GRAIN REFINEMENT IN STRIP SHEET PREPARED BY DRECE MACHINERY

Transkript

1 GRAIN REFINEMENT IN STRIP SHEET PREPARED BY DRECE MACHINERY Stanislav RUSZ a, Vít MICHENKA b, Jan KEDROŇ a, Stanislav TYLŠAR a, Jan DUTKIEWICZ c a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17.listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR, ová adresa: stanislav.rusz@vsb.cz, jan.kedron@vsb.cz, stanislav.tylsar@vsb.cz b VÚHŽ Dobrá, a. s., Dobrá, ČR, ová adresa: michenkak@vuhz.cz c Polish Academy of Science, Institute of Metallurgy and Materials Science, Reymonta St. 25, Krakow, Poland, ová adresa: nmdutkie@imim-pan.krakow.pl Abstrakt V souladu s nejnovějšími poznatky vývoje nových technologií výroby UFG (ultra jemnozrnných) materiálů bylo na VŠB TU Ostrava, Fakultě strojní, Katedře mechanické technologie vyvinuto prototypové zařízení označené DRECE. Zařízeni se skládá z těchto hlavních částí: převodovka typu Nord s el. motorem, lamelová spojka, podávací válec a přítlačné válce s regulací přítlačné síly, vlastní tvářecí nástroj ze speciální nástrojové oceli. Pás plechu o rozměrech 59x2x1000 mm je vložen do pracovního prostoru a podávacím válcem v součinnosti s přítlačnými válci je protlačován tvářecím nástrojem, aniž dochází ke změně příčného průřezu. Při takto prováděné vícenásobné plastické deformaci je dosaženo po určitém počtu průchodů podstatného zjemnění struktury. Experimenty byly prováděny s pásem plechu z Cu. Mechanické vlastnosti byly určovány z tahové zkoušky a měřením tvrdosti. Velikost zrna byla vyhodnocována na TEM a pomocí SAED. 1. ÚVOD PODSTATA PROCESU VÍCENÁSOBNÉ PLASTICKÉ DEFORMACE (SPD) Velmi efektivní metoda, která vede ke zjemnění struktury kovů, je využití vícenásobné plastické deformace (SPD) o střední velikosti zrna, které nelze dosáhnout běžnými konvenčními postupy tváření. Tato metoda je předmětem základního i aplikovaného výzkumu. Nově vyvíjené technologie využívají extrémní plastické deformace k vytváření UFG a NC struktury. Výzkum je především zaměřen na výrobu materiálů z neželezných kovů a jejích slitin (na bázi Al, Mg, Cu), neboť ty se vyznačují velmi dobrými mechanickými vlastnostmi při zachování dobré tvářitelnosti a v neposlední řadě se vyznačují tím, že je jejich měrná hmotnost je nižší v porovnání s běžně dostupnými ocelovými materiály. Metody SPD najdou uplatnění především v malosériové výrobě, kde není kladen důraz na velký objem vyrobených materiálů, avšak je požadováno specifických materiálových vlastností a dále pak vysoká cena vyrobených materiálů je akceptována tržním prostředím. 1.1 Technologie výroby UFG materiálů procesem C2S2 C2S2 je proces protlačování tenkých plechů z různých materiálů. Hlavní a přítlačný válec jsou použity jako podavače plechu. Dva kanály se stejnou šířkou se protínají pod úhlem Φ (tzv. nástrojový úhel kanálu), který se obvykle pohybuje v rozmezí od 90 do 150 [1]. Další úhel Ψ definuje poloměr zaoblení na vnější straně nástrojového úhlu a nazývá se vnější nástrojový úhel, který se pohybuje v rozmezí od 0 do (180 - Φ). Posuvová rychlost je závislá na rozměrech plechu a nástrojovém úhlu kanálu. Obvyklá rychlost je 5 až 50 m/min. Rozměr výstupního kanálu je větší než kanálu vstupního [1, 2].

2 Obr. 1. Princip procesu C2S2 Fig. 1. Principle of the process C2S2 1.2 Rozložení deformace v procesu C2S2 Na obr. 2(a) je znázorněno efektivní rozložení deformace v pásu plechu při Φ = 90. Zpracovaný pás lze rozdělit do čtyř hlavních zón: čelní deformovaná zóna (HDZ), hlavní zóna (MDZ), ECAP zóna (EDZ) a CONFORM zóna (CDZ). Zóna HDZ má nejednotné efektivní deformační rozložení. Efektivní deformační rozložení MDZ je jednotné po směru šířky plechu. EDZ je oblasti intenzívni deformace v průniku dvou kanálů. Efektivní deformace na plechu je poměrně velká. Zóna CDZ se přemísťuje účinkem tření mezi přítlačným a hlavním válcem. Deformace plechu v procesu C2S2 je nezávislá na šířce plechu ve směru osy Z. Deformace v ose XY je konstantní po celém průřezu. Konečné výsledky analýzy prvků jsou zaměřeny na vývoj deformace plechu v části XY. Části A-B nedeformované oblasti a C-D deformované oblasti jsou vybrány jako kontrolní body pro měření efektivní deformace, jak je znázorněno na obr. 2(b). Pět bodů v části A-B (tloušťka plechu), je považováno za body sledující změny efektivní deformace v C2S2 procesu [2]. Dvacet bodů na C-D linii (tloušťka plechu) slouží k měření a k získání informací o průběhu deformace v plechu. Křivky průběhu deformace jsou rozděleny do tří různých skupin deformace: CONFORM fáze, ECAP fáze a deformovaná fáze. Při deformační době je 0 3 s (vyšší rychlost deformace), deformace přináleží CONFORM fázi, která v plechu převládá [2]. a) b) Obr. 2a. Efektivní deformace v plechu, 2b. část A-B nedeformovaná oblast a C-D deformovaná oblast Fig. 2a. Effective plastic strain in the strip sheet, 2b. A-B nondeformation area and C-D deformation area

3 1.3 Dosažené poznatky Ačkoliv deformace není dosažena dokonalým prostým smykem, obě číselné analýzy a experimentální pozorování vykazuje, že prostý smyk je dominantním způsobem deformace v průběhu procesu C2S2. Smyková deformace vložená do vzorku byla rozmístěna relativně stejnoměrně po celé šířce plechu, kromě oblasti blízkých spodnímu povrchu pásu. Experimentální výsledky naprosto souhlasí s výsledky získanými provedením matematických analýz založených na metodě konečných prvků. Z experimentálních výsledků je patrno, že největší diference ve velikostech dosažené deformace se objevují v blízkosti spodního povrchu [3]. Tato nehomogenní deformace se vyskytuje v místě, kde nedochází ke styku protlačovaného vzorku s nástrojem. Oblast smykové deformace se prodlužuje se vzrůstajícím počtem průchodů daným nástrojem. 1.4 Prototypové zařízení DRECE (proces obdobný jako C2S2) Tvářecí proces na zařízení DRECE je založen na technologií protlačování s téměř nulovým úběrem tloušťky pásu plechu s konečným cílem dosažení vysokého stupně deformace ve tvářeném materiálu. Prototyp tohoto zařízení je umístěn v laboratoři CPIT VŠB-TU Ostrava, Fakultě strojní [4]. Na daném zařízení je možno provádět protlačování pásu plechu ze slitin neželezných kovů o rozměrech 58x2x1000 mm. Jak bylo již dříve uvedeno. Proces zjemňování struktury je založen na spojení principů procesu CONFORM a ECAP, obdobně jako proces C2S2. Dané zařízení je v současné době ve stádiu ověřování jeho funkčnosti a stanovení Obr. 3. Zařízení DRECE Fig. 3. DRECE machinery 2. VLASTNÍ EXPERIMENTY Na zařízení DRECE byly na úplném počátku použity pásy komerčně čistého hliníku (99,5 Al) o výchozím rozměru. Tento materiál se použil pro praktické vyřešení počátečních technologických problémů se zasekáváním a velkou šavlovitostí pásů. V dalších fázích experimentu se však s komerčně čistým hliníkem nepočítá, protože dosahované hodnoty nárůstu mechanických hodnot nebyly považovány za dostatečné. Příčinou tohoto jevu je s největší pravděpodobností nízká rekrystalizační teplota hliníku, která mohla být v průběhu tvářecího procesu lokálně překročena. V další fázi experimentálního ověřování zjemňování struktury byla vybrána komerčně čistá měď (99,5 Cu) [4]. Z dosažených výsledků vyplývá, že s nárůstem počtu průchodů dochází k malému zvětšení šířky plechu (b1, b2, b3) na úkor zmenšení jeho tloušťky (t1, t2, t3). Daný jev je shodný s výsledky dosaženými matematickou simulací. Obr.4. Schématické znázornění pásu plechu s měřenými místy změny jeho rozměrů Fig. 4. Strip sheet (scheme) with measurements points of changed sheet parameters

4 Tab. 1 Změny rozměrů plechu po jednotlivých průchodech Table 1 Changing of sheet parameters after single passes průchod otočení [ ] l x š x t [mm] mazání tlak [bar] l 1 b 1 b 2 b 3 t 1 t 2 t ,08 58,02 58,01 1,90 1,93 1, ,46 58,37 58,14 1,79 1,90 1,88 ano ,63 58,43 58,36 1,86 1,92 1,91 ano ,62 58,68 58,57 1,87 1,89 1,87 ano ,68 58,70 58,52 1,84 1,85 1,89 ano ,80 58,54 58,56 1,89 1,78 1,89 ano ,05 58,67 58,63 1,86 1,78 1,91 ano ,98 58,76 58,96 1,89 1,75 1,90 ano ,02 58,86 58,98 1,87 1,73 1,91 ano Analýza struktury Analýza byla provedena na světelném mikroskopu typu NEOPHOT. Z dosažených výsledků je patrno, že zařízení DRECE umožňuje dosažení potřebného zjemnění zrna u 99,5%Cu [4]. Byly provedeny zároveň tahové zkoušky pro určení mechanických Cu výchozí 100x, příčný směr Cu 8x DRECE, 100x, příčný směr Obr. 4. Analýza struktury Cu 99,5% (výchozí stav a po 8 průchodu) Fig. 4. Structure analyse Cu 99,5% (initial state, after 8th pass) vlastností a zkoušky tvrdosti (HV5). 2.2 Vliv počtu průchodů zařízením DRECE na mechanické vlastnosti pásu plechu 99,5%Cu Rp0,2, Rm (MPa) Rp0,2 Rm Zkouška tahem - DRECE Cu A80mm výchozí 2x 4x 6x 8x 10x Počet průchodů 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Při zpracování Cu 99,5 dochází k maximu na mezi kluzu již po cca 4-5 průchodech. Další zvyšování počtu průchodu nepřináší zásadní vliv na nárůst hodnoty meze kluzu i meze pevnosti [4]. Z hlediska zachování potřebné tvařitelnosti je nutno provést tepelné zpracování po 5. průchodu zařízením DRECE. Obr. 5. Změna mechanických vlastností v závislosti na počtu průchodů zařízením DRECE Fig. 5. Changing of mechanical properties on pass number through to machinery DRECE 2.3 Měření tvrdosti Metodika měření tvrdosti v pásu plechu

5 Obr. 6 Označená místa v pásu plechu k odebírání vzorků pro měření tvrdosti Fig. 6 Selected patches in strip sheet for measuring hardness Tab. 2 Tvrdost HV 5 výchozí stav Table 2 Hardness HV 5 initial state vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: 1 83, , , , , ,95 M ,87 M ,49 M , , , , , , ,13 x = 81,8 x = 88,7 x = 83,56 Tab. 2 Tvrdost HV 5 po 8 průchodech Table 2 Hardness HV 5 after 8 passes vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: 1 112, , , , , ,98 M ,69 M ,33 M , , , , , , ,16 x = 117,2 Z dosažených výsledků je možno konstatovat, že došlo ke zvýšení tvrdosti o 45% oproti výchozímu stavu. Proces se jeví jako velice efektivní [4]. V dalších pracích bude nutno ověřit vliv tepelného zpracování na dosažení potřebné tažnosti i stability struktury. x = 114,4 x = 119,36 3. CELKOVÉ VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ Nově navržené zařízení DRECE je ve stadiu funkčního ověřování. Bylo konstruováno jako prototypové zařízení pro výrobu UFG struktury v pásech plechu z neželezných kovů s následnou možností přetvoření i ocelových plechů v tloušťkách 1,7 a 2 mm. V daném procesu se jedná především o vytvoření dostatečného počtu střižných systémů s různou orientací v krystalografické mřížce. Na rozdíl od technologie ECAP a technologie CCDC (Cyclic Channel Die Compression) nedosahujeme v jednotlivých průchodech tvářecím

6 nástrojem tak vysokého stupně deformace, jako hlavního faktoru ovlivňujícího efektivitu procesu SPD a tímto i dosažení potřebného zjemnění zrna. Vytvoření UFG struktury v pásu plechu je úzce spojeno s návrhem vhodné geometrie tvářecího nástroje, vhodně dimenzované pohonné jednotky a řídicího systému umožňující nastavení různých velikostí obvodových rychlostí. Dále je nutno optimalizovat přítlačnou sílu a tímto tlak na přítlačných válcích, aby nedocházelo k procesu válcování, ale pouze k protlačování. Dalším faktorem ovlivňujícím daný tvářecí proces je zajištění mazání jen v zóně deformace, tak, aby mazivo neulpívalo na podávacím válci a nedocházelo ke snížení třecí (protlačovací ) síly. V opačném případě by docházelo k prokluzu a materiál by zůstal v nástroji jen částečně protlačen. V neposlední řadě se jedná o přesné vymezení všech vůlí v celém tvářecím zařízení DRECE. Z hlediska tvářecích parametrů, při vyšších počtech průchodů bude docházet ke značnému zpevňování tvářeného materiálů, které musí být kompenzováno zvýšením velikosti sil v přítlačných válcích a zároveň optimalizováním odpovídající rychlosti podávání plechu (resp. rychlosti deformace). PODĚKOVÁNÍ Výzkumné práce byly realizovány v rámci projektu 2A-1TP1/124 za finanční podpory MPO. Název projektu: Výzkum vlivu extrémních podmínek deformace na submikrostrukturu kovů a zkušebních metod pro diagnostiku jejich technologických vlastností. LITERATURA [1] TATSUYA,T., KAZUHIKO, O. and SABUROV, T. Precise Extrusion Technology by Conform Process for Irregular Sectional Copper, Hitachi Cable Review, No. 21 (August 2002), p [2] SHUBO, X., GUOQUN, Z., XUFANG, R. and YANJIN, G. Numerical investigation of aluminum deformation behavior in threedimensional continuous confined strip shearing process, Materials Science and Enginnering A, 476 (2008), p [3] CHONGXIANG H., SHIDING WU., SHOUXIN L. and ZHEFENG Z. Strain Hardening Behavior of Ultrafine-Grained Cu by Analyzing the Tensile Stress-Strain Curve, Advanced Engineering Materials, 2008, 10, No. 5, p [4] RUSZ, S., MICHENKA V., GOTTWALD, M. and MALANÍK K. Průběžná zpráva hodnocení projektu za r. 2010, srpen 2010, VŠB TU Ostrava, FS, Laboratoře a zkušebny, VÚHŽ a.s., p. 1-21