O endurecimento do alumínio é uma tecnologia chave para aumentar o valor das suas aplicações industriais, abrangendo o princípio, o processo, os testes e outros aspectos essenciais. Este artigo concentra-se no núcleo do endurecimento por envelhecimento, desmonta os pontos-chave da operação prática e ajuda a dominar com precisão as habilidades de reforço dos perfis de alumínio.
O que significa “endurecimento de alumínio”?
O endurecimento do alumínio, também conhecido como endurecimento por envelhecimento ou endurecimento por precipitação, é um processo central para aumentar a resistência e a dureza do alumínio e das ligas de alumínio por meio de tratamento térmico. O princípio fundamental é que o alumínio é aquecido a uma temperatura específica para que os elementos de liga sejam totalmente dissolvidos e depois resfriados rapidamente para formar uma solução sólida supersaturada. Esta microestrutura instável leva à precipitação lenta de minúsculas partículas da fase precipitada, que impedem efetivamente o movimento de discordância dentro do metal, melhorando significativamente as propriedades mecânicas do perfil sem alterar a sua forma. Este processo é amplamente utilizado na indústria moderna, principalmente em cenários que exigem equilíbrio entre resistência e leveza. Ao contrário de outros métodos de endurecimento, o endurecimento por envelhecimento pode regular com precisão as propriedades do alumínio e tem alta estabilidade dimensional durante o processo, tornando-o um suporte tecnológico chave para campos aeroespaciais, automotivos e outros campos de ponta.
Principais benefícios do alumínio endurecido por envelhecimento
O endurecimento por envelhecimento traz uma série de saltos de desempenho aos perfis de alumínio, dando-lhes vantagens insubstituíveis em uma ampla gama de cenários de aplicação. Em primeiro lugar, oforça e durezados perfis de alumínio são significativamente melhorados. Através do efeito de reforço das partículas da fase precipitada, a resistência à tração e a dureza dos perfis de alumínio podem atingir várias vezes a do estado não tratado, mantendo ao mesmo tempo uma baixa densidade, concretizando assim a exigência central de “leve e forte”. A estrutura otimizada dos grãos é outro destaque, o controle rigoroso dos parâmetros do processo pode formar uma distribuição uniforme da fase precipitada fina, de modo queas propriedades mecânicas do alumínio são mais estáveis, para evitar falhas causadas por pontos fracos locais. Em termos deresistência ao desgaste e resistência à corrosão, a dureza da superfície do alumínio endurecido é aprimorada para resistir melhor à perda por atrito, e algumas das ligas são tratadas para aumentar a resistência à corrosão, o que é particularmente adequado para ambientes agressivos, como marinhos e externos. Estabilidade dimensional também é uma vantagem proeminente do endurecimento por envelhecimento, a deformação do processo de tratamento térmico é muito pequena, pode atender aos requisitos de precisão dimensional de peças de precisão. Além disso, ao ajustar a temperatura e o tempo de envelhecimento, as propriedades mecânicas do alumínio podem ser personalizadas de forma flexível para encontrar o melhor equilíbrio entre resistência, tenacidade, ductilidade e, em comparação com outros processos de reforço, o endurecimento por envelhecimento é mais econômico e adequado para produção industrial em larga escala.
Diferentes tipos de aquecimento de alumínioTratamento
Recozimento
O recozimento é um dos processos mais básicos no tratamento térmico do alumínio e é usado para eliminar o endurecimento que ocorre durante o trabalho a frio, forjamento e outros processos. O processo consiste em aquecer o alumínio a uma faixa de temperatura de 570°F a 770°F, mantendo por 30 minutos a 3 horas dependendo do tamanho do perfil e da composição da liga, e depois resfriando lentamente até a temperatura ambiente. Este processo restaura as superfícies de deslizamento dentro do alumínio, libera tensões internas acumuladas e reestabiliza a estrutura do grão. A ductilidade do alumínio recozido é significativamente aumentada, facilitando a execução subsequente de dobras, estampagens e outros processos de conformação, além de corrigir distorções de empenamento que ocorrem durante a fundição e evitar rachaduras durante o uso. Tanto as ligas tratáveis termicamente quanto as não tratáveis termicamente podem ser recozidas para melhorar a processabilidade.
Calor da soluçãoTtratamentoPprocesso
SO tratamento térmico de solução é uma etapa crítica antes do endurecimento por envelhecimento, e seu objetivo principal é dissolver completamente os elementos de liga no alumínio para formar uma solução sólida homogênea e monofásica. O processo envolve aquecer o alumínio a 825°F-1050°F (ligeiramente abaixo do ponto de fusão da liga), com tempo de retenção ajustado de acordo com o tamanho da peça, variando de cerca de 10 minutos para peças pequenas a até 12 horas para peças grandes. Após o aquecimento, o alumínio é rapidamente temperado, geralmente em água ou em uma solução de polímero. A têmpera em água é rápida e evita ao máximo a precipitação precoce dos elementos de liga, garantindo uma solução sólida supersaturada;enquanto a têmpera do polímero é mais adequada para formatos complexos ou perfis de paredes finas, reduzindo as tensões internas geradas durante o processo de resfriamento e diminuindo o risco de trincas e deformações. Após o tratamento com solução sólida, o alumínio fica macio, o que facilita a usinagem posterior e o prepara para o endurecimento final por envelhecimento.
Homogeneização
A homogeneização é usada principalmente na fundição de perfis de alumínio para resolver o problema de segregação composicional que ocorre durante o processo de fundição. Durante o resfriamento da fundição, a camada externa de alumínio solidifica primeiro para formar grãos de alumínio puro, enquanto os elementos de liga com pontos de fusão mais elevados se acumulam no centro, resultando em propriedades internas e externas irregulares do perfil e afetando o processamento e uso subsequentes. O tratamento de homogeneização é realizado aquecendo o alumínio fundido a 900°F-1000°F, mantendo-o por um período de tempo para permitir que os elementos de liga se difundam completamente e alcancem uma distribuição uniforme dos componentes e, em seguida, resfriando-o lentamente para fixar esse estado. Após o tratamento, as propriedades mecânicas gerais do alumínio fundido tendem a ser consistentes, tornando-o menos difícil de processar e prevenindo efetivamente falhas de moldagem ou estruturais durante o uso devido a diferenças locais de composição.
Envelhecimento
O tratamento de envelhecimento é o elo central do endurecimento do alumínio, dividido em envelhecimento natural e envelhecimento artificial de duas maneiras, a essência é deixar a solução sólida supersaturada após o tratamento com solução sólida precipitar partículas finas e uniformes da fase de precipitação. O envelhecimento natural não requer aquecimento adicional, o alumínio temperado pode ser colocado em um ambiente de temperatura ambiente, a maior parte do efeito de endurecimento é concluído em 24 horas, totalmente estabilizado pode melhorar significativamente a resistência e a dureza. Este método é adequado para cenários que não requerem um ciclo de produção elevado e requisitos de desempenho relativamente moderados, mas deve-se notar que o processo de moldagem deve ser realizado o mais rápido possível após a conclusão do processo de envelhecimento para evitar que a dureza excessiva afete a operação. O envelhecimento artificial (também conhecido como endurecimento por precipitação) acelera a precipitação da fase precipitada por aquecimento ativo, aquecendo o alumínio a 240°F-460°F, mantendo por 6-24 horas e depois resfriando. Este método é mais eficiente e preciso no controle de propriedades, permitindo que o alumínio atinja níveis de resistência mais elevados para aplicações de ponta onde a dureza é crítica. Os parâmetros de envelhecimento artificial variamconsideravelmente de liga para liga e exigem perfis rigorosos de temperatura e tempo com base no material específico.
Compreendendo as designações de têmpera de alumínio e tipos comuns
As extrusões de alumínio têm um código de status hifenizado anexado ao número da liga base, por exemplo, “-T73” em 7075-T73 é o código de status. As ligas de alumínio têm quatro designações de condições básicas, -F (usinado), -O (recozido), -H (endurecido por deformação) e -T (tratado termicamente). Uma quinta designação, - W, é usada para descrever a condição de resfriamento após o tratamento térmico em solução e antes do envelhecimento artificial ou envelhecimento à temperatura ambiente. A seguir estão definições específicas para cada tipo de condição: H111: Aplica-se a produtos com endurecimento por deformação inferior aos requisitos dacondição H11 controlada. H112: Aplica-se a produtos que adquiriram naturalmente uma determinada condição durante a moldagem (sem controle especial de encruamento ou tratamento térmico), mas possuem limites de propriedades mecânicas definidos. Os seguintes códigos de condição da série H são usados exclusivamente para ligas de alumínio deformadas com um teor nominal de magnésio superior a 4%: H311: Para produtos com endurecimento por deformação inferior aos requisitos da condição controlada H31. T1: Envelhecido naturalmente até um estado basicamente estável após resfriamento por um processo de conformação em alta temperatura. T2: Condição recozida (aplicável apenas a produtos fundidos). T3: Trabalho a frio após tratamento térmico de solução, aplicável a produtos cuja resistência é aumentada pelo trabalho a frio, ou onde o papel do trabalho a frio no processo de nivelamento e endireitamento foi incluído na consideração dos limites de propriedades mecânicas. T4: tratamento térmico em solução sólida após envelhecimento natural até um estado basicamente estável, aplicável ao tratamento térmico em solução sólida sem trabalho a frio, ou trabalho a frio no processo de nivelamento, endireitamento, o papel do trabalho a frio não está incluído no valor limite de propriedades mecânicas da consideração do produto. T5: Após resfriamento por processo de moldagem em alta temperatura, tratamento de envelhecimento artificial. T6: Tratamento térmico em solução seguido de envelhecimento artificial, os limites das propriedades mecânicas não são afetados pelo trabalho a frio, a maioria das ligas no estado - W e - estado T4 podem atingir o estado - T6 após envelhecimento artificial. T7: Tratamento térmico em solução seguido de estabilização, adequado para produtos que foram estabilizados além do ponto de resistência máxima para obter controle de crescimento dimensional e controle de tensão residual. T8: Tratamento térmico em solução sólida seguido de trabalho a frio e depois envelhecimento artificial, para produtos cuja resistência foi aumentada por trabalho a frio ou onde o papel do trabalho a frio no processo de nivelamento e endireitamento foi levado em consideração na consideração dos limites de propriedades mecânicas.
Fatores que afetam a dureza do alumínio
Conteúdo do elemento de liga
Os elementos de liga são os fatores básicos que determinam a dureza dos perfis de alumínio, e a proporção dos diferentes elementos afeta diretamente o efeito de endurecimento. Por exemplo, a liga de alumínio 7075 contém 5,1% -6,1% de zinco, 1,2% -2,0% de cobre e 2,1% -2,9% de magnésio, a dureza é significativamente maior do que a da liga de alumínio 6061, enquanto a liga de alumínio 6061 com magnésio (1,0% -1,5%) e silício (0,4% -0,8%) como os principais elementos de liga, a dureza é relativamente baixa, mas com melhor soldabilidade e processabilidade. Zinco, cobre e magnésio são os elementos principais para aumentar a dureza do alumínio, e seu conteúdo precisa ser regulado com precisão de acordo com os requisitos da aplicação: um alto teor de elementos de liga é adequado para a busca da resistência máxima do cenário, enquanto uma proporção equilibrada pode levar em conta tanto a resistência quanto o desempenho de processamento, para atender às necessidades da indústria em geral.
CalorTtratamentoPamperímetros
O processo de tratamento térmico é o principal meio de regular a dureza dos perfis de alumínio, e o desvio de cada parâmetro afetará diretamente a dureza final. A temperatura e o tempo de retenção do tratamento com solução sólida precisam garantir que os elementos de liga estejam completamente dissolvidos, a temperatura insuficiente ou o tempo de retenção muito curto levarão à dissolução insuficiente, o subsequente efeito de endurecimento do envelhecimento será bastante reduzido; a velocidade de têmpera determina a estabilidade da solução sólida supersaturada, o resfriamento lento fará com que os elementos de liga precipitem antecipadamente, reduzindo o potencial de endurecimento. O envelhecimento artificial em temperaturas muito altas ou muito longas reduzirá a dureza; a temperatura está muito baixa ou o tempo não é suficiente, a dureza não está de acordo com o padrão. A temperatura e a umidade do ambiente natural de envelhecimento também afetarão a taxa de endurecimento e a dureza final, e o armazenamentoO ambiente precisa ser controlado.
Fabricação e estado acabado
O processo de fabricação e o estado final do alumínio afetam a dureza. O alumínio produzido por prensagem a quente ou fundição geralmente tem dureza mais baixa; o alumínio trabalhado a frio é mais difícil através do endurecimento. A condição da superfície do produto acabado afeta os resultados do teste de dureza, por ex. camadas oxidadas, arranhões e óleo podem causar distorção do teste, enquanto uma superfície lisa reflete mais a verdadeira dureza. A sequência da usinagem subsequente também é crítica. A usinagem extensa após o endurecimento por envelhecimento pode resultar em perda de dureza devido à liberação de tensões internas.
Erros comuns ao endurecer alumínio
Problemas de deformação e fissuração por endurecimento
O endurecimento dos perfis de alumínio resulta frequentemente em distorção e fissuras devido aresfriamento desigual e tensões internas. Cantos internos agudos, variações de espessura de seção transversal, paredes finas e formas assimétricas são propensos a concentrações de tensão e aumentam o risco de trincas por têmpera. Pode ser resolvido desde os aspectos de design e processo. O design deve ter cantos arredondados para evitar cantos vivos e mudanças bruscas de espessura; o processo precisa ser selecionado de acordo com o meio de têmpera do perfil, peças complexas ou de paredes finas podem ser selecionadas com solução de polímero em vez de água pura. Ao mesmo tempo, o uso de gabaritos e acessórios para controlar o a colocação e a direção de resfriamento podem reduzir a deformação.
O subendurecimento é devido ao subenvelhecimento, que pode resultar de uma temperatura de envelhecimento muito baixa, tempo de retenção insuficiente ou tratamento de solução inadequado, resultando em poucos elementos de liga precipitáveis. Além disso, se a têmpera for deixada muito tempo antes do envelhecimento artificial, o envelhecimento natural ocorrerá mais cedo, enfraquecendo o efeito de fortalecimento, o que também pode resultar em dureza inferior. O envelhecimento excessivo é devido à temperatura muito alta ou ao tempo muito longo, resultando no crescimento das partículas da fase precipitada, o espaçamento aumenta, o efeito de fortalecimento é enfraquecido, de modo que a dureza do material de alumínio diminui, a tenacidade aumenta. A chave para determinar o envelhecimento insuficiente ou excessivo na consistência da dureza: todo o lote de baixa dureza é um problema de parâmetro, a irregularidade local é a distribuição desigual da temperatura do forno ou das peças devido à densidade excessiva. Para evitar tais problemas, é necessário calibrar rigorosamente o equipamento de tratamento térmico para garantir que a precisão do controle de temperatura esteja na faixa de ± 5-10 ° C; de acordo com o grau da liga e o tamanho das peças para desenvolver uma curva de envelhecimento precisa, para evitar o ajuste cego dos parâmetros; as peças temperadas devem ser transferidas para o processo de envelhecimento artificial o mais rápido possível, geralmente não deve ultrapassar 4 horas, para evitar o excesso de envelhecimento natural.
Precauções paraSsecundárioHcomerTtratamento
Quando o efeito de endurecimento do alumínio não está de acordo com o padrão, em alguns casos pode ser remediado por tratamento térmico secundário, mas é necessário seguir especificações rigorosas. O tratamento térmico secundário geralmente requer tratamento de resolução e envelhecimento, mas se o alumínio tiver passado por vários tratamentos térmicos, pode levar a grãos grossos, o que afeta o desempenho geral. A temperatura da solução sólida secundária deve ser ligeiramente inferior à primeira vez, para evitar que o superaquecimento leve ao crescimento de grãos ou ao derretimento dos limites dos grãos; a têmpera precisa prestar mais atenção à uniformidade do resfriamento, pois o endurecimento inicial da tensão interna é complexo e fácil de fissuras secundárias. Após o segundo tratamento térmico, a dureza e o desempenho devem ser testados novamente para garantir a conformidade com os requisitos.
Como testar a dureza do alumínio
Teste de dureza Rockwell
O teste de dureza Rockwell é fácil de operar e eficiente em testes de dureza de alumínio, adequado para controle de qualidade de lote. A dureza é determinada pela profundidade de indentação do penetrador sob carga, e o valor da dureza é calculado calculando a diferença de profundidade após a pré-carga e a carga principal. O teste de dureza do perfil de alumínio adota principalmente a escala HRB, usando carga de 100kgf e penetrador de esfera de aço, adequado para alumínio de baixa dureza; alumínio reforçado com maior dureza pode escolher outra escala Rockwell. Este método é rápido, leitura direta, pequeno recuo e poucos danos ao perfil.
BrinellHaridezTest
O teste de dureza Brinell adota esfera de aço de grande diâmetro e grande carga, adequado para detectar perfis de alumínio fundido de grão grosso ou grandes peças de alumínio. Ele forma um grande recorte na superfície, calcula a média das diferenças na composição do material e no tamanho do grão e obtém um valor representativo de dureza. O teste precisa medir o diâmetro do recuo e calcular o valor HB, o que pode evitar o erro de julgamento de pontos duros e moles locais e refletir a dureza geral, mas o recuo é grande e não é adequado para produtos acabados de precisão.
VickersHaridezTest
O teste de dureza Vickers é versátil e pode medir diversas durezas de perfis de alumínio. Utiliza um penetrador tetragonal de diamante, aplica uma carga variável e calcula a dureza de acordo com a diagonal do recuo. Ampla faixa de carga, testes microscópicos e macroscópicos, capazes de medir revestimentos, pequenas áreas e dureza geral, alta precisão, adequados para pesquisas científicas e outros cenários exigentes, mas requerem pessoal especializado para operar e analisar.
Teste de dureza Knoop
O teste de dureza Knoop usa um penetrador em forma de diamante para formar um recuo fino e calcula a dureza medindo a longa diagonal. Sua carga de 10-1000 gf é adequada para testar materiais frágeis, alumínio fino, revestimentos e áreas próximas às bordas. O recuo raso e longo evita rachaduras na amostra e é especialmente adequado para alumínio fino ou com superfície tratada. Para o alumínio anisotrópico, o ajuste da direção do teste reflete as diferenças de dureza e fornece dados de desempenho mais abrangentes.
Teste de dureza Richter
O teste de dureza Richter é um método de inspeção portátil no local que avalia a dureza do alumínio impactando uma esfera de carboneto de tungstênio contra a superfície emedindo a taxa de recuperação, com taxas de recuperação mais altas resultando em maior dureza. O teste de dureza Richter é flexível, rápido e não limitado por amostras, tornando-o adequado para amostragem de peças grandes. No entanto, a precisão é baixa e suscetível às condições da superfície, por isso é geralmente usada para triagem inicial, enquanto peças críticas ainda precisam ser combinadas com outros métodos precisos.
CostaHaridezTest
O teste de dureza Shore é usado principalmente para testar elastômeros e plásticos macios, e é menos comumente usado em testes de perfis de alumínio, mas pode ser usado para avaliar a dureza superficial de materiais macios.alumínioligas ou compósitos com matriz de alumínio. O princípio é medir a profundidade da indentação por meio de um penetrador com mola, com diferentes escalas correspondendo a diferentes faixas de dureza, por ex. Shore A para borrachas macias e Shore D para plásticos duros. Nos testes de alumínio, o teste de dureza Shore só é aplicável a cenários específicos. Se você precisar avaliar a dureza de revestimentos macios na superfície do alumínio ou testar perfis de alumínio puro com dureza muito baixa, preste atenção ao escolher a escala certa para evitar distorções nos resultados do teste.
Conclusão
O endurecimento de perfis de alumínio requer um equilíbrio entre os parâmetros do processo, as propriedades da liga e os padrões de teste para evitar equívocos comuns. O uso científico de tratamento térmico e métodos de teste pode maximizar o desempenho do alumínio e atender às necessidades de ponta de muitos campos.
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