VLASTNOSTI OBROBITELNÝCH SLITIN HLINÍKU ZA ZVÝŠENÝCH TEPLOT PROPERTIES OF FREE MACHINING ALUMINIUM ALLOYS AT ELEVATED TEMPERATURES Abstrakt Jiří Faltus, Petr Homola, Peter Sláma VÚK Panenské Břežany a.s., Panenské Břežany 50, 250 70 Odolena Voda E-mail: faltus@vukpb.cz Při laboratorních zkouškách obrobitelnosti hliníkových slitin, prováděných v průběhu vývoje nových automatových slitin, se zjistilo, že teplota matriálu v okolí řezného nástroje při obrábění na sucho může dosáhnout teploty až 350 C a vyšší. Při obrábění je tudíž teoreticky možné, že například při selhání přívodu řezné kapaliny se teplota obráběné tenkostěnné součástky může významně zvýšit nad normální teplotu. Při moderních způsobech obrábění vysokými řeznými rychlostmi může materiál projít náhlým namáháním vysokou rychlostí (rázovým namáháním) za zvýšených teplot. Tento způsob namáhání můžeme simulovat rázovou zkouškou v ohybu, takzvanou Charpyho zkouškou dle EN 10045-1. Na rozdíl od běžné konstrukční slitiny hliníku AA6082, vykazují obrobitelné slitiny hliníku AA6262 a AA6023 výrazný pokles vrubové houževnatosti KU za zvýšených teplot. Tento pokles KU, vyvolaný natavením dispersních fází s obsahem nízkotavitelných kovů, nastává v určité přechodové oblasti teplot. Tento pokles vrubové houževnatosti vede při jejich třískovém obrábění k občasnému lomu součástek vyrobených z obrobitelných slitin. Abstract During laboratory tests of machinability performed in the course of development of new freecutting alloys, it was found that the temperature of material being dry machined can reach values as high as 350 C or more in areas close to cutting tool. During machining it is therefore theoretically possible that in some cases, such as failure of cutting fluid inflow, the temperature of thin wall machined piece may exceed normal temperature considerably. In modern methods of machining using high cutting rates the material may undergo impact loads at elevated temperatures. This type of load can be simulated using the impact bend test, so called Charpy impact test according to European standard EN 10 045-1. Unlike common construction AA6082 alloy, the free machining AA6262 and AA6023 aluminium alloys show a significant decrease in notch impact strength KU at elevated temperatures. This drop of KU, caused by melting of disperse phases containing low-melting metals, takes place within a certain relatively narrow transition range of temperature. This decrease in notch impact strength leads to the risk of occasional fracture of parts manufactured from these alloys by cutting process. 1 ÚVOD Při laboratorních zkouškách obrobitelnosti hliníkových slitin, prováděných v průběhu vývoje nových automatových slitin se zjistilo, že teplota obráběného matriálu v okolí řezného nástroje při obrábění na sucho může dosáhnout teploty až 350 C a vyšší [1]. Při obrábění je tudíž teoreticky možné, například při selhání přívodu řezné kapaliny, že teplota obráběné tenké součástky se může významně zvýšit nad normální teplotu. 1
max. 350-430 C Součástka z Al slitina/ Machined piece of Al alloy Obr. 1: Ortogonální obrábění Fig. 1: Turning operation Je tudíž velmi užitečné znát vlastnosti obrobitelných slitin Al za zvýšených teplot. Při moderních způsobech obrábění vysokými řeznými rychlostmi může materiál projít náhlým namáháním vysokou rychlostí (rázovým namáháním) za zvýšených teplot. Tento způsob namáhání můžeme simulovat rázovou zkouškou v ohybu, takzvanou Charpyho zkouškou dle EN 10045-1. 2 ZKOUŠKA PODLE CHARPYHO Při Charpyho zkoušce bylo použito zkušebního vzorku s U-vrubem. Zkoušky rázem v ohybu proběhly za normální a za zvýšených teplot 100, 150, 200, 250, 300 a 350 C. Ohřev na zkoušenou teplotu byl realizován rychlo-ohřevem přímým kontaktem vzorku s hliníkovou deskou vytemperovanou na zkoušenou teplotu (obr. 2). a) b) c) Obr. 2 Zkušební vzorek pro zkoušku rázem s U-vrubem (a), ohřevová Al deska (b) a schematicky znázorněné Charpyho kladivo (c) Fig. 2 Charpy U-test piece (a), heat-delivery Al surface (b) and testing machine (c) Ohřev zkušebního vzorku na teploty a bezprostřední přelomení vzorku proběhlo v průběhu max. 1,5 min, takže odpevnění materiálu precipitací (přestárnutím) či rekrystalizací v průběhu zkoušky bylo minimální. 2
3 Zkoušené materiály a jejich výchozí vlastnosti Zkoušky byly provedeny na vzorcích o rozměrech 55 x 10 x 10 mm s U vrubem odebraných z lisovaných a tažených tyčí o průměru 17,7 mm ze slitin AA6082, AA6262 a AA6023 ve stavu T8. Tyče byly vyrobeny běžnou technologií v provozních podmínkách firmy ALCAN Děčín, s.r.o. Chemické složení slitin je v tab.1. Tab.1 Chemické složení zkoušených slitin (v hm. %) Table 1. Chemical composition (in wt. %) Slitina/Alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Ni Pb Bi Sn AA6082 1,08 0,37 0,02 0,44 0,79 0,00 0,03 0,01 0,00 0,00 0,00 0 0 3 4 4 6 0 6 2 3 0 - AA6262 0,71 0,45 0,34 0,12 0,97 0,11 0,06 0,02 0,00 0,63 0,59 0 0 7 6 1 8 0 5 5 9 0 - AA6023 1,08 0,21 0,40 0,33 0,78 0,00 0,09 0,04 0,00 0,03 0,91 0,52 0 0 0 8 0 9 9 1 4 3 2 Struktura Rozložení konstitučních fází Al x (Fe,Si,Cr,Mn,Cu) y s obsahem Fe, Si, Cr (v případě AA6262), Mn (v případě AA6082 a AA6023) a Cu (v případě AA6023), bylo ve struktuře všech tří slitin podobné (obr. 3). Byly řádkovitě uspořádány ve směru lisování, přičemž v povrchových oblastech byly poněkud drobnější než v oblastech středových. Slitiny obsahovaly dispersní fáze s obsahem nízkotavitelných kovů, buď Pb a Bi jako v případě AA6262, nebo Sn a Bi v případě AA6023. Rovněž tyto fáze měly řádkovité uspořádání. U obou slitin byly jejich velikost a uspořádání podobné. Fáze s obsahem Sn-Bi ve slitině AA6023 byly mírně hrubší než fáze Pb-Bi ve struktuře slitiny AA6262 (obr. 3). Struktura matrice u všech sledovaných slitin byla vláknitá (obr. 4). AA6082-T8 AA6262-T8 AA6023-T8 Obr.3 Rozložení fází ve středových oblastech tyčí Fig. 3 Distribution of constituent phases in the structure in central areas of the rods *** AA6082-T8 AA6262-T8 AA6023-T8 Obr.4 Nerekrystalizovaná "vláknitá" struktura tyčí Fig. 4 Non-recrystallized "fibrous" structure of the rods 3
Mechanické vlastnosti tyčí Výchozí mechanické vlastnosti tyčí ze zkoušených slitin AA6262, AA6023 a AA6082 jsou v tab. 2. Mechanické vlastnosti tyčí ze zkoušených slitin se navzájem příliš nelišily, průměrné hodnoty se nacházely v rámci technologického rozptylu. Tab.2 Mechanické vlastnosti tyčí Table 2. Mechanical properties of rods Slitina/Alloy Rp0,2 Rm [MPa] [MPa] A [%] Z [%] E [GPa] HV30 HB AA6082-T8 360 377 13,2 31 72,5 109 102 AA6262-T8 375 391 12,9 37 72,0 111 107 AA6023-T8 348 362 12,0 37 69,5 107 102 4 VÝSLEDKY RÁZOVÝCH ZKOUŠEK ZA TEPLA A JEJICH DISKUSE Výsledky zkoušek rázem podle Charpyho za normálních a zvýšených teplot, při nichž se stanovovala vrubová houževnatost KU, jsou na obr. 5. Charpy impact energy [J] (Notch toughness) 16 14 12 10 8 6 4 AA6082-T8 AA6262-T8 AA6023-T8 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperature [ C] Obr.5 Závislost vrubové houževnatosti (KU) na teplotě pro zkoušené slitiny Fig. 5 Temperature dependence of Charpy impact energy (KU) for tested alloys a) Průběh závislosti vrubové houževnatosti KU na teplotě v intervalu od 20 do 350 C se u všech třech zkoušených slitin AA6262, AA6023 a AA6082 výrazně lišil. Zatímco u slitiny 4
AA6082 se vrubová houževnatost KU do teploty 200 C prakticky neměnila a nad touto teplotou rostla, u obrobitelných slitin AA6262 a zejména AA6023 se s teplotou hodnoty KU snižovaly. b) U obou obrobitelných slitin AA6262-T8 a AA6023-T8 byl pokles vrubové houževnatosti s teplotou zpočátku pomalý, při jisté kritické teplotě T k docházelo k náhlému výraznému poklesu. U slitiny AA6262 byla kritická teplota 250 C, u slitiny AA6023 byla nižší a činila 150 C (obr. 6). c) Lze definovat takzvané přechodové oblasti, tedy intervaly teplot, v průběhu kterých se výrazně sníží vrubová houževnatost KU slitiny. U slitiny AA6262 je tato "přechodová" oblast teplot 250-300 C. V intervalu těchto teplot se sníží vrubová houževnatost KU z 6 J na cca 4 J. U slitiny AA6023 je tato přechodová oblast teplot cca o 100 C nižší a leží v intervalu 150-200 C. V oblasti těchto teplot se sníží vrubová houževnatost KU z 5,5 J na 2 J (obr. 6). 9 8 Trans.area AA6023 150-200 C Trans. area AA6262 250-300 C Charpy impact energy [J] (Notch toughness) 7 6 5 4 3 2 1 0 AA6262-T8 AA6023-T8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Temperature [ C] Obr.6 Závislost vrubové houževnatosti na teplotě s vyznačením přechodové oblasti pro slitiny AA6262 a AA6023 Fig. 6 Charpy impact energy (KU) versus temperature curves for AA6082 and AA6262 with denotation of the transition ranges d) Odlišný průběh křivek závislostí KU na teplotě souvisí se složením fází ve struktuře zkoušených slitin. Zatímco slitina AA6082-T8 neobsahuje nízkotavitelné fáze, slitina AA6262 obsahuje ve své struktuře dispersní fáze s obsahem nízkotavitelných kovů olova a bismutu a slitina AA6023 dispersní fáze s obsahem nízkotavitelných kovů Sn a Bi. Tyto kovy mohou vytvářet ve struktuře různé varianty nízkotavitelných fází, přičemž nejčastěji se vyskytující fáze ve struktuře slitiny AA6262 s obsahem Pb, Bi a/nebo Mg mající vyšší teplotu tání než nejčastější fáze s obsahem Sn, Bi a/nebo Mg ve struktuře slitiny AA6023 (viz tab. 3). Tyto výsledky byly potvrzeny diferenciální termickou analýzou, která ukázala masivní natavování fází u slitiny AA6023 při teplotě 189 C, u slitiny AA6262 při teplotě 257 C [4]. 5
Tab.3 Nízkotavitelné fáze ve struktuře AA6262 a AA6023, jejich teplota tání a výskyt ve struktuře [2, 3, 5, 6] Table 3. Low-melting phases in AA6262 and AA6023 alloys, their melting points and [2, 3, 5, 6] Slitina/ Alloy Fáze/Phase Teplota tání/ Melting point Výskyt ve struktuře/presence in structure Pb 327 C Vysoký Bi 271 C Nízký AA6262 (43,5%)Pb-Bi 125 C Velmi nízký (99,5%)Bi-Mg 3 Bi 2 260 C Velmi vysoký (97,8%)Pb-Mg 2 Pb 253 C Nízký Sn 232 C Střední Bi 271 C Nízký AA6023 (43%)Sn-Bi 139 C Nízký (99,5%)Bi-Mg 3 Bi 2 260 C Vysoký (98%)Sn-Mg 2 Sn 200 C Velmi vysoký *** Vlastnosti lomů při rázových zkouškách Vlastnosti lomu při rázových zkouškách byly studovány jak a) metodou světelné mikroskopie (SM), tak b) metodou řádkovací elektronové mikroskopie pomocí mikroskopů DSM 940 a FEI Quanta 200 FEG. a) Za normální teploty vykazovaly lomy všech tří slitin tvárný důlkový charakter. U slitiny AA6082-T8 byla dna důlků buď prázdná nebo s kompexní intermetalickou fází s obsahem Fe, Si, Mn, případně i Mg. U slitiny AA6262 byly na dně důlků fáze s obsahem Pb a Bi, u slitiny AA6023-T8 fáze s obsahem Sn, Bi a Mg (obr. 7) 20 C - v režimu BSE Fáze s obsahem Pb a Bi (+Mg) Fáze s obsahem Sn a Bi (+Mg) AA6082-T8 zv.500x AA6262-T8 zv.500x AA6023-T8 zv. 500x Obr.7 Charakter lomů vzorků zlomených rázem za normální teploty, zobrazeno v režimu BSE Fig. 7 Fracture properties from Charpy impact tests at ambient temperature *b) Za zvýšených teplot se vzhled lomu změnil. Slitina AA6082 vykazovala při 300-350 C výrazný tvárný lom. U slitin AA6262 a AA6023 byl lom kvalitativně podobný jako za normální teploty. Na rozdíl od toho se ale u lomu za zvýšených teplot jednalo o tvárný lom s četnými větvícími se sekundárními trhlinami, přičemž těchto sekundárních trhlin bylo u slitiny AA6023 podstatně více oproti slitině AA6262 (viz obr. 8 a 9). 6
Relativně malá oblast větvení centrální trhliny Rozsáhlé oblasti větvení centr. trhliny AA6082 - vz.13 AA6262 - vz.24 AA6023- vz.34 Obr.8 Charakter lomu při 300 C na podélném řezu přelomeným vzorkem (Vrub je vpravo) Fig. 8 Fracture pattern from Charpy impact tests at 300 C on longitudinal section of the piece (Notch is on the right) ** 300 C - v režimu BSE boční trhliny boční trhliny AA6082-T8 zv.500x AA6262-T8 zv.500x AA6023-T8 zv.500x Obr.9 Charakter lomů vzorků zlomených rázem za teploty 300 C Fig. 9 Fracture pattern from Charpy impact tests at 300 C 5 ZÁVĚR a) Na rozdíl od běžných konstrukčních slitin hliníku série 6xxx (např. AA6082), vykazují obrobitelné slitiny hliníku obsahující Pb a Bi (slitina AA6262) nebo Sn a Bi (slitina AA6023) výrazný pokles vrubové houževnatosti KU za zvýšených teplot. Tento pokles KU, vyvolaný natavením dispersních fází s obsahem nízkotavitelných kovů, nastává v určité přechodové oblasti teplot. b) U slitiny AA6262 leží tato přechodová oblast "zkřehnutí za tepla" mezi teplotami 250 až 300 C, u slitiny AA6023-T8 mezi teplotami 150 až 200 C. Přitom vrubová houževnatost KU u slitiny AA6262 poklesne z cca 6-6,5 J na hodnotu 4 J, u slitiny AA6023 z hodnoty 6 J na hodnotu 2 J. c) Z teoretických úvah vyplývá, že teplota tenké součástky, která je obráběna vysokou řeznou rychlostí se může, při nedostatečném chlazení významně zvýšit nad normální teplotu. Toto zvýšení může překročit teplotu zkřehnutí automatových slitin hliníku a vest k porušení součástky při obrábění. Vzhledem k tomu, že přechodová teplota zkřehnutí je u slitiny AA6023 (Stanal 32) nižší a zkřehnutí výraznější než u slitiny AA6262, je pravděpodobnost výskytu lomu součástek při obrábění vyšší u slitiny AA6023 než u slitiny AA6262. d) Nižší přechodová teplota zkřehnutí a hlubší pokles KU u slitiny AA6023 oproti AA6262 jsou dány třemi hlavními aspekty: i) Teplota tání měkkých fází s obsahem Sn a Bi u slitiny AA6023 je nižší než u fází s obsahem Pb a Bi u slitiny AA6262. ii) Vlivem nižšího povrchového napětí cín více smáčí okolní matrici než olovo. 7
iii) Vlivem existence takzvaného odloučeného eutektika v systému Al-Sn má cín oproti olovu větší tendenci se vylučovat ve formě tenkých mezidendritických vrstev, které při následném natavení více narušují soudržnost materiálu při zvýšených teplotách. Poděkování: Výzkumné práce byly finančně podporovány MŠMT v rámci projektu s názvem Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů (1M2560471601). Autoři touto cestou děkují za pomoc. Experimentální materiál byl připraven v ALCAN-Děčín Extrusions, s.r.o. Za spolupráci autoři děkují vedení této firmy. Použitá literatura [1] MÁDL, J. KOUTNÝ, V. RÁZEK, V.: Studium vlastností modelových slitin hliníku na bázi Al-Cu-Mg bez olova určených pro obrábění, U223/2002/002 leden 2001 [2] HANSEN, M.: Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill Book Com., 1958, p. 317, 324, 336,911 and p. 918 [3] FALTUS, J. BENDÍKOVÁ, E. UHLÍŘ, J.: Influence of chemical composition on structure and properties of lead-free machinable AA6023 (Al-Mg-Si-Sn-Bi) alloy, Acta Metallurgica Slovaca, 13, 2007, p.597 [4] Personal communication of Dr. A. Bigot from Voreppe, France, May 2008 [5] FALTUS, J.: Vlastnosti slitin AA6082, AA62692 a AA6023 za zvýšených teplot zjištěných zkouškou rázem v ohybu, Výzkumná zpráva 01/2008 [6] FALTUS, J.: Vlastnosti vybraných hliníkových slitin za tepla, Výzkumná zpráva 14/2008 8