a niższą masę właściwą, b niższy poziom własności wytrzymałościowych, c wyższą przewodność elektryczną. 2. Badane gatunki miedzi charakteryzują się różnymi parametrami krzywych umocnienia, przy czym po odkształceniu logarytmicznym ok., charakterystyki te osiągają zbliżone wartości. Przekłada się to na podobieństwo współczynnika potęgowego zależności R,2 w funkcji lnλ zgodnie z funkcjami dla miedzi Upcast R,2 = 7 +23 (ln λ),38, dla miedzi ETP R,2 = 34 +23 (ln λ),37. 3. Na podstawie standardowych badań kinetyki wyżarzania stwierdzono, iż temperatura rekrystalizacji dla drutów o średnicy 2 mm (96 % umocnienia) z miedzi OFC wynosi ok. 2 C, natomiast dla drutów z miedzi ETP ok. 9 C. Powyższy wniosek został potwierdzony w badaniach kalorymetrycznych oraz w teście wydłużenia sprężyny. Literatura. PN-77/H-822 Miedź gatunki. 2. ASTM B49-92 Norma na walcówkę miedziana przeznaczoną dla celów elektrycznych. 3. Smart J. S., Smith A. A.: Efect of certain elements on some properties of high purity copper, Trans. Am.Inst.Min.Eng., 94, nr 43, s. 272 283. 4. Smart J. S., Smith A. A.: Preparation and some properties of high purity copper, Trans. Am.Inst.Min.Eng., 942, nr 47, s. 44. Mackay K. E., Amstrong Smith G.: Quality control of electrolytic tough pitch copper, J.Inst. of Metals, 962, nr 9, s. 42 3. 6. Amstrong G.: Some observations on the electrical conductivity of commercial electrorefined copper, Journal of the Institute of Metals, 972, t.. 7. Carlen S., Kihlberg R., Lundquist S.: Softness problems in the manufacture of fine copper wire for enamelling, Journal of the Institute of Metals, t. 88, s. 99 96. 8. Davis J. R.: Copper and copper alloys, ASM International. 9. Nonferous Wire handbook, vol. 3 Principles and practice, The Wire Association Intrnational, 99.. Badania własne.. www.kghm.pl. 2. www.rautomead.com. Autorzy pracy składają podziękowania kierownictwu HMC w Orsku KGHM Polska Miedź S.A. za udostępnienie materiału do badań. TADEUSZ KNYCH ANDRZEJ MAMALA BEATA SMYRAK PIOTR ULIASZ Rudy Metale R2 27 nr UKD 62.778..:669-24: :62.793.7:669-426:669. 7 BADANIA NAD PROCESEM CIĄGNIENIA STOPÓW ALUMINIUM O PODWYŻSZONEJ PRZEWODNOŚCI ELEKTRYCZNEJ Ewolucja materiałów przewodowych na osnowie aluminium oraz technologii ich przetwarzania zaowocowała w ostatnich latach opracowaniem stopów cechujących się lepszą kombinacją przewodności elektrycznej i wytrzymałości mechanicznej. Stopy z tej grupy nazywamy wysoko przewodzącymi (HC High Conductivity) oraz ekstra wysoko przewodzącymi (EHC Extra High Conductivity) lub ogólnie stopami o podwyższonej przewodności elektrycznej. W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań dotyczące technologii wytwarzania przewodów ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej ze szczególnym uwzględnieniem procesu ciągnienia. Słowa kluczowe: stopy o podwyższonej przewodności elektrycznej, przewody HC, przewody EHC, stopy AlMgSi, przewodowe stopy aluminium ALUMINIUM ALLOYS WITH INCREASED ELECTRICAL CONDUCITITY DRAWING PROCES ANALYSES Homogenous aluminium alloy conductors are good technical alternative. Conducting material technology evolution causes in alloys with better combination of mechanical and electrical properties. These alloys are known as HC High Conductivity Dr hab. inż. Tadeusz Knych prof. nzw., dr inż. Andrzej Mamala, dr inż. Beata Smyrak, mgr inż. Piotr Uliasz Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków. 86
and EHC Extra High Conductivity materials. Conductors made form these materials minimize energy losses, increase current capacity due to traditional conductors. The paper presents new conductors making technology research results. Energetic and temperature parameters and material properties are presented. Keywords: HC, High Conductivity, EHC, Extra High Conductivity, AlMgSi alloys Wprowadzenie charakterystyka zastosowań stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej Nowoczesny system przesyłowych i rozdzielczych elektroenergetycznych linii napowietrznych wysokiego napięcia winien cechować się wysoką elastycznością pracy oraz efektywnością techniczną i ekonomiczną. Spełnienie tych wymagań narzuca konieczność zastosowania nowych rozwiązań technicznych przewodów oraz materiałów przewodzących, umożliwiających osiąganie zadowalającej obciążalności prądowej linii, minimalizację strat przesyłu energii oraz odpowiedni zakres zwisów przewodu. Takie nowoczesne energooszczędne i wysokoobciążalne przewody elektroenergetyczne opierają się na nowej generacji stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej. Tradycyjnie w liniach napowietrznych jako przewody fazowe wykorzystywano przewody aluminiowo-stalowe. Wynikało to ze stosunkowo prostej technologii ich produkcji oraz łatwej możliwości sterowania końcowymi parametrami przewodu poprzez właściwy dobór udziału stali i aluminium w przekroju całkowitym przewodu. Przewody tego typu, chociaż z przyczyn historycznych dominują do dnia dzisiejszego w polskich liniach napowietrznych, cechują się jednak szeregiem mankamentów utrudniających eksploatację. Do najpoważniejszych wad przewodów aluminiowostalowych zalicza się obecność stalowego rdzenia. Rdzeń ten, co prawda, gwarantuje wytrzymałość mechaniczną i reologiczną przewodu, lecz równocześnie zmniejsza czynny elektrycznie przekrój przewodu, podwyższa jego masę, a tym samym i zwis, generuje ryzyko korozji na styku stalaluminium, a także odpowiada za dodatkowe straty energii, wynikające ze zjawisk ferromagnetycznych w stali. Ponadto w przewodzie bimetalowym pojawiają się wraz ze zmianą jego temperatury naprężenia wewnętrzne, powodujące nierównomierne wytężenie warstw oraz dodatkowe trudności montażowe i eksploatacyjne, wynikające z możliwości poślizgu rdzenia względem oplotu aluminiowego. Nowoczesne podejście do eksploatacji linii napowietrznych bazuje na zwiększeniu ich zdolności przesyłowych, albo poprzez zastosowanie nowych rozwiązań przewodowych umożliwiających podwyższenie temperatur roboczych i tym samym natężeń przesyłanego prądu, albo poprzez wprowadzenie systemu DTCR (Dynamic Thermal Conductor Rating) umożliwiającego obliczanie chwilowej bieżącej obciążalności prądowej (bądź na podstawie analizy statystycznej warunków otoczenia w danym okresie roku, bądź też poprzez bezpośredni pomiar tychże parametrów). Taka bieżąca obciążalność prądowa linii jest, na ogół, znacznie wyższa od obciążalności znamionowej, bowiem bilans cieplny przewodu nie bazuje na założonych z góry ekstremalnie niekorzystnych warunkach otoczenia lecz na warunkach rzeczywistych, które przez 99,8 % okresu eksploatacji są łagodniejsze od warunków ekstremalnych. W systemach DTCR zakres temperatur roboczych nie ulega zmianie, lecz podwyższa się średnia temperatura przewodu. Wraz z nowymi warunkami eksploatacji linii pojawiła się konieczność zastosowania nowych, lepszych przewodów, tj. samonośnych bezrdzeniowych przewodów jednorodnych wykonanych ze stopów aluminium (przewodów stopowych), które oddalają szereg mankamentów przewodów aluminiowo-stalowych oraz oferują nowe walory eksploatacyjne. Przykładem dominacji przewodów stopowych w nowoczesnych systemach energetycznych może być przykład Francji, gdzie skutkiem systematycznej modernizacji w ciągu lat w liniach napowietrznych na ponad 6 % długości linii zainstalowano przewody stopowe (tabl. ) []. Dynamiczny rozwój technologii materiałowych przekłada się z kolei na udoskonalenie stopów przewodzących na osnowie aluminium. W istocie poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego oraz warunków obróbki cieplnomechanicznej zmierza się do uzyskania drutów o coraz lepszej kombinacji nie tylko podstawowych parametrów mechanicznych czy elektrycznych, lecz również zespołu właściwości użytkowych. Są to stopy o podwyższonej przewodności elektrycznej. Tradycyjne druty przewodowe wykonuje się z utwardzalnych wydzieleniowo stopów AlMgSi. Według wytycznych IEC [2] wypracowanych jeszcze w latach sześćdziesiątych XX w. oraz większości norm krajowych, własności drutów stopowych ujednolicono do dwóch typów drutu o oznaczeniach A i B, charakteryzujących się wytrzymałością na rozciąganie od 29 do 32 MPa oraz rezystywnością od 32,3 do 32,84 nωm. Współcześnie nowa norma EN 83 z 2 r. [3] rozszerza zakres stosowanych drutów na sześć typów (Al2 Al7). Analizując bliżej wymagania stawiane drutom przewodowym ze stopów AlMgSi łatwo zauważyć, że drut typu Al ma identyczne własności mechaniczne jak typowy drut typu Al3 (tożsamy z typem B wg IEC), lecz cechuje się istotnie wyższą przewodnością elektryczną. Podobnie drut typu Al7 w pewnym zakresie średnic może mieć wytrzymałość analogiczną do drutów typu Al3 i Al, lecz posiada jeszcze lepszą przewodność elektryczną. Typ drutu Al nazywany jest również drutem o podwyższonej przewodności HC (High Conductivity) w odniesieniu do drutu standardowego (Al3). Najnowszym rozwiązaniem w rozpatrywanej dziedzinie jest drut określany mianem EHC (Extra High Conductivity) wg specyfikacji brytyjskich, który posiada wytrzymałość na rozciąganie identyczną jak typy Al3 Tablica Zestawienie udziału poszczególnych typów przewodów w liniach napowietrznych na przykładzie Francji [] Table Different conductor types used in France quantity Kolejne lata modernizacji Typ przewodu 2 3 4 6 7 8 9 Aluminiowo-stalowy 86 7 64 46 4 2 2 9 23 Samonośny stopowy 3 3 49 42 6 69 76 62 63 Stopowo-stalowy 6 8 9 26 87
i Al, lecz niższą od nich rezystywność. Obok stopów AlMgSi na przewody elektroenergetyczne stosuje się również stop AlFeCuMg, z którego druty według wymagań skandynawskich noszą nazwę Al9 [4]. Rozpatrywane nowe typy drutów HC, EHC oraz Al9 przeznaczone do elektroenergetycznych przewodów wysokiego napięcia, bazują na nowoczesnych kompozycjach chemicznych stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej []. Warto zauważyć, że druty typu HC i EHC posiadają odpowiednio o 4 i 7 % wyższą przewodność elektryczną od drutu standardowego przy zachowaniu analogicznej wytrzymałości, zaś drut typu Al9 posiada o 2 % wyższą przewodność i o ok. % niższą wytrzymałość. Przedstawione w tablicy 2 różnice we własnościach elektrycznych przekładają się w odniesieniu do przewodów tradycyjnych, na możliwości podwyższenia obciążalności prądowej, Tablica 2 Podstawowe własności mechaniczne i elektryczne drutów przewodowych Table 2 Fundamental mechanical and electrical properties of aluminium alloy conductor wires Typ drutu AlMgSi R mmin MPa A 2min % ρ(2 C) max nωm Al2 (A) 3 32 3 32,84 Al3 (B) 29 3, 32,3 Al4 332 34 (3-32) 3 32,6 (32,9) Al (HC) 29 3, 3,2 (32,2) Al6 34 34 3, 3, (3,) Al7 2 3 3 3, (3,) EHC 29 3, 3, Al9 24 26 2 29, (29,) (w nawiasach przedstawiono dopuszczalne własności graniczne dla pojedynczych drutów, skutkiem wahań parametrów procesu wytwarzania nie spełniających wymagań ogólnych; w przypadkach drutów Al2, Al4, Al6, Al7 i Al9 minimalna wymagana wytrzymałość zależy od średnicy drutu) Tablica 3 Zestawienie rezystancji liniowych, strat przesyłu, obciążalności prądowych (wg IEC 697) oraz temperatur roboczych przy obciążeniu 93 A dla przewodu AFL83 oraz jego odpowiedników ze stopów wysoko przewodzących Table 3 Linear resistance, energy losses, current capacity and max. working temperatures for ACSR conductor and homogenous aluminium alloy conductors with increased conductivity Typ przewodu Rezystancja liniowa przewodu, Ω/km Straty przesyłu przy obciążalności prądowej 93A, kw/km Temperatura graniczna robocza przy obciążalności prądowej 93 A, C Obciążalność prądowa przy temperaturze granicznej roboczej 8 C, A AFL8 3 HC EHC Al9,8,79,774,737 36 27 24 8 77 76 74 93 8 3 46 zmniejszenia strat przesyłu bądź obniżenia temperatury roboczej przewodu, co może być szczególnie cenne w systemach dynamicznego sterowania obciążalnością prądową, gdzie zachodzi ryzyko chwilowego przegrzewania przewodów fazowych. Szczegółowo zagadnienia te przedstawiono w tablicy 3. W tablicy 3 przedstawiono porównanie wybranych parametrów typowego przewodu aluminiowo-stalowego AFL8-3 stosowanego powszechnie w polskich liniach napowietrznych o napięciu 22 kv oraz jego zamienników przewodów samonośnych wykonanych ze stopów o podwyższonej przewodności elektrycznej. Wszystkie rozpatrywane przewody posiadają identyczną budowę geometryczną tj. ilość i średnice drutów oraz ich układ w warstwach, z tą tylko różnicą, że druty wykonane są z aluminium i stali w przypadku przewodu AFL, bądź ze stopu o podwyższonej przewodności elektrycznej typu AlMgSi (HC, EHC) lub też typu AlFeCuMg (Al9). Analiza wartości zamieszczonych w tablicy 3 już na wstępie ujawnia korzyści wynikające z zastosowania stopów wysoko przewodzących. Mianowicie przewody z tychże stopów posiadają nawet o % niższe rezystancje liniowe. Przekłada się to na najważniejszy walor stopów o podwyższonej przewodności elektrycznej, a mianowicie ich energooszczędność. Zastosowanie przewodów ze stopów wysoko przewodzących pozwala zredukować straty przesyłu (proporcjonalne do iloczynu kwadratu natężenia prądu i rezystancji przewodu) nawet o ponad 3 % w odniesieniu do przewodów aluminiowo-stalowych. Pociąga to za sobą wymierne korzyści ekonomiczne podczas wieloletniej eksploatacji linii, bowiem przy szacunkowej cenie energii (obecnie wg taryfy PSE 4 zł/mwh, poza szczytem) oznacza oszczędność ponad mln zł na kilometr przewodu w przeciągu 3 lat użytkowania linii. Alternatywną możliwością jest obniżenie temperatur roboczych przewodu, a tym samym zmniejszenie zakresu zwisów, jednakże przewody stopowe jako lżejsze od aluminiowo-stalowych z natury posiadają zdecydowanie mniejszy zakres zwisów i na tym tle rozpatrywana różnica nie jest znacząca. Można również dzięki zastosowaniu przewodów ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej podnieść zdolności przesyłowe linii do ok. % z tytułu zmniejszenia rezystancji liniowej przewodu i do ok. 3 % z tytułu wykorzystania różnic w zwisach i wynikającej stąd możliwości zwiększenia temperatur roboczych. Samonośne przewody elektroenergetyczne wysokiego napięcia wykonane ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej, oferują więc szereg korzyści technicznych na etapie projektowania i budowy oraz eksploatacji linii napowietrznych, lecz równocześnie technologia ich wytwarzania jest skomplikowana i wymaga nowoczesnego parku maszynowego oraz odpowiedniej know- -how [6]. Charakterystyka technologii wytwarzania przewodów ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej Stopy aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej wytwarza się z selekcjonowanego wsadu, który po stopieniu uszlachetnia się dodatkowo poprzez zabiegi borowania. Struktura stopu jest modyfikowana, a stosowane prędkości krystalizacji są wysokie (najczęściej odlewanie 88
odbywa się na kole Properzi). Wlewek jest obrabiany mechanicznie, dogrzewany indukcyjnie i walcowany w sposób ciągły na gorąco na odpowiednią średnicę. Uzyskana walcówka po linii COiW jest homogenizowana, ponownie przesycana i naturalnie starzona. W następnej kolejności materiał jest ciągniony na drut o średnicy finalnej i starzony sztucznie. Niektóre ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej nie podlegają zabiegom utwardzania wydzieleniowego. Druty z takich materiałów przeciąga się na żądaną średnicę wprost z walcówki, która może być wcześniej obrabiana cieplnie. Druty skręca się w przewody o odpowiedniej budowie. Podczas skręcania często smaruje się wewnętrzne warstwy, a druty odpręża się poprzez preforming i postforming w celu wyeliminowania sprężynowania. Wytwarzanie przewodów z wysoko przewodzących stopów aluminium wymaga ścisłego przestrzegania reżimu technologicznego, zwłaszcza w obszarze procesu ciągnienia i obróbki cieplnej. W szczególności proces ciągnienia poprzez właściwy dobór rozkładu gniotów, prędkości odkształcenia oraz środka smarnego, a tym samym stanu cieplnego materiału, przekłada się na zespół własności końcowych wyrobu. Analiza procesu ciągnienia drutów ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej Pierwszy etap badań nad procesem ciągnienia drutów ze stopów aluminium obejmował badania laboratoryjne obejmujące pomiar parametrów siłowych i temperaturowych procesu. Badania prowadzono na walcówkach ze stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T (tj. po linii COiW i starzeniu naturalnym) oraz w stanie T4 (tj. po homogenizacji, przesycaniu i starzeniu naturalnym) oraz na walcówce aluminiowej jako materiale odniesienia. Wyniki tych badań zaprezentowano w syntetycznej postaci na rysunkach 6. Analiza wyników zamieszczonych na rysunkach 3 ujawnia, że siła, a zarazem naprężenie ciągnienia, wzrasta wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia. Można przyjąć, że zależność naprężenia ciągnienia w funkcji wielkości odkształcenia w mierze logarytmicznej jest w przybliżeniu liniowa. Stan struktury walcówki stopowej w niewielkim stopniu wpływa na poziom naprężenia ciągnienia, zaś naprężenie ciągnienia aluminium jest w przybliżeniu dwu- krotnie niższe niż stopu AlMgSi przy analogicznym współczynniku wydłużenia. Na rysunkach 3 6 przedstawiono wyniki pomiarów przyrostu temperatury ciągnionego materiału skutkiem zamiany pracy odkształcenia i tarcia na ciepło. W analizowa- Siła, kn Siła, kn 9 8 7 6 4 3 2 9 8 7 6 4 3 2 9,-9, 9,-8, 9,-6,7,, 2 2, 3 3, 4 4, Rys. 2. Wyniki pomiaru siły ciągnienia stopu AlMgSi o wysokiej przewodności elektrycznej w stanie T Fig. 2. Drawing force for different deformations, AlMgSi alloy with increased conductivity T temper 9,-9, 9,-8, 9,-6,7,, 2 2, 3 3, 4 4, Rys. 3. Wyniki pomiaru siły ciągnienia stopu AlMgSi o wysokiej przewodności elektrycznej w stanie T4 Fig. 3. Drawing force for different deformations, AlMgSi alloy with increased conductivity T4 temper 2 4 3, 2 Siła, kn 3 2, 2, 9,-6,7 9,-8, 9,-9, Przyrost temperatury, o C 9,-9, 9,-8,,,, 2 2, 3 3, 4 4, Rys.. Wyniki pomiaru siły ciągnienia aluminium Fig.. Drawing force for different deformations, aluminium,2,4,6,8,2,4,6,8 2 Rys. 4. Wyniki pomiaru przyrostu temperatury podczas ciągnienia aluminium przy różnych wartościach odkształcenia jednostkowego Fig. 4. Temperature increase during drawing process for different deformations, aluminium 89
Przyrost temperatury, o C Przyrost temperatury, o C 4 3 2 9,-9, 9,-8,,2,4,6,8,2,4,6,8 2 Rys.. Wyniki pomiaru przyrostu temperatury podczas ciągnienia stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T 4 4 3 3 2 2 Fig.. Temperature increase during drawing process for different deformations, AlMgSi alloy with increased conductivity T temper 9,-9, 9,-8,,2,4,6,8,2,4,6,8 2 Rys. 6. Wyniki pomiaru przyrostu temperatury podczas ciągnienia stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T4 przy różnych wartościach odkształcenia jednostkowego Fig. 6. Temperature increase during drawing process for different deformations, AlMgSi alloy with increased conductivity T4 temper nych przypadkach przyrosty temperatury dla aluminium sięgają ok. 2 C, zaś dla stopów AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej ok. 4 C, przy największej z analizowanych wartości odkształcenia jednostkowego. Co ciekawe, zauważyć można pewne przełożenie między przyrostami temperatury w kotlinie ciągarniczej, a naprężeniami ciągnienia. Przyrost temperatury materiału w funkcji logarytmu współczynnika wydłużenia jest bowiem, podobnie jak naprężenie ciągnienia zależnością liniową i podobnie przyrosty temperatury w stopie AlMgSi są około dwukrotnie wyższe od przyrostów temperatury aluminium w analogicznych warunkach. Staje się to oczywiste, jeśli uświadomimy sobie, że praca sił zewnętrznych niezbędnych do realizacji procesu zamienia się prawie całkowicie na ciepło. Obliczając możliwy przyrost temperatury materiału, przy założeniu, że rozpatrywany proces ciągnienia jest adiabatyczny, można stwierdzić, iż jest on wprost proporcjonalny do naprężenia ciągnienia, zaś odwrotnie proporcjonalny do iloczynu gęstości i ciepła właściwego materiału. Oszacowane w ten sposób przyrosty temperatury są o ok. 3 4 % wyższe od zmierzonych. W rzeczywistości bowiem część ciepła oddawana jest do ciągadła, część do medium smarnego, część zaś do otoczenia. Temperatura ciągnionego materiału z jednej strony wpływa na poziom bieżącego oporu plastycznego w kotlinie ciągarskiej, z drugiej zaś na parametry smarne oleju, którego lepkość i odporność na nacisk maleją wraz z temperaturą. Równocześnie temperatura inicjuje zjawiska strukturalne w materiale związane z procesami starzenia. Wszystko to przekłada się w konsekwencji na charakterystyki umocnienia oraz starzenia sztucznego materiału. Dla pełniejszej analizy procesu ciągnienia niezbędna jest także znajomość wartości współczynnika tarcia ciągnionego materiału o ścianę ciągadła. Rozpatrywany współczynnik tarcia wyznaczono klasycznymi metodami spęczania próbki walcowej i pierścieniowej. Wyniki uzyskane z dwóch różnych metod wykazują znaczne zróżnicowanie współczynniki obliczone na podstawie próby spęczania pierścieni są istotnie niższe od uzyskanych w próbie Współczynnik tarcia,7,6,,4,3,2,,6,6 Al, spęczanie walca AlMgSi, spęczanie walca,3 Al, spęczanie pierścienia Rodzaj materiału, rodzaj próby,42 AlMgSi, spęczanie pierścienia Rys. 7. Wyniki pomiaru wartości współczynnika tarcia aluminium i stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej względem materiału narzędzia ciągarniczego metodą spęczania próbki walcowej i pierścieniowej (poprawić wartość na wykresie dwa razy,4) Fig. 7. Friction coefficient for aluminium and AlMgSi alloy with increased conductivity determined from cylinder and ring upsetting tests Stosunek naprężenia ciągnienia i wytrzymałości na rozciąganie,2,8,6,4,2 walcówka w stanie T4 drut w stanie półtwardym,,2,3,4,,6,7,8,9,,2 Odkształcenie rzeczywiste Rys. 8. Wyniki badań odkształcalności granicznej walcówki ze stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T4 oraz drutu w stanie półtwardym uzyskanego z tej walcówki Fig. 8. Deformability limit during drawing process, AlMgSi alloy with increased conductivity, rod T4 temper, half hard wire 8
Naprężenie ciągnienia, MPa 6 4 3 2 49,2 42,86 37,2 42,43 4,46 42, 42,2 2 4 6 8 2 22 24 Kąt ciągadła, deg Rys. 9. Wyniki badań wpływu kąta stożka roboczego ciągadła na wartość naprężenia ciągnienia drutu w stanie półtwardym uzyskanego z walcówki ze stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T4 Fig. 9. Drawing stress as a function of die cone degree, AlMgSi alloy with increased conductivity Naprężenie, MPa 3 3 2 2,, 2 2, Odkształcenie rzeczywiste wytrzymałość na rozciąganie umowna granica plastyczności wydłużenie przy zerwaniu przewężenie Rys.. Wyniki badań zmian własności mechanicznych stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T podczas ciągnienia w warunkach przemysłowych Fig.. Mechanical properties of AlMgSi alloy with improved conductivity during drawing in industrial conditions, T temper Naprężenie, MPa 3 3 2 2 wytrzymałość na rozciąganie umowna granica plastyczności wydłużenie przy zerwaniu przewężenie,, 2 2, Odkształcenie rzeczywiste Rys.. Wyniki badań zmian własności mechanicznych stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T4 podczas ciągnienia w warunkach przemysłowych Fig.. Mechanical properties of AlMgSi alloy with improved conductivity during drawing in industrial conditions, T4 temper 9 7 6 4 3 9 7 6 4 3 Wydłużenie i przewęzenie, % Wydłużenie i przewęzenie, % spęczania walca według Gubkina nie ujawniono natomiast znacznego wpływu gatunku materiału. Na rysunku 8 przedstawiono przykładowe wyniki badań odkształcalności granicznej w procesie ciągnienia stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w stanie T4. Oś rzędnych reprezentuje wytężenie materiału za ciągadłem (czyli w istocie stosunek naprężenia ciągnienia drutu do jego wytrzymałości na rozciąganie). Oś odciętych, z kolei, przedstawia wielkość odkształcenia jednostkowego podczas rozpatrywanego aktu ciągnienia. Zauważmy, że zgodnie z wynikami zamieszczonymi na rysunku 3 istnieje liniowa zależność naprężenia ciągnienia i wielkości odkształcenia logarytmicznego zadanego podczas operacji ciągnienia. Równocześnie skutkiem realizacji procesu materiał podlega umocnieniu, które jednakże w zakresie małych gniotów nie jest liniową funkcją odkształcenia. Stąd zależność wytężenia w funkcji odkształcenia również posiada charakter krzywoliniowy. Wytężenie niższe od jedności oznacza, że proces ciągnienia jest technicznie możliwy, chociaż nie zawsze właściwy z punktu widzenia technologicznego, bowiem jeśli naprężenie ciągnienia będzie wyższe od granicy plastyczności, wymiary drutu za ciągadłem ulegną zmianie. Odkształcalność graniczna jednostkowa walcówki sięga ok.,7 w mierze logarytmicznej, co odpowiada procesowi jednooperacyjnego ciągnienia ze średnicy 9, mm na średnicę ok.,6 mm. Odkształcalność ta jest więc bardzo duża lecz, co oczywiste, maleje wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia materiału. Przykładowo, dla drutu w stanie półtwardym odkształcalność graniczna jednostkowa wynosi blisko,9. Jeżeli uzyskane wartości zestawimy z typowymi wielkościami odkształceń w maszynach ciągarniczych (poniżej,3), zauważamy, że rozpatrywany materiał cechuje się znakomitą ciągliwością. Należy jednakże mieć świadomość, że w procesie ciągnienia przemysłowego na wzrost naprężenia ciągnienia wpływać może dodatkowo przeciwciąg. Na rysunku 9 przedstawiono wybrany przykład badań nad doborem optymalnego kąta ciągnienia stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej. Kąt optymalny, jak wiadomo, jest funkcją stanu materiału, wielkości odkształcania i warunków tarcia. Z przedstawionych wyników zauważyć można, iż minimum naprężenia ciągnienia lokuje się przy ciągnieniu przez ciągadło o kącie rozwarcia stożka 6. W przypadku materiału nieodkształconego kąt ten jest, co oczywiste, wyższy. Na rysunkach i przedstawiono wyniki badań zmian własności mechanicznych stopu AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej w dwóch stanach początkowych, tj. T i T4 podczas ciągnienia w warunkach przemysłowych. Przyrost własności wytrzymałościowych podczas ciągnienia dla obu stanów materiału jest podobny, z wyłączeniem początkowego odcinka, w którym zauważamy, że odstęp między granicą plastyczności a wytrzymałością na rozciąganie walcówki w stanie T4 jest wyższy niż w stanie T (wytrzymałości obu walcówek są zbliżone, lecz granica plastyczności walcówki w stanie T4 jest niższa). Przy większym stopniu przerobu zarówno granica plastyczności jak i wytrzymałość na rozciąganie, są praktycznie liniową funkcją odkształcenia całkowitego. Wydłużenie przy zerwaniu oraz przewężenie maleje bardziej intensywnie w materiale ciągnionym z walcówki stanie T4, lecz równocześnie startuje z wyższego poziomu początkowego. Podsumowanie Badania nad procesem ciągnienia drutów ze stopów AlMgSi o podwyższonej przewodności elektrycznej pozwalają na właściwe zaprojektowanie siłowych i temperaturo- 8
wych parametrów procesu przemysłowego pod kątem zapewnienia optymalnego zespołu własności końcowych drutu, a w tym parametrów końcowej obróbki cieplnej. Uzyskane wyniki umożliwiają ponadto właściwy dobór środka smarnego oraz geometrii narzędzi. Przewody elektroenergetyczne wykonane z drutów stopowych o podwyższonej przewodności elektrycznej oferują szereg walorów eksploatacyjnych i stanowią techniczną i ekonomiczną alternatywę dla przewodów aluminiowo- -stalowych oraz typowych przewodów stopowych. Umożliwiają ograniczenie strat przesyłu, podwyższenie obciążalności prądowej bądź zmniejszenie zakresu zwisów. Analizowana tematyka jest szczególnie aktualna w Polsce, która stoi u początku modernizacji systemu przesyłowego i dostosowywania go do współczesnych standardów europejskich. Literatura. Quey F. J., Lorin M.: Généralisation l'emploi de l'almélec par Electricité de France, Revue de L'aluminium, 972, nr 2. 2. IEC 64: Aluminium-Magnesium-Silicon Wire for Overhead Line Conductors. 3. PN-EN 83: Przewody gołe ze stopu aluminium zawierającego magnez i krzem. 4. SS 424 8 3: Trad av aluminiumlegering for friledningar- Al9-trad.. Huges T. D.: Metalurgical significance of changes in production practices for overhead line conductor materials. Overhead Line Design and Construction: Theory and Practice, 989, International Conference. 6. Knych T., Mamala A., Smyrak B., Uliasz P., Dziedzic E.: Nowe przewody elektroenergetyczne ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności elektrycznej. Rudy Metale 27, t. 2, nr 7. Przedstawione badania zrealizowano dzięki dofinansowaniu MNiSzW. BEATA PAWŁOWSKA ROMANA EWA ŚLIWA Rudy Metale R2 27 nr UKD 39.374:669-26..: :669-42..:669.7 ZASTOSOWANIE FUNKCJI PRĄDU W OPISIE KINEMATYKI PLASTYCZNEGO PŁYNIĘCIA W PROCESIE WYCISKANIA KSZTAŁTOWNIKÓW Przedstawiono wyniki badań dotyczących opisu kinematyki plastycznego płynięcia i niejednorodności plastycznej materiału podczas wyciskania wyrobów o różnym kształcie przekroju poprzecznego na przykładzie przekroju kołowego oraz prostokątnego. Przedstawione doświadczalne przebiegi funkcji prądu stanowią bezpośrednią praktyczną wskazówkę do teoretycznego opisu procesu wyciskania. Teoretycznie określone linie prądu pozostają w dużej zgodności z doświadczalnymi liniami płynięcia. Mogą one służyć do konstruowania nowych schematów plastycznego płynięcia materiału w procesie wyciskania. Słowa kluczowe: wyciskanie kształtowników, linie płynięcia, funkcja prądu APPLICATION OF STREAM FUNCTION IN DESCRIPTION OF KINEMATICS OF MATERIAL FLOW IN EXTRUSION OF PROFILES The paper presents results of the investigations included description of kinematics of material flow and inhomogeneity of materials flow during extrusion of profiles about complex geometry of the cross-section. It has been shown that experimental courses of stream function present direct practical hand for theoretical description of extrusion process. Theoretical stream line stay in large agreement with experimental flow lines. They can be as for constructing new scheme of the metal flow in extrusion process. Keywords: extrusion of non-circular sections, flow lines, stream function Dr inż. Beata Pawłowska, dr hab. inż. Romana Ewa Śliwa, prof. nzw. Politechnika Rzeszowska, Rzeszów. 82