ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI NOVÉ BEZOLOVNATÉ SLITINY TYPU AlMgSiSnBi URCENÉ PRO OBRÁBENÍ

Transkript

1 ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI NOVÉ BEZOLOVNATÉ SLITINY TYPU AlMgSiSnBi URCENÉ PRO OBRÁBENÍ FATIGUE PROPERTIES OF NEW LEAD-FREE ALLOY AlMgSiSnBi INTENDED FOR CUTTING Jirí Faltus a) Vladivoj Ocenášek a) Jan Siegl b) Peter Sláma a) a VÚK Panenské Brežany, s.r.o. Panenské Brežany 0, 0 Odolena Voda, vuk@volny.cz b CVUT-FJFI katedra materiálu, Trojanova 13, 00 Praha 1 CR, siegl@kmat.fjfi.cvut.cz Abstrakt Firma ALCAN Decín, s.r.o. v nedávné dobe zavedla na trh novou obrobitelnou slitinu Al MgSiSnBi (AA603) s obchodním názvem Stanal3. Príspevek seznamuje se strukturními, mechanickými a únavovými vlastnostmi této nové bezolovnaté obrobitelné slitiny. Soucasne jsou uvedeny vlastnosti obrobitelné slitiny s obsahem olova Al.Mg1SiPb (AA66) a bežné konstrukcní slitiny typu Al-Mg-Si bez nízkotavitelných kovu Al.Si1MgMn (AA608). Abstract ALCAN Decín - Extrusions put into manufacture new free-cutting alloy Al.MgSiSnBi (AA603) as lead-free option to free-cutting leaded Al Mg1SiPb alloys (AA66). Present paper deals with structural properties, fatique and mechanical properties of the new machinable Al MgSiSnBi alloy. Behaviour of new lead-free alloy should be comparable to commercially used alloys of type Al Mg1SiPb and Al Si1MgMn (AA608).. 1. ÚVOD Ve svete se až dosud vyrábely a všeobecne komercne používaly tri základní typy obrobitelných slitin: Al.Cu6BiPb, Al.Mg1SiPb a Al.Cu4PbMg(Mn). Soucasne legislativní predpisy Evropského spolecenství silne omezily obsah olova v kovech a slitinách. Napríklad podle smernice 000/3/EC "End of Life Vehicles Directive" prijaté Evropským parlamentem v zárí 000, je v tvárených Al slitinách pro dopravní prostredky obsah Pb omezen na max. 0,4 hm.% [1]. Ve všech trech typech obrobitelných Al slitin je obsah Pb vetší. Ve spolupráci s firmou ALCAN Decín, s.r.o. byla vyvinuta nová hliníková slitina Al.MgSiSnBi jako náhrada za obrobitelné slitiny typu AlMgSiPb. V této slitine, s obchodním názvem Stanal 3, je toxické olovo, jako prísada lámající trísku, nahrazeno kombinací cínu a vizmutu [-6]. V soucasné dobe jsou jen dílcí znalosti o vlivu olova a vizmutu na únavové vlastnosti Al slitin. O vlivu Sn v legovaném množství (cca do 1,0 hm.%) na únavové vlastnosti Al slitin úplne chybí. Vzhledem k tomu, že v nejbližší dobe se v dusledku legislativního tlaku budou slitiny Al s obsahem cínu používat v dopravním strojírenství, kde únavová životnost materiálu je zcela zásadní, je nutnost studia této problematiky ješte zesílena. Náš clánek se zabývá porovnáním únavových vlastností nové bezolovnaté obrobitelné slitiny Al.MgSiSnBi (AA603) s únavovými vlastnostmi tradicní olovnaté obrobitelné slitiny 1

2 Al.Mg1SiPb (AA66) na jedné strane a s únavovými vlastnostmi bežné konstrukcní slitiny téhož typu Al.Si1MgMn (AA608) bez obsahu nízkotavitelných kovu.. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA MERENÍ.1 Materiály Únavové zkoušky byly provedeny na lisovaných a tažených tycí jmenovitého prumeru 18 mm z obrobitelné bezolovnaté slitiny Al.MgSiSnBi (AA603), obrobitelné olovnaté slitiny AlMg1SiPb (AA66) a bežné konstrukcní slitiny Al.Si1MgMn (AA608) pripravených v bežných provozních podmínkách firmy ALCAN Decín. Byly sledovány dva stavy tepelného zpracování techto slitin: a) stav po lisování za tepla s následným kalením za lisem ve vodní vlne, tažením s redukcí 11 % a umelým stárnutím (oznacení ) a b) stav po lisování za tepla s kalením za lisem ve vodní vlne, umelým stárnutím na nejvyšší pevnost a následným tažením redukcí 11 %. (oznacení stavu ). Chemické složení zkoušených slitin je v tab.1. Tab. 1 Chemické složení [hm.%] Table 1 Chemical composition [in wt.%] Oznacení slitiny Alloy designation Si Fe Cu Mn Mg Cr Pb Bi Sn AA603 1,08 0, 0,400 0,338 0,7 0,006 0,034 0,913 0, AA66 0,71 0,40 0,347 0,16 0,971 0,118 0,639 0, - AA608 1,08 0,3 0,03 0,444 0,794 0,006 0, Mikrostrukturní analýza Metalografický rozbor tycí ze zkoušených slitin ve stavech a byl proveden jak a) metodou svetelné mikroskopie (SM) za použití mikroskopu NIKON EPIPHOT 00 s 3 cipovou barevnou kamerou HITACHI pro obrazovou analýzu se softwarem LUCIA od firmy Laboratory Imaging, tak b) metodou rádkovací elektronové mikroskopie (REM) pomocí mikroskopu DSM 940 s vlnovým spektrometrem MICROSPEC WDX-3PC. Hranice zrn byly sledovány po elektrolytickém leptání metodou Barker. Metalografické rozbory byly provedeny na podélných osových rezech. Pomocí REM se provádelo merení rozložení slitinových prvku, sloužící k identifikaci fází..3 Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti se zjištovaly na zkušebním stroji INSTRON 00R118 (0 kn). Bylo použito kruhových zkušebních tycí prumeru 7 mm, které byly odebrány osove ze stredních oblastí tycí..4 Zkouška únavy Únavové zkoušky probehly za techto podmínek: zkušební tyc byla kruhová o prumeru tela 7 mm, hladká (K t =1) se závitovými hlavami M16x1 (obr. ). Bylo použito frekvence: 8

3 Obr. 1 Zkušební tyc pro zkoušky únavy (rozmery v mm) Fig. 1 Fatigue specimen (all in mm) rozdelení. Hz s míjivým zatížením (R=0), ukoncení zkoušky do lomu, teplota zkoušky C. Ke zkouškám byl použit vysokofrekvencní pulsátor RUMUL Testronic 8601, 0kN. Zkoušky probehly pro všechny zkoušené slitiny a oba zkoušené stavy tepelného zpracování na dvou hladinách namáhání pri s max = 0 a 0 MPa. Na každé hladine bylo odzkoušeno 7 až 9 zkušebních teles. Výsledky byly vyhodnoceny jednak graficky do pravdepodobnostního papíru za predpokladu log-normálního rozdelení únavových životu a dále byly namerené pocty cyklu do lomu testovány F-testem a t-testem. Testování probehlo za predpokladu, že únavové životy mají log-normální. Fraktografická analýza K analýze únavových lomu bylo použito rádkovacího elektronového mikroskopu JSM 840A vybaveným digitálním záznamem snímku. Makromorfologie jednotlivých lomu byla posouzena pomocí svetelného stereomikroskopu v rozsahu zvetšení 4 až 7 krát. Pri fraktografické analýze byla pozornost zamerena jednak na oblasti iniciace únavových trhlin, jednak na sledování mikromorfologických charakteristik, odpovídajících jejich rozvoji. 3. VÝSLEDKY A DISKUSE 3.1 Mikrostruktura Na obr. je rozložení fází na podélných osových rezech tycí ze všech trí zkoušených slitin AA603, AA66 a AA608. Kvalitativní analýza rozložení jednotlivých prvku metodou REM ukázala, že u slitin AA603 a AA66 se jedná vzásade o dva typy cástic, o tvrdé intermetalické fáze s obsahem Fe, Si, Cu, a Mn nebo Cr a mekké dispersní fáze s obsahem nízkotavitelných kovu. V prípade slitiny AA603 to jsou tvrdé intermetalické fáze typu Al x (Fe,Si,Mn,Cu) y a mekké dispersní fáze s obsahem Sn a Bi, u slitiny AA66 se jedná o tvrdé fáze typu Al x (Fe,Si,Cr,Cu) y a dispersní fáze s obsahem Pb a Bi. Charakter rozložení obou typu cástic u obou slitin AA603 a AA66 se ve stavech a príliš nelišil. Fáze Sn+Bi Fáze Pb+Bi a) b) c) Obr. Rozložení fází na podélném rezu ve strukture slitin a) AA603, b) AA66 c) AA608 všechny ve stavu Fig. Distribution particles in structure a) AA603, b) AA66 c) AA608, all temper 3

4 Tvrdé cástice intermetalických fází byly oproti nízkotavitelným drobnejší, ostrohranné s nepravidelným tvarem. Cástice nízkotavitelných fází byly hrubší, se zaoblenými hranami. Byly zpravidla protažené ve smeru lisování (viz obr. a,b). Ve strukture slitiny AA608, která neobsahuje nízkotavitelné kovy se fázové složení omezilo pouze na tvrdé cástice konstitucních fází typu Al x (Fe,Si,Mn) y. Jejich množství, charakter rozložení a zpravidla ostrohranný tvar se príliš nelišil od rozložení tvrdých fází ve strukture slitin AA603 ci AA66. Významné rozdíly v rozložení techto fází u obou zkoušených stavu a nebyly pozorovány. 3. Mechanické vlastnosti V tab. jsou uvedeny mechanické vlastnosti v tahu trí zkoušených slitin v obou sledovaných stavech. Z tabulky vyplývá, že pevnostní vlastnosti i tažnost všech trí slitin ve stavu byly prakticky rovnocenné. Ve stavu vykazovala slitina AA603 nejnižší meze Rp0, a Rm, o 7 a 9 MPa (respektive o 1 a 1 MPa) nižší než slitina AA66 (respektive AA608). Vzhledem k rozptylu lze tažnosti, považovat u všech slitin za rovnocenné. Tab. Mechanické vlastnosti Table Mechanical properties Slitina Alloy designation AA603 AA66 AA608 Stav Temper R m R p0, A R m R p0, A R m R p0, A [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%] , , , , , , 3.3 Únavové životy a jejich porovnání Zjištené hodnoty únavových životu jsou uvedeny v tab. 3 a výsledky testování v tab. 4 a. Všechny závery vyplývající z uvedených výsledku je nutné vázat a interpretovat ve vztahu k podmínkám, za kterých byly únavové zkoušky provedeny. Tab. 3 Únavové životy pro pravdepodobnost do poruchy P=0% (N P=0%. -4 ) pro napetí 0 a 0 MPa ve stavech a urcené graficky Table 3 Fatigue lives for probability to failure P=0% (N P=0%. -4 ) for and tempers, s max = 0 a 0 MPa Slitina Alloy AA608 AA66 AA603 Napetí Stress [MPa] ,66 19,17 8, 47,6,1 4,1 8,1,09,17,18 9,76,04 4

5 Tab. 4 Výsledky jednostranného t-testu porovnání stredních hodnot únavových životu pro ruzné stavy tepelného zpracování a ruzné slitiny, a = 0,0 Table 4 Results of one sided t-test for comparison of mean lives for and tempers and different alloys, a = 0,0 Slitina Alloy AA608 AA66 AA603 Napetí Stress [MPa] x významný rozdíl significant difference - nevýznamný rozdíl insignificant difference Tab. Výsledky jednostranného t-testu porovnání stredních hodnot únavových životu pro ruzné slitiny a ruzné stavy tepelného zpracování, a = 0,0 Table Results of one sided t-test for comparison of mean lives for different alloys and and tempers, a = 0,0 Stav Temper/ Slitina Alloy Napetí Stress [MPa] AA608 x AA AA608 x AA AA66 x AA významný rozdíl significant difference - nevýznamný rozdíl insignificant difference a) Porovnání únavových vlastností slitin AA608, AA66 a AA603 ve stavu Výsledky zpracované graficky jsou uvedeny na obr. 3. Z grafu i z testování (tab. ) vyplývá, že rozdíly mezi slitinami ve stavu jsou nevýznamné. Z hlediska únavy se tedy slitiny neliší. b) Porovnání únavových vlastností slitin AA608, AA66 a AA603 ve stavu Výsledky zpracované graficky jsou uvedeny na obr. 4. Z grafu i z testování (tab. 4) vyplývá, že se pro obe hladiny namáhání neliší slitiny AA603 a AA608. Nejvyšší únavovou odolnost má pro obe hladiny namáhání slitina AA66. c) Porovnání únavových vlastností pro stavy a pro jednotlivé slitiny Grafické zpracování výsledku je uvedeno na obr. až 7. Z techto grafu a zvýsledku testování vyplývá, že (tab. 3) u slitiny AA608 se vliv tepelného zpracování neprojevil, u slitin AA603 a AA66 je vliv tepelného zpracování prokázán vždy na jedné hladine namáhání. U slitiny AA 66 jsou pro napetí 0 MPa vyšší únavové životy pro stav, u slitiny AA603 na hladine namáhání 0 MPa jsou vyšší únavové životy pro stav.

6 Pravdepodobnost do poruchy P /%/ 99, % MPa 0 MPa 0, 1E+4 1E+ 1E+6 Pocet cyklu do lomu /1/ Stav R = 0, K t = 1,0 Obr. 3 Rozdelení únavových životu sledovaných slitin pro stav Fig. 3 Fatigue lives distribution of investigated alloys for temper Pravdepodobnost do poruchy /%/ 99, , 0 MPa 0 MPa 1E+4 1E+ 1E+6 1E+7 Pocet cyklu do lomu N /1/ 0% 608 R = 0, Kt = 1,0 Obr. Rozdelení únavových životu slitiny AA608 ve stavu a Fig. Fatigue lives distribution of AA608 alloy for and temper Pravdepodobnost do poruchy /%/ 99, , MPa 0 MPa E+4 1E+ 1E+6 1E+7 Pocet cyklu do lomu N /1/ 0% Stav 66 R = 0, K t = 1,0 Obr. 4 Rozdelení únavových životu sledovaných slitin pro stav Fig. 4 Fatigue lives distribution of investigated alloys for temper Pravdepodobnost do poruchy /%/ 99, , 0 MPa 0 MPa 1E+4 1E+ 1E+6 1E+7 Pocet cyklu do lomu N /1/ 0% 66 R = 0, K t = 1,0 Obr. 6 Rozdelení únavových životu slitiny AA66 ve stavu a Fig. 6 Fatigue lives distribution of AA66 alloy for and temper 99, Pravdepodobnost do poruchy /%/ , 0 MPa 1E+4 1E+ 1E+6 1E+7 0 MPa Pocet cyklu do lomu N /1/ 0% 603 R = 0, K t = 1,0 Obr. 7 Rozdelení únavových životu slitiny AA603 ve stavu a Fig. 7 Fatigue lives distribution of AA603 alloy for and temper 6

7 3.4 Únavové lomy Analýza únavových lomu probehla u všech trí zkoušených slitin AA603, AA66 a AA608 ve stavu na obou hladinách namáhání 0 a 0 MPa. V každé kombinaci byly vždy analyzovány lomy dvou tycí, porušených pri maximálním a minimálním poctu cyklu. Hlavní poznatky z fraktografických analýz lze shrnout takto: - Proces únavového porušení všech trí sledovaných slitin AA603, AA66 a AA608 ve stavu je kvalitativne shodný a probíhá predevším mechanismem tvorby striací (obr. 8). a) b) Obr. 8 Šírení trhliny striacním mechanismem, slitina AA603, stav, max. napetí: a) 0 MPa b) 0 MPa Fig. 8 Propagation of the fatigue crack with fatigue stiations, alloy AA603-, max. stress: a) 0 MPa b) 0 MPa - Iniciace únavových trhlin byla na povrchu zkušebních tycí (obr. 9). Žádná ze studovaných slitin se nelišila sekundárními fázemi, vadami a nehomogenitami od zbývajících natolik, aby došlo k významnému ovlivnení iniciace únavových trhlin. a) b) Obr. 9 Oblasti iniciace únavové trhliny, slitina AA603, stav, max. napetí: a) 0 MPa b) 0 MPa Fig. 9 Initial stage growth of fatigue crack, alloy AA603, temper, max. stress: a) 0 MPa b) 0 MPa 7

8 - Fraktografický rozbor v zásade potvrdil výsledky únavových zkoušek, které ukázaly, že ve stavu jsou studované slitiny AA603, AA66 a AA608 z hlediska únavy rovnocenné 4. SOUHRN VÝSLEDKU Z provedených únavových zkoušek stavu a na hladkých tycích s míjivým zatížením vyplynulo: 1. Slitiny AA603, AA66 a AA608 ve stavu se z hlediska únavových vlastností vzájemne neliší, jsou rovnocenné.. Fraktografické analýzy ukázala, že proces únavového porušení všech trí sledovaných slitin AA603, AA66 a AA608 ve stavu je kvalitativne shodný a probíhá predevším mechanismem tvorby striací. Iniciace únavových trhlin je na povrchu zkušebních tycí. Žádná ze slitin se neliší svou strukturou natolik, aby tyto rozdíly mohly významne ovlivnit iniciaci únavových trhlin. 3. Slitiny AA603 a AA608 ve stavu se rovnež významne neliší, z hlediska únavových vlastností jsou rovnocenné. Slitina AA66 ve stavu je z hlediska únavy lepší oproti slitinám AA603 a AA608 v témž stavu. 4. Slitina AA603 ve stavu pri napetí 0 MPa vykazuje horší únavové vlastnosti oproti stavu, pri napetí 0 MPa jsou oba stavy rovnocenné.. U slitiny AA608 jsou stavy a z hlediska únavy rovnocenné. 6. Slitina AA66 ve stavu pri napetí 0 MPa vykazuje zlepšené únavové vlastnosti oproti stavu, pri napetí 0 MPa jsou oba stavy rovnocenné. Podekování: Práce vznikla za financní podpory Grantové agentury Ceské republiky, která poskytla prostredky na tyto práce v rámci grantu 6/03/077. Autori touto cestou dekují za pomoc. Experimentální materiál byl pripraven na výrobních zarízeních firmy ALCAN Decín, s.r.o. Za tuto pomoc autori dekují vedení spolecnosti a pracovníkum technického rozvoje. LITERATURA [1] Directive 000/3/EC of the European Parliament and of the Council: Official J. Euro. Com., , L 69/34, [] FALTUS, J.- PLACEK, K.: Aluminium alloy with good machinability, Pat. spis CZ 86, B6 (1996) [3] FALTUS, J.- PLACEK, K.: Aluminiumbegierung mit guter Spanbarkeit, European patent EP , Prioritat: CZ , CZ [4] FALTUS, J.- PLACEK, K.: Bleifreie Aluminiumlegierung auf Basis von AlCuMg mit guter Spannbarkeit, Patent Nr , Anmeldetag: 1.6. []FALTUS, J.- PLACEK, K.: Aluminium, 4, 1999, s. [6]FALTUS, J.- PLACEK, K: in: Proc. of 6. Internat.Metallurg. Symposium METAL 97, vol.3, ed.: Prnka T., Ostrava 1997, ISNB , s.131 8