ANALIZA NUMERYCZNA I BADANIA STRUKTURY PRĘTÓW AlCu4Mg WYCISKANYCH Z MAŁYM WSPÓŁCZYNNIKIEM WYDŁUŻENIA

Transkrypt

1 ALUMINIUM PROCESSING Redktor odpowiedzilny: dr h. inż. WOJCIECH LIBURA, prof. nzw. JUSTYNA GRZYB GRZEGORZ KRUPNIK WOJCIECH LIBURA ARTUR RĘKAS Rudy Metle R nr 8 UKD : : :519.6:620.18: ANALIZA NUMERYCZNA I BADANIA STRUKTURY PRĘTÓW AlCu4Mg WYCISKANYCH Z MAŁYM WSPÓŁCZYNNIKIEM WYDŁUŻENIA Przeprowdzono oliczeni numeryczne metodą elementów skończonych (MES) procesu wyciskni prętów o przekroju kwdrtowym dl trudno odksztłclnego stopu luminium AlCu4Mg (2017A) w zkresie młych współczynników wydłużeni. Dokonno nlizy mkrostrukturlnej prętów wycisknych w wrunkch przemysłowych. Celem rtykułu ył nliz sposou płynięci mteriłu w przekroju poprzecznym wyrou. Uzupełnieniem oserwcji strukturlnych yły oliczeni numeryczne. Skorelownie orzu płynięci z rozkłdmi prędkości, intensywności odksztłceni i tempertury we wlewku i gotowym wyroie dostrczyło szereg wżnych informcji dotyczących sposou płynięci mteriłu, który rzutuje n jkość uzysknego wyrou. Stwierdzono, że w zkresie dnych współczynników wydłużeni, poniżej 10, wycisknie z większym współczynnikiem prowdzi do zwiększeni rozrzutu intensywności odksztłceni orz tempertury w przekroju poprzecznym wyrou. W rezultcie, zoserwowno większe różnice w strukturze mteriłu. Słow kluczowe: wycisknie, modelownie numeryczne, stopy Al, mkro- i mikrostruktur NUMERICAL AND STRUCTURAL ANALYSIS OF AlCu4Mg ALUMINUM ALLOY RODS EXTRUDATES WITH LOW EXTRUSION RATIOS Mcro- nd microstructure of extruded sections from 2017A luminum lloy ws exmined. FEM numericl clcultions of extrusion process within the rnge of smll extrusion rtios were crried out. The im of the work ws to investigte the influence of the mteril flow, strin nd temperture distriution cross the illet nd extrudte on the extrudte qulity. It ws found tht extrusion with higher extrusion rtio, ut elow 10, leds to higher difference in oth effective strin nd temperture on extrudte cross-section. As result, the higher vrition in the mteril micro nd mcrostructure ws otined. Keywords: extrusion, numericl modelling, luminum lloys, mcro- nd microstructure Wprowdzenie Wycisknie metli n gorąco jest jednym z podstwowych procesów w przemyśle metli nieżelznych pozwljącym uzyskć wyroy o zróżnicownych wymirch i ksztłtch. Ze względu n specyfikę procesu wyciskni wyroy chrkteryzują się niejednorodnością struktury zrówno n długości, jk i n przekroju poprzecznym. Prmetrmi de- Mgr inż. Justyn Grzy Akdemi Górniczo-Hutnicz, Wydził Metli Nieżelznych, Ktedr Przeróki Plstycznej i Metloznwstw, Krków, mgr inż. Grzegorz Krupnik Grup KĘTY S.A., Kęty, dr h. inż. Wojciech Liur, prof. nzw, dr inż. Artur Ręks Akdemi Górniczo-Hutnicz, Wydził Metli Nieżelznych, Ktedr Przeróki Plstycznej i Metloznwstw, Krków. 493

2 cydującymi o finlnej strukturze wyrou są tempertur, prędkość wyciskni orz stopień odksztłceni. Odpowiedni doór wymienionych prmetrów procesu wyciskni w połączeniu ze zminą geometrii mtrycy wpływ n poprwę sposou płynięci metlu, tym smym n poprwę struktury i włsności mechnicznych. Jednym z istotnych prolemów, jki pojwi się w procesie wyciskni wyroów o dużych przekrojch poprzecznych z młym współczynnikiem wydłużeni, jest zpewnienie jednorodnego, równomiernego płynięci mteriłu w otworze mtrycy. Wiąże się to z uzyskniem odpowiedniego poziomu równomierności włsności i struktury w przekroju wyroów. Dotychczsowe dni przeprowdzone zrówno n mteriłch modelowych w wrunkch lortoryjnych jk i w zkłdch przemysłowych produkujących wyroy ze stopów luminium, dowodzą, że grniczny stopień przerou metlu, zdefiniowny jko minimlny współczynnik wydłużeni λ min, gwrntujący odpowiedni poziom jednorodności wyroów, ksztłtuje się n poziomie λ min = [1]. Pomimo to, w wycisknych stopch luminium często pojwi się zjwisko owódki gruozirnistej, występującej niezleżnie od wielkości współczynnik wydłużeni. Owódkę tką zoserwowno tkże podczs wyciskni prętów o przekroju kwdrtowym ze stopu 2017A, przy młych wrtościch współczynnik wydłużeni [2]. Występownie owódki gruokrystlicznej jest ściśle powiązne ze sposoem płynięci mteriłu wewnątrz wycisknego wlewk. Poprzez odpowiedni doór mteriłu orz sposou prowdzeni procesu wyciskni możn zncząco wpływć n wyeliminownie wd i poprwę jkości otrzymnych prętów [3]. Celem rtykułu jest nliz sposou płynięci mteriłu orz struktury prętów z trudno odksztłclnego stopu luminium AlCu4Mg, wycisknych w zkresie młych współczynników wydłużeni. Przeprowdzono oliczeni numeryczne procesu wyciskni stosując metodę elementów skończonych w celu uzyskni rozkłdów prędkości płynięci metlu w strefie odksztłceni, intensywności odksztłceni i tempertury we wlewku i w gotowym wyroie. Uzyskne dne z oliczeń zostły skonfrontowne z orzem płynięci metlu i strukturą mteriłu wycisknego. Bdni strukturlne wycisknych prętów Bdni eksperymentlne i oliczeni numeryczne przeprowdzono n prętch ze stopu AlCu4Mg (2017A), wycisknych z młymi współczynnikmi wydłużeni. Wyciskno dw rodzje prętów o przekroju kwdrtowym: mm i mm. Skłd chemiczny wlewków podno w tlicy 1. Wycisknie przeprowdzono n prsie współieżnej o ncisku mksymlnym 32 MN, przy użyciu mtryc pł- Tlic 1 Skłd chemiczny wlewków ze stopu 2017A Tle 1 Chemicl composition of 2017A luminum lloys Procentow zwrtość pierwistków w stopie serii 2017A Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Al 0,475 0,288 4,458 0,839 0,966 0,019 0,151 reszt Rys. 1. Mkrostruktur piętki wlewk ze stopu 2017A orz mikrostruktur w pręcie mm wycisknym ze współczynnikiem wydłużeni λ = 9,02 Fig. 1. Mcrostructure of 2017A illet rest nd microstructure of extrudte mm otined with extrusion rtio λ =

3 Rys. 2. Mkrostruktur piętki wlewk ze stopu 2017A orz mikrostruktur w pręcie mm wycisknym ze współczynnikiem wydłużeni λ = 5,07 Fig. 2. Mcrostructure of 2017A illet rest nd microstructure of extrudte mm otined with extrusion rtio λ = 5.07 skich jednootworowych. Prmetry procesu wyciskni yły nstępujące: średnic wlewk, D mm, długość wlewk, L mm, współczynniki wydłużeni, λ 9,02; 5,07, prędkość stempl, v 0 2,3 mm/s, tempertur ngrzewni wlewków, T w 420 C, tempertur nrzędzi, T n 425 C. Przeprowdzone wcześniej dni nd wyciskniem prętów o przekroju kwdrtowym ze stopu 2017A pozwlją n uzysknie informcji związnych z mkrostrukturą wyrou orz rozkłdem włsności mechnicznych w przekroju poprzecznym dnych prętów. Stwierdzono, że owódk gruokrystliczn zwiększ się wrz ze wzrostem stopni odksztłceni, pondto njsilniej rozwinięt stref gruozirnist występuje w nrożch pręt kwdrtowego. Różnice w poziomie włsności mechnicznych w przekroju pręt mm wyniosły: w przypdku wytrzymłości n rozciągnie R m ok. 33 MP, grnicy plstyczności R 0,2 = 24,5 MP i yły dużo większe niż w przypdku pręt o wymirch (λ = 9,02). Bdni przeprowdzone w rmch niniejszej prcy oejmowły nlizę płynięci metlu n podstwie oserwcji mkrostruktury piętek pozostłych po wyciskniu orz dnie mikrostruktury prętów. Otrzymne mkrostruktury piętek orzują tworzenie się trzech chrkterystycznych stref wewnątrz wycisknego wlewk, tj. strefy mrtwej, strefy ścinni i strefy odksztłceni głównego (rys. 1 i 2). Podczs wyciskni z większym współczynnikiem wydłużeni λ = 9,02 w strefie ścinni wytwrz się struktur Rys. 3. Mkrostruktur końców prętów ze stopu 2017A wycisknych z różnymi współczynnikmi wydłużeni λ = 9,03, λ = 5,07 [2] Fig. 3. Mcrostructure of extrudte ends of 2017A sections extruded with vrious extrusion rtios λ = 9.03, λ = 5.07 [2] gruozirnist, wywołn głównie przez grdient deformcji pomiędzy poszczególnymi oszrmi wycisknego mteriłu. Stref t przechodzi do gotowego wyrou w postci owódki gruozirnistej. Dl przypdku pręt mm rozrost zirn w strefie ścinni jest minimlny, co przejwi się rkiem owódki gruozirnistej Ntomist w przypdku pręt mm (rys. 2) widoczne są wyrźne oszry niejednorodnej struktury we wlewku, przechodzące do gotowego wyrou w postci wrstw o niejednkowej gruości n długości wyrou. Świdczy to o tym, 495

4 że nie osiągnięto w tym przypdku stnu ustlonego płynięci mteriłu. N rysunkch 1 i 2 ook mkrostruktury piętek zmieszczono tkże zdjęci z mikroskopu optycznego orzujące wyrne oszry w przekroju poprzecznym wyroów w powiększeniu 200. Widoczne n zdjęcich orzy uwidoczniją strukturę włóknistą mteriłu z wydzielenimi rozmieszczonymi w sposó chrkterystyczny dl wyroów wycisknych. Środkow wrstw pręt mm wykzuje strukturę o zncznie większej gruości zirn w stosunku do wrstw wewnętrznych. Jk wykzły wcześniejsze dni, w tym przypdku prktycznie, poz nrożmi pręt, nie wystąpił owódk gruozirnist w wrstwie zewnętrznej pręt, w przeciwieństwie do pręt mm (rys. 3) [2]. Anliz numeryczn Przeprowdzono modelownie numeryczne procesu wyciskni prętów dl wrunków identycznych jk w próch wyciskni, w celu uzyskni informcji n temt płynięci metlu poprzez rozkłdy prędkości cząstek, intensywności odksztłceni i tempertury n przekroju poprzecznym wlewk i gotowych wyroów. Oliczeni przeprowdzono w progrmie Deform 3D oprtym n metodzie elementów skończonych. Dne chrkteryzujące mterił uzyskno z wewnętrznej zy mteriłowej progrmu. Ze względu n tendencję tego mteriłu do przywierni do powierzchni pojemnik czynnik trci przyjęto m = 0,7. Anliz prędkości cząstek mteriłu w wycisknych prętch (rys. 4) wykzuje duże zróżnicownie prędkości cząstek w przekroju poprzecznym. Orz płynięci uzyskny Rys. 5. Rozkłd intensywności odksztłceni we wlewku ze stopu Al 2017A dl wyciskni w zkresie młych współczynników wydłużeni pręt mm (λ = 9,02), pręt mm (λ = 5,07) Fig. 5. Distriutions of effective strin for low extrusion rtios λ = 9.02, λ = 5.07 Rys. 6. Rozkłd intensywności odksztłceni ε i n przekroju wyrou ze stopu 2017A podczs wyciskni w zkresie młych współczynników wydłużeni Fig. 6. Effective strin distriution on the extrudte cross-section for low extrusion rtios Rys. 4. Rozkłdy skłdowej osiowej prędkości V z we wlewku podczs wyciskni w zkresie młych współczynników wydłużeni pręt o wymirch mm (λ = 9,02), pręt o wymirch mm (λ = 5,07) Fig. 4. Distriutions of xil velocity V z within the illet for two extrusion rtios λ = 9.02, λ = 5.07 n drodze modelowni numerycznego jest rdzo podony do rzeczywistego, ujwnionego poprzez mkrostrukturę wlewk. Podony jest ksztłt stref mrtwych, co świdczy o prwidłowym doorze wrunków procesu, w szczególności wrtości czynnik trci m. W zkresie nlizownych wielkości współczynnik wydłużeni nie oserwuje się mkroskopowych różnic w orzie płynięci dl oydwu przypdków wyciskni. N rysunku 5 umieszczono rozkłdy intensywności odksztłceni ε i w przekroju poprzecznym wlewk podczs wyciskni w zkresie młych współczynników wydłużeni. W przypdku pręt kwdrtowego, wycisknego z mniejszym współczynnikiem wydłużeni λ = 5,07, rozkłd intensywności odksztłceni jest rdziej nierównomierny. Widć to szczególnie wyrźnie n wykresie przedstwijącym rozkłd ε i n przekroju prętów (rys. 6). W wrstwch zewnętrznych wyrou intensywność odksztłceni dl oydwu wycisknych prętów jest podon i osiąg wrtość ok. 496

5 Rys. 7. Rozkłd tempertury we wlewku ze stopu 2017A podczs wyciskni w zkresie młych współczynników wydłużeni pręt o wymirch (λ = 9,02), pręt o wymirch (λ = 5,07) Fig. 7. Temperture distriutions within the illet for low extrusion rtios λ = 9.02, λ = 5.07 Rys. 8. Rozkłd tempertury n przekroju wyrou ze stopu 2017A dl wyciskni w zkresie młych współczynników wydłużeni Fig. 8. Temperture distriution on the extrudte cross-section for low extrusion rtios 3,4, ntomist w wrstwch wewnętrznych różni się zncznie, co jednk wynik z różnych współczynników wydłużeni w procesie. Tym smym w przypdku mniejszego współczynnik wydłużeni występuje większy grdient odksztłceni. Tłumczy to, dlczego nie wystąpił w tym przypdku wyrźn owódk gruozirnist (rys. 3). Podone zjwisko zoserwowno w przypdku prętów okrągłych z luminium 1050 [2]. Anlizując rozkłdy tempertury n przekroju wlewk i gotowego wyrou możn zuwżyć znczny przyrost tempertury w zewnętrznych wrstwch wycisknych prętów (rys. 7 i 8). Sytucj tk m miejsce zrówno w przypdku wyciskni pręt mm (λ = 9,02), jk i dl pręt mm (λ = 5,07). W przypdku współczynnik wydłużeni λ = 9,02 oserwujemy wyższą temperturę wyrou opuszczjącego mtrycę, równą 470 C, podczs gdy dl mniejszego λ uzyskno 456 C, co wiąże się z różnicą w prcy odksztłceni, któr nieml w cłości zmieni się n ciepło. Przyrost tempertury w stosunku do tempertury ngrzewni wlewk wynosi odpowiednio 45 i 35 C. W przypdku większego współczynnik wydłużeni oserwuje się tkże większe zróżnicownie tempertury w przekroju wycisknego pręt (rys. 8). Różnic pomiędzy temperturą rdzeni powierzchnią pręt wynosi ok. 15 C i jest o 5 stopni większ niż w przypdku mniejszego λ. Anliz uzysknych dnych z oliczeń numerycznych wyjśni uzyskne orzy struktury mteriłu po wyciskniu. Przy rdzo młych odksztłcenich grdient odksztłceni w wrstwch zewnętrznych, podonie jk i przyrost tempertury jest zyt mły y doprowdzić do normlnego rozrostu zirn Wnioski Przeprowdzone oserwcje mkrostrukturlne i dni numeryczne pozwoliły n powiąznie zmin struktury mteriłu ze stnem odksztłceni i zminmi tempertury w procesie wyciskni stopu 2017A z niewielkimi współczynnikmi wydłużeni. Wycisknie z młym współczynnikiem wydłużeni wiąże się z dużym grdientem intensywności odksztłceni orz większym zróżnicowniem pol tempertury. Tkie zróżnicownie może prowdzić do niejednorodności włsności mechnicznych i strukturlnych n przekroju poprzecznym gotowego wyrou. Brdzo młe współczynniki wydłużeni w procesie wyciskni nie wywołują co prwd normlnej niejednorodności struktury wyrou w postci owódki gruozirnistej w stopie 2017A, tym niemniej, jk wynik z wcześniejszych dń, poziom uzysknych włsności mechnicznych wyrou jest niższy. W prktyce, występuje pewien przedził niskich wrtości współczynników wydłużeni, prowdzący do otrzymywni wyroów o zniżonej jkości. Litertur 1. Leśnik D., Liur W., Zsdziński J.: Anliz numeryczn procesu wyciskni trudno odksztłclnych stopów luminium w zkresie młych współczynników wydłużeni. Rudy Metle 2005, t. 50, nr 6, s Krupnik G., Grzy J., Oleksy A., Liur W.: Jkość prętów ze stopów Al wycisknych z młym współczynnikiem wydłużeni. Rudy Metle 2007, t. 52, nr 11, s Liur W.: Anliz pol odksztłceń i struktury mteriłu podczs wyciskni stopów luminium. AGH, Rozprwy i Monogrfie, 1994, nr