Badania stopów Al-Zr odlewanych w sposób ciągły

A R C H I V E S of F O U N D R Y E N G I N E E R I N G Published quarterly as the organ of the Foundry Commission of the Polish Academy of Sciences ISSN (1897-3310) Volume 13 Special Issue 3/2013 63 68 12/3 Badania stopów Al-Zr odlewanych w sposób ciągły T. Knych 1, P. Uliasz 2, M. Piwowarska-Uliasz 3 1-3 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Metali Nieżelaznych. Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska 1 e-mail: marzenap@agh.edu.pl Otrzymano 22.10.2013; zaakceptowano do druku 12.12.2013 Streszczenie Praca zawiera badania własności mechanicznych, elektrycznych oraz odporności cieplnej badanych materiałów. Zakres pracy obejmuje badania nad procesem ciągnienia wlewków na druty o średnicy 3,5 mm, uzyskanych ze stopów Al-Zr w zakresie zawartości cyrkonu od 0,05 do 0,32, które zostały wytworzone w warunkach przemysłowych w linii ciągłego odlewania i walcowania (COiW). W artykule przedstawiono technologiczne krzywe umocnienia poszczególnych materiałów oraz wyniki badań obejmujące charakteryzację wybranych własności stopów Al-Zr. Słowa kluczowe: stopy Al-Zr, odporność cieplna, odlewanie w sposób ciągły 1. Wprowadzenie Rozwój nowych produktów z aluminium i jego stopów, przeznaczonych do elektrotechniki i elektroenergetyki, czyli rynków, w których wcześniej powszechnie wykorzystywano produkty z miedzi i jej stopów, stawia wyzwania przed producentami kabli i przewodów. Jednak zmiany te nie prowadzą do wyeliminowania miedzi z wyżej wymienionych rynków, związane są raczej z poszukiwaniem materiałów o wyższych lub równoważnych własnościach jako zamienników dla miedzi. Za takim podejściem przemawia przede wszystkim obniżenie kosztu produkcji, w którym niejednokrotnie materiał i jego przetwórstwo stanowi czynnik decydujący o cenie produktu. Sytuacja taka ma miejsce zwłaszcza w produktach, do których można zaliczyć przewody napowietrzne, przewody nawojowe (druty emaliowane) oraz żyły stosowane w przemyśle samochodowym [1]. Technologie wytwarzania materiałów przeznaczonych do ciągnienia można podzielić na dwie grupy są to technologie o dużej wydajności, czyli linie ciągłego odlewania i walcowania na gorąco (COiW), wśród których należy wymienić linie Contirod, Continuous Properzi [2, 3], Southwire [4], które służą do produkcji walcówek o różnych średnicach z takich metali jak miedź, aluminium, cynk, cyna oraz ich stopy. Drugą grupę stanowią technologie o mniejszej wydajności dedykowane pod konkretną aplikację, są one realizowane w liniach takich firm jak: Vertic, Upcast [5, 6] czy Rautomead, czyli linie ciągłego odlewania (CO) stosowane głównie do specjalnych stopów miedzi [7]. W celu lepszego nakreślenia tematu technologii wytwarzania stopów aluminium pod kątem materiałowym, posłużono się schematem, który obrazuje przebieg linii oraz strukturę wyrobu uzyskanego po linii. Schemat po lewej stronie obrazuje technologie ciągłego odlewania, po prawej natomiast technologię ciągłego odlewania i walcowania. Z rys. 1 wynika, że niezależnie od metody prowadzenia procesu obie technologie obejmują topienie i odlewanie wsadu. W przypadku technologii CO odlewanie kończy proces wytwórczy materiału finalnego, w wyniku którego powstaje materiał o strukturze odlewu i własnościach stanu wyżarzonego, stanu O. W rozwiązaniu COiW materiał końcowy uzyskuje się po procesie walcowania na gorąco i jest nim walcówka o średnicy 9,5 mm. W wyniku procesu walcowania na gorąco w warunkach dynamicznego zdrowienia otrzymuje się materiały charakteryzujące się różnym poziomem umocnienia od H11 do H14. Różnice A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 3, S p e c i a l I s s u e 3 / 2 0 1 3 63

we własnościach mechanicznych otrzymanych materiałów wynikają, ze stanu energetycznego materiału. W przypadku walcowania na gorąco będziemy mieć do czynienia z wyrobem umocnionym odkształceniowo, który jest materiałem częściowo wyzdrowionym, a nie zrekrystalizowanym. Materiał taki będzie posiadał na przekroju poprzecznym długie odkształcone w kierunku walcowania ziarna. Odmienną sytuacje będziemy mieli w przypadku procesu odlewania (rys. 1a, b), gdzie stabilna i równomierna struktura odlewnicza uzyskanego materiału będzie uzależniona od doboru warunków krystalizacji. Walcówki po linii COiW (w stanie wyżarzonym) wymagają zastosowania dodatkowej obróbki cieplnej, co generuje dodatkowe koszty i może być powodem nierównomierności strukturalnej materiału. Sytuacje taką przedstawiono na rysunkach 1c, d. Tak otrzymane materiały przeznaczane są do dalszego przetwórstwa na druty w procesie ciągnienia. Podsumowując przedstawioną analizę, w przypadku walcówki w stanie wyżarzonym linie CO umożliwiają bezpośrednie wytworzenie takiego materiału bez dodatkowych procesów obróbki cieplnej, co ma miejsce w przypadku materiału z technologii COiW. Przeprowadzona analiza przeglądu technologii wytwarzania wsadu do procesu ciągnienia przekłada się na stworzenie koncepcji, która zakłada pominięcie Rys. 1. Schemat technologii wytwarzania wsadu do ciągnienia wraz z strukturami materiałów odlewanych: a - struktura materiału odlewanego w sposób ciągły w linii znajdującej się w laboratorium WMN AGH [7], b struktura materiału odlewanego w sposób ciągły do góry metodą Upcast [8], c struktura walcówki po linii COiW stan H [9], d struktura walcówki po linii COiW i obróbce cieplnej na stan O [9] segmentu odkształcenia na gorąco, a co za tym idzie wyeliminowaniu dodatkowej obróbki cieplnej. Metoda ta, ze względu na proces zdrowienia aluminium odkształcanego na gorąco w liniach COiW, omija konieczność wyżarzania walcówki na stan wyżarzony, co znacznie obniża koszty produkcji takiego materiału. Idea technologii obejmuje ciągłe odlewanie pręta z aluminium o żądanej średnicy oraz jego bezpośrednie ciągnienie na druty przeznaczone do skręcania, bądź jako wsad do innych procesów technologicznych. Linia CO odznacza się niższym nakładem inwestycyjnym oraz uniwersalnością w doborze produkowanych średnic i wielkością instalacji, w porównaniu do linii COiW, natomiast słabą stroną jest jej niska wydajność (metody CO). Niniejsza praca poświęcona jest badaniom wpływu procesu odlewania w sposób ciągły na własności mechaniczne i elektryczne stopów Al-Zr. Swym zakresem praca obejmuje siedem rodzajów stopów o różnej zawartości cyrkonu z zakresu od 0,05 do 0,32% wag. Stopy Al-Zr umożliwiają kontrolę rekrystalizacji oraz poprawę stabilności termicznej [10, 11], te dwa czynniki są możliwe do osiągnięcia poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego 64 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 3, S p e c i a l I s s u e 3 / 2 0 1 3

oraz właściwie przeprowadzony proces odlewania. Podniesienie temperatury rekrystalizacji aluminium, jest powodem dużego zainteresowania przewodowymi stopami aluminium z dodatkiem cyrkonu, które są zdolne do pracy w podwyższonych temperaturach [12, 13]. W artykule przedstawiono badania własności mechanicznych, elektrycznych oraz odporności cieplnej uzyskane w wyniku procesu ciągnienia wlewków wytworzonych w warunkach przemysłowych w linii ciągłego odlewania i walcowania (COiW) na druty o średnicy 3,5 mm. 2. Materiał do badań Materiał do badań w postaci wlewka wytworzono w linii ciągłego odlewania i walcowania na gorąco metodą Continuous Properzi. Wlewek pobrano z koła odlewniczego Properzi, co umożliwiło otrzymanie materiału bez odkształcenia na gorąco, w tabeli 1 przestawiono skład chemiczny badanych materiałów. Tabela 1. Skład chemiczny badanych materiałów Stop Fe Si Zr Al 99,72 0,187 0 AlZr0,05 99,70 0,146 0,05 AlZr0,09 99,65 0,156 0,09 AlZr0,15 99,60 0,133 0,15 AlZr0,22 99,45 0,185 0,22 AlZr0,29 99,40 0,163 0,29 AlZr0,32 99,42 0,122 0,32 Wlewki o średnicy 16,6 mm poddano procesowi ciągnienia na druty o średnicy 3,5 mm (odkształcenie 95,6%). Uzyskane w wyniku ciągnienia druty poddano badaniom własności wytrzymałościowych na maszynie wytrzymałościowej Zwick w oparciu o statyczną próbę rozciągania, badaniom własności elektrycznych na mostku pomiarowym Resistomat 2304 firmy Burster oraz odporności cieplnej wg PN EN 62004 [14]. Ponadto na początkowych średnicach badano twardość sposobem Brinella, wyniki zamieszczono w tabeli 2 3. Wyniki badań i ich dyskusja Wpływ odkształcenia na zmianę rezystywności badanych stopów Al-Zr przedstawiono na rys. 3. Własności elektryczne drutów z poszczególnych materiałów zachowują początkowo występujące różnice w poziomie rezystywności. Linie zależności rezystywności od odkształcenia dla wszystkich materiałów są równoległe, co świadczyć może o występowaniu jednego mechanizmu oddziaływania odkształcenia na zimno na rezystywność stopu. Wpływ odkształcenia na zimno na zmianę własności wytrzymałościowych badanych drutów obrazuje podobny przebieg zależności zmian dla poszczególnych materiałów (rys. 4) Druty o średnicy 3,5 mm osiągają wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 170 MPa, w przypadku drutu aluminiowego wartość Rm jest na poziomie 160 MPa. Przyrost własności wytrzymałościowych badanych stopów jest we wszystkich przypadkach zbliżony i osiąga wartość około 40 MPa. Charakterystyki przyrostu wartości wytrzymałości na rozciąganie (rys. 4) w zakresie odkształcenia do 95,6 % posiadają zbliżony przebieg o wyraźnym charakterze wykładniczym. Tabela 2. Wyniki twardości sposobem Brinella dla badanych materiałów Al AlZr0,05 AlZr0,09 AlZr0,15 AlZr0,22 AlZr0,29 AlZr0,32 d0 [mm] S0 [mm 2 ] lnλ [-] 16,60 216,41 0,0 25,1 22,2 22,7 23,5 26,9 23,7 23,5 14,89 174,04 0,2 24,6 27,6 31,1 24,8 29,9 34,4 32,8 13,14 135,56 0,5 28,8 33,7 33,1 32,9 35,7 38,1 36,8 11,63 106,31 0,7 33,9 34,1 33,9 33,1 37,7 39,4 36,0 10,26 82,59 1,0 34,2 34,6 35,8 34,9 42,2 40,6 40,7 7,06 39,10 1,7 37,1 35,8 38,7 40,0 40,3 41,3 41,1 Wyniki badań odporności cieplnej pod kątem możliwości spełnienia wymagań stawianych drutom typu AT1 i AT2 (parametry testów: 1 h 230 C i 400 h 180 C), AT3 (parametry testów: 1 h - 280 i 400 h 240 C) oraz AT4 (parametry testów: 1 h - 400 i 400 h 310 C), przedstawiono w tabeli 3. Wymagania stawiane odpornym cieplnie drutom wymagają zachowania min. 90% wartości początkowej wytrzymałości na rozciąganie zarówno po teście 1 h jak i 400 h. 4. Wnioski 1. Zależność wpływu dodatku cyrkonu w zakresie do 0,32% wag. na wartość rezystywności wlewka na drut posiada charakter prostoliniowy i świadczy o przesyceniu podczas odlewania roztworu stałego aluminium cyrkonem. 2. Zmiany własności wytrzymałościowych badanych drutów od odkształcenia posiadają zbliżony charakter. Z punktu widzenia rozpatrywanej ilości dodatku cyrkonu do aluminium nie wpływa on na zmianę własności wytrzymałościowych podczas odkształcenia. 3. Badania odporności cieplnej wskazują, że wraz ze wzrostem ilości cyrkonu wzrasta odporność cieplna materiału. Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 3, S p e c i a l I s s u e 3 / 2 0 1 3 65

Rys. 3. Wpływ odkształcenia na zimno na zmianę rezystywności badanych materiałów Rys. 4. Wpływ odkształcenia na zimno na zmianę naprężenia umownego Rm badanych materiałów 66 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 3, S p e c i a l I s s u e 3 / 2 0 1 3

Tabela 3. Wyniki odporności cieplnej badanych stopów Materiał Al AlZr0,05 AlZr0,09 AlZr0,15 AlZr0,22 AlZr0,29 AlZr0,32 Rm [MPa] 162,2 165,3 169,2 167,2 175,1 172,7 172,0 AT1/AT2 230 C/1h Rm [MPa] 149,0 163,9 169,1 167,0 178,1 180,3 174,1 Rm [%] 8,1 0,8 0,0 0,1-1,7-4,4-1,3 AT3 280 C/1h Rm [MPa] 122,4 143,5 155,8 159,2 173,5 175,2 169,6 Rm [%] 24,6 13,2 7,9 4,8 0,9-1,4 1,4 AT4 400 C/1h Rm [MPa] 69,9 72,5 76,6 77,7 123,6 142,3 139,8 Rm [%] 56,9 56,1 54,7 53,6 29,4 17,6 18,7 AT1/AT2 180 C/400h Rm [MPa] 146,1 161,7 168,2 166,8 179,9 179,8 167,9 Rm [%] 10,0 2,2 0,6 0,3-2,7-4,1 2,3 AT3 240 C/400h Rm [MPa] 70,6 136,1 151,6 163,0 180,8 183,1 171,5 Rm [%] 56,5 17,6 10,4 2,6-3,3-6,0 0,3 AT4 310 C/400h Rm [MPa] 64,9 72,9 77,2 117,7 166,8 198,9 201,4 Rm [%] 60,0 55,9 54,4 29,6 4,8-15,2-17,1 Podziękowania Badania zostały przeprowadzone w ramach umowy nr 15.11.180.656 Literatura [1] Knych, T., Uliasz, P., Piwowarska, M. (2013). Research on the manufacturing technology and processing of continuously cast aluminum rods, Wire Journal International, January 2013, 56-61. [2] Patent US 2 659 949 Machine for the continuous casting of metal rods Ilario Properzi Milan Italy Patented Nov. 24, 1953 [3] Patent US 2 710 433 Continuous metal casting machine Ilario Properzi Milan Italy Patented June 14, 1955 [4] Patent GB 1 292 334 Continuous casting and rolling of aluminium alloy Southwire Co. Patented 1972 [5] Patent US 5 404 932 Apparatus and method for intensifying cooling in the casting of metal objects, Outokumpu Castform Oy, Patented Apr. 11 1995 [6] Patent US 5 381 853 Apparatus and method for intensifying cooling in the casting of metal objects, Outokumpu Castform Oy, Patented Jan. 17 1995 [7] Knych, T., Uliasz, P., Piwowarska Uliasz, M. (2013). Comparative studies of continuously cast semi-finished Al grade EN AW 1370, Archives of Foundry Engineering, Vol. 13, Special Issue 2, 65 69. [8] Bodington, J.C., Nordman, M. (2010). Aluminum wire rod produced with Upcast technology, Wire Journal International, May 2010. [9] Knych, T., Uliasz, P., Piwowarska, M., Kwaśniewski, P., Kiesiewicz, G. (2010). Badania nad procesem ciągnienia prętów z aluminium wytworzonych metodą ciągłego odlewania, Rudy i Metale Nieżelazne, R55 7. [10] Wieland, H., Cheong, S. (2007). The role of zirconium additions in recrystallization of aluminum alloys, Materials Science Forum 558-559, pp. 383-387. [11] Qingchun, X., Jing, Z., Haicheng, P., Lina, H., Rongde, L. (2011). Effects of scandium and zirconium combination alloying on as-cast microstructure and mechanical properties of Al-4Cu-1.5Mg alloy, The 69 th WFC Paper China Foundry 8 [1], pp. 137-140. [12] Knych, T., Piwowarska, M., Uliasz, P. (2011). Studies on the process of heat treatment of conductive AlZr alloys obtained in various productive processes Archives of metallurgy and materials, 56, 3, pp. 685-692. [13] Knych, T., Piwowarska, M., Uliasz, P. (2012). Stopy aluminium z dodatkiem cyrkonu przeznaczone do zastosowań w elektroenergetyce, Materiały konferencyjne VII Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych 2012: Kraków, pp. 129 130. [14] PN EN 62004. Ciepłoodporny drut ze stopu aluminium do przewodów do linii napowietrznych, 2009 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 3, S p e c i a l I s s u e 3 / 2 0 1 3 67

Studies of Al-Zr Alloys Produced by Continuous Casting Abstract The work includes the study of mechanical, electrical properties and thermal resistance of the tested materials. The scope of work includes research on the process of wire bar on the wires with a diameter of 3.5 mm, obtained from Al-Zr alloys of zirconium content of 0.05 to 0.32, which have been produced in industrial conditions in the continuous casting and rolling (CCR). The paper presents the technological curve and the strengthening of individual materials research, including characterization of selected properties of Al-Zr alloys. 68 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 3, S p e c i a l I s s u e 3 / 2 0 1 3