per leghe utilizzate a temperature medie con elevate esigenze di durezza a temperatura ambiente, limite di snervamento, resistenza alla trazione, tenacità all'urto e resistenza a fatica): garantiscono dimensioni del grano minori.
- Velocità di raffreddamento: Il raffreddamento rapido viene generalmente utilizzato per le leghe a bassa sursaturazione, mentre il raffreddamento ad aria è sufficiente per le leghe ad alta sursaturazione.
Solubilizzazione per acciaio inossidabile
La solubilità del carbonio nell'acciaio inossidabile austenitico dipende fortemente dalla temperatura. Quando riscaldato tra 400℃ e 850℃, i carburi ad alto contenuto di cromo precipitano, riducendo il contenuto di cromo al di sotto della soglia di resistenza alla corrosione e causando corrosione intergranulare (i casi gravi possono portare alla polverizzazione). Per risolvere questo problema, l'acciaio inossidabile austenitico soggetto a corrosione intergranulare richiede solubilizzazione o trattamento di stabilizzazione:
- Riscaldare la lega a circa 1100℃ per dissolvere completamente o parzialmente i carburi, consentendo al carbonio di dissolversi in austenite.
- Raffreddare rapidamente a temperatura ambiente per mantenere il carbonio in uno stato sursaturato.
In particolare, il raffreddamento rapido nella solubilizzazione differisce dalla tempra nell'acciaio ordinario: il primo è un processo di ammorbidimento, mentre il secondo è un trattamento di indurimento. La tempra dell'acciaio ordinario utilizza temperature più basse (inferiori a 1100℃) per raggiungere livelli di durezza specifici.
Solubilizzazione per leghe di alluminio
La solubilizzazione delle leghe di alluminio prevede il riscaldamento dei getti a temperature prossime al punto di fusione eutettico, il mantenimento per una durata sufficiente e quindi il raffreddamento rapido per massimizzare la dissoluzione degli elementi di rafforzamento, preservando lo stato ad alta temperatura a temperatura ambiente.
Fattori di controllo critici
-
Temperatura di solubilizzazione:
- Temperature più elevate accelerano la dissoluzione degli elementi di rafforzamento, migliorando gli effetti di rinforzo.
- Il limite superiore è inferiore alla temperatura di surriscaldamento della lega; il limite inferiore garantisce la massima dissoluzione degli elementi di rafforzamento.
- A volte viene utilizzato il riscaldamento a gradini: mantenere alla temperatura eutettica a basso punto di fusione per dissolvere gli elementi ed eliminare le strutture eutettiche, quindi riscaldare a una temperatura più alta per l'ammollo e la tempra.
- Le basse velocità di riscaldamento impediscono la deformazione del pezzo e il surriscaldamento locale dall'aggregazione della fase a basso punto di fusione.
- Il tempo di trasferimento di tempra non deve superare i 15 secondi per evitare la precipitazione degli elementi e il degrado delle prestazioni.
-
Tempo di ammollo:
- Determinato dalla velocità di dissoluzione degli elementi di rafforzamento, che dipende dal tipo di lega, dalla composizione, dalla struttura, dal metodo di colata e dalla forma/spessore del pezzo.
- Le leghe di alluminio colate richiedono tempi di ammollo più lunghi rispetto alle leghe di alluminio forgiate.
- I getti di sabbia richiedono in genere tempi di ammollo del 20%-25% più lunghi rispetto ai getti in pressofusione dello stesso tipo.
Parametri tipici del processo per leghe di alluminio
| Lega | Temperatura di solubilizzazione (℃) | Temperatura di surriscaldamento (℃) | Mezzo di tempra e temperatura (℃) | Temperatura di invecchiamento (℃) | Tempo di invecchiamento (h) | Durezza (HBV) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6063 (LD31) | 515-525 | - | Acqua a temperatura ambiente | 160-200 | 10 | ≥80 |
| 6082 | 530 | - | Acqua a temperatura ambiente | 170 | 3-4 | 115~120 |
| 7A03 (LC3) | 470±5 | - | Acqua a temperatura ambiente | A due stadi: 100±5/165±5 | 3/3 | ≥150 |
| 7A04 (LC4) | 470±5 | 525 | Acqua a temperatura ambiente | A due stadi: 120/160 | 3/3 | 140~170 |
| 7A09 (LC9) | 460~470 | 525 | Acqua a temperatura ambiente | A due stadi: 100-110/170~180 | 6-8/8~10 | 125~150 |
| 7A10 (LC10) | 470±3 | 525 | Acqua a temperatura ambiente | A due stadi: 100-110/170~180 | 6~8/8~10 | ≥130 |
| 7A52 (LC52) | 460 | - | Acqua a temperatura ambiente | 120 | 24 | ≥120 |
Trattamento di invecchiamento
Definizione
Il trattamento di invecchiamento è un processo successivo alla solubilizzazione che regola le proprietà dei materiali attraverso il riscaldamento, il raffreddamento o l'esposizione ambientale controllati. Induce cambiamenti strutturali fisici o chimici per migliorare le prestazioni meccaniche o stabilizzare la qualità del prodotto. Comune nei metalli, nella ceramica e nei polimeri, è classificato in invecchiamento naturale e invecchiamento artificiale.
Tipi e applicazioni
1. Invecchiamento naturale
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