VLIV GEOMETRIE NÁSTROJE ECAP NA DOSAŽENÉ ZJEMNĚNÍ ZRNA INFLUENCE OF ECAP DIE GEOMETRY ON ACHIEVED UFG

Transkript

1 VLIV GEOMETRIE NÁSTROJE ECAP NA DOSAŽENÉ ZJEMNĚNÍ ZRNA INFLUENCE OF ECAP DIE GEOMETRY ON ACHIEVED UFG Stanislav Rusz a Jan Dutkiewicz b Lubomír Čížek a Jiří Hluchník a a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu Ostrava - Poruba, ČR, ová adresa: stanislav.rusz@vsb.cz b Polska Akademia Nauk, Kraków, Instytut Metalurgii i Badań Materialów,Remonta, St. 25, 3-59 Kraków, Polsko ová adresa:nmdutkie@imim-pan.krakow.pl Abstrakt V příspěvku je řešen vliv změny cesty deformace na zjemnění střední velikosti zrna u slitiny AlMn1Cu, dosažený úpravou konstrukce nástroje ECAP. Byla provedena matematická simulace 5. průchodů daným nástrojem v programu QForm. Následně byly realizovány experimenty na hydraulickém lise typu DP 16 kn. Vliv změny geometrie nástroje ECAP na dosaženou velikost přetvárného odporu, je hodnocen samostatně v jednotlivých průchodech. Rovněž je analyzován vliv počtu průchodů na průběh přetvárného odporu při dané geometrii nástroje ECAP. Dále byla provedena metalografická analýza dané slitiny na TEM po jednotlivých průchodech nástrojem ECAP. Jednoznačně byl prokázán pozitivní vliv změny cesty deformace, daný konstrukční úpravou geometrie nástroje ECAP, na podstatné zefektivnění procesu vícenásobné plastické deformace. Abstract The paper deals with issues related to change of deformation route on refinement of mean grain size in the alloy AlMn1Cu, achieved by modification of the ECAP die. Mathematical simulation of 5 passes through the die was made by the program QForm. This was followed by experiments on hydraulic press of the type DP 16 kn. Influence of modification of the ECAP die on the obtained magnitude of resistance to deformation is evaluated individually in each pass. At the same time number of passes on development of resistance to deformation for the given ECAP die geometry is analysed as well. Apart from that metallographic analysis of the given alloy on TEM was performed after individual passes through the ECAP die. Positive influence of the modified route of deformation given by the modification of the ECAP die geometry, as well as on substantial improvement of efficiency of the process of multiple plastic deformation was unequivocally proven. 1. ÚVOD Jednou z velice progresivních technologií, která je v současné době již asi 15 let předmětem základního a aplikovaného výzkumu, je příprava materiálů s ultrajemnozrnnou strukturou až nanostrukturou se střední velikosti zrna pod 1 µm. U takových materiálů se očekávají vysoké pevnostní i dobré tvářecí parametry, překonávající vlastnosti současně vyráběných klasických materiálů. Při jejich použití 1

2 je zároveň dosažen významný ekonomický efekt [1,2]. Tyto materiály naleznou využití především tam, kde dosažení vysoké pevnosti bude mít za následek snížení hmotnosti konstrukce, přičemž dobrá houževnatost přispěje k bezpečnosti konstrukce (oceli a slitiny neželezných kovů v automobilovém průmyslu, slitiny hliníku a hořčíku v leteckém průmyslu). Některé typy ultra-jemnozrnných slitin jsou již zavedeny v hromadné výrobě, přičemž očekávané vlastnosti se dosahují vytvořením jemnozrnné struktury a její stabilizací [4]. Současně probíhá další intenzivní výzkum zcela nových výrobních technologií. Ukazuje se, že jednou z cest dosažení ultrajemnozrnné struktury, případně nanostruktury, je použití extrémní plastické deformace materiálů o velikosti, kterou nelze běžnými postupy tváření dosáhnout [5]. Podstata nové koncepce řešení tvářecího nástroje, pro vývoj ultra-jemnozrnných materiálů, bude založena na nové konstrukci kanálu nástroje. Nové konstrukční řešení umožňuje dosažení daleko vyššího stupně přetvoření pomocí změny cesty deformace v jednom průchodu nástroje. Je to nový přístup v konstrukčním řešení tvářecího nástroje, než bylo doposud publikováno ve vědecké literatuře zabývající se problematikou výroby nanostrukturních materiálů. Jedná se především o změnu cesty deformace v prvním průchodu kanálem ECAP. Výsledkem je zvýšení stupně deformace vedoucí k vyššímu zjemnění zrna a tím k celkovému zvýšení efektivity procesu vícenásobné plastické deformace. Konstrukční úprava se týká horizontálního kanálu, který je vychýlen o 1 a 2 vzhledem k horizontální ose. 2. NÁVRH NOVÉ GEOMETRIE NÁSTROJE ECAP Byl použit nástroj se stejnou geometrií jako u nástroje bez vychýlení horizontálního kanálu (R1 = 4 mm, R2 =,5 mm, Ψ = 9, Φ = 9 a b = 1 mm). Při napojení horizontálního a vertikálního kanálu je použito zaoblení R3 = 5 mm a spodní kanál nástroje je vychýlen o 2 a mírně rozšířen ve výstupní části (viz obr. 1) [3]. Obr. 1 Nová geometrie nástroje ECAP Fig. 1. New geometry of ECAP dies (axis offset 2 ) 2.1 ZKOUŠENÝ MATERIÁL - SLITINA AlMn1Cu Materiál je pevnější než čistý hliník při zachování vysoké tvárnosti, dobře chemicky odolný, velmi dobře korozně odolný. Je velmi dobře svařitelný všemi způsoby. Používá se ve stavu měkkém nebo tvářeném za studena. Využití je především pro málo namáhané výrobky připravené hlubokým tažením, ohýbáním, svařováním. 2

3 Tabulka 1. Chemické složení slitiny AlMn1Cu Ostatní Prvek Si Fe Cu Mn Ostatní jednotlivě Al celkem [%],6,7,5,2,1,5,15 zbytek Na pracovišti vývoje nových technologií je k dispozici hydraulický lis typu DP 16 kn. Řídicí systém lisu je vybaven servoventilem umožňující plynulé nastavení změny rychlosti pístu, tzn. i změny střední rychlosti deformace. Řízení může být prováděno ručně nebo pomocí programu. Program umožňuje nastavit potřebný zdvih nástroje a přiřadit mu příslušnou rychlost. 3. EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ ZÁKLADNÍCH TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ K DOSAŽENÍ POTŘEBNÝCH STRUKTURNÍCH A MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ Tváření ECAP bylo provedeno za následujících podmínek: protlačování při 22 C - vychýlení kanálu protlačování při 22 C - vychýlení kanálu 1 protlačování při 22 C vychýlení kanálu 2 Celkem bylo u všech sérií vzorků použito cca. 5-6 celkových průchodů v závislosti na průběhu protlačování [3]. Protlačený materiál byl dále v jednotlivých sériích rozdělen k výrobě zkušebních vzorků pro metalografické hodnocení a mechanické zkoušky v kombinaci 1., 4., 5., příp. 6. průchod. Obr. 2. Příklad tvaru vzorku po jednotlivých průchodech Fig. 2. Shape of specimen after single extrusion Pro jednotlivé průchody nástrojem ECAP bylo připraveno ve výchozím stavu 15 vzorků jak pro klasický kanál vychýlení, tak i násle dně pro vychýlení 1 a 2. Příkladově jsou uvedeny průběhy přetvárného odporu na zdvihu pro jednotlivé průchody dané slitiny. Dále je uveden graf vlivu počtu průchodu na zpevňování dané slitiny. V další části experimentálních prací jsou porovnávána dosažená zpevnění v jednotlivých průchodech při různé konstrukci kanálu ECAP [3]. 3

4 3.1. Klasická konstrukce technologie ECAP Obr. 3. Příklad dosaženého přetvárného odporu 1. průchod, vychýlení Fig. 3. Courses of dependencies of the strengthening on the path deflection Vliv počtu průchodů na velikost přetvárného odporu pro různou konstrukci nástroje ECAP AlMn1Cu vychýlení průchod 1. průchod 3. průchod 4. průchod 5. průchod Obr. 4. Vychýlení kanálu Fig. 4. Channel deflection 4

5 AlMn1Cu vychýlení p. 2. p. 3. p. 4. p. 5. p. Obr. 5. Vychýlení kanálu 1 Fig. 5. Channel deflection 1 AlMn1Cu vychýlení p. 2. p. 3. p. 4. p. 5. p. Obr. 6. Vychýlení kanálu 2 Fig. 6. Channel deflection Vliv změny konstrukce nástroje ECAP (vychýlení horizontální části kanálu) na velikost přetvárného odporu AlMn1Cu 1. průchod p p p. Obr. 7. Vliv změny úhlu vychýlení kanálu na velikost přetvárného odporu, 1 průchod Fig. 7. Influence of channel deflection on strengthening, first pass 5

6 AlMn1Cu 5. průchod p. 5. p p. 2 Obr. 8. Vliv změny úhlu vychýlení kanálu na velikost přetvárného odporu, 5. průchod Fig. 8. Influence of channel deflection on strengthening, five pass 4. SHRNUTÍ POZNATKŮ Tabulka 1. Dosažená maxima přetvárných odporů (MPa) v jednotlivých průchodech při odlišné konstrukci nástroje ECAP (různá vychýlení horizontální části kanálu) Table 1. Maximum of strengthening (MPa) in the single passes at the different channel deflection Vychýlení/průchody 1. průchod 2. průchod 3. průchod 4. průchod 5. průchod Při analýze vlivu změny konstrukce na nárůst přetvárného odporu, během zpevnění dané slitiny, se daný faktor nejvíce zvýraznil u 3., 4. a 5tého průchodu (viz tab. 2) Tabulka 2. Vliv změny konstrukce nástroje ECAP na nárůst maxima přetvárného odporu (MPa) v průchodech 3-5 Table 2. Influence of channel deflection on strengthening (MPa) in 3rd - 5th pass Vychýlení/ 3. průchod 4. průchod 5. průchod č. průchodu Z dosažených výsledků byl jednoznačně prokázán velký vliv změny konstrukce nástroje ECAP na nárůst přetvárného odporu a tímto i zpevnění dané slitiny v jednotlivých průchodech. Velmi důležitým poznatkem je nárůst přetvárného odporu u vychýlení kanálu o 2 v 1. a 2. průchodu, jenž dává předpoklad pro 6

7 dosažení vyššího stupně deformace a tímto i k podstatnému zefektivnění procesu ECAP [3]. Matematickou simulací byl daný předpoklad potvrzen. Výsledky budou verifikovány následnými mechanickými zkouškami a metalografickou analýzou. Tabulka 3. Vliv geometrie nástroje na dosaženou velikost intenzity deformace v jednotlivých průchodech nástrojem ECAP Table 3. Influence of channel geometry on the maximum intensity of deformation in the single passes through the ECAP die Vychýlení/ průchody 1. průchod 2. průchod 3. průchod 4. průchod 5. průchod 1,5 2,5 2,75 3,5 4,2 1 1,1 2, ,85 4,4 2 1,15 2,3 3,3 4,3 5,1 Jednoznačně byl prokázán vliv konstrukční úpravy nástroje ECAP, kdy dochází ke změně cesty deformace a tímto i k podstatnému nárůstu intenzity deformace, zejména ve 4. a 5. průchodu nástrojem. Proces vícenásobné plastické deformace je daleko efektivnější. 5. METALOGRAFICKÉ HODNOCENÍ Pro metalografické hodnocení byla zvolena technologie TEM. Ve spolupráci s pobočkou Polské akademie věd v Krakově byla provedena série metalografického hodnocení. Dosažené výsledky se jeví jako velmi zajímavé. U slitiny AlMn1Cu byl již po prvním průchodu potvrzen výskyt zrn o střední velikosti cca. 1µm až 2µm a velké množství dislokací uvnitř zrn. Struktura slitiny po pátém průchodu vykazuje jemnozrnnou strukturu se střední velikostí zrn,2 µm až,5 µm a vysokou dezorientací mezi zrny [8]. U dané slitiny byl v menší míře pozorován pravděpodobný proces dynamické rekrystalizace. Obr. 9. Struktura AlMn1Cu po prvním průchodu (2 ) Fig. 9. AlMn1Cu structure after 1st pass (2 ) 7

8 Obr. 1. Struktura AlMn1Cu po pátém průchodu (2 ) Fig. 1. AlMn1Cu structure after 5th pass (2 ) 7. ZÁVĚR Z dosažených výsledků je zřejmé, že nový návrh geometrie protlačovacího kanálu ECAP proces zefektivňuje. Byl prokázán jednoznačně pozitivní vliv na přetvárný odpor, stejně tak metalografická hodnocení prokázala zintenzivnění zjemnění zrna již po prvním průchodu. Poděkování Všechny uvedené práce byly prováděny v rámci projektu GAČR č. 11/8/111 LITERATURA [1] SRINIVASAN R., CHAUDHUR P. K., CHERUKURI B., HAN Q., SWENSON D., GROS P. Continuous Severe Plastic Deformation Processing of Aluminum Alloys, Final Technical Report, DOE Award Number: DE-FC36-1ID1422, 6, p [2] GUTKIN, M. YU. OVID KO, I. A. PANDE, C. S. Theoretical models of plastic deformation processes in nanocrystalline materials. Rev. Adv. Mater. Sci, 1, no. 2, p [3] Rusz, S. Dílčí zprava projektu GAČR č. 11/8/111 za r. 8, p [4 Valiev, R. Z. The New SPD Processing Trends to Fabricate Bulk Nanostructured Materials, Solid State Phenomena, Trans Tech Publications, Vol. 114 (6), p [5] Valiev, R. Z., Estrin, Y., Horita, Z. et. al. Producing bulk ultrafine grained materials by severe plastic deformation, JOM, April 6, p