BULKY FORMING OF MAGNESIUM ALLOYS. Barbora Kuřetová a Miroslav Greger a

Transkript

1 OBJEMOVÉ TVÁŘENÍ HOŘČÍKOVÝCH SLITIN BULKY FORMING OF MAGNESIUM ALLOYS Barbora Kuřetová a Miroslav Greger a a VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, ČR, barbora.kuretova.fmmi@vsb.cz a VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, ČR, miroslav.greger@vsb.cz Abstrakt Článek popisuje metody zjemnění zrna a demonstruje vývoj struktury a vlastností Mg slitin po SPD procesech. Dominantní skluzový systém v hexagonální mřížce mají kovy s burgersovým vektorem 1/3 [1120] a v hořčíku primární skluzová rovina je basální (0001). Mechanické dvojčatění, které se vyskytuje na rovině (1012) ve směru [1011], se objevuje jen při napětí na ose c. Skluz dislokací na nebasální prismatické rovině a pyramidálních rovinách je tepelně aktivován a přispívá ke zvýšení tvařitelnosti hořčíku nad teplotu ~225 C. Tvářitelnost hořčíku je omezena z důvodu kluzu dislokací, který nezajišťuje dostatečný nezávislý skluzový systém vyhovující k získání kritérií podle Miseho pro homogenní plastickou deformaci. Abstract The paper analyses methods of grain refinement and demonstrates development of structure and properties of magnesium alloys after severe plastic deformations (SPD). The dominant slip mode in hexagonal close packed (hcp) metals has the Burgers vector 1/3 [1120] and in magnesium the primary slip plane is the basal (0001). Mechanical twinning,which tends to occur on the (1012) planes in the [1011] direction, only occurs during c-axis tension. The glide of dislocations on non-basal prismatic and pyramidal planes is thermally activated, and contributes to the increase in formability associated with magnesium above ~225 C. The formability of magnesium is limited because the glide of dislocations does not provide sufficient independent slip systems to meet the Misses criteria for homogeneous plastic deformation. 1. ÚVOD V posledních 20 letech se pozornost vědecké činnosti soustředila na zkoumání nanostrukturních materiálů za účelem dosažení nových mechanických a jiných fyzikálních vlastností ve srovnání s jejich hrubozrnnými ekvivalenty. Podíl využití materiálů na bázi hořčíku v současnosti velice rychle vzrůstá. Je to dáno užitnými vlastnostmi zkoumaného kovu, mezi které patří jeho nízká hmotnost. Výrobu finálních součástí z Mg slitin však provází řada faktorů, které je třeba pro úspěšnou implementaci do praxe zvládnout [1]. Jedná se mimo jiné i o problémy při tváření těchto slitin, vyplývající z jejich krystalografické podstaty, jako je malý počet skluzových rovin či výskyt intermetalických fází jež zhoršují tvařitelnost. Slitiny hořčíku pro tváření krystalizují v hexagonální krystalografické soustavě (vyjímaje slitiny Mg-Li). Za normální teploty se při tváření hořčíku v každém krystalu tvoří jen jedna soustava kluzných rovin. Nízká tvárnost je ještě při teplotě 200 ºC zaviněna skluzem, který probíhá v základní rovině (0001). Při teplotách 212 ºC až 225 ºC se tvoří více 1

2 skluzových rovin. V rovinách (1011) a (1012) se tvařitelnost hořčíku a jeho slitin prudce zvýší. Tvářitelnost hořčíkových slitin výrazně závisí na teplotě, rychlosti deformace a velikosti zrna. Slitiny hořčíku jsou kovány při teplotách přibližně 40ºC pod čarou solidu. Optimální teploty tváření se u hořčíkových nízkolegovaných slitin pohybují v rozmezí 320ºC až 340ºC. Nízká rychlost difúzních procesů a omezený počet skluzových soustav v mřížce hořčíku zaviňují, že na deformační rychlosti významně závisí tvařitelnost. Z tohoto důvodu se velká spousta hořčíkových slitin kove na lisech. Pro slitiny, které se obtížně tváří je vhodnější použít pomalu pracující hydraulické lisy. Slitiny s vyšší tvařitelností se zpracovávají například na bucharech. Slitiny se sklonem k výraznému růstu zrna při teplotách tváření (AZ31, AZ61) jsou obvykle kovány při postupně snižujících se teplotách [2]. Vychází se především z představy platnosti Hall-Petchova vztahu, až do oblasti zrn nanometrických rozměrů: i = σ + kd σ (1) Jemné zrno je nezbytnou podmínkou pro zvýšení pevnostních vlastností (obrázek 1) a pro vytvoření superplastického efektu. Obr.1. závislost velikosti zrna na vlastnostech Fig. 1. dependence grain size on properties 1.1 Kování Kováním můžeme zmenšit velikost zrna výchozích polotovarů. Před vypracováním technologie je nutné zvážit tvar, rozměry a průběh vláken výchozího materiálu, stanovit ideální průběh vláken výkovku a pak vybrat takový způsob kování, aby byl zaručen průběh vláken. Tento technologický způsob musí rovněž zaručit správné rozdělení vnějších a vnitřních vrstev v průřezu výkovku a minimální mechanické opracování. Jakékoliv mechanické opracování je spjato s přerušením vláken a také s odebráním jakostních povrchových vrstev materiálu a to snižuje kvalitu požadovaného výrobku. Kování je založeno na využití plastických vlastností kovů.tvářecí nástroje se musí předehřívat, protože hořčík má dobrou tepelnou vodivost a při styku s nástroji chladne. Práce se zabývá především zápustkovým kováním, které lze popsat následujícím způsobem. Pro vytvoření požadovaného tvaru výkovku používá tzv. zápustek. Jde především o výrobu drobnějších výkovků ve větších sériích. U postupové zápustky rozlišujeme dutiny 2

3 předkovací (v převážné míře dutiny otevřené) a dutiny dokončovací (uzavřené). Účelem předkovacích dutin je základní přemístění materiálu (předběžné tvarování) do míst budoucího složitějšího tvaru výkovku. Dokončovací dutiny dávají výkovku konečný tvar. Podle složitosti tvaru bývají v zápustce 1 3 dokončovací dutiny. Poslední dokončovací dutina má po celém obvodě vypracovanou mělkou drážku tzv. výronek [3]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Experimentálně byly ověřovány slitiny AZ91, AZ61, AZ31. Uvedené slitiny byly porovnány se slitinou hliníku AW Kování tvaru (zátka), materiál AZ31, AZ61 a AZ91 Chemické složení slitin je uvedeno v tab.1. Slitiny Mg Tabulka 1. Chemické složení slitin Chemické složení, % Al Zn Mn Si Cu Fe Be Zr Sn Ni Pb Ce AZ31-C 2,96 0,23 0,09 0,029 0,002 0,006 0,0001 0,003 0,01 0,002 0,013 0,01 AZ61-B 5,92 0,49 0,15 0,037 0,003 0,007 0,0003 0,003 0,01 0,003 0,034 0,01 AZ91-A 8,95 0,76 0,21 0,041 0,003 0,008 0,0005 0,003 0,01 0,003 0,059 0,01 Table 2. Chemical composition of alloys Zkoušky se provedly na stroji s označením PA 200. Pro experiment byly použity výkovky tvaru 12481, Příspěvek je pouze zaměřen na ověření kování tvaru (zátka). U kování tohoto tvaru byly kusy ohřáté na teplotu v rozmezí od 320 ºC do 350 ºC. Hmotnost přířezu u materiálu AZ31, AZ61 a AZ91 byla 30 g a teplota nástroje se pohybovala 90 ºC do 100 ºC. Tabulka 2 uvádí základní rozměry tvaru zátky, které byly hodnoceny na dvou výkovcích [4]. Tabulka 2. Základní rozměry Číslo vzorku Kontrolní rozměr (Φ 30+0,5/-0,3mm) 1 30,4mm 2 (ostřižený kus) 30,4mm Table 2. Basic dimensions 3

4 Na obrázcích 2 a 3 je označeno místo, kde bylo zjišťováno dokování zátky ze slitiny AZ31. Obr zátka, materiál AZ31 Fig plug, material AZ31 Obr zátka, materiál AZ61 Fig , plug, material AZ61 Na obrázku jsou zobrazeny zátky, kde jsou opět kusy dokovány bez viditelných vad, ale je zde pozorováno drolení materiálu ve výronku, které je na obrázku vyznačeno. Obr zátka, materiál AZ91 Fig plug, material AZ91 4

5 2.2 Kování tvaru (zátka), materiál AW-6082 Výše uvedené slitiny hořčíku byly srovnány s hliníkovou slitinou tvaru (zátka). Jednalo se o AW U kování AW-6082 se hmotnost přířezu byla 45g. Kusy z hliníkové slitiny byly ohřáté na teplotu v intervalu od 320 ºC do 350 ºC a také teplota nástroje byla totožná jako u hořčíkových slitin, čili teplota se pohybovala v rozmezí od 90 ºC do 100 ºC. Základní rozměr AW-6082 byl totožný jako u AZ31, AZ61 a AZ91. Jen se lišil o jednu desetinu milimetru vzorek s označením 1, kde kontrolní rozměr u AW-6082 byl 30,3 mm a ostřižený kus byl stejný jak uvádí výše zmíněná tabulka 2. Také tato zátka tvaru neprojevovala žádné viditelné vady po dokování jednotlivých kusů, což je vidět na obrázku 5, kde je opět znázorněno místo zjišťování dokování. Obr zátka, materiál AW-6082 Fig plug, material AW VYHODNOCENÍ MIKROSTRUKTURY HOŘČÍKOVÝCH SLITIN Metalografická analýza byla provedena na hořčíkových slitinách AZ31, AZ61 a AZ91 a na dodaných hliníkové slitině AW-6082, která sloužila k částečnému porovnání. Pro přehlednost orientace ve vzorku bylo zavedeno značení viz. obrázek 6. Obr. 6 Zátka v příčném řezu Fig. 6 Plug in Gross section 5

6 Mikrostruktura byla naleptána a zvětšena pod mikroskopem. Kování provedené na hořčíkových slitinách se u zátky projevilo nejlépe bez trhlin na slitině AZ31-obrázky 7-8 po celém příčném řezu. Obr.7 31Akraj (200µm) Obr.8 31Bstřed (200µm) Fig.7 31Aedge (200µm) Fig.8 31Bcentre (200µm) Slitina AZ61 neobsahovala žádné trhliny ve středové části obrázek 9, avšak pod povrchem se tvořily dutiny obrázek 10, které by při následném zavedení do provozu mohly způsobit porušení součásti. Obr. 9 61Astřed (300µm) Obr Bkraj (300µm) Fig. 9 61Acentre (300µm) Fig Bedge (300µm) 6

7 Nejvíce porušená byla slitina AZ91, kde se trhliny a praskliny vyskytovaly těsně pod povrchem v oblastech (B, C) obrázky a došlo k velké trhlině přes celou součást v oblasti AZ91C. Obr Bstřed (200µm) Obr Ckraj (300µm) Fig Bcentre (200µm) Fig Cedge (300µm) Hliníková slitina AW-6082 obrázky nevykazovala žádné trhliny v porovnání s AZ91 a AZ61 a měla velmi pravidelnou mikrostrukturu rýsující průběh deformace uvnitř materiálu. Obr. 13 S1Ckraj (200µm) Obr. 14 S1Cstřed (300µm) Fig. 13 S1Cedge (200µm) Fig. 14 S1Ccentre (300µm) 4. ZÁVĚR Při kování hořčíku je důležité dodržení kovacích teplot. Po provedených zkouškách, lze říci, že slitiny AZ31, AZ61 a AZ91 mají oproti hliníkové slitině AW-6082 nižší hmotnost, 7

8 skoro o 25 %. Nejmenší tvářecí odpor byl zjištěn u slitiny AW-6082 a to 4679,3 kn. Z hořčíkových slitin vykazovala nejmenší odpor tváření slitina AZ31, který byl 4864,8 kn a následně AZ61 (4858,6 kn), AZ91 (5166,8 kn). V porovnání s hliníkovými slitinami nebyly zjištěny nedostatky v dokování u hořčíkových slitin. LITERATURA [1] GREGER, M., KOCICH, R., KUŘETOVÁ, B. Grain refinement and superplasticity in magnesium alloys. In NANO Brno: VUT Brno, s ISBN [2] SNÁŠEL, V. Bakalářská práce. Zpracování Mg slitin technologií ARB, Ostrava : VŠB-TU, 2006, s. 15. [3] SOMMER, B. Učební texty vysokých škol, Technologie kování, Ostrava: VŠB-TU Ostrava, [4] VLČEK M., KARAS V. Výsledky z kování hořčíkových slitin. Kovolit, 2007, 15s. 8