VLIV Sc A Zr A HOMOGENIZAČNÍHO ŽÍHÁNÍ NA STRUKTURU A VLASTNOSTI SLITINY AA6082

VLIV Sc A Zr A HOMOGENIZAČNÍHO ŽÍHÁNÍ NA STRUKTURU A VLASTNOSTI SLITINY AA6082 EFFECT OF Sc AND Zr AND OF HOMOGENIZATION ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF ALLOY AA6082 Vladivoj Očenášek a Jaromír Uhlíř a Ivana Stulíková b Bohumil Smola b a VÚK Panenské Břežany, s.r.o., Panenské Břežany 50, 250 70 Odolena Voda, ocenasek@vyzkum-kovu.cz b Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze, Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2 stulik@karlov.mff.cuni.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá vlivem homogenizačního žíhání na strukturu a vlastnosti vytvrzovatelné slitiny typu Al-Mg-Si. Jsou uvedeny výsledky hodnocení vlivu homogenizace na dvě varianty slitiny AA6082, a to na slitinu legovanou Sc a Zr a slitinu nelegovanou. Vliv homogenizace na strukturu, tvrdost a konduktivitu byl sledován od výchozího litého stavu, přes tváření za studena až po stav po rozpouštěcím žíhání. Důsledky homogenizace byly sledovány při umělém stárnutí v oblasti teplot od 130 do 190 C. Ukázalo se, že u slitiny legované Sc a Zr vede homogenizace při rozpouštěcím žíhání ke zhrubnutí zrna. Fázová strukturní analýza na ŘEM ukázala, že při legování Sc a Zr do slitiny AA6082 se skandium váže v litém stavu do komplexní fáze Al(Mg,Si,Sc). Při precipitaci při umělém stárnutí mají důsledkem toho homogenizované i nehomogenizované materiály nižší tvrdost než slitina nelegovaná Sc a Zr. Abstract The present study deals with the homogenisation treatment of an age-hardenable alloy from the system Al-Mg-Si. The results of the investigation of the effect of homogenisation on the microstructure and properties of both a standard AA6082 alloy and of an alloy with Sc and Zr addition are reported. The microstructure, hardness and electrical conductivity of the as-cast, cold rolled and solution treated states have been studied. The impact of homogenisation on alloys structure and properties produced by artificial ageing in the temperature range from 130 to 190 C was investigated. A significant grain coarsening occurs during solution treatment in the alloy with Sc and Zr addition when homogenisation has been previously applied. The phase identification by scanning electron microscopy indicated that Sc added to AA6082 bonds during alloy solidification into complex phase Al(Mg,Si,Sc). For this reason, both homogenised and non-homogenised alloy with Sc and Zr exhibit lower hardness after artificial ageing than the standard alloy AA6082. 1

1. ÚVOD Legování Sc a Zr do slitin hliníku je v současné době předmětem intenzivního základního i aplikovaného výzkumu. Větší pozornost je zatím věnována čistému hliníku a slitinám nevytvrzovatelným typu Al-Mg, u kterých současné legování Sc a Zr zlepšuje mechanické vlastnosti, přičemž vytvrzující fáze Al 3 (Sc,Zr) má i výrazný antirekrystalizační účinek [1-4]. U vytvrzovatelných slitin jsou předmětem výzkumu zejména slitiny hliníku legované mědí, lithiem a slitiny legované zinkem [5-8]. Vytvrzovatelné slitiny jsou ve srovnání s nevytvrzovatelnými slitinami náročnější z pohledu tepelně mechanického zpracování, kdy je nutné v některých případech materiál ohřát na poměrně vysokou teplotu. Tyto ohřevy vedou k nevratným změnám při precipitaci fáze Al 3 (Sc,Zr). Vedle rozpouštěcího žíhání, které se zařazuje na konci výrobního procesu je dalším vysokoteplotním ohřevem homogenizační žíhání. Toto žíhání se zařazuje obvykle před tvářením lité struktury a vede k odstranění odmíšení, tj.k homogennímu rozdělení legujících prvků v objemu materiálu, a tím ke zlepšení tvařitelnosti. Předmětem příspěvku je slitina AA6082 typu Al-Mg-Si, které byly jinými autory v souvislosti s legováním Sc věnovány například práce [9-10]. V předkládaném příspěvku je sledován vliv homogenizace na strukturu a vlastnosti u dvou variant slitiny AA6082, a to u slitiny legované 0,2 hm.%sc a 0,11 hm.% Zr, a slitiny nelegované těmito prvky. Sledování vlivu homogenizačního žíhání na strukturu a vlastnosti po válcování za studena a tepelném zpracování je u obou variant slitin zaměřeno na průběh rekrystalizace při teplotě rozpouštěcího žíhání a na průběh precipitace při následném umělém stárnutí. Uvedené výsledky navazují na experimenty, jejichž výsledky byly publikovány v [11 až 14]. 2. EXPERIMENT Chemické složení slitiny AA6082 (EN AW-AlSi1MgMn) je uvedeno v Tab.1. V této tabulce je dále uvedeno chemické složení obou experimentálních taveb, tj. tavby legované Sc a Zr a tavby nelegované těmito prvky. Program experimentálních prací byl založen na porovnání těchto dvou taveb. Standardní Sc a Zr nelegovaná slitina byla zjednodušeně označena jako, druhá tavba obohacená 0,20 hm.%sc a 0,11hm.%Zr byla označena jako ScZr. Pro obě tavby byla použit jako vstupní materiál lisovaná tyč ze slitiny AA6082. Tabulka 1 Chemické složení experimentálního materiálu [hm.%] Table 1 Chemical composition of investigated alloys [wt. %] Slitina Označení Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Sc Zr AA6082, 0,7 0,4 0,6 AW-AlSi1MgMn EN 573-3 1,3 0,5 0,1 1,0 1,2 0,25 0,20 - - AlSi1MgMn 0,94 0,21 0,099 0,79 0,89 0,15 0,19 <0,0005 0,0015 AlSi1MgMnScZr ScZr 0,80 0,19 0,089 0,72 0,81 0,12 0,16 0,20 0,11 Pro legování Sc a Zr byla připravena předslitina Al2Sc a použita standardní předslitina Al10Zr. Obě tavby byly odlity ve vakuové peci do desek o rozměru 150 x 40 x 250 mm. Z těchto litých desek byly pro tepelné zpracování a válcování za studena připraveny vzorky o rozměru 150 x 40 x 21,5 mm. Obě slitiny byly dále sledovány současně v litém a homogenizovaném stavu. Homogenizace proběhla při 540 C/7hod. s pomalým ochlazováním 2

v peci (s rychlostí ochlazování menší než 50 C/hod.). Litá struktura homogenizovaných i nehomogenizovaných stavů byla dále válcována deseti úběry z výchozí tl. 21,5 mm na konečných 2,1 mm. Mezižíhání při teplotě 400 C s pomalým ochlazením z této teploty bylo provedeno na tl.9,5 mm (redukce 56%). Po mezižíhání byla redukce za studena na tl. 2,1mm rovna 78%. Po válcování za studena proběhlo tepelné zpracování sestávající se z rozpouštěcího žíhání a umělého stárnutí. Teplota rozpouštěcího žíhání byla 530 C. Pro zjištění vlivu teploty umělého stárnutí na vlastnosti proběhlo toto stárnutí při teplotách 130, 160 a 190 C. Umělé stárnutí bylo vždy zahájeno do 1 hodiny po ochlazení ve vodě, průběh stárnutí byl sledován v intervalu od 2 do 32 hodin na teplotě. Struktura byla hodnocena světelnou mikroskopií a na ŘEM, změny v průběhu izotermického žíhání byly sledovány tvrdostí HV10 a měřením konduktivity metodou vířivých proudů. 3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE Výsledky měření tvrdosti a konduktivity litých a tepelně zpracovaných stavů jsou uvedeny v Tabulce 1. Jak z této tabulky vyplývá, je po válcování jak v nehomogenizovaném, tak v homogenizovaném stavu tvrdost větší a konduktivita menší u slitiny legované Sc a Zr. Ve stavu po umělém stárnutí je však tvrdost i konduktivita slitiny ScZr nižší než slitiny. Ve stavu měkkém (tj. bezprostředně po rozpouštěcím žíhání) jsou u obou měřených veličin rozdíly mezi slitinami nevýznamné. Tabulka 1 Tvrdost a konduktivita za studena válcovaného stavu a stavů po tepelném zpracování u sledovaných slitin Table 1 Hardness and electrical conductivity of cold rolled and heat treated experimental alloys Konduktivita γ HV10 [1] Stav [MSm -1 ] (A) ScZr (B) (A) ScZr (B) Litý Po válcování za 72,1 76,5 28,7 27,5 studena (1) 68,8 72,7 30,4 29,9 Litý (1) 55,4 55,1 24,2 23,9 + : 530 C/45 (2) 54,2 53,9 24,4 23,9 Litý (2) 113,1 106,0 24,8 24,3 + US: 160 C/10h. 109,4 103,5 24,8 24,2 Změny tvrdosti a konduktivity s rostoucí dobou na teplotách umělého stárnutí 130 a 190 C jsou vyneseny na Obr.1 a 2. Tyto výsledky potvrzují a upřesňují předběžné závěry vyplývající z Tabulky 1. Potvrdilo se, že homogenizace výchozí lité struktury ovlivňuje průběh precipitace po rozpouštěcím žíhání, a že závěry z toho plynoucí jsou platné v celém sledovaném rozpětí teplot umělého stárnutí. Z Obr.1 a 2 vyplývá, že v průběhu umělého stárnutí jsou tvrdost i konduktivita slitiny větší než slitiny legované Sc a Zr. Vliv homogenizace na tvrdost i konduktivitu není ve srovnání s vlivem legujících prvků Sc a Zr tak výrazný. Homogenizace ovlivňuje u obou slitin výrazněji tvrdost než konduktivitu. Vliv homogenizace na tvrdost je patrný zejména v oblasti maximálního zpevnění. Výraznější vliv na zpevnění má homogenizace u slitiny nelegované Sc a Zr. 3

HV10 /1/ a) 1 Litý 110,0 90,0 Válcovaný 70,0 ScZr 50,0 130 C Konduktivita /MSm-1/ 35,0 130 C Litý 25,0 ScZr 20,0 Válcovaný b) Obr.1 Změny tvrdosti (a) a konduktivity (b) v průběhu umělého stárnutí při 130 C Fig.1 Evolution of hardness (a) and electrical conductivity (b) during artificial ageing at 130 C 1 Litý 110,0 90,0 Válcovaný ScZr 70,0 50,0 190 C a) HV10 /1/ Konduktivita /MSm -1 / 35,0 25,0 20,0 Válcovan 190 C Litý ScZr b) Obr.2 Změny tvrdosti (a) a konduktivity (b) v průběhu umělého stárnutí při 190 C Fig.2 Evolution of hardness (a) and electrical conductivity (b) during artificial ageing at 190 C Výsledky hodnocení struktury po válcování za studena a tepelném zpracování obou slitin v litém i homogenizovaném stavu jsou uvedeny na Obr.3 až 6. Zatímco u slitiny nemá homogenizace prakticky žádný vliv na velikost zrna po válcování za studena a tepelném zpracování (Obr.3 a 4), tak u slitiny legované Sc a Zr vede homogenizace k výraznému nárůstu velikosti zrna (Obr. 6). Přitom velikost zrna v nehomogenizovaném stavu je u slitiny ScZr výrazně menší (Obr.5) než u slitiny (Obr.3). Homogenizace litého stavu u slitiny typu Al-Mg-Si legované Sc a Zr tedy působí nepříznivě a na rozdíl od čistého Al a slitin typu Al-Mg nemá legování Sc a Zr v průběhu žíhání za studena tvářené struktury antirekrystalizační účinek. Kromě toho vyplynulo z průběhu tvrdosti při umělém stárnutí, že při legování Sc a Zr nedochází k takovému zpevnění jako u slitiny bez těchto prvků. Z uvedených výsledků tedy vyplývá, že legující prvky Sc a Zr nejen že nemají příznivý dopad na stabilitu struktury, ale že vedou v případě homogenizace k intenzivní rekrystalizaci a nárůstu velikosti zrna a navíc ve srovnání s nelegovanou variantou snižují zpevnění při precipitačním vytvrzení. Důvod, proč tomu tak je může být dvojího druhu. Jedním důvodem může být to, že se již v litém stavu Sc váže na některý z prvků, zúčastňujících se precipitace (Mg, Si), a nebo druhým důvodem to, že Sc a Zr 4

výrazně ovlivňují sekvenci rozpadu tuhého roztoku. Ovlivnění precipitace legováním Sc a Zr v ranných stádiích rozpadu tuhého roztoku slitiny AA6082 bylo prokázáno v práci [14]. Tomuto jevu bude věnována další pozornost sledováním rozpadu tuhého roztoku rezistometrickým měřením, DSC analýzou a analýzou vybraných stavů struktury na TEM. Prvně zmíněná možnost vlivu Sc na rekrystalizaci a precipitaci byla sledována v rámci tohoto příspěvku. Na Obr.7 jsou uvedeny snímky z ŘEM, na kterých jsou výsledky lokální chemické analýzy fází litého stavu slitiny ScZr. Ukazuje se, že kromě běžných fází vyskytujících se ve slitině typu byla nalezena fáze obsahující současně Mg, Si a Sc. Vzhledem k poměrně malému množství Sc (0,20%) tak dochází jeho navázáním na prvky Mg a Si do komplexní fáze Al(Mg,Si,Sc) k ochuzení tuhého roztoku o Sc a tím i o snížení množství fáze Al3(Sc,Zr), která brání rekrystalizaci. Současně vznik této komplexní fáze ochuzuje tuhý roztok o hlavní vytvrzující prvky Mg a Si, čímž lze vysvětlit nižší úroveň zpevnění po tepelném zpracování. Nepříznivý účinek Sc a Zr na úroveň zpevnění byl rovněž prokázán na uvedené slitině již dříve při izochronním žíhání lité struktury [11, 12]. Obr.3 Struktura zrn slitiny po válcování za studena a rozpouštěcím žíhání Fig.3 Grain structure of the alloy after cold rolling and solution heat treatment Obr.4 Struktura zrn slitiny po homogenizaci, válcování za studena a rozpouštěcím žíhání Fig.4 Grain structure of the alloy after homogenisation, cold rolling and solution heat treatment Obr.5 Struktura zrn slitiny ScZr po válcování za studena a rozpouštěcím žíhání Fig.5 Grain structure of the alloy ScZr after cold rolling and solution heat treatment Obr.6 Struktura zrn slitiny ScZr po homogenizaci, válcování za studena a rozpouštěcím žíhání Fig.6 Grain structure of the alloy ScZr after homogenisation, cold rolling and solution heat treatment 5

Obr.7 Složení fází (a) a rtg. signál od Sc (b) ve struktuře litého stavu nehomogenizované slitiny ScZr Fig.7 Phases composition (a) and Sc rtg. signal (b) in the cast structure of non-homogenised ScZr alloy 4. ZÁVĚRY Výsledky sledování vlivu legování Sc a Zr a vlivu homogenizačního žíhání na strukturu a vlastnosti slitiny AA6082 lze shrnout do těchto bodů: 1) Homogenizační žíhání lité struktury u slitiny legované Sc a Zr výrazným způsobem ovlivňuje rekrystalizaci po válcování za studena. Na rozdíl od slitiny nelegované těmito prvky vede tepelné zpracování za studena deformované struktury k výraznému zhrubnutí zrna. 2) V nehomogenizovaném stavu je rekrystalizovaná struktura po válcování za studena a tepelném zpracování u slitiny legované Sc a Zr jemnozrnnější než u slitiny nelegované těmito prvky. 3) Ve srovnání s výrazným antirekrystalizačním účinkem Sc a Zr u čistého Al nebo u slitin typu Al-Mg, tak homogenizace lité struktury u slitiny typu Al-Mg-Si ovlivňuje rekrystalizaci za studena deformovaného stavu negativně. 4) Legování Sc a Zr vede u slitiny AA6082 k nižšímu zpevnění při závěrečném tepelném zpracování. Legováním Sc a Zr je tak ovlivněna negativně precipitace v průběhu umělého stárnutí. 5) Analýza lité struktury ukázala, že Sc je vázáno do komplexní fáze Al(Mg,Si,Sc). Tím může být ochuzen tuhý roztok jak o Sc, tak o prvky Mg a Si podílející se zásadním způsobem na precipitačním zpevnění. 6) Podstata vlivu Sc a Zr na rozpad tuhého roztoku a úroveň zpevnění bude dále sledována pomocí DSC analýzy, rezistometrickým měřením a TEM analýzou vybraných stavů. Poděkování: Výsledky uvedené v tomto příspěvku byly získány při řešení projektu Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů č.1m2560471601 podporovaného Ministerstvem školství mládeže a tělovýchovy. 6

LITERATURA [1] DAVYDOV, V.G., YELAGIN, V.I., ZAKHAROV, V.V. FILATOV, Y.A.: On Prospects of Application of New 01570 High-Strength Weldable Al-Mg-Sc Alloy in Aircraft Industry, Mat.Sci.Forum, Vols.217-222, (1996),pp. 1841-1846 [2] RIDDLE, Y.W., PARIS, H.G., SANDERS, T.H.: Control of Recrystallization in Al- Mg-Sc-Zr Alloys, Proc. of ICAA-6, Toyohashi, Japan, 1179 [3] OČENÁŠEK,V., SLÁMOVÁ,M.: Resistence to recrystallization due to XC and Zr addition to Al-Mg alloys, Materials Characterisation 47 (2001) 157-162 [4] SMOLA, B., STULÍKOVÁ, I., OČENÁŠEK,V. and PELCOVÁ,J.: Effect of XC and Zr additions on the microstructure and age hardening of an AlMg3MnCr alloy Structure and age hardening of AlMgMnCrScZr, Materials Characterisation 51 (2003) 11-20 [5] KAMP, N., STARINK, M.J., SINCLAIR, I. Aj.: Development of Al-Cu-Mg-Li (Mn,Zr,Sc) Alloys for Age-Forming, Proc. Of the 9th Int. Conf. On Aliminium Alloys (2004), Edited by J.F.Nie, A.J. Morton and B.C. Muddle, Institute of Materiáls Engineering Australasia Ltd, p.369 [6] FRIDLYANDER, J.N., KOLOBNEV, N.I., GRUSHKO, O.E., SHEVELEVA, L.M., KHOKHLATOVA, L.B., MILLER, W.S. and COUCH. P.D.: Alloying Components Optimization of Weldable Al-Li-Mg Alloy, Mat.Sci.Forum, Vols.217-222, (1996), pp.1847-1852 [7] RIDDLE, Y.W., SANDERS, T.H.Jr.: Recrystallization Performance of AA7050 Varied with Sc and Zr, Mater. Sci. Forum 331-337 (2000) 799-803 [8] SENKOVA, S.V., SENKOV, O.N., and MIRACLE, D.B.: Cryogenic and Elevated Temperature Strengths of an Al-Zn-Mg-Cu Alkou Modified with Sc and Zr, Met. And Mat. Transactions A, Volume 37A, December 2006-3569 [9] RØYSET, J., STENE, T., REISO, O., aj.: The Effect of Intermediate Storage temperature and Time on the Age Hardening Response of Al-Mg-Si Alloys, Mat. Sci. Forum Vols. 519-521 (2006) pp 239-244 [10] CABIBBO, M. and EVANGELISTA, E.: A TEM study of the combined effect of severe plastic deformation and (Zr), (Sc+Zr)- containing dispersoids on an Al-Mg-Si alloy, Journal of Materiále science, Springer Science+Business Media, LLC 2006, 10.1007/s10853-006-0306-2 [11] OČENÁŠEK,V.: Vliv Sc a Zr na strukturu a vlastnosti slitiny hliníku AA6082, In Metal 2006 : 15.mez.metal.konference: 23.- 25.5.2006. Hradec nad Moravicí, Česká republika. [CD-ROM]. Ostrava: Tanger: Květen 2006, 37, ISBN 80-86840-18-2 [12] OČENÁŠEK,V., SLÁMOVÁ,M. and KOLÁŘ,M.: Vliv Sc a Zr na precipitační zpevnění slitin hliníku, In Metal 2007: 16.mez.metal.konference: 22.- 24.5.2007. Hradec nad Moravicí, Česká republika. [CD-ROM]. Ostrava: Tanger: Květen 2007, 92, ISBN 978-80-86840-33-8 [13] OČENÁŠEK,V., KOLÁŘ,M., SMOLA, B and STULÍKOVÁ, I.: Vliv deformace za studena a tepelného zpracování na vlastnosti slitin hliníku legovaných Sc a Zr, Sborník semináře EKOCENTRUM 2007, VUT v Brně, 25.-26.09.2007, 65, ISBN 978-80- 7204-541-9 [14] VLACH, M., STULÍKOVÁ, I., SMOLA, B. and OČENÁŠEK,V.: Rezistometrické studium vlivu Sc a Zr na mikrostrukturu slitiny AA6082, Sborník semináře EKOCENTRUM 2007, VUT v Brně, 25.-26.09.2007,103, ISBN 978-80-7204-541-9 7