Recykling wiórów aluminium metodą KOBO Recycling aluminum chips by KoBo method

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali vol. XXVIII nr 4 (2017), s Metal Forming vol. XXVIII no. 4 (2017), pp Procesy kształtowania objętościowego Solid forming processes Oryginalny artykuł naukowy Original Scientific Article Recycling aluminum chips by KoBo method (1) Beata Pawłowska*, (2) Romana Ewa Śliwa Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, Rzeszów, Poland Informacje o artykule Zgłoszenie: Recenzja: Akceptacja: Wkład autorów (1) Autor koncepcji, założeń i realizacji przeprowadzonych badań, wykonawca przeprowadzonych badań, opracowanie manuskryptu (2) Autor koncepcji, założeń oraz metod realizacji przeprowadzonych badań, analiza wyników, opracowanie manuskryptu Article info Received: Reviewed: Accepted: Authors contribution (1) Author of the concept and assumptions, carrying out the research, preparation of the manuscript Streszczenie W pracy dokonano analizy możliwości recyklingu wiórów na przykładzie wiórów ze stopu 2024, metodą konsolidacji plastycznej w procesie KoBo. Metoda recyklingu stanowi alternatywne rozwiązanie w stosunku do tradycyjnych sposobów odzysku metali poprzez procesy topienia. Stosowane do tej pory procesy recyklingu wiórów są mało efektywne z uwagi na duże straty metalu wskutek utleniania przy nagrzewaniu do temperatury topienia. Ponadto, konsolidacja wiórów nie wymaga stosowania wysokiej, czy nawet podwyższonej temperatury procesu, co znacząco ogranicza niekorzystne zjawisko utleniania wiórów i negatywny wpływ na strukturę i własności mechaniczne wyrobów. Zaproponowana w pracy metoda opiera się na zagęszczeniu wiórów na zimno do postaci brykietów, a następnie wyciskaniu metodą KoBo w temperaturze otoczenia. Wyciskane pręty poddano badaniom właściwości mechanicznych (jednoosiowa próba rozciągania oraz pomiar twardości metodą Vickersa), które porównano z określonymi właściwościami mechanicznymi materiału litego. Wykazano bardzo dobry efekt konsolidacji wiórów w procesie KoBo potwierdzony stosunkowo niewiele różniącymi się właściwościami mechanicznymi materiału po recyklingu w porównaniu do materiału litego. W stosunku do innych metod recyklingu, wyciskanie wiórów metodą KOBO jest rozwiązaniem w pełni innowacyjnym i energooszczędnym. Jego zastosowanie na zaadaptowanych do procesu KOBO prasach przemysłowych, stwarza szansę na uzyskanie wyrobów o większych przekrojach poprzecznych i większym stopniu przerobu, a przy tym pozwoli na sterowanie właściwościami wyrobu przez odpowiedni dobór parametrów prowadzenia procesu i ewentualnej obróbki cieplnej. Słowa kluczowe: wióry metaliczne, współbieżne wyciskanie, metoda KOBO, konsolidacja plastyczna, właściwości mechaniczne prasówki Abstract This paper presents an analytical study of recycling aluminum chips, on the example of chips of 2024 aluminum alloy, by plastic consolidation with the use of KoBo method. The recycling method is an alternative solution to conventional method of recovering metals by melting processes. However, the recycling methods, which have been applied so far, are hardly effective considering large metal waste due to oxidation when heating the chips to the melting temperature. Moreover, chip consolidation does not require high or even elevated temperature of the process, which considerably reduces the chip oxidation and negative effect on the structure and mechanical properties of the product. The proposed method is based on cold compaction of chips into briquettes, and then extrusion by KoBo method at room temperature. The extruded wires were tested for mechanical properties (uniaxial tensile test and Vickers hardness test), and compared with specific mechanical properties of solid material. A very good effect of chips compaction has been proved by KoBo method, which has been confirmed by relatively slightly different mechanical properties of the material after recycling compared with the * Autor do korespondencji. Tel.: ; bpaw@prz.edu.pl * Corresponding author. Tel.: ; bpaw@prz.edu.pl

2 302 (2) Author of the concept, assumptions and methods of carrying out the research, analysis of the results, preparation of the manuscript solid one. In comparison to other recycling methods, chip extrusion by KoBo method is an innovative and energy-efficient solution. The application of that method on specially designed hydraulic presses allows for obtaining products of larger cross-sections as well as larger scale of chip processing. It will also allow for controlling the product properties by proper selection of process parameters and possible heat treatment. Keywords: metallic chips, concurrent extrusion, KOBO method, hot plastic consolidation, mechanical properties of extrudate 1. WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION Podczas wytwarzania wyrobów metalowych powstają duże ilości odpadów w postaci wiórów, ścinków czy wadliwie wykonanych części. Najczęściej odpady te w postaci złomu wracają do hut, gdzie zostają przetopione, dzięki czemu część metalu jest odzyskiwana i ponownie wykorzystywana w procesach produkcyjnych (recykling). Proces ten ma jednak kilka wad. Po pierwsze, bardzo rozwinięta powierzchnia swobodna wiórów powoduje intensywne utlenianie się aluminium w czasie nagrzewania do stapiania odpadów i związane z tym pojawienie się dużych nieodwracalnych strat metalu w procesie recyklingu [1] niejednokrotnie można odzyskać tylko ok. 40% materiału wsadowego. Po drugie, obecność płynów chłodniczych w masie odpadu, których eliminacja w sposób bezpieczny dla środowiska jest niezbędnym warunkiem poprzedzającym metalurgiczne procesy recyklingu [2, 3, 4]. Po trzecie, metoda ta jest nieefektywna, a więc i trudno akceptowalna w warunkach współczesnej, wysoko rozwiniętej gospodarki. Decydują o tym zarówno powody ekonomiczne, jak i ekologiczne, w tym konieczność ochrony naturalnych zasobów surowcowych [5]. Istnieje jednak możliwość zmiany sposobu zagospodarowania złomu metali, polegająca na jego bezpośredniej konwersji w materiał lity. Sposób ten polega na rozdrobnieniu złomu metali, wstępnym jego prasowaniu na zimno, a następnie wyciskaniu lub kuciu na gorąco, z pominięciem procesu jego przetapiania (metoda bezpośredniej konwersji lub konsolidacji plastycznej) [6, 7]. Taki sposób recyclingu można stosować do stali, brązów, aluminium, a częściowo także żeliwa. Z reguły materiały po recyklingu posiadają obniżone właściwości plastyczne i mechaniczne w stosunku do cech pierwotnego litego materiału. Manufacturing metal objects leads to a great amount of scrap material, such as: chips, cuttings or defective components. Most often, such scrap material goes back to steel plants, where it is recycled and some part of it can be used again in manufacturing processes. However, recycling has a few drawbacks. First of all, quite extensive free surface of chips results in intensive oxidation of aluminum while it is heated to the melting temperature, which is closely related to large non-reversible waste of material (metal) [1] quite often only 40% of the billet can be recycled. Secondly, the existence of coolants in the waste mass, needs to be eliminated in an ecofriendly manner, which is a prerequisite for all the recycling processes [2, 3, 4]. Last but not least, this method is ineffective, and thus it is barely acceptable in today s highly developed industry. Furthermore, there are economic and ecological reasons, including the need for protection of natural resources [5]. However, there exists another method of metal waste management, which involves its direct conversion into solid material. That method involves refinement of metal waste, its preliminary cold moulding, which is followed by hot extrusion or forging, excluding the remelting process (method of direct conversion or plastic consolidation) [6,7]. This type of recycling can be used for steel, bronze, aluminum, and partly cast iron. In general, recycled materials are characterized by worse plastic and mechanical properties compared to the original solid material. The Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

3 Recycling aluminum chips by KoBo method 303 Badania procesu konsolidacji plastycznej materiałów na bazie stopów aluminium czy magnezu, wykazały, że proces taki jest w stanie zapewnić bardzo wysoką jakość i pożądane cechy produktu, a w niektórych przypadkach nawet lepsze niż dla litego materiału [7 14]. Warunkiem uzyskania materiału o dobrych właściwościach mechanicznych jest niedopuszczenie do powstawania zbyt grubych warstewek tlenkowych na powierzchni cząstek wiórów podczas procesu rozdrabniania oraz zniszczenie warstewki tlenków aluminium na powierzchni cząstek wiórów w wyniku stosowania dużych odkształceń plastycznych. Pod względem ekonomicznym proponowane metody, omijające technologie topienia, wydają się być niezwykle atrakcyjne. Zastosowanie konsolidacji plastycznej powinno praktycznie całkowicie ograniczyć straty metalu pierwotnego, a szacowane nakłady energii i pracy są dwa do pięciu razy niższe niż przy recyklingu poprzez przetapianie [1, 6 9, 15]. Jednakże konwencjonalne, wysokotemperaturowe wyciskanie wiórów nie prowadzi do ich zadowalającej konsolidacji z uwagi na osiągany w tym procesie niewielki stopień przerobu λ i silne powierzchniowe utlenienie wiórów. Dotychczasowe próby rozwiązania tego problemu metodami SPD czy ECAP, ze względu na niewielką wydajność, nie zachęcają do wykorzystania w praktyce przemysłowej. Dlatego poszukuje się nowych sposobów umożliwiających konsolidację wiórów poprzez procesy niskotemperaturowe. Taki efekt procesu może być uzyskany metodą wyciskania KoBo [16 18]. Metoda KoBo jest ciekawym rozwiązaniem techniczno-technologicznym umożliwiającym sterowanie procesem plastycznego odkształcenia metalicznych materiałów, a także skutecznym sposobem kształtowania struktury i właściwości wyrobów. Zastosowanie dodatkowego rewersyjnego skręcania matrycy o założony kąt, z określoną częstotliwością (rys. 1), wymusza odkształcenie realizowane przez skręcanie matrycy prowadzące do wywołania w materiale lepkoplastycznego charakteru płynięcia [19, 20]. Istotą procesu KoBo jest zmiana drogi odkształcenia, co powoduje zmianę stanu naprężenia i skutkuje zmniejszeniem siły wyciskania. research has shown that the consolidation process of plastic materials based on Al and Mg alloys is able to provide very high quality and desired properties of the output product, in some cases even better than for solid material [7 14]. Obtaining material possessing good mechanical properties is conditioned by prevention of too thick oxide coatings on the chip particles surface in the process of refinement and depletion of aluminum oxide coatings on the chip particles surface as a result of using large plastic deformation. The above suggested methods, which do not use melting processes, seem to be highly attractive from the economical point of view. The use of plastic consolidation should limit the waste of metallic material almost completely, and the estimated amount of work and energy is from two up to five times lower compared with recycling by melting method [1, 6 9, 15]. However, conventional, high-temperature extrusion of chips does not result in their satisfactory consolidation due to the slight degree of extrusion ratio λ and strong surface oxidation of chips. So far, using SPD or ECAP methods to solve this problem, given their low efficiency, have not proved to be very applicable in the industry. That is why, new methods of chip consolidation by lowtemperature processes are being investigated. Such a result can be obtained by the use of KoBo extrusion method [16 18]. KoBo method is an interesting technical and technological solution allowing for controlling the process of plastic flow of metallic materials, but also an effective method of forming the structure and properties of materials. The application of additional reversible torsion of die by a given angle, at specific frequency (Fig. 1) results in some strain caused by die torsion leading to the existence of viscoplasticity effect of the material [19, 20]. The essence of KoBo method is the change of strain path, which leads to the change of stress and results in lower extrusion force. Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

4 304 Rys. 1. Schemat wyciskania metodą KoBo: 1 stempel, 2 pojemnik, 3 obustronnie obracana matryca, 4 wyciskany materiał/wsad, 5 wyrób [21] Fig. 1. Scheme of extrusion by KoBo method: 1 punch, 2 container, 3 reversibly rotating die, 4 extruded metal/billet, 5 product [21] W porównaniu z konwencjonalnym procesem wyciskania metali, stopień przerobu λ, może, w niskotemperaturowych warunkach metody KoBo, osiągać znacznie wyższą wartość (nawet do λ = ) [19]. Wynika to z relatywnie łatwiejszego plastycznego płynięcia w procesie KoBo, co przejawia się zarówno obniżoną siłą wyciskania, jak i zwiększoną prędkością procesu [19 24]. W przypadku wyciskania wiórów występują dwa aspekty: konieczność ich zagęszczenia do stanu materiału litego oraz odtworzenia połączeń pomiędzy indywidualnymi wiórami w celu utworzenia litego materiału/wyrobu, co wymaga wywołania w każdym z nich, cyklicznej zmiany drogi odkształcenia. W szczególności cykliczne skręcanie prowadzi do lokalizacji odkształcenia w pasmach ścinania, a więc i odsłaniania nowych, nieutlenionych elementów powierzchni sąsiadujących ze sobą wiórów. Duże naprężenia ściskające zapewniają dobre ich wzajemne przyleganie i w efekcie trwałe, na poziomie atomowym połączenie. Współbieżne wyciskanie metodą KoBo wykorzystuje w trakcie przebiegu całego procesu zjawisko zmiany drogi odkształcenia, realizowane poprzez cykliczne, obustronne, plastyczne skręcanie metalu. W ten sposób ma miejsce silna ingerencja w strukturę metalu oraz wzrost koncentracji defektów sieci krystalicznej (defektów Frenkla) [20, 25]. Cykliczne obustronne skręcanie wyciskanego metalu wprowadza go w stan charakterystyczny dla stanu cieczy, pomimo zachowywania stanu stałego [22]. W takich warunkach, plastyczne płynięcie metalu przez otwór matrycy pod wpływem nacisku stempla z siłą wyciskania wynikającą z odpowiedniego skorelowania częstości skręcania matrycy z prędkością wyciskania. In contrast to conventional method of metal extrusion, extrusion ratio λ, can at low temperature conditions of KoBo method, reach much higher value (up to λ = ) [19]. It results from relatively easier plastic flow in KoBo method, which is reflected by both reduced extrusion force and increased extrusion rate [19 24]. In case of extrusion of chips there are two issues: the necessity of their compaction up to solid state and recreation of joints between individual chips in order to form solid material/ /product, which requires inducing a cyclic change of strain path in each of them. In particular, cyclic torsion leads to deformation in the sheared layers, and thus exposure of new, non-oxidized surface elements of adjacent chips. High compressive stresses provide them with good mutual adhesion and in effect their stable joint at atomic level. Concurrent extrusion by KoBo method uses the change of strain path within the whole process, and it is achieved by the cyclic, double-sided, plastic metal torsion. It causes a strong interference with the metal structure and an increase of lattice defects concentration (the Frenkel defect) [20, 25]. Cyclic, doublesided, extruded metal torsion changes its state into the one characteristic of liquid state, in spite of keeping solid state [22]. Under such conditions, plastic metal flow through the die hole is triggered by the punch force resulting from properly correlated frequency of oscillating die with extrusion rate. Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

5 Recycling aluminum chips by KoBo method 305 Pomimo podobieństwa przebiegu siły w konwencjonalnym procesie wyciskania oraz procesie realizowanym metodą KoBo, różnią się one znacznie w odniesieniu do poziomu wartości. Siła wyciskania w metodzie KoBo jest co najmniej dwukrotnie niższa od niezbędnej do realizacji konwencjonalnego wyciskania. Także siła tarcia posiada niewielką wartość i praktycznie pozostaje na stałym poziomie, niezależnie od stopnia zaawansowania procesu [26]. Przy ustalonych pozostałych parametrach procesu wyciskania wiórów metodą KoBo, im większy stopień przerobu tym lepszy efekt konsolidacji. Problem staje się bardziej złożony w realnych warunkach procesowych, gdy chodzi, nie tylko o recykling wiórów rozumiany, jako ich scalenie, ale także o równoczesne nadanie wyrobom żądanej geometrii oraz wymaganej jakości (w tym właściwości mechanicznych, jakości powierzchni). Ważną rolę odgrywa również prędkość wyciskania, która musi być skojarzona nie tylko ze stopniem przerobu λ, ale także z wielkością kąta i częstością skręcania, decydując o ilości i wielkości skręceń na jednostkę długości wyrobu. Celem badań niniejszej pracy jest przedstawienie efektów zastosowania tej alternatywnej metody wyciskania jako metody recyklingu z użyciem wiórów z wybranego stopu aluminium w stosunku do efektów metody ich przetapiania oraz analiza wpływu parametrów procesu na właściwości mechaniczne otrzymanego produktu. In spite of similarities between the conventional method of extrusion and KoBo method regarding the forces, they are quite different in terms of values. The extrusion force in KoBo method is at least twice as low as the one needed for conventional extrusion. Also, the friction force is quite low and it stays practically at the same level, regardless of the phase of the process [26]. Considering other fixed parameters of the chips extrusion by KoBo method, the more waste is processed, the better the consolidation effect is. The problems becomes more complex under real conditions, where it is not only about recycling of chips by their consolidation, but also about giving the products the required geometry and quality (including the mechanical properties and surface quality). Another important issue is the extrusion rate, which has to be related both with the degree of extrusion ratio λ, but also the angle and frequency of torsion, deciding upon the number and size of torsional deflections per one product length. The aim of the study is to present the results of applying this alternative method of extrusion as a recycling method using chips of selected Al alloy in relation to the results of their conventional processing by remelting and the analysis of the effects of process parameters on the mechanical properties of the final product. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE Badanym materiałem był stop aluminium 2024 w postaci wiórów pochodzących z produkcji oraz w postaci litego materiału dla porównania efektów finalnych metod. Skład chemiczny stopu podano w tab EXPERIMENTAL PROCEDURES The investigation was conducted on 2024 Al alloy in the form of chips from manufacturing process and in the form of solid material, for the sake of comparison of the final effects of both methods. Chemical composition of the alloy is shown in Tab. 1. Tab. 1. Skład chemiczny stopu 2024 [%] Tab. 1. Chemical composition of 2024 alloy [%] Cu Mg Si Fe Mn Cr Zn Ti Zr 3,8 4,9 1,2 1,8 0,5 0,5 0,3 0,9 0,1 0,25 0,15 <0,1 Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

6 306 Wióry powstałe w przemysłowych procesach obróbki skrawaniem, zawierały pozostałości emulsji chłodzących. Po wytworzeniu nie były poddawane operacjom czyszczenia. W pierwszym etapie eksperymentu, wióry zagęszczano. Zasypywano je do specjalnego pojemnika i prasowano na pionowej prasie hydraulicznej pod naciskiem 30T. Uzyskane brykiety o średnicy 59 mm i długości 105 mm stanowiły wsady do wyciskania metodą KoBo (rys. 2). Proces konsolidacji drogą niskotemperaturowego wyciskania metodą KoBo, przeprowadzono na laboratoryjnej prasie hydraulicznej firmy HYDROMET o maksymalnym nacisku 2,5 MN (rys. 3). The machining chips coming from the manufacturing processes, contained coolant and lubricant residue. They were not given any cleaning after being produced. In the first stage of the experiment, the chips were compacted. They were put into a special container and pressed on a vertical hydraulic press under pressure of 30T. The obtained metal briquettes, 59 mm in diameter and 105 mm in length, were used as billets for KoBo method (Fig. 2). The process of consolidation by KoBo extrusion method at low temperature was conducted on the HYDROMET hydraulic press with the maximum load of 2,5 MN (Fig. 3). a) b) Rys. 2. Wióry ze stopu aluminium 2024 (a) oraz uzyskany z nich brykiet (b) Fig. 2. Chips of 2024 Al alloy (a) and aluminum briquette made of them (b) Rys. 3. Prasa do wyciskania metodą KoBo Fig. 3. Hydraulic press used in the experiment W oparciu o doświadczenia uzyskane w cyklu badań eksperymentalnych procesu wyciskania litych metali i stopów, w niniejszych badaniach przyjęto kąt rewersyjnego skręcania matrycy równy ± 8. Częstość oscylacji matrycy dobierano w przedziale 5 8Hz. Dla utrzymania stałej kinetyki procesu wyciskania (stała siła, stała prędkość wyciskania) częstość oscylacji matrycy była parametrem zmiennym. Wyciskanie prowadzono z użyciem materiałów wsa- Based on the experimental results obtained in the process of extrusion of solid metals and alloys, the presented experiments were conducted with the amplitude of the die rotation equal to ±8. The frequency of die oscillation was selected in the range of 5 8Hz. In order to keep constant kinetics of the extrusion process (constant force and rate of extrusion) the frequency of the oscillation of die was a variable. The extrusion process was conducted at room temepera- Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

7 Recycling aluminum chips by KoBo method 307 dowych w postaci brykietów nienagrzanych, w temperaturze pokojowej. Efekt cieplny (podwyższenie temperatury) w procesie wynikał głównie z pracy odkształcenia. Prędkość wyciskania realizowano w zakresie 0,2 0,25 mm/s. W wyniku procesu wyciskania uzyskano pręt o średnicy 10 mm ze stopniem przerobu λ = 36,6. Otrzymane w efekcie wyciskania wyroby (rys. 4) zostały poddane badaniom właściwości mechanicznych w próbie jednoosiowego rozciągania i teście twardości HV. ture with the use of non-heated briquettes as billets. The thermal effect (an increase of temperature) mainly resulted from deformation. The extrusion rate was in the range of 0,2 0,25 mm/s. As a result of extrusion process a 10 mm wire was obtained with the extrusion ration λ = 36,6. The obtained products (Fig. 4) were tested for their mechanical properties in a uniaxial tensile test and Vickers hardness test. 1 2 Rys. 4. Widok prętów po wyciskaniu metodą KoBo: 1 pręt z materiału litego wlewka, 2 pręt otrzymany z wiórów odpadowych Fig. 4. Wires obtained by KoBo extrusion method: 1 wire made of solid ingot, 2 wire obtained from chips Charakterystyki siłowe procesu wyciskania wiórów przemysłowych oraz litego materiału metodą KoBo zamieszczono na rys. 5 i 6. Fig. 5 and 6 show characteristic curves of the extrusion of chips and solid material by KoBo method. Siła wyciskania Extrusion force Oscylacje KOBO KOBO oscillations Siła wyciskania [kn] Extrusion force [kn] Oscylacje KOBO [ ] KOBO oscillations [ ] Czas [s] / Time [s] a) Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

8 308 Droga stempla Punch displacement Prędkość przemieszczania stempla Velocity of punch displacement Droga stempla [mm] Punch displacement [mm]] Prędkość stempla [mm/s] Velocity of punch displacement [mm/s] Czas [s] / Time [s] b) Rys. 5. Zależność siły wyciskania (a) oraz drogi stempla (b) od czasu trwania procesu wyciskania skonsolidowanych wiórów przemysłowych metodą KOBO, z prędkością przemieszczania stempla 0,25 mm/s Fig. 5. Relation between extrusion force (a) and punch displacement (b) and duration of extrusion process of consolidated chips by KoBo method, with the velocity of punch displacement equal to 0.25 mm/s Siła wyciskania Extrusion force Oscylacje KOBO KOBO oscillations Siła wyciskania [kn] Extrusion force [kn] Oscylacje KOBO [ ] KOBO oscillations [ ] Czas [s] / Time [s] a) Droga stempla Punch displacement Prędkość przemieszczania stempla Velocity of punch displacement Droga stempla [mm] Punch displacement [mm]] Prędkość stempla [mm/s] Velocity of punch displacement [mm/s] Czas [s] / Time [s] b) Rys. 6. Zależność siły wyciskania (a) oraz drogi stempla (b) od czasu trwania procesu wyciskania litego materiału metodą KoBo, z prędkością przemieszczania stempla 0,25 mm/s Fig. 6. Relation between extrusion force (a) and punch displacement (b) and duration of extrusion process of solid material by KoBo method, with the velocity of punch displacement equal to 0.25 mm/s Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

9 Recycling aluminum chips by KoBo method 309 Analizując otrzymane charakterystyki siłowe, można stwierdzić, że proces wyciskania skompaktowanych wiórów przemysłowych zaskutkował ich konsolidacją i przebiegał przy mniejszej wartości siły w porównaniu z procesem wyciskania wlewka z litego materiału Badania właściwości mechanicznych wyciskanych prętów metodą KoBo Ocena jakości wyciskanych wyrobów oparta jest na określeniu właściwości mechanicznych oraz jakości powierzchni. Z prętów po wyciskaniu pobrano próbki do statycznej próby jednoosiowego rozciągania, która została przeprowadzona na maszynie wytrzymałościowej Zwick/ /Roell Z100. Próbki pobrano z początku, środka i końca wyciskanego wyrobu. Poddano je rozciąganiu ze stałą prędkością odkształcania. Wykonano wykresy zależności naprężenie odkształcenie (σ ε), po czym wyznaczono wytrzymałość na rozciąganie (R m), granicę plastyczności (R 0,2) oraz wydłużenie (A). Przeprowadzono również badania twardości metodą Vickers a wg PN-EN ISO na mikrotwardościomierzu NEXUS Próbki do badań mikrotwardości zostały wykonane w oparciu o wytyczne zawarte w normach PN- EN (np. PN-EN ISO :2002). Rys. 7 przedstawia wykres rozciągania próbek w postaci prętów uzyskanych w wyniku konsolidacji wiórów po procesie współbieżnego wyciskania metodą KoBo a wyznaczone właściwości mechaniczne zamieszczono w tab. 2. Analyzing the obtained results leads to the conclusion that the process of extrusion of compacted machining chips resulted in their consolidation and it was conducted at lower force compared with the extrusion of solid material Investigation of mechanical properties of extruded wires by KoBo method Quality evaluation of extrudates is based on the determination of their mechanical properties and surface quality. Test pieces for a static uniaxial tensile test were taken from extruded wires, and test was conducted by means of Zwick/ /Roell Z100 testing machine. The test pieces were taken from the beginning, middle and end part of the extrudate. They were subjected to tensile test at constant rate of deformation. Diagrams showing stress strain (σ ε) relation were made, and tensile strength (R m), yield point (R 0,2) and elongation (A) were determined. Also, Vickers hardness tests were taken according with PN-EN ISO by means of NEXUS 4303 hardness tester. Test pieces for hardness tests were made according with standards mentioned in PN-EN norms (e.g. PN-EN ISO : Fig. 7 shows the diagram of tensile tests on wires obtained by consolidation of chips in the process of concurrent extrusion by Kobo method, whereas Tab. 2 presents determined mechanical properties. Początek Beginning Środek Middle Koniec prasówki End of extrudate Naprężenie σ [MPa] Stress σ [MPa] Odkształcenie ε [%] / Strain ε [%] Rys. 7. Krzywe rozciągania próbek z prętów φ = 10 mm po konsolidacji wiórów metodą KoBo Fig. 7. Tensile curves of φ = 10 mm wires after chip consolidation by KoBo method Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

10 310 Tab. 2. Właściwości mechaniczne prasówki z wiórów po wyciskaniu metodą KoBo (wartości średnie z trzech prób) Tab. 2. Mechanical properties of extrudate made of chips obtained after extrusion by KoBo method (average values from three test pieces) Próbka/Właściwości / Test piece/properties R m [MPa] R 0,2 [MPa] A [%] Stop 2024 P / 2024 alloy B ,2 Stop 2024 Ś / 2024 alloy M ,2 Stop 2024 K / 2024 alloy E ,9 Porównując uzyskane wyniki właściwości mechanicznych materiału z wyciskanych skonsolidowanych wiórów, w próbie rozciągania, można stwierdzić, że wraz z oddalaniem się od początku prasówki wartość wytrzymałości na rozciąganie rośnie. Poziom granicy plastyczności jest podobny, z wyraźną różnicą w końcowym fragmencie pręta. Wydłużenie w poszczególnych odcinkach wykazało wyraźny spadek na końcu prasówki. Wyniki pomiarów twardości metodą HV materiału wyciskanego z wiórów przy obciążeniu 1 N, wg normy ASTM E na dwóch kierunkach poprzecznym i wzdłużnym pokazano na rys. 8. By comparing mechanical properties of the material from the extruded consolidated chips in a tensile test, it can be observed that the tensile strength increases as the distance from the beginning of the extrudate grows. The yield point is similar with a significant difference at the end part of the wire. Elongation at specific parts of the wire has shown a considerable fall at the end of the extrudate. Vickers hardness test results of material extruded from chips with the load of 1N, according with ASTM E oriented transversely and longitudinally are shown in Fig w/poprzeczny w/wzdłużny Twardość, HV Twardość, HV Odległość od krawędzi, mm Odległość od krawędzi, mm a) b) Rys. 8. Rozkład twardości materiału w wyrobie wyciskanym z wiórów metodą KoBo a) przekrój poprzeczny, b) przekrój wzdłużny (środek prasówki) Fig. 8. Hardness distribution in the extrudate made of chips by KoBo method a) transverse section, b) longitudinal section (middle part of extrudate) Dla porównania efektu wyciskania skonsolidowanych wiórów podano wyniki badań wyciskania materiału litego. Na rys. 9 przedstawiono wykresy rozciągania prętów z materiału litego ze stopu 2024 po procesie współbieżnego For comparison of the effect of extrusion of consolidated chips the results of extrusion of solid material were given. Fig. 9 presents diagrams illustrating tension of wires from solid material of 2024 alloy in the process of concurrent extru- Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

11 Recycling aluminum chips by KoBo method 311 wyciskania metodą KoBo, a wyznaczone właściwości mechaniczne zamieszczono w tab. 3. sion by KoBo method, whereas Tab. 3 shows determined mechanical properties. Początek Beginning Środek Middle Koniec prasówki End of extrudate Naprężenie σ [MPa] Stress σ [MPa] Odkształcenie ε [%] / Strain ε [%] Rys. 9. Krzywe rozciągania próbek z prętów φ = 10 mm uzyskanych metodą KOBO z materiału litego Fig. 9. Tensile curves of φ = 10 mm wires obtained from solid material by KoBo method Tab. 3. Właściwości mechaniczne prasówki z materiału litego ze stopu wyciskanego metodą KoBo Tab. 3. Mechanical properties of extrudate made of solid material extruded by KoBo method Próbka/Właściwości / Test piece/properties R m [MPa] R 0,2 [MPa] A [%] Stop 2024 początek prasówki / 2024 alloy beginning of extrudate ,7 Stop 2024 środek prasówki / 2024 alloy middle of extrudate ,3 Stop 2024 koniec prasówki / 2024 alloy end of extrudate ,2 Przebieg wykresu rozciągania (σ ε) ukazuje wpływ składu chemicznego stopu, mikrostruktury, temperatury przeprowadzenia próby oraz geometrii próbki na właściwości materiału litego. Porównując właściwości pręta z materiału litego ze stopu 2024, można stwierdzić, że im dalej od początku prasówki tym wytrzymałość na rozciąganie jest wyższa. Uzyskany wyrób charakteryzuje się zróżnicowaną wartością granicy plastyczności z najniższą (R 0,2 = 161 MPa) w środkowym odcinku badanego elementu. Wydłużenie w środku i na końcu prasówki znacznie odbiega wartością od tej uzyskanej na początku, wykazując, że początek pręta jest stosunkowo kruchy. W miarę zaawansowania procesu materiał wyciskany charakteryzuje się większą plastycznością. Na rys. 10 pokazano wyniki pomiarów twardości materiału litego metodą HV przy obciążeniu 1 N, wg normy ASTM E na przekroju poprzecznym i wzdłużnym próbki pobranym ze środkowej części prasówki. The stress-strain (σ ε) diagram shows the effect of chemical composition of the alloy, microstructure, test temperature and test piece geometry on the properties of the solid material. Analyzing the properties of wire made of solid material of 2024 alloy it can be observed that the tensile strength increases as the distance from the beginning of the extrudate grows. The obtained product is characterized by varied yield point with the lowest point (R 0,2 = 161 MPa) in the middle part of the tested piece. The elongation in the middle and at the ending part of extrudate is considerably different from the yield point measured for the beginning part, which proves that the beginning part of the extruded wire is relatively brittle. The longer the process, the more flowing the extruded material becomes. Fig. 10 shows the results of Vickers hardness tests with the load of 1N, according with ASTM E on the transverse and longitudinal section of the sample taken from the middle part of extrudate. Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

12 lity/poprzeczny Twardość, HV Odległość od krawędzi, mm a) b) Rys. 10. Twardość materiału litego po wyciskaniu metodą KOBO a) przekrój poprzeczny, b) przekrój wzdłużny (środek prasówki) Fig. 10. Hardness of solid material obtained after extrusion by KoBo method a) transverse section b) longitudinal section (the middle part of the extrudate) Zestawienie wyników pomiaru twardości materiału litego oraz skonsolidowanych wiórów na kierunku poprzecznym i wzdłużnym, z uwzględnieniem wartości średniej pokazano w tab. 4. Tab. 4 presents the results of hardness tests for solid material and chips consolidated transversely and longitudinally, including the average value. Tab. 4. Wyniki pomiaru twardości materiału litego oraz po konsolidacji wiórów Tab. 4. Hardness test results for solid material and after chips consolidation Twardość [HV 0,1] / Hardness [HV 0,1] Stop 2024 materiał lity 2024 alloy solid material Kierunek / Orientation Poprzeczny Wzdłużny Transverse Longitudinal Wartość średnia Average value Stop 2024 materiał z wiórów 2024 alloy material made of chips Kierunek / Orientation Poprzeczny Wzdłużny Transverse Longitudinal Wartość średnia Average value 83,89 66,05 84,74 84,00 Badania twardości HV wykazują, że materiał po konsolidacji wiórów metodą KoBo posiada większą twardość w porównaniu z twardością materiału litego. The Vickers hardness tests prove that after chip consolidation by KoBo method the material has better hardness compared with hardness of solid material. 3. PODSUMOWANIE Badania właściwości mechanicznych wlewków wyciskanych ze skonsolidowanych wiórów, w porównaniu z cechami wyrobu wyciskanego z litego materiału w procesie KoBo, pozwalają na stwierdzenie, że: 1. Wyciskanie współbieżne metodą KoBo umożliwia pełną konsolidację rozproszonych wiórów 3. SUMMARY AND CONCLUSIONS The investigation of mechanical properties of ingots extruded from consolidated chips, compared with the properties of a product extruded from solid material by KoBo method leads to the following conclusions: 1. Concurrent extrusion by KoBo method allows for full consolidation of dispersed chips of 2024 Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

13 Recycling aluminum chips by KoBo method 313 ze stopu 2024 i pozwala na uzyskanie wyrobów długich podczas kształtowania na zimno. 2. Wyrób z wiórów skonsolidowany w odpowiedniej temperaturze, charakteryzuje się lepszymi właściwościami wytrzymałościowymi niż uzyskany z litego materiału, przy blisko dwukrotnie niższym wydłużeniu ocenianym na podstawie próby rozciągania (tab. 5). aluminum alloy and allows for obtaining long products by cold forming. 2. Product made of consolidated chips at proper temperature is characterized by better strength properties compared with the one obtained from solid material, at almost twice as low elongation measured in tensile tests (Tab. 5). Miejsce pobrania próbki Test piece position Tab. 5. Porównanie właściwości mechanicznych prasówki z litego materiału i uzyskanej po konsolidacji wiórów metodą KOBO Tab. 5. Comparison of mechanical properties of extrudate made of solid material and the one obtained after chip consolidation by KoBo method Materiał lity po wyciskaniu metodą KoBo Solid material after extrusion by KoBo method Materiał z wiórów po konsolidacji metodą KoBo Material made of chips after consolidation by KoBo method R m [MPa] R e [MPa] A [%] R m [MPa] R e [MPa] A [%] początek / beginning , ,2 środek / middle , ,2 koniec / end , ,9 3. Warstewka tlenków po rozdrobnieniu wskutek odkształceń plastycznych podczas wyciskania stanowi fazę umacniającą, która korzystnie wpływa na właściwości wytrzymałościowe wyrobu. Świadczy o tym nieco większa twardość stopu aluminium otrzymanego po bezpośredniej konsolidacji wiórów (tab. 5). 4. Zaproponowana metoda wytwarzania wyrobów jest materiało- i energooszczędna oraz nieszkodliwa dla środowiska naturalnego. Przedstawiony proces recyclingu wiórów może być stosowany nie tylko do recyklingu wiórów aluminium i jego stopów, ale również do wiórów innych metali (np. magnezu i jego stopów, tytanu i jego stopów). 5. Obecność zanieczyszczeń na wiórach, po procesie obróbki skrawaniem, nie stanowi zasadniczej trudności w uzyskaniu litego wyrobu podczas wyciskania techniką KoBo, choć ich odpowiednie oczyszczenie sprzyja konsolidacji. Metoda ta ujawnia olbrzymi potencjał technologiczny i posiada szeroki zakres możliwości sterowania procesem. 3. The oxide coating after refinement due to plastic strain in the process of extrusion constitutes the hardening phase, which has an advantageous effect on the extrudate s mechanical properties. It is proved by slightly better hardness of aluminum alloy obtained directly after chip consolidation (Tab. 5) 4. The proposed method of manufacturing products is both material and energy-saving and harmless for the natural environment. Presented recycling process of chips may be applicable not only for recycling of chip of aluminum and its alloys, but also for chips of other metals (e.g. magnesium and its alloys, titanium and its alloys). 5. The presence of impurities in chips, after machining, does not pose a significant difficulty for obtaining a solid product in the process of extrusion by KoBo method, however their good purification fosters consolidation. That method has a tremendous technological potential and has an extensive range of process control options. Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

14 314 PODZIĘKOWANIA ACKNOWLEDGEMENTS Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG /08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Financial support of Structural Funds in the Operational Programme Innovative Economy (IE OP) financed from the European Regional Development Fund Project Modern material technologies in aerospace industry, No.. POIG /08-00 is gratefully acknowledged. LITERATURA [1] Green J Aluminum Recycling and Processing for Energy Conservation and Sustainability. Ed. J.A.S. Green. Clevlend: ASM International. [2] Dybiec H., A. Kabalak Ocena możliwości odzysku chłodziw z wiórów po obróbce skrawaniem stopów aluminiowych na drodze obróbki termicznej. Ochrona powietrza i problemy odpadów 43: 137. [3] Dybiec H Parametry prasowania wstępnego wiórów po skrawaniu stopów aluminiowych oraz odzysk chłodziwa w procesie recyklingu. Rudy i Metale Nieżelazne 54: [4] Dybiec H Alternatywny proces recyklingu trudno przerabianych złomów z metali lekkich. W Polska metalurgia w latach , Komitet Metalurgii Polskiej Akademii Nauk Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT. [5] Korbel A., W. Bochniak, P. Ostachowski, M. Łagoda Warunki inicjacji procesu konsolidacji wiórów ze stopów magnezu poddanych niskotemperaturowemu wyciskaniu metodą KoBo. Rudy Metale 60 (12): [6] Poster A.R Handbook of metal powders. New York: Ed. Plenum Press. [7] Dybiec H Submikrostrukturalne stopy aluminium. Kraków: Wydawnictwa AGH. [8] Dybiec H., K. Pieła, J. Piotrowska Recykling wiórów AlCu3,8 metodą konsolidacji plastycznej. Rudy i Metale Nieżelazne 54: [9] Dybiec H Plastic consolidation of metallic powders. Archive of Metallurgy and Materials 52: [10] Dybiec H., P. Kozak Mechanical properties of aluminium wires produced by plastic consolidation of fine grained powders. Solid State Phenomena : [11] Gronostajski J., H. Marciniak, A. Matuszak New methods of aluminium and aluminium-alloy chips recycling. Journal of Materials Processing Technology 106: REFERENCES [1] Green J Aluminum Recycling and Processing for Energy Conservation and Sustainability. Ed. J.A.S. Green. Clevlend: ASM International. [2] Dybiec H., A. Kabalak Ocena możliwości odzysku chłodziw z wiórów po obróbce skrawaniem stopów aluminiowych na drodze obróbki termicznej. Ochrona powietrza i problemy odpadów 43: 137. [3] Dybiec H Parametry prasowania wstępnego wiórów po skrawaniu stopów aluminiowych oraz odzysk chłodziwa w procesie recyklingu. Rudy i Metale Nieżelazne 54: [4] Dybiec H Alternatywny proces recyklingu trudno przerabianych złomów z metali lekkich. In Polska metalurgia w latach , Komitet Metalurgii Polskiej Akademii Nauk Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT. [5] Korbel A., W. Bochniak, P. Ostachowski, M. Łagoda Warunki inicjacji procesu konsolidacji wiórów ze stopów magnezu poddanych niskotemperaturowemu wyciskaniu metodą KoBo. Rudy Metale 60 (12): [6] Poster A.R Handbook of metal powders. New York: Ed. Plenum Press. [7] Dybiec H Submikrostrukturalne stopy aluminium. Kraków: Wydawnictwa AGH. [8] Dybiec H., K. Pieła, J. Piotrowska Recykling wiórów AlCu3,8 metodą konsolidacji plastycznej. Rudy i Metale Nieżelazne 54: [9] Dybiec H Plastic consolidation of metallic powders. Archive of Metallurgy and Materials 52: [10] Dybiec H., P. Kozak Mechanical properties of aluminium wires produced by plastic consolidation of fine grained powders. Solid State Phenomena : [11] Gronostajski J., H. Marciniak, A. Matuszak New methods of aluminium and aluminium-alloy chips recycling. Journal of Materials Processing Technology 106: Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa

15 Recycling aluminum chips by KoBo method 315 [12] Raport prepared for JTP Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Energy Requirement for Aluminum Production. U.S. Department of Energy February [13] Hong-yu X., J. Ze-sheng, H. Mao-liang, W. Zhenyu Microstructure evolution of hot pressed AZ91D alloy chips reheated to semi-solid state. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 22: [14] Watanable H., K. Moriwaki, T. Mukai, K. Ishikawa, M. Kohzu, K. Higasahi Consolidation of machined magnesium alloy chips by hot extrusion utilizing superplastic flow. Journal of Materials Science 36 (20): [15] Chmura W., J. Gronostajski Mechanical and tribological properties of aluminum based composites produced by the recycling of chips. Journal of Materials Processing Technology 106: [16] Korbel A., W. Bochniak. Method of plastic forming of materials. U.S. patent (1998), European Patent (2000). [17] Korbel A., W. Bochniak Refinement and control of the metal structure elements by plastic deformation. Scripta Materialia 51 (8): [18] Korbel A., W. Bochniak, J. Borowski, L. Błaż, P. Ostachowski, M. Łagoda Anomalies in precipitation hardening process of 7075 aluminum alloy extruded by KoBo method. Journal of Materials Processing Technology 216: [19] Bochniak W., A. Korbel, P. Ostachowski, M. Łagoda. Plastic flow of metals under cyclic change of deformation path conditions. Złożone do publikacji w czasopiśmie Nanotechnology. [20] Korbel A., W. Bochniak, P. Ostochowski, L. Błaż Visco-Plastic Flow of Metal in Dynamic Conditions of Complex Strain Scheme. Metallurgical and Materials Transactions 42 (9): [21] Bochniak W Teoretyczne i praktyczne aspekty plastycznego kształtowania metali Metoda KoBo. Kraków: Wydawnictwo AGH. [22] Korbel A., W. Bochniak Luders deformation and superplastic flow of metals extruded by KoBo method. Philosophical Magazine 93 (15): [23] Korbel A., W. Bochniak. Method of plastic forming of materials. U.S. Patent No 5,737,959 (1998), European Patent No 737, 959 (1998). [24] Bochniak W., K. Marszowski, A. Korbel Theoretical and practical aspects of the production of thin-walled tubes by the KoBo method. Journal of Materials Processing Technology 169: 44. [25] Korbel A., W. Bochniak, R. Śliwa, P. Ostachowski, M. Łagoda, Z. Kusion, B. Trzebuniak Niskotemperaturowa konsolidacja wiórów z trudnoodkształcalnych stopów aluminium. Obróbka Plastyczna Metali XXVII (2): [12] Raport prepared for JTP Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Energy Requirement for Aluminum Production. U.S. Department of Energy February [13] Hong-yu X., J. Ze-sheng, H. Mao-liang, W. Zhenyu Microstructure evolution of hot pressed AZ91D alloy chips reheated to semi-solid state. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 22: [14] Watanable H., K. Moriwaki, T. Mukai, K. Ishikawa, M. Kohzu, K. Higasahi Consolidation of machined magnesium alloy chips by hot extrusion utilizing superplastic flow. Journal of Materials Science 36 (20): [15] Chmura W., J. Gronostajski Mechanical and tribological properties of aluminum based composites produced by the recycling of chips. Journal of Materials Processing Technology 106: [16] Korbel A., W. Bochniak. Method of plastic forming of materials. U.S. patent (1998), European Patent (2000). [17] Korbel A., W. Bochniak Refinement and control of the metal structure elements by plastic deformation. Scripta Materialia 51 (8): [18] Korbel A., W. Bochniak, J. Borowski, L. Błaż, P. Ostachowski, M. Łagoda Anomalies in precipitation hardening process of 7075 aluminum alloy extruded by KoBo method. Journal of Materials Processing Technology 216: [19] Bochniak W., A. Korbel, P. Ostachowski, M. Łagoda. Plastic flow of metals under cyclic change of deformation path conditions. Submitted to be published in Nanotechnology periodical. [20] Korbel A., W. Bochniak, P. Ostochowski, L. Błaż Visco-Plastic Flow of Metal in Dynamic Conditions of Complex Strain Scheme. Metallurgical and Materials Transactions 42 (9): [21] Bochniak W Teoretyczne i praktyczne aspekty plastycznego kształtowania metali Metoda KoBo. Kraków: Wydawnictwo AGH. [22] Korbel A., W. Bochniak Luders deformation and superplastic flow of metals extruded by KoBo method. Philosophical Magazine 93 (15): [23] Korbel A., W. Bochniak. Method of plastic forming of materials. U.S. Patent No 5,737,959 (1998), European Patent No 737, 959 (1998). [24] Bochniak W., K. Marszowski, A. Korbel Theoretical and practical aspects of the production of thin-walled tubes by the KoBo method. Journal of Materials Processing Technology 169: 44. [25] Korbel A., W. Bochniak, R. Śliwa, P. Ostachowski, M. Łagoda, Z. Kusion, B. Trzebuniak Lowtemperature consolidation of machining chips from hardly-deformable aluminum alloys. Obróbka Plastyczna Metali XXVII (2): Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa Recycling aluminum chips by KoBo method.

16 316 [26] Bochniak W., A. Korbel, P. Ostachowski, S. Ziółkiewicz, J. Borowski Wyciskanie metali i stopów metodą KoBo. Obróbka Plastyczna Metali XXIV (2): [26] Bochniak W., A. Korbel, P. Ostachowski, S. Ziółkiewicz, J. Borowski Extrusion of metals and alloys by KOBO method. Obróbka Plastyczna Metali XXIV (2): Pawłowska Beata, Romana Ewa Śliwa