místa, kde lze očekávat minimální vlastnosti, které potom rozhodují o užitných vlastnostech výrobku. Sledování nehomogenity a anizotropie mechanických

Transkript

1 NEHOMOGENITA STRUKTURY A VLASTNOSTI VÝLISKŮ ZE SLITINY HLINÍKU AA6082 MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES HETEROGENEITY OF EXTRUSIONS FROM ALLOY AA6082 Vladivoj Očenášek*, Petr Sedláček**, Miroslav Jelínek** *VÚK Panenské Břežany,s.r.o., Panenské Břežany 50, Odolena Voda, ocenasek.vuk@volny.cz ** STROJMETAL KAMENICE,a.s., Ringhofferova č.66, Kamenice Abstrakt Lisované profily větších průřezů z vytvrzovatelných slitin hliníku jsou charakteristické výraznou nehomogenitou a anizotropií vlastností. Původ této nehomogenity i anizotropie spočívá ve vzájemném působení nehomogenní deformace při lisování a rozpadem tuhého roztoku při vytvrzování. Slitina AA6082 patří v současné době mezi slitiny, které jsou hojně používány v automobilovém průmyslu na výlisky a výkovky. Výchozím materiálem pro výkovky jsou obvykle výlisky. Při studiu struktury výkovků je nutné znát nejen parametry kování a konečného tepelného zpracování, ale i podmínky za kterých jsou vyráběny výlisky. Příspěvek se zabývá nehomogenitou a anizotropií struktury a vlastností výlisku o rozměrech 105 x 16,7 mm 2, který se používá při kování výkovků pro automobilový průmysl. Pro sledování vlivu další plastické deformace na vývoj struktury a vlastností výlisku bylo zvoleno modelové válcování za tepla. Je vyhodnocen vliv této deformace na strukturu a mechanické vlastnosti po průřezu profilu po závěrečném tepelném zpracování na stav T6. Abstract The extruded shapes of large cross-section made from age-hardenable aluminium alloys often exhibit important heterogeneity and anisotropy of properties. Heterogeneity and anisotropy takes its rise from the interaction between the non-uniform strain due to extrusion and the decomposition of solid solution during age hardening. The alloy AA6082 is at present one of the alloys that are largely used in the automotive industry in extrusions and forgings. The input products for forgings are usually extrusions. To understand the microstructure of forgings, it is indispensable to have information not only about forging parameters and forgings heat treatment but also about the conditions of the manufacturing of extrusion. The paper deals with the heterogeneity and anisotropy of the microstructure and properties of extrusions of size 105 x 16,7 mm 2 that are used as input material for forging used in automobiles. Model hot rolling procedure was used as simulation of forging and its effect on the evolution of microstructure and properties of the extrusion. The influence of this forming operation on the variation trough the cross-section of microstructure and properties obtained by the final annealing to condition T6 was assessed. 1. ÚVOD Vlastnosti výrobků z vytvrzovatelných Al slitin jsou ve stavu po tepelném zpracování (rozpouštěcí žíhání a stárnutí) významně anizotropní a nehomogenní. Zejména v leteckém a automobilovém průmyslu je nutné pro konkrétní výrobek (výlisek, výkovek) znát kritická 1

2 místa, kde lze očekávat minimální vlastnosti, které potom rozhodují o užitných vlastnostech výrobku. Sledování nehomogenity a anizotropie mechanických vlastností je proto věnována stálá pozornost. Pozornost byla zatím soustředěna zejména na letecké vytvrzovatelné vysokopevné slitiny řady 2XXX, 7XXX a slitiny hliníku legované Li [1-11]. Slitinám se střední pevností typu Al-Mg-Si zatím taková pozornost věnována nebyla. V souvislosti se zvyšujícími se nároky na konstrukční materiály, které se používají v automobilovém průmyslu a s tendencí používat svařované konstrukce i v letectví, se obrací pozornost i na slitiny řady 6XXX. Předmětem výzkumu, kterému je věnován tento příspěvek, je v současné době v praxi velmi využívaná slitina této řady - slitina AA6082. Anizotropie a nehomogenita struktury a vlastností se může měnit v průběhu technologického procesu výroby. Typickým příkladem je zápustkové kování, pro které se obvykle používá jako vstupní materiál průtlačně lisovaná tyč nebo profil. Nehomogenita a anizotropie struktury a vlastností je již charakteristickým rysem výlisku, kdy při usměrněném toku materiálu lisovací matricí vzniká velmi výrazná vláknitá struktura. Tato struktura se potom v průběhu tváření v zápustce výrazně mění. Pro predikci konečných vlastností výkovků je proto žádoucí sledovat změny struktury a vlastností, ke kterým dochází při deformace výlisků za tepla. Protože vlastnosti i struktura výlisků i výkovků jsou zásadním způsobem ovlivněny tepelným zpracováním, je pro hodnocení nehomogenity a anizotropie vlastností účelné sledovat vliv následné plastické deformace výlisků po konečném tepelném zpracování. Tok materiálu je však při kování většiny reálných výkovků velmi komplikovaný a umístění zkušebních těles ve výkovku pro hodnocení nehomogenity a anizotropie vlastností bývá z rozměrových důvodů buď obtížné a nebo ve většině případů prakticky nemožné. Proto bylo ze studijních důvodů sledování vlivu deformace za tepla při kování výlisku na nehomogenitu a anizotropii struktury a vlastností nahrazeno válcováním. Při něm lze definovat velikost deformace, její homogenitu po průřezu výlisku a lze snadno zajistit u sledovaného pravoúhlého průřezu jak umístění zkušebních těles, tak definovat dobře jejich orientaci vůči původní orientaci vláken po lisování. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Pro experimentální práce byl zvolen výlisek ze slitiny AA6082. Chemické složení použitého materiálu je uvedeno v Tabulce1. Ke zkouškám byly použity přířezy délky 370 mm odebrané z lisovaného profilu obdélníkového průřezu 107,2x16,7 mm. Z těchto přířezů se kovají ve Strojmetalu Kamenice,a.s. výkovky používané v automobilovém průmyslu. Tabulka 1 Chemické složení experimentálního materiálu Table 1 Chemical composition of investigated alloy Prvek Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Hm.% 1,01 0,17 0,067 0,66 0,84 0,16 0,030 0,032 Přířezy se pro kování používají v lisovaném nevytvrzeném stavu. V tomto stavu byly použity i pro modelové válcování za tepla. Válcování jedním úběrem na tloušťku 9 mm ve směru lisování (redukce 46%) proběhlo při teplotě 530 C, t.j. při teplotě, která je používána i při kování této slitiny. Mechanické vlastnosti výlisku i vývalku byly sledovány ve vytvrzeném stavu v příčném i podélném směru. Směr je přitom směrem lisování. V podélném směru tak bylo po průřezu odebráno 6 tyčí, v příčném 3 tyče. Struktura byla hodnocena uprostřed (P) a na kraji (K) obdélníkového průřezu a v obou místech byla hodnocena jak v ose tak při povrchu výlisku. Ve všech pozicích byla struktura výlisku zdokumentována ve 2

3 dvou navzájem kolmých řezech (L-S a S-T), u vývalku i ve třetím řezu (S-L). Kromě zkoušky tahem byla měřena tvrdost HV30 a metodou vířivých proudů i konduktivita γ. Parametry tepelného zpracování na stav T6 byly následující: rozpouštěcí žíhání 530 C/1 hodina, ochlazení ve vodě teploty 20 C a bezprostřední umělé stárnutí 160 C/10 hodin. Orientace, umístění a označení zkušebních těles pro zkoušku tahem a vzorků na hodnocení struktury jsou uvedeny na Obr.1. L T K P Obr.1 Schéma odběru zkušebních těles z výlisku a vývalku pro zkoušku tahem (L, T) a hodnocení struktury (K, P) L T S Fig.1 Placement of tensile test (T, L) and structure analysis (K, P) specimens in an extruded and hot rolled section as well 3. VŹSLEDKY A JEJICH DISKUSE 3.1 Mechanické vlastnosti Výsledky hodnocení mechanických vlastností zkouškou tahem jsou graficky zpracovány na Obr.2 až 5, naměřené tvrdosti a konduktivita jsou uvedeny v Tabulce 1. Naměřené hodnoty zkouškou tahem ukazují, že mechanické vlastnosti v tepelně zpracovaném výlisku jsou po průřezu nehomogenní a anizotropní (Obr.2 až 4). V souladu s nehomogenitou vlastností dalších vytvrzovatelných slitin typu Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu a Al-Li [2,7,9] je pozorováno maximum pevnostních vlastností na krajích průřezu, minimální potom v jeho střední partii. Hodnoty ve směru kolmém na směr lisování jsou cca o 20 MPa nižší. Tažnosti vykazují větší rozptyl a opačnou tendenci než pevnostní hodnoty, t.j. na kraji průřezu jsou tažnosti nižší, než ve střední části průřezu. Rp0,2 /MPa/ R p0,2 výlisek vývalek 250 Obr.2 Změny R p0,2 po průřezu v podélném směru a v příčném směru v ose výlisku a vývalku Fig.2. Cross-section heterogeneity and anisotropy of the yield strength of extruded and then hot rolled section Rm /MPa/ výlisek vývalek R m 250 Obr.3 Změny R m po průřezu v podélném směru a v příčném směru v ose výlisku a vývalku Fig.3 Cross-section heterogeneity and anisotropy of the ultimate strength of extruded and then hot rolled section 3

4 A /%/ výlisek vývalek 10 Obr.4 Změny tažnosti A po průřezu v podélném směru a v příčném směru v ose výlisku a vývalku Fig.4 Cross-section heterogeneity and anisotropy of the elongation of extruded and then hot rolled section Hodnoty tvrdosti a konduktivity uvedené v Tab.1 jsou v souladu se stavem rozpadu tuhého roztoku. Nízká tvrdost a vysoká konduktivita výlisku (v měkkém stavu) odpovídá přestárnutému stavu, vysoká tvrdost a nižší konduktivita výlisku i výkovku po tepelném zpracování na stav T6 odpovídají stavu po precipitačním zpevnění. Po deformaci válcováním a následném tepelném zpracování se mění mechanické vlastnosti jak z pohledu nehomogenity po průřezu, tak z pohledu anizotropie. Po válcování a tepelném zpracování na stav T6 dochází v podélném i příčném směru ke snížení pevnostních hodnot (Obr.2 a 3). V případě tažnosti dochází ke zvýšení tažnosti v podélném směru, v příčném směru se naopak tažnost ve srovnání s výliskem sníží (Obr.4). V případě pevnostních hodnot je rovněž zajímavé to, že pevnosti ve vývalku jsou ve střední partii stejné v podélném i příčném směru. Tabulka 1 Tvrdost a vodivost výlisku a vývalku Table 1 Hardness and elektrical conductivity of extruded and rolled sections Výlisek Vývalek Vlastnost / Stav lisovaný ve stavu T6 ve stavu T6 Tvrdost HV 30 [1] 51,6 ± 1,1 116 ± 1,6 119± 2,1 Konduktivita γ [m.ohm/mm 2 ] 28,1 26,0 25,5 Deformace válcováním rovněž ukázala na to, že i když je deformace homogenní po průřezu profilu, tak nehomogenita struktury po průřezu způsobená nehomogenním tokem materiálu při lisování reaguje na deformaci v různých místech průřezu různě. Na Obr.5 je vynesen pro jednotlivá místa po průřezu rozdíl pevnostních hodnot mezi výliskem a vývalkem Pokles vlastností v podélném směru u vývalku je maximální v krajové části profilu, a je pro mez pevnosti i mez kluzu téměř 90MPa. Ve střední partii výlisku (vývalku) je rozdíl konstantní a pohybuje se od 40 do 50MPa. V případě tažnosti A (Obr.6) v podélném směru je průběh změn tažnosti A po průřezu opačný než je tomu u pevnostních hodnot. Ve všech měřených místech je ve vývalku tažnost nižší než ve výlisku, v jeho okraji zhruba o 5%, ve střední části je tento rozdíl kolem 1%. Ve směru kolmém na směr lisování a válcování se ve střední části profilu chovají pevnostní vlastnosti a tažnost odlišně. Zatímco meze R p0,2 a R m jsou ve výlisku o 25, resp.15 MPa vyšší než ve vývalku, jsou tažnosti výlisku o 2,5% vyšší než ve vývalku. 4

5 Rm, Rp0,2 /MPa/ R m R x =R x (výlisek) - R x (vývalek) R p0,2 A /%/ A=A (výlisek) - A (vývalek) 20 Obr.5 Vliv válcování na změny podélných pevnostních vlastností po průřezu výlisku Fig.5 Impact of the hot rolling on the heterogeneity of yield and ultimate strength across the cross-section, L-direction -10 Obr.6 Vliv válcování na změny tažnosti po průřezu výlisku, podélný směr Fig.6 Impact of the hot rolling on the heterogeneity of elongation across the crosssection, L-direction 3.2 Struktura Uvedený charakter nehomogenity a anizotropie mechanických vlastností je typický pro nerekrystalizovanou (t.j. pouze převážně zotavenou a vláknitou) strukturu v celém objemu materiálu. To potvrzují i struktury na obr.6 a 7, kde je dokumentována struktura ze středu tloušťky lisovaného profilu. Následná deformace při válcování za tepla a závěrečné tepelné zpracování vedou k úplné rekrystalizaci v celém objemu materiálu (Obr.8 a 9). U kraje vývalku (K) má zrno tvar mírně zploštělého válečku nepravidelného průřezu (Obr.8), ve středu vývalku (P) jsou válečky více zploštělé (Obr.9). Tvar zrn (míra zploštění) se mění místo od místa a je velmi závislý na místě odběru nejen po průřezu ale i po tloušťce. Obr.7 Struktura na kraji výlisku (K) po tepelném zpracování na stav T6 Fig.7 Structure near the edge of the extruded section (K) after heat treating for T6 temper Obr.8 Struktura ve středu výlisku (P) po tepelném zpracování na stav T6 Fig.8 Structure in the centre of the extruded section (P) after heat treating for T6 temper 5

6 Obr.9 Struktura na kraji vývalku (K) po tepelném zpracování na stav T6 Fig.9 Structure near the edge of the extruded and then hot rolled section (K), heat treated for T6 temper Obr.10 Struktura ve středu vývalku (P) po tepelném zpracování na stav T6 Fig.10 Structure in the centre of the extruded and then hot rolled section (P), heat treated for T6 temper 3.3 Diskuse Při interpretaci uvedených výsledků vlivu plastické deformace za tepla a následného tepelného zpracování na mechanické vlastnosti a strukturu výlisku je nutné brát na zřetel použité parametry deformace. V podmínkách zápustkového kování je průběh deformace (velikost, rychlost, směr toku materiálu) odlišný od použitého válcování. Zatímco při použitém modelovém způsobu deformace válcováním (ve směru vláken lisované struktury) se jednalo o konstantní parametry deformace v celém průřezu, jsou při kování velikost a rychlost deformace a směr toku materiálu v různých částech výkovku různé. Přesto, nebo právě proto, jsou získané výsledky vlivu plastické deformace za tepla na změny struktury a vlastností názorné. V případě válcování se snadněji interpretují, než by tomu bylo při kování v reálné zápustce. Dalším charakteristickým rysem nehomogenních lisovaných struktur jsou povrchové vrstvy, u kterých dochází velmi často buď v průběhu lisování, po něm a nebo v průběhu ohřevu na teplotu rozpouštěcího žíhání k výraznému odpevnění zotavením nebo rekrystalizací. Toto odpevnění vede ke vzniku hrubozrnných struktur, které mají nepříznivý dopad na mechanické vlastnosti. Na Obr.11 a 12 je ve srovnání s Obr.7 a 8 v obou místech průřezu lisovaného profilu (K) a (P) dobře patrný výrazný rozdíl ve velikosti zotaveného zrna mezi středovou a povrchovou oblastí. Tento rozdíl mezi středovou a povrchovou oblastí se zachovává i u výlisku po válcování. Na rozdíl od výlisku se však tento rozdíl odehrává v plně rekrystalizované struktuře. Válcování za tepla a následné tepelné zpracování na stav T6 vedlo k úplné rekrystalizaci, přičemž v povrchové vrstvě je struktura výrazně hrubozrnná (Obr.13 a 14). Tloušťka hrubozrnné povrchové vrstvy u výlisku i vývalku není po celém obvodu průřezu konstantní. Její tloušťka se pohybovala od 1 do 3,5 mm. V souvislosti s mechanickými vlastnostmi výlisku a vývalku je však nutné upozornit na to, že mechanické vlastnosti uvedené na Obr.2 až 4 charakterizují strukturu ve středové oblasti výlisku, případně vývalku. Povrchové, velmi hrubozrnné vrstvy jsou při výrobě zkušebních těles soustružením odstraněny. V případě, že by se podařilo vyrobit zkušební tělesa i z povrchových oblastí, byly by mechanické vlastnosti výrazně nižší než naměřené hodnoty ze středu výrobku. 6

7 Deformace za tepla válcováním ukázala, že u výkovku je nutné počítat vždy s rekrystalizovanou strukturou, se sklonem k hrubnutí zrna. V uzavřené zápustce však s největší pravděpodobností půjde ve srovnání s válcováním o větší rychlosti deformace a větší změny v usměrnění struktury v souvislosti s komplikovaným tvarem výkovků. V některých místech výkovků se tak mohou objevit velká a prostorově protažená rekrystalizovaná zrna. U výkovku je rovněž nutné počítat s hrubozrnnými vrstvami, které se do výkovku zkopírují z povrchových vrstev výlisku. Obr.11 Struktura na kraji výlisku (K) při povrchu po tepelném zpracování na stav T6 Fig.11 Structure near the edge of the extruded section (K), heat treated for T6 temper, surface region Obr.12 Struktura ve středu výlisku (P) při povrchu po tepelném zpracování na stav T6 Fig.12 Structure in the centre of the extruded section (P), heat treated for T6 temper, surface region Obr.13 Struktura na kraji vývalku (K) při povrchu po tepelném zpracování na stav T6 Fig.13 Structure near the edge of the extruded and then hot rolled section (K), heat treated for T6 temper, surface region Obr.14 Struktura ve středu vývalku (P) při povrchu po tepelném zpracování na stav T6 Fig.14 Structure in the centre of the extruded and then hot rolled section (P), heat treated for T6 temper, surface region 7

8 4. ZÁVĚRY Výsledky hodnocení nehomogenity a anizotropie struktury a mechanických vlastností výlisků a za tepla válcovaných výlisků lze shrnout do těchto bodů: 1) Struktura i mechanické vlastnosti výlisků používané pro kování jsou nehomogenní a anizotropní. 2) Další deformace za tepla s následným tepelným zpracováním mění významně strukturu a vlastnosti výlisku. 3) Nehomogenita i anizotropie výlisku se při další deformaci válcováním přenáší do vývalku. Změny vlastností jsou systematické a závisí na místě odběru zkušebního tělesa po průřezu výlisku či vývalku. 4) Další deformace výlisku vede v podélném směru ke snížení pevnostních hodnot, zvětšení tažnosti, rekrystalizaci struktury a zhrubnutí zrna.. 5) Zhrubnutí zrna vývalku je výrazné zejména v povrchových vrstvách. 6) Ve směru kolmém na směr lisování a válcování se po válcování pevnostní hodnoty i tažnost snižují. 7) S uvedeným vlivem výchozí struktury výlisku při další deformaci za tepla je nutné počítat i v případě tváření v zápustce. Poděkování: Výsledky uvedené v tomto příspěvku byly získány při řešení projektu Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů č.1m podporovaného Ministerstvem školství mládeže a tělovýchovy a Strojmetalem Kamenice, a.s. LITERATURA [1]PALMER, I.G., LEWIS, R.E., CROOKS, D.D.: In Sborník z konference Aluminum Lithium Alloys, Eds.:TMS-AIME, Warrendale, PA, 1981, p [2]TEMPUS, G., CALLES, W., SCHORF,G.: Mat. Sci. and Techn. 7 (1991) p [3] CHOI, S.H., BARLAT, F., LIU, J.: Materials Science Forum, Vols , 2000, p [4] HALES, S.J.-HAFLEY, R.A.: Materials Science Forum, Vols , 2000, p [5] SOLAS, D.-CANOVA, G.-BRECHET, Y.-SAINFORT, P.: Materials Science Forum, Vols , 1996, p [6] OČENÁŠEK, V., ŠPERLINK, K., FRIDLYANDER, J.N., LESHINER, L.N.: Materials Science Forum, Vols , 1996, p [7] OČENÁŠEK, V., SEDLÁČEK, V., SLÁMOVÁ, M., ŠPERLINK, K.: In: Thermomechanical Processing in Theory, Modelling and Practice [TMP] 2. Eds.: The Swedish Society for Materials Technology 1997, p [8]CIESLAR, M., STULÍKOVÁ, I., OČENÁŠEK, V.: Materials Science Forum Vols , 2002, p [9] OČENÁŠEK, V., SEDLÁČEK, V., ŠPERLINK, K.: In: Processing and Manufacturing of Advanced Materials THERMEC 2000, Eds.: Elsevier Science 2001, p. 51. [10]SAUER, C., BUSONGO, F., LÜTJERING, G.: Materials Science Forum, Vols , 2002, p [11]OČENÁŠEK, V., CIESLAR, M.: Fatigue Inhomogeneity and Anisotropy of Agehardenable Al-alloys Extrusions, Kovové materiály, 41, 2003, č.5 8