Tipos básicos de tratamiento térmico de aleaciones de aluminio

El recocido, el temple y el envejecimiento son los tratamientos térmicos básicos para las aleaciones de aluminio. El recocido es un tratamiento de ablandamiento cuyo objetivo es uniformizar y estabilizar la composición y la estructura de la aleación, eliminar el endurecimiento por acritud y restaurar su plasticidad. El temple y el envejecimiento es un tratamiento térmico de refuerzo cuyo objetivo es mejorar la resistencia de la aleación y se utiliza principalmente en aleaciones de aluminio que pueden reforzarse mediante tratamiento térmico.

1 Recocido

Según los diferentes requisitos de producción, el recocido de aleación de aluminio se divide en varias formas: recocido de homogeneización de lingotes, recocido de palanquilla, recocido intermedio y recocido de producto terminado.

1.1 Recocido de homogeneización de lingotes

En condiciones de condensación rápida y cristalización en desequilibrio, el lingote debe presentar una composición y estructura irregulares, además de una gran tensión interna. Para corregir esta situación y mejorar la procesabilidad del lingote en caliente, generalmente se requiere un recocido de homogeneización.

Para promover la difusión atómica, se debe seleccionar una temperatura más alta para el recocido de homogeneización, pero sin exceder el punto de fusión eutéctico de la aleación, que es el punto de fusión más bajo. Generalmente, la temperatura de recocido de homogeneización es de 5 a 40 °C inferior al punto de fusión, y el tiempo de recocido suele ser de 12 a 24 h.

1.2 Recocido de palanquillas

El recocido de palanquilla se refiere al recocido previo a la primera deformación en frío durante el procesamiento a presión. El objetivo es que la palanquilla adquiera una estructura equilibrada y alcance la máxima capacidad de deformación plástica. Por ejemplo, la temperatura final de laminación de una placa de aleación de aluminio laminada en caliente es de 280 a 330 °C. Tras un enfriamiento rápido a temperatura ambiente, el fenómeno de endurecimiento por acritud no se puede eliminar por completo. En particular, en el caso de las aleaciones de aluminio reforzadas con tratamiento térmico, tras un enfriamiento rápido, el proceso de recristalización no ha finalizado, la solución sólida sobresaturada no se ha descompuesto por completo y se conserva parte del efecto de endurecimiento por acritud y temple. Resulta difícil laminar en frío directamente sin recocido, por lo que se requiere el recocido de la palanquilla. Para aleaciones de aluminio reforzadas sin tratamiento térmico, como el LF3, la temperatura de recocido es de 370 a 470 °C y se realiza un enfriamiento al aire tras mantener el calor durante 1,5 a 2,5 h. La temperatura de recocido y de la palanquilla utilizada para el procesamiento de tubos estirados en frío debe ser apropiadamente más alta, y se puede seleccionar la temperatura límite superior. Para aleaciones de aluminio que pueden reforzarse mediante tratamiento térmico, como LY11 y LY12, la temperatura de recocido de la palanquilla es de 390 a 450 °C, manteniéndose a esta temperatura durante 1 a 3 h, luego se enfría en el horno a menos de 270 °C a una velocidad no superior a 30 °C/h y, finalmente, se enfría al aire fuera del horno.

1.3 Recocido intermedio

El recocido intermedio se refiere al recocido entre procesos de deformación en frío, cuyo objetivo es eliminar el endurecimiento por acritud para facilitar la deformación en frío continua. En general, tras el recocido del material, será difícil continuar el trabajo en frío sin recocido intermedio tras una deformación en frío del 45 al 85 %.

El sistema de recocido intermedio es básicamente el mismo que el del recocido de palanquilla. Según los requisitos del grado de deformación en frío, el recocido intermedio se puede dividir en tres tipos: recocido completo (deformación total ε≈60-70%), recocido simple (ε≤50%) y recocido ligero (ε≈30-40%). Los dos primeros sistemas de recocido son iguales al recocido de palanquilla; este último se calienta a 320-350 °C durante 1,5-2 h y luego se enfría al aire.

1.4. Recocido del producto terminado

El recocido del producto terminado es el tratamiento térmico final que confiere al material determinadas propiedades organizativas y mecánicas según los requisitos de las condiciones técnicas del producto.

El recocido del producto terminado se divide en recocido a alta temperatura (producción de productos blandos) y recocido a baja temperatura (producción de productos semiduros en diferentes estados). El recocido a alta temperatura debe garantizar una estructura de recristalización completa y una buena plasticidad. Para asegurar una buena estructura y rendimiento del material, el tiempo de mantenimiento no debe ser demasiado largo. En el caso de las aleaciones de aluminio que pueden reforzarse mediante tratamiento térmico, para evitar el efecto de temple por enfriamiento al aire, la velocidad de enfriamiento debe controlarse estrictamente.

El recocido a baja temperatura incluye el recocido de alivio de tensiones y el recocido de ablandamiento parcial, que se utilizan principalmente para aluminio puro y aleaciones de aluminio reforzadas sin tratamiento térmico. Formular un sistema de recocido a baja temperatura es una tarea compleja, que no solo requiere considerar la temperatura de recocido y el tiempo de mantenimiento, sino también la influencia de las impurezas, el grado de aleación, la deformación en frío, la temperatura de recocido intermedio y la temperatura de deformación en caliente. Para formular un sistema de recocido a baja temperatura, es necesario medir la curva de variación entre la temperatura de recocido y las propiedades mecánicas, y luego determinar el rango de temperatura de recocido según los indicadores de rendimiento especificados en las especificaciones técnicas.

2 Enfriamiento

El temple de la aleación de aluminio, también llamado tratamiento de solución, consiste en disolver la mayor cantidad posible de elementos de aleación en el metal como una segunda fase en la solución sólida mediante calentamiento a alta temperatura, seguido de un enfriamiento rápido para inhibir la precipitación de la segunda fase, obteniendo así una solución sólida α a base de aluminio sobresaturada, que está bien preparada para el siguiente tratamiento de envejecimiento.

La premisa para obtener una solución sólida α sobresaturada es que la solubilidad de la segunda fase de la aleación de aluminio aumente significativamente con el aumento de temperatura; de lo contrario, no se logrará el objetivo del tratamiento en solución sólida. La mayoría de los elementos de aleación del aluminio pueden formar un diagrama de fases eutéctico con esta característica. Por ejemplo, en una aleación de Al-Cu, la temperatura eutéctica es de 548 °C y la solubilidad del cobre en aluminio a temperatura ambiente es inferior al 0,1 %. Al calentarse a 548 °C, su solubilidad aumenta al 5,6 %. Por lo tanto, las aleaciones de Al-Cu que contienen menos del 5,6 % de cobre entran en la región de fase única α después de que la temperatura de calentamiento supere su línea de solvus. Es decir, la segunda fase, CuAl₂, se disuelve completamente en la matriz y se puede obtener una solución sólida α sobresaturada única después del temple.

El temple es la operación de tratamiento térmico más importante y exigente para las aleaciones de aluminio. La clave reside en seleccionar la temperatura de calentamiento adecuada y asegurar una velocidad de enfriamiento adecuada, así como en controlar estrictamente la temperatura del horno y reducir la deformación durante el temple.

El principio para seleccionar la temperatura de temple consiste en aumentar al máximo la temperatura de calentamiento, evitando que la aleación de aluminio se sobrecaliente o que los granos crezcan excesivamente, a fin de aumentar la sobresaturación de la solución sólida α y la resistencia tras el tratamiento de envejecimiento. Generalmente, el horno de calentamiento de aleación de aluminio requiere una precisión de control de temperatura de ±3 °C, y se fuerza la circulación del aire para garantizar la uniformidad de la temperatura.

La sobrecombustión de las aleaciones de aluminio se debe a la fusión parcial de componentes de bajo punto de fusión dentro del metal, como los eutécticos binarios o multielementos. Esta sobrecombustión no solo reduce las propiedades mecánicas, sino que también afecta gravemente la resistencia a la corrosión de la aleación. Por lo tanto, una vez que una aleación de aluminio sufre una sobrecombustión, no se puede eliminar y el producto de aleación debe desecharse. La temperatura real de sobrecombustión de las aleaciones de aluminio depende principalmente de su composición y contenido de impurezas, y también está relacionada con el estado de procesamiento de la aleación. La temperatura de sobrecombustión de los productos sometidos a un proceso de deformación plástica es superior a la de las piezas fundidas. Cuanto mayor sea el proceso de deformación, más fácil será que los componentes de bajo punto de fusión no equilibrados se disuelvan en la matriz al calentarse, por lo que la temperatura real de sobrecombustión aumenta.

La velocidad de enfriamiento durante el temple de las aleaciones de aluminio influye significativamente en su capacidad de endurecimiento por envejecimiento y su resistencia a la corrosión. Durante el temple de LY12 y LC4, es necesario garantizar que la solución sólida α no se descomponga, especialmente en el rango de temperaturas de 290 a 420 °C, lo que requiere una velocidad de enfriamiento suficientemente alta. Generalmente, se estipula que la velocidad de enfriamiento debe ser superior a 50 °C/s, y para la aleación LC4, debe alcanzar o superar los 170 °C/s.

El medio de temple más comúnmente utilizado para aleaciones de aluminio es el agua. La práctica de producción demuestra que cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento durante el temple, mayor será la tensión y la deformación residuales del material o pieza de trabajo templados. Por lo tanto, para piezas pequeñas con formas simples, la temperatura del agua puede ser ligeramente inferior, generalmente entre 10 y 30 °C, y no debe superar los 40 °C. Para piezas con formas complejas y grandes diferencias de espesor de pared, para reducir la deformación y el agrietamiento durante el temple, la temperatura del agua puede aumentarse a veces hasta 80 °C. Sin embargo, cabe destacar que, a medida que aumenta la temperatura del agua del tanque de temple, la resistencia y la resistencia a la corrosión del material también disminuyen.

3. Envejecimiento

3.1 Transformación organizacional y cambios en el desempeño durante el envejecimiento

La solución sólida α sobresaturada obtenida por temple presenta una estructura inestable. Al calentarse, se descompone y adquiere una estructura de equilibrio. En el ejemplo de la aleación Al-4Cu, su estructura de equilibrio es α+CuAl₂ (fase θ). Tras el temple, al calentar la solución sólida α sobresaturada monofásica para su envejecimiento, si la temperatura es suficientemente alta, la fase θ precipita directamente. De lo contrario, el proceso se realiza por etapas, es decir, tras algunas etapas intermedias de transición, se alcanza la fase de equilibrio final, CuAl₂. La figura a continuación ilustra las características de la estructura cristalina en cada etapa de precipitación durante el proceso de envejecimiento de la aleación Al-Cu. La figura a muestra la estructura de la red cristalina en estado de temple. En este punto, se trata de una solución sólida α sobresaturada monofásica, con átomos de cobre (puntos negros) distribuidos de forma uniforme y aleatoria en la red de la matriz de aluminio (puntos blancos). La figura b muestra la estructura de la red en la etapa inicial de la precipitación. Los átomos de cobre comienzan a concentrarse en ciertas áreas de la red de la matriz para formar un área de Guinier-Preston, llamada área GP. La zona GP es extremadamente pequeña y en forma de disco, con un diámetro de aproximadamente 5~10 μm y un espesor de 0,4~0,6 nm. El número de zonas GP en la matriz es extremadamente grande, y la densidad de distribución puede alcanzar 10¹⁷~10¹⁸cm-³. La estructura cristalina de la zona GP sigue siendo la misma que la de la matriz, ambas son cúbicas centradas en las caras y mantiene una interfaz coherente con la matriz. Sin embargo, debido a que el tamaño de los átomos de cobre es menor que el de los átomos de aluminio, el enriquecimiento de los átomos de cobre hará que la red cristalina cerca de la región se contraiga, lo que causa distorsión de la red.

Diagrama esquemático de los cambios en la estructura cristalina de la aleación Al-Cu durante el envejecimiento.

Figura a. Estado extinguido, una solución sólida α monofásica, los átomos de cobre (puntos negros) están distribuidos uniformemente;

Figura b. En la etapa temprana del envejecimiento, se forma la zona GP;

Figura c. En la etapa tardía del envejecimiento, se forma una fase de transición semicoherente;

Figura d. Envejecimiento a alta temperatura, precipitación de una fase de equilibrio incoherente.

La zona GP es el primer producto de preprecipitación que aparece durante el proceso de envejecimiento de las aleaciones de aluminio. Extender el tiempo de envejecimiento, especialmente aumentar la temperatura de envejecimiento, también formará otras fases de transición intermedias. En la aleación Al-4Cu, hay fases θ” y θ' después de la zona GP, y finalmente se alcanza la fase de equilibrio CuAl2. θ” y θ' son ambas fases de transición de la fase θ, y la estructura cristalina es una red cuadrada, pero la constante de red es diferente. El tamaño de θ es mayor que el de la zona GP, todavía en forma de disco, con un diámetro de aproximadamente 15~40 nm y un espesor de 0,8~2,0 nm. Continúa manteniendo una interfaz coherente con la matriz, pero el grado de distorsión de la red es más intenso. Al pasar de la fase θ” a la θ', el tamaño aumenta a 20-600 nm, el espesor a 10-15 nm y la interfaz coherente también se destruye parcialmente, convirtiéndose en una interfaz semicoherente, como se muestra en la Figura c. El producto final de la precipitación por envejecimiento es la fase de equilibrio θ (CuAl₂), momento en el cual la interfaz coherente se destruye completamente y se convierte en una interfaz no coherente, como se muestra en la Figura d.

Según la situación anterior, el orden de precipitación por envejecimiento de la aleación Al-Cu es αs→α+zona GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. La etapa de envejecimiento de la estructura depende de la composición de la aleación y de las especificaciones de envejecimiento. Con frecuencia, existen varios productos envejecidos en el mismo estado. Cuanto mayor sea la temperatura de envejecimiento, más se acercará a la estructura de equilibrio.

Durante el proceso de envejecimiento, la zona GP y la fase de transición precipitadas de la matriz son pequeñas, están muy dispersas y no se deforman fácilmente. Al mismo tiempo, causan distorsión reticular en la matriz y forman un campo de tensión que obstaculiza significativamente el movimiento de las dislocaciones, aumentando así la resistencia a la deformación plástica de la aleación y mejorando su resistencia y dureza. Este fenómeno de endurecimiento por envejecimiento se denomina endurecimiento por precipitación. La figura a continuación ilustra la variación de dureza de la aleación Al-4Cu durante el temple y el envejecimiento mediante una curva. La etapa I de la figura representa la dureza de la aleación en su estado original. Debido a los diferentes historiales de trabajo en caliente, la dureza del estado original variará, generalmente entre HV y 30 y 80. Tras el calentamiento a 500 °C y el temple (etapa II), todos los átomos de cobre se disuelven en la matriz para formar una solución sólida α monofásica sobresaturada con HV = 60, cuya dureza es el doble de la del estado recocido (HV = 30). Esto se debe al endurecimiento por solución sólida. Tras el temple, se deja a temperatura ambiente, y la dureza de la aleación aumenta continuamente gracias a la formación continua de zonas de GP (etapa III). Este proceso de endurecimiento por envejecimiento a temperatura ambiente se denomina envejecimiento natural.

yo—estado original;

II—estado de solución sólida;

III—envejecimiento natural (zona GP);

IVa—tratamiento de regresión a 150~200℃ (redisoluido en la zona GP);

IVb—envejecimiento artificial (fase θ”+θ');

V—sobreenvejecimiento (fase θ”+θ')

En la etapa IV, la aleación se calienta a 150 °C para el envejecimiento, y el efecto de endurecimiento es más evidente que el del envejecimiento natural. En este momento, el producto de precipitación es principalmente la fase θ”, que tiene el mayor efecto de reforzamiento en las aleaciones de Al-Cu. Si la temperatura de envejecimiento aumenta aún más, la fase de precipitación pasa de la fase θ” a la fase θ', el efecto de endurecimiento se debilita y la dureza disminuye, entrando en la etapa V. Cualquier tratamiento de envejecimiento que requiera calentamiento artificial se denomina envejecimiento artificial, y las etapas IV y V pertenecen a esta categoría. Si la dureza alcanza el valor máximo que la aleación puede alcanzar después del envejecimiento (es decir, etapa IVb), este envejecimiento se denomina envejecimiento pico. Si no se alcanza el valor pico de dureza, se denomina envejecimiento incompleto o envejecimiento artificial. Si se supera el valor pico y la dureza disminuye, se denomina sobreenvejecimiento. El tratamiento de envejecimiento de estabilización también pertenece al sobreenvejecimiento. La zona GP formada durante el envejecimiento natural es muy inestable. Al calentarse rápidamente a una temperatura más alta, como unos 200 °C, y mantenerse caliente durante un breve periodo, la zona GP se disuelve de nuevo en la solución sólida α. Si se enfría rápidamente (se templa) antes de que precipiten otras fases de transición, como θ” o θ', la aleación puede recuperar su estado de temple original. Este fenómeno se denomina «regresión», que consiste en la disminución de la dureza indicada por la línea punteada en la etapa IVa de la figura. La aleación de aluminio que ha sufrido la regresión conserva la misma capacidad de endurecimiento por envejecimiento.

El endurecimiento por envejecimiento es la base para el desarrollo de aleaciones de aluminio tratables térmicamente, y su capacidad de endurecimiento por envejecimiento está directamente relacionada con la composición de la aleación y el sistema de tratamiento térmico. Las aleaciones binarias de Al-Si y Al-Mn no presentan endurecimiento por precipitación, ya que la fase de equilibrio se precipita directamente durante el proceso de envejecimiento, por lo que no son tratables térmicamente. Si bien las aleaciones de Al-Mg pueden formar zonas de transición β' y fases de transición β', solo presentan cierta capacidad de endurecimiento por precipitación en aleaciones con alto contenido de magnesio. Las aleaciones de Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si y Al-Zn-Mg-Cu presentan una alta capacidad de endurecimiento por precipitación en sus zonas de transición β' y fases de transición, y actualmente son los principales sistemas de aleación tratables térmicamente y reforzados.

3.2 Envejecimiento natural

Generalmente, las aleaciones de aluminio que pueden reforzarse mediante tratamiento térmico presentan un envejecimiento natural tras el temple. Este envejecimiento natural se produce por la zona GP. El envejecimiento natural se utiliza ampliamente en aleaciones de Al-Cu y Al-Cu-Mg. Sin embargo, el envejecimiento natural de las aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu es demasiado prolongado y, a menudo, tarda varios meses en alcanzar una fase estable, por lo que no se utiliza este sistema.

En comparación con el envejecimiento artificial, tras el envejecimiento natural, el límite elástico de la aleación es menor, pero la plasticidad y la tenacidad son mejores, y la resistencia a la corrosión es mayor. La situación del aluminio superduro del sistema Al-Zn-Mg-Cu es ligeramente diferente. La resistencia a la corrosión tras el envejecimiento artificial suele ser mejor que tras el envejecimiento natural.

3.3 Envejecimiento artificial

Tras el tratamiento de envejecimiento artificial, las aleaciones de aluminio suelen alcanzar el máximo límite elástico (principalmente el reforzamiento de la fase de transición) y una mejor estabilidad estructural. El aluminio superduro, el aluminio forjado y el aluminio fundido se envejecen principalmente artificialmente. La temperatura y el tiempo de envejecimiento influyen considerablemente en las propiedades de la aleación. La temperatura de envejecimiento se sitúa generalmente entre 120 y 190 °C, y el tiempo de envejecimiento no supera las 24 h.

Además del envejecimiento artificial de una sola etapa, las aleaciones de aluminio también pueden adoptar un sistema de envejecimiento artificial gradual. Es decir, se calientan dos o más veces a diferentes temperaturas. Por ejemplo, la aleación LC4 puede envejecerse a 115-125 °C durante 2-4 horas y luego a 160-170 °C durante 3-5 horas. El envejecimiento gradual no solo reduce significativamente el tiempo, sino que también mejora la microestructura de las aleaciones de Al-Zn-Mg y Al-Zn-Mg-Cu, y mejora significativamente la resistencia a la corrosión bajo tensión, la resistencia a la fatiga y la tenacidad a la fractura sin reducir sustancialmente las propiedades mecánicas.