W CELU POPRAWY WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH

Transkrypt

1 TOMASZ REGUŁA EDWARD CZEKAJ ALEKSANDER FAJKIEL MARZENA LECH-GREGA MARIAN BRONICKI Rudy Metale R nr 7 UKD 539.4:620.17: : : : ZASTOSOWANIE PROCESU PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ, METODĄ WYCISKANIA NA GORĄCO, W CELU POPRAWY WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH STOPU MAGNEZU AZ91 Celem niniejszego artykułu jest ocena wpływu przeróbki plastycznej na zmiany właściwości mechanicznych (w temperatu- odniesienie ich do stanu lanego (w tym po obróbce ciepl- rze otoczenia) stopu magnezu gatunku AZ91 (MgAl9Zn1) oraz nej). Prezentowany materiał stanowi fragment pracy, która dotyczyła badań właściwości stopu AZ91 w zależności od zasto- były detale uzyskane w procesie grawitacyjnego sowanej technologii jego przetworzenia [1]. Materiałem porównawczym odlewania do form metalowych a następnie poddane odkształceniu na drodze wyciskania na gorąco w temperaturze 648 K. Przeprowadzono badania mikrostrukturalne oraz wytrzymałościowe. Badanie właściwości mechanicznych obejmowało wy- znaczenie R m, R p0,2 i A 5 w statycznych próbach rozciągania oraz pomiary twardości (HB) metodą Brinella. Z przeprowa- uzyskanie właściwości nieosiągalnych dla materiału dzonych badań wynika, że przeróbka plastyczna stopu AZ91 zapewnia odlewanego i poddanego tradycyjnej obróbce cieplnej. Badany stop przetworzony plastycznie, a następnie poddany obrób- ce cieplnej wykazał dwukrotnie wyższe właściwości wytrzymałościowe oraz odznaczał się znaczną poprawą plastyczności w porównaniu do stanu lanego. Słowa kluczowe: stopy magnezu, przeróbka plastyczna, odkuwanie APPLICATION OF HOT EXTRUSION PROCESS TO IMPROVE MECHANICAL PROPERTIES OF THE AZ91 ALLOY The aim of this paper was to evaluate the effect of hot working (extrusion) of the magnesium-based AZ91 alloy on its methose in the as-cast state and after heat treatment. This chanical properties at an ambient temperature, compared to research is part of the earlier work, which referred to the determination of a relationship between properties of the AZ91 alloy and the applied technology for its processing [1]. The reference material was obtained by gravity casting into metal moulds and then subjected to hot extrusion at 648 K. Microstructure and strength of the material samples were examined. The R m, R p0.2 and A 5 parameters were determined from the tensile tests, and the HB hardness was measured by the Brinell method. It was found that metalworking of the AZ91 alloy makes that it reaches such properties, which cannot be obtained for the material cast and then subjected to traditional heat treatment. The material processed by metalworking followed by heat treatment exhibited twice higher strength properties and considerably improved ductility in comparison with that in the as-cast state. Keywords: magnesium alloy, metalworking, forging Wprowadzenie Światowa produkcja magnezu odnotowuje, na przestrzeni ostatnich lat ( ), średnioroczny przyrost o ok. 14 % [2]. Ze względu na niskie właściwości mechaniczne czysty magnez nie znalazł zastosowania jako materiał kon- natomiast wykorzystuje się go w postaci stopów strukcyjny, odlewniczych i do przeróbki plastycznej. Najbardziej war- cechą stopów magnezu jest ich bardzo mała gę- tościową stość ok. 1,8 g/cm 3, najniższa z wszystkich znanych stopów technicznych [3]. Jednocześnie stopy magnezu odznaczają się najwyższym wskaźnikiem wytrzymałości właściwej, a ponadto także dobrą obrabialnością, przewodnością cieplną i łatwością recyklingu, a także zdolnością do tłumienia drgań i pochłaniania fal elektromagnetycznych [4]. Z tego powodu znajdują coraz większe zastosowanie w przemyśle samochodowym, gdzie obniżenie wagi elementu jest jednoznaczne z mniejszym zużyciem paliwa, a zatem niższą emisją gazów cieplarnianych. Większość skomplikowanych kształtowo elementów wytwarzanych ze stopów magnezu, produkowana jest metodami odlewniczymi: grawitacyjnie do form metalowych i paskowych, ciśnieniowo, prasowania w stanie ciekłym lub ze stanu stało-ciekłego (tiksotropowo) [5]. Powodem takie- Mgr inż. Tomasz. Reguła, dr inż. Edward Czekaj, dr inż. Aleksander Fajkiel Instytut Odlewnictwa, Kraków, dr inż. Marzena Lech-Grega Instytut Metali Lekkich, Skawina, dr inż. Marian Bronicki Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków. 430

2 go stanu rzeczy jest niska odkształcalność plastyczna maw temperaturze otoczenia, co ograni- gnezu i jego stopów cza możliwości zastosowania procesów przeróbki plastyczw układzie heksagonalnym; stosu- nej na zimno. Magnez krystalizuje nek parametrów komórki elementarnej c/a wynosi 1,624, co oznacza, że atomy w sieci są bliskie idealnemu upakowaniu. W temperaturze otoczenia deformacja następuje prakpoprzez poślizg po płaszczyznach podstawy tycznie tylko heksagonu (0001)<1120>. Dostępne są wtedy tylko trzy systemy poślizgu. Ilość ta jest niewystarczająca, ponieważ materiał metalowy uważa się za plastyczny, gdy posiada co najmniej pięć niezależnych systemów poślizgu [6]. Stopy na bazie magnezu są więc przerabiane plastycznie tylko w podwyższonej temperaturze, ponieważ dopiero wtedy możliwy staje się poślizg po płaszczyznach: bocznej (pryzmatyczny) i wewnętrznej (piramidalny), co w konsekwencji czyni je plastycznymi [7]. W trakcie wysokotemperaturowego odkształcania metali równolegle zachodzą procesy: umacniania, dynamicznego zdrowienia (ang. DRV Dynamic Recovery) i dynamicznej rekrystalizacji (ang. DRX Dynamic Recrystallization). Stopy magnezu posiadają niską energię błędu ułożenia (60 78 kj/mol), toteż dynamiczna rekrystalizacja jest procesem wiodącym w trakcie ich wysokotemperaturowej przeróbki plastycznej (powyżej 513 K) [8]. DRX odpowiada za usuwanie skutków odkształcenia, podnosi plastyczność i redukuje opory płynięcia, a co za tym idzie umożliwia kontynuowanie procesu odkształcenia bez konieczności ciągłego zwiększania sił zewnętrznych [4]. Stop AZ91 ze względu na wysoką zawartość aluminium (~ 9,0 % mas.) jest powszechnie uważany za typowo od- mają na celu nie tylko usta- lewniczy [9]. Niniejsze badania lenie właściwości wytrzymałościowych tego stopu podda- nego procesowi wyciskania oraz odniesienie ich do stanu lanego, lecz także pokazanie, że podział na stopy odlewnicze i do przeróbki plastycznej jest czysto umowny. Metodyka wchodzą: roztwór stały αmg (jasny kolor) oraz duże, ciem- ne wydzielenia równowagowej fazy międzymetalicznej Mg 17 Al 12 ulokowanej głównie na granicach ziaren. Mikrostruktury stopu poddanego przeróbce plastycznej Do badań wykorzystano stop magnezu AZ91, którego skład chemiczny przedstawiono w tablicy 1. Odlane do kokili cylindryczne próbki o średnicy 60 mm, obrobiono mechanicznie tak, aby ich końcowa średnica wynosiła 40 mm. Uzyskane w ten sposób próbki poddano procesowi współbieżnego wyciskania na gorąco, które wykonano na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Parametry procesu były następujące: współczynnik wydłużenia 16, temperat ura 648 K oraz prędkość stempla 0,5 mm/s. Otrzymany drut o średnicy 10 mm pocięto na próbki do badań wytrzymałościowych o wymia- rach mm (baza pomiarowa 50 mm) oraz na próbki do pomiarów twardości i badań mikrostrukturalnych. Połowę próbek poddano obróbce cieplnej, polegającej na ich starzeniu (343 K przez 16 godzin) prowadzonemu w atmosferze ochronnej z argonu (stan T5). Wartości właściwości mechanicznych stopu AZ91 w stanie wyjściowym oraz po obróbce cieplnej (stan: T4, T5, T6) pochodzą z wcześniejszych prac [1, 10]. Obróbkę cieplną stopu przeprowadzono według normy: Standard Practice for Heat Treatment of Magnesium Alloys [11]. Przesycanie do stanu T4 odbywało się w temperaturze 689 K przez 16 h; parametry starzenia stopu do stanu T5 były natomiast następujące: temperatura 343 K, czas 16 h. Przesycony materiał starzono do stanu umocnionego wydzieleniowo (T4 do T6) w temperaturze 343 K przez 16 h. Proces obróbki cieplnej prowadzono pod atmosferą ochronną składającą się z argonu. Statyczne próby rozciągania, w temperaturze otoczenia, wykonywano na maszynie wytrzymałościowej firmy INSTRON typu 1115, zgodnie z normą: PN-EN :2004; prędkość rozciągania wynosiła 0,6 mm/min. Na każdy wariant badawczy przypadały 4 próbki. Badania twardości przeprowadzano metodą Brinella, wgłębnikiem o średnicy 2,5 mm, pod obciążeniem 625 N, według normy: PN-EN ISO :2002. Na każdy wariant badawczy wykonywano 6 pomiarów, które przeprowadzano na przekrojach poprzecznych próbek. Badania mikrostrukturalne przeprowadzane były za po- mikroskopu optycznego OLYMPUS DP70 w Instytu- mocą cie Metali Lekkich w Skawinie. Poprzedzono je standardowym szlifowaniem i polerowaniem próbek, które następnie trawiono w nitalu (3 % roztwór kwasu azotowego w alko- wydzieleń holu etylowym). Analizę udziału procentowego fazy Mg 17 Al 12 wykonano za pomocą metody siatki według normy: PN-84/H-04507/01. Wyniki badań i ich dyskusja Badania mikrostrukturalne Reprezentatywne mikrostruktury trzech wariantów stopu AZ91, w zależności od sposobu przetworzenia, przedstawiono na rysunku 1. Typową strukturę stanu wyjściowego odlewanego (0) pokazano na rysunku 1a. W jej skład na drodze wyciskania na gorąco (PP) pokazano na rysunkach 1b i 1c. Struktura próbki PP różni się w znacznym stopniu od stanu wyjściowego. Przy jednakowym powiększeniu wyraźnie widać skutki dużego odkształcenia pla- Skład chemiczny badanego stopu [1] Chemical composition of examined alloy [1] Tablica 1 Table 1 Oznaczenie stopu Skład chemiczny, % mas. Al Mn Si Zn Ti Fe Cu Ni Mg AZ91 8,5 0,13 0,02 0,75 0,025 0,02 0,01 <0,002 reszta 431

3 a b c d e Rys. 1. Mikrostruktury stopu AZ91 a w stanie wyjściowym, pow. 200 ; b po wyciskaniu, przekrój poprzeczny, pow. 200 ; c po wyciskaniu, przekrój wzdłużny, pow. 50 ; d po wyciskaniu i obróbce cieplnej, przekrój poprzeczny, pow. 200 ; e po wyciskaniu i obróbce cieplnej, przekrój wzdłużny, pow. 50 Fig. 1. Microstructures of AZ91 alloy a as cast condition, mag. 200 ; b hot worked, cross section, mag. 200 ; c hot-worked, longitudinal section, mag. 50 ; d hot-worked and heat-treated, cross section, mag. 200 ; e hot-worked and heat-treated, longitudinal section, mag. 50 stycznego, jakiemu poddany został badany stop. W próbce przerobionej plastycznie wydzielenia fazy Mg 17 Al 12 są drobniejsze i charakteryzują się dużo większym stopniem dyspersji. Na mikrofotografii (rys. 1b) nie można dokładnie zidentyfikować wielk ości ziarna, jednak mając na uw adze to, że faza Mg 17 Al 12 znajduje się głównie na jego granic ach, można przypuszczać, że rozmiar ziarna zmniejszył się znacząco. Na rysunkach 1d i 1e pokazano mikrostruktury próbek stopu AZ91 wyciśniętego, po czym poddanego obróbce cieplnej (PPS) w temperaturze 170 C przez 16 h. W porówn aniu z mikrostrukturami stopu przerobionego pla- stycznie bez obróbki cieplnej, zmianie uległa morfologia wydzieleń fazy Mg 17 Al 12. Procentowy udział Mg 17 Al

4 Średnie wartości właściwości mechanicznych stopu AZ91 oraz ich odchylenia standardowe [1] Mean values of the mechanical properties of the AZ91 alloy and their standard deviations [1] Tab lica 2 Table 2 Oznaczenie próbek Stan przetworzenia stopu R m MPa σ* R p0,2 MPa σ* A 5 % σ* HB σ* 0 lany (F) T4 przesycony T5 starzony (bez dodatkowego przesycania) T6 przesycony i sztucznie starzony PP odkształcony plastycznie PPS T5 odkształcony plastycznie i starzony *Odchylenie standardowe w strukturze z większył się z 22,7 % (PP) do 47,6 % (PPS), a jej wydzielenia uległy częściowej koagulacji. Wskazuje to na istotne przesycenie roztworu stałego αmg pierwiastkiem stopowym, podczas chłodzenia stopu po procesie wyciskana. Obrazy mikrostruktur próbek PP i PPS obserwowane na przekrojach wzdłużnych (rys. 1c i e) pokazują charakterystyczne dla wyciskanego materiału znaczne wydłużenie ziaren w kierunku wyciskania, które powstało w następstwie działania dużego odkształcenia plastycznego, jakiemu poddany został badany stop. Badania właściwości mechanicznych Zestawienie wyników badań przedstawiono w tablicy 2, a ich graficzną prezentację na rysunku 2. Natomiast w tablicy 3 przedstawiono procentowe zmiany właściwości badanego s topu w zależności od sposobu przetworzenia, w odniesieniu do stanu lanego. Jak wynika z rysunku 2, badany stop w stanie wyjściowym charakteryzuje się niskimi właściwościami wytrzymałościowymi oraz słabą plastycznością. Bezpośrednią przyczyną takiego stanu rzeczy jest jego gruboziarnista struktura, Tablica 3 Procentowe zmiany właściwości mechanicznych stopu AZ91, w zależności od sposobu przetworzenia, odniesione do stanu lanego Oznaczenie próbek Table 3 Percentage changes in mechanical properties of the AZ91 alloy, referred to as-cast condition Stan przetworzenia stopu Zmiana, % R m R p0,2 A 5 HB 0 lany (F) T4 przesycony T5 starzony (bez wcześniejszego przesycania) umocniony T6 wydzieleniowo PP odkształcony plastycznie odkształcony plastycznie PPS T5 i starzony Rys. 2. Graficzna prezentacja właściwości mechanicznych stopu AZ91 w zależności od sposobu przetworzenia [1] Fig. 2. Graphic presentation of the relationships between mechanical properties and state of the AZ91 alloy [1] 433

5 a b Rys. 3. Wykresy zależności a R m i R p0,2, b Rp0,2 i twardości HB Fig. 3. Dependency diag rams a R m and R p 0.2, b R p0.2 and HB hardness opisana powyżej. Granica wytrzymałości na rozciąganie na poziomie 167 MPa oraz R p0,2 wynosząca 81 MPa to wartości zbyt niskie, aby stop AZ91 w stanie wyjściowym znalazł zastosowanie do celów konstrukcyjnych, gdyż bardzo popularne i porównywalne cenowo stopy z układu Al-Si, charakteryzują się w większości przypadków lepszymi właściwościami. Maksymalną wytrzymałością, uzyskaną na drodze obróbki cieplnej, charakteryzuje się materiał przesycony i sztucznie starzony do stanu T6. Dalszy przyrost wytrzymałości stopu AZ91, odlanego grawitacyjnie, na drodze operacji termicznych jest wysoce utrudniony. Uzyskanie R m na poziomie przekraczającym 300 MPa staje się wykonalne dopiero po odpowiednim zastosowaniu obróbki plastycznej (cieplno- -plastycznej). Badany stop, poddany procesowi wyciskania przeprowadzonemu w temperaturze 648 K (PP) charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi oraz znakomitą plastycznością. Granica wytrzymałości na rozciąganie wynosi 312 MPa, R p0,2 183 MPa, co oznacza procentowy przyrost tych wartości w odniesieniu do próbki wyjściowej (w stanie lanym) odpowiednio o 87 i 126 %. Wydłużenie na 5-krotnej próbce osiągnęło wartość 13 % (poprawa o 225 %). Biorąc pod uwagę niską gęstość stopu AZ91, która wynosi ok. 1,81 g/cm 3, jest to wynik bardzo zadowalający. Niewątpliwie na tak znaczącą poprawę właściwości ma wpływ kilka czynników. Pierwszy z nich polega na usunięciu podczas procesu przeróbki plastycznej wad odlewniczych, które niekorzystnie wpływają na właściwości wytrzymałościowe i plastyczne odlewu. Kolejny, to znaczne rozdrobnienie ziarna, które szczególnie w układzie heksagonalnym ma bardzo silny wpływ na umocnienie [12]. Wynika to z faktu, że w układzie A3 w temperaturze otoczenia poślizg następuje praktycznie po jednej płaszczyźnie (0001), co komplikuje propagacje odkształcenia (uruchomienie poślizgu) w innych ziarnach. Do zaobserwowanego umocnienia materiału przyczyniła się również zmiana morfologii wydzieleń fazy Mg 17 Al 12 zmniejszenie ich rozmiarów oraz duży stopień dyspersji. Kolejnym ważnym czynnikiem umacniającym stop, poddany przeróbce plastycznej, jest znaczne wydłużenie ziaren, które następuje w wyniku procesu wyciskania i powoduje anizotropię właściwości. Im stopień wydłużenia jest większy, tym materiał posiada wyższe właściwości wytrzymałościowe w kieziaren powoduje runku wyciskania [13]. Wydłużenie rów- nież niekorzystne efekty np. dotyczący różnicy wytrzymałości (ang. SDE Strength Differential Effect) [14]. Mateiał, w którym występuje efekt SDE, charakteryzuje się r zmniejszoną wartością granicy plastyczności przy ściskaniu, w porównaniu do rozciągania. Dalsze polepszenie własności wytrzymałościowych bastopu uzyskano poprzez poddanie wyciśniętych danego próbek obróbce cieplnej, polegającej na ich sztucznym starzeniu. Dzięki temu zabiegowi uzyskano wzrost wartości granicy plastyczności o 13 % (w odniesieniu do próbki PP) oraz przyrost R m o 3 %, niestety kosztem niewielkiego spadku wydłużenia. Przyczyną tego stanu jest zw iększenie ilości wydzie leń fazy Mg 17 Al 12, które utworzyły skupiska i skoagulowały, stąd niski wzrost granicy wytrzymałości na rozciąganie oraz spadek plastyczności. Wykresy przybliżonej, liniowej zależności pomiędzy wartościami granicy plastyczności Rp0,2 i R m oraz twardo- ścią HB, pokazano na rysunkach 3a i b. Wskazują one na silną zależność pomiędzy zmiennymi. Ponadto pokazują, że pomiędzy badanymi charakterystykami wytrzymałościowymi pró bek odlewanych i przerobionych plastycznie ist- spora o dległość. Świadczyć to może o dużej możli- wości zwiększenia właściwości mechanicznych odlewa- nieje nych ze stopu AZ91 części konstrukcyjnych na drodze doskonalenia ich procesu technologicznego. Wnioski Wyniki badań zawartych w powyższej pracy pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków: Stwierdzono możliwość przetwarzania plastycznego odlewniczego stopu AZ91 na drodze wyciskania na gorąco. Zastosowanie procesu przeróbki plastycznej na gorąco (wyciskania) pozwala na uzyskanie właściwości mechanicznych (w szczególności plastyczności) nieosiągalnych dla odlewów ze stopu AZ91. Obróbka cieplna przetworzonego plastycznie stopu AZ91 daje niewielkie efekty (głównie wzrost granicy plastyczności). Literatura 1. Reguła T.: Badanie wpływu obróbki cieplnej na właściwo- stopu AZ91. AGH im. ści mechaniczne odlewniczego Stanisława 434

6 Staszica, Kraków Alloys. ASM International, Materials Park, OH, Modern Casting, December, Reguła T., Czekaj E., Lech-Grega M., Bronicki M.: Ocena 3. Fajkiel A., Dudek P., Korzec R.: Magnez i jego stopy po- możliwości kształtowania właściwości mechanicznych odlewniczego stopu magnezu AZ91 przez zastosowanie odpowiedniej ob- nowne zainteresowanie przemysłu. Rzeszów Bystre, Leeflang M. A., Zhou J., Duszczyk J.: Effect of Billet Temperatur and Ram Speed on the Behaviour of AZ31 During Extru- 11. Norma ASTM B661-06: Standard Practice for Heat Treatróbki cieplnej. Prace Instytutu Odlewnictwa t. 48, nr 1. sion. Magnesium. Red. K. U. Kainer. Wiley-VCH, Wenheim, ment of Magnesium Alloys Prowans S.: Struktura stopów. Wydaw. Nauk. PWN, Warszawa Oishi Y., Kawabe N., Hoshima A., Okazaki Y., Kishimoto A.: Development of High Strength Magnesium Alloy Wire. SEI Tech 13. Wang J. T., Liang M. X., Kuang Q., Gurvan M., Chen G., Rev. 2003, nr 56. Xia K.: Microstructure and Mechanical Properties of Alloy AZ31 6. von Mises R., Angew Z.: Mechanik der plastischen Formirung von Kristallen. Math. Mech. 1928, nr Mueller S., Mueller K., Reimers W.: Severe Plastic Deforafter Equal Channel Angular Pressing. Materials Forum 2005, t Emley E. F.: Principles of Magnesium Technology. Pergamon Press, Oxford Wenheim mation of AZ31. Magnesium. Red. K. U. Kainer. Wiley -VCH, 8. Liu L., Zhou H., Wang Q., Zhu Y., Ding W.: Dynamic Re- Advances in Autorzy artykułu składają serdeczne podziękowania Panu crystallization Behavior of AZ61 Magnesium Alloy. Technology of Materials and Materials Processing Journal, 2004, Profesorowi dr. hab. inż. Henrykowi Dybcowi z Akademii nr 6. Górniczo-Hutniczej za pomoc w realizacji badań związa- stopu 9. Avedesian M., Baker H.: Magnesium and Magnesium nych z przeróbką plastyczną AZ91. I N F O R M A C J A listopada 2008 r. w Domu Wczasowym BEL-AMI w Zakopanem w roku Jubileuszu 90-lecia Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie odbędzie się XV Konferencja Naukowo-Techniczna pt.: TECHNOLOGIE PRODUKCJI RUR W PRZEMYŚLE METALI NIEŻELAZNYCH połączona z Jubileuszem 40-lecia pracy naukowej Profesora Jana Richerta Organizatorem konferencji jest Wydział Metali Nieżelaznych AGH Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa MN, we współpracy ze Stowarzyszeniem Inżynierów i Techników Metali Nieżelaznych i Fundacją Metale Nieżelazne Tradycja i Rozwój. Problematyka konferencji obejmuje: teorie i technologie procesów produkcji rur problemy jakości i własności użytkowych w powiązaniu z technologią wytwarzania zagadnienia dalszego przetwarzania rur (produkcji wyrobów gotowych) Podczas konferencji przewidujemy panele dyskusyjne w następujących obszarach tematycznych: o trendy rozwojowe w produkcji rur z metali nieżelaznych producenci i technologie o rynek konsumentów rur z metali nieżelaznych o konkurencja materiałowa dla rur z metali nieżelaznych Zgłoszenia referatów (komunikatów, posterów), a także samego uczestnictwa prosimy kierować na adres: Wydział Metali Nieżelaznych AGH Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa MN Konferencja Rurowa 2008 Al. Mickiewicza 30, Kraków w terminie do 10 września 2008 roku. Informacje o konferencji: Przewodniczący Komitetu Organizacyjnego dr inż. Wacław Muzykiewicz: tel.: , fax: , muzywac@agh.edu.pl 435