Homogenizace a mezižíhání pásů ze slitin AA 8006 a AA8011 vyrobených technologií plynulého lití Petra Bosáková, Margarita Slámová (a) Miroslav Karlík (b) a) VÚK Panenské Břežany s.r.o., Panenské Břežany 50, Odolena Voda 250 70, ČR b) ČVUT FJFI, Katedra materiálů, Trojanova 13, Praha 2, 1 00, ČR Abstract The effort to achieve energy and material savings imposes the use aluminium thin sheets in the design of heat-exchanger fins for air-conditioners, cooling equipment, and car radiators. Alloys AA 8006 and AA 8011, having good strength combined with good ductility are frequently used for these applications. The microstructure of twin-roll cast AA 8006 and AA8011 alloys is characterized by non-equilibrium concentration of alloying elements in the dendrite cells volume. Homogenization thus appears to be necessary in order to improve final sheet properties. The effects of homogenization and additional softening annealing on the structure and mechanical properties of twin-roll cast sheets were studied. Particle size, shape and distribution and the grain size were evaluated during the downstream processing to the final gauge 0.18 or 0.25 mm. The results indicate that AA 8006 sheets should be homogenized. Additional softening annealing treatment at an intermediate thickness affects yield stress and elongation at the final gauge. On the other hand, homogenization treatment of the AA 8011 is not indispensable - final gauge mechanical properties are approximately equal for the homogenized, as well as for the non-homogenized alloy. Some differences were found only in the grain structure. 1. ÚVOD Lepší korozní odolnost a výrazně nižší měrná hmotnost hliníku oproti oceli byly hlavní důvody, které vedly konstruktéry tepelných výměníků k nahrazení ocelových lamel (finstocků) za hliníkové. Při tvarování finstocků jsou pásy podrobeny hlubokému tažení, při kterém je nezbytná vysoká tvárnost materiálu. Snaha o snížení hmotnosti výměníků a zvýšení jejich účinnosti vede k požadavku vyšší pevnosti. Materiál proto musí mít optimální kombinaci pevnosti a tvařitelnosti. Požadované nároky splňují slitiny AlFe1,5MnSi (AA 8006) a AlFeSi (AA 8011). Tenké pásy z těchto slitin se vyrábějí dvěma způsoby: litím do objemných ingotů, tvářením za tepla a za studena nebo technologií plynulého lití s tvářením za studena. Plynulé lití (kontilití) nabízí ve srovnání s tradiční ingotovou technologií menší investiční náročnost a nižší provozní náklady [1], a proto se používá stále častěji. Struktura plynule litých pásů ze slitin AA 8006 a AA 8011 je charakterizována nerovnovážnou koncentrací příměsových prvků v objemu dendritických buněk. Pro zlepšení finálních mechanických vlastností pásu je třeba materiál homogenizovat. Tato studie je zaměřena na ověření vlivu homogenizace a mezioperačního žíhání na tloušťce 0,8 mm (mezižíhání) na strukturu a mechanické vlastnosti kontinuálně litých pásů. 2. EXPERIMENT 2.1. Experimentální materiál Chemické složení slitin AA 8006 a AA 8011 je uvedeno v tabulce 1. Materiál pro tuto studii byl odebrán z plynule litých pásů tloušťky 8,5 mm a šířky 1155 mm vyrobených v Hutních závodech Břidličná. Další zpracování těchto pásů (válcování za studena až na finální
tloušťku 0,18 resp. 0,25 mm a mezioperační žíhání) bylo provedeno ve VÚK Panenské Břežany, s.r.o. podle 4 různých schémat uvedených v tabulce 2. U první varianty byly pásy vyválcovány až na finální tloušťku bez jakéhokoliv žíhání (bez homogenizace, bez mezižíhání - ozn. BHM). U druhé varianty bylo na tloušťce 0,8 mm zařazeno mezižíhání při teplotě 450 C. Ve třetí variantě byly pásy na tloušťce 5,4 mm homogenizovány, čtvrtá varianta zahrnuje navíc mezižíhání. U všech variant bylo provedeno stejné finální žíhání s pomalým náběhem na 380 C a výdrží na této teplotě 8 hodin. Tabulka 1. Chemické složení slitin AA 8006 a AA 8011 Slitina Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti Zn Al AA 8006 [%] 0,17 1,5 0,006 0,40 0,003 0,002 0,014 0,011 zbytek AA 8011 [%] 0,66 0,69 0,008 0,009 0,004 0,002,035 0,02 zbytek Tabulka 2. Přehled žíhání v jednotlivých variantách zpracování pásů Tloušťka pásu [mm] Varianta Označení 5,4 0,8 0,18 0,25 1 BHM - - 380 C / 8h 2 M - 450 C / h 380 C / 8h 3 H 580 C / 18h - 380 C / 8h 4 H + M 580 C / 18h 450 C / h 380 C / 8h 2.2. Experimentální metody Na finálních tloušťkách všech variant pásů slitin AA 8006 a AA 8011 byl proveden metalografický rozbor zahrnující kvalitativní i kvantitativní analýzu fází, měření velikosti a tvaru zrn. Mikrostruktura byla pozorována pomocí optického mikroskopu NEOPHOT 32. Pomocí analyzátoru obrazu KONTRON byla stanovena velikost a četnost částic druhé fáze. Pro analýzu struktury zrna byly vzorky naleptány v Barkerově roztoku a byla měřena průměrná délka úseku ve dvou směrech - ve směru kolmém na směr válcování S a ve směru rovnoběžném se směrem válcování L. U všech variant byly změřeny rekrystalizační křivky vzorky byly vyžíhány po dobu 30 minut v rozmezí teplot 2 C - 480 C a byla změřena jejich tvrdost HV 0,1. Dále byla provedena Erichsenova zkouška prohloubení a tahová zkouška na zařízení INSTRON. 3. Výsledky 3.1. Vliv homogenizace a mezižíhání na strukturu pásů AA 8006 a AA 8011 Při homogenizaci obou slitin na tloušťce 5,4 mm dochází k transformaci primárního eutektika na samostatné částice druhé fáze, jejichž analýza byla provedena v [2]. Rozdíl mezi slitinami je ve tvaru a rozložení jednotlivých částic. Zatímco částice slitiny AA 8006 jsou zaoblené a rovnoměrně rozmístěné po celé tloušťce pásu, částice slitiny AA 8011 jsou hranatější než částice slitiny AA 8006. Při homogenizaci obou slitin dochází k plné
rekrystalizaci, ale i zde existuje rozdíl mezi oběma slitinami. Struktura zrn u pásů AA 8011 je jemnější než struktura zrn u pásů AA 8006. Zrna u pásů AA 8011 jsou více zaoblená a rovnoměrnější než u pásů AA 8006 [3]. Výrazný rozdíl ve velikosti a četnosti částic slitiny AA 8006 u homogenizovaných pásů tloušťky 0,18 mm bez mezižíhání a nehomogenizovaných pásů s mezižíháním je patrný na obr.1.a,b. Obecně lze říci, že nehomogenizované pásy mají jemnější a četnější částice než homogenizované. a) b) Obr.1. Mikrostruktura pásů AA 8006 tloušťky 0,18 mm a) M, b) H+M V nehomogenizovaných pásech slitiny AA 8011 jsou částice tvarem srovnatelné s částicemi pásů homogenizovaného, jak pro pásy s mezižíháním (obr.2), tak i bez mezižíhání. Nepatrně se liší velikostí a to tak, že homogenizace způsobuje nárůst průměrné velikosti částic, stejně tak i mezižíhání [4]. a) b) Obr. 2. Mikrostruktura pásů AA 8011 tloušťky 0,18 mm a) M, b) H+M. Částice u pásů z obou slitin, které byly zpracovávány stejným způsobem, se výrazně liší. Částice druhé fáze pásů tloušťky 0,18 a 0,25 mm slitiny AA 8011 jsou ve srovnání s částicemi
pásů slitiny AA 8006 špičatější a jsou místy rozloženy do shluků tvarů vlnek ve směru válcování. Zatímco částice nehomogenizovaného a mezižíhaného pásu slitiny AA 8006 jsou zřetelně menší než částice u pásu homogenizovaného a mezižíhaného, částice nehomogenizovaného a mezižíhaného pásu slitiny AA 8011 jsou srovnatelné s částicemi homogenizovaného a mezižíhaného pásu. Jednotlivé typy fází jsou blíže popsány v [2]. Struktura zrn homogenizovaných a nehomogenizovaných pásů AA 8006 tloušťky 0,18 a 0,25 mm je na obr. 3.a,b,c,d. Z obrázků je patrný výrazný rozdíl mezi jednotlivými variantami pásů. Zařazení homogenizace nebo mezižíhání má výrazný vliv na strukturu zrn u pásů finálních tlouštěk po žíhání na 380 C. Zatímco u pásů připravených bez homogenizace a bez mezižíhání je matrice pouze zotavená (obr. 3.a), u varianty s homogenizací pozorujeme téměř plně rekrystalizovanou strukturu (obr.3.c,d). Při mezižíhání nehomogenizovaných pásů dochází k neúplné rekrystalizaci se vznikem značně hrubých zrn a nerekrystalizované povrchové vrstvě (3.b). Po vyválcování na finální tloušťku dochází při finálním žíhání pouze k zotavení, ne k rekrystalizaci. U variant se zařazenou homogenizací vnáší mezižíhání také značný rozdíl v odezvě na žíhání na finální tloušťce. Zatímco homogenizovaný pás bez mezižíhání má značně nerovnoměrná protažená zrna a místy se zde objevují povrchové vrstvy hrubých zrn, u homogenizovaného pásu s mezižíháním jsou zrna větší a rovnoměrnější. a) c) Obr.3. Struktura zrn pásů AA 8006 tloušťky 0,25 mm a) M, b) BHM, c) H+M, d) H. Homogenizované pásy slitiny AA 8011 tloušťky 0,18 mm s mezižíháním mají strukturu zrn téměř shodnou se strukturou pásů homogenizovaných bez mezižíhání (obr.4). U pásů s mezižíháním se pouze místy objevují hrubší zrna. U nehomogenizovaných pásů se objevuje hrubozrnná povrchová vrstva (obr.4.a). Struktura zrn nehomogenizovaného mezižíhaného
pásu (obr.4.b) je srovnatelná se strukturou homogenizovaného mezižíhaného (ale i nemezižíhaného) pásu tloušťky 0,18 mm (obr.4.c,d). Výsledky rozboru struktury zrn u této slitiny [4] ukazují, že pro dosažení vhodné struktury zrn není nutné provádět homogenizaci. Totéž platí i pro pásy tloušťky 0,25 mm. Nicméně, zařazení homogenizace do procesu zpracování přispívá k získání více rovnoměrné struktury. Obr.4. Struktura zrn pásů AA 8011 tloušťky 0,18 mm a) BHM, b)m, c) H, d) H+M. Mezi jednotlivými variantami zpracování pásů ze slitiny AA 8011 není tak výrazný rozdíl ve struktuře zrn (viz obr.4) jako je tomu u pásů ze slitiny AA 8006. Výrazný rozdíl mezi oběma slitinami je v tom, že pro dosažení rovnoměrné struktury u slitiny AA 8006 je nezbytně nutné zařadit do procesu zpracování homogenizaci, zatímco u slitiny AA 8011 je možné dosáhnout téměř rovnoměrné struktury i bez homogenizace. 3.2. Vliv homogenizace a mezižíhání na mechanické vlastnosti pásů AA 8006 a AA 8011 Odlišnosti struktury různých variant zpracování se projevují rozdílem mechanických vlastností pásů AA 8006. Pásy bez homogenizace (obou tlouštěk) mají výrazně nižší hodnoty prohloubení IE oproti homogenizovaným pásům (tab.3). Hodnoty prohloubení u homogenizovaných pásů nejsou nijak výrazně ovlivněny použitím mezižíhání. U homogenizovaných pásů tl. 0,25 mm mezižíhání nepatrně zvyšuje hodnotu prohloubení IE.
Hodnoty IE se u všech variant pásů slitiny AA 8011 obou tlouštěk pohybují v intervalu 7,2-8,0 mm, což jsou srovnatelné hodnoty (tab.3). Tabulka 3. Hodnoty prohloubení IE pro pásy slitin AA 8006 a AA 8011 IE [mm] způsob zprac. pásu AA 8006 AA 8011 BHM 7,64 7,24 M 5,04 7,50 H 8,52 7,36 H+M 8,51 7,95 Z toho plyne, že homogenizace ani mezižíhání tuto hodnotu příliš neovlivní, na rozdíl od hodnot IE u variant pásů slitiny AA 8006. Homogenizace pásů AA 8011 způsobí nárůst hodnoty IE maximálně o 0,5 mm, mezižíhání o 0,4-0,5 mm, což jsou rozdíly srovnatelné s rozptylem naměřených hodnot. 100 100 Tvrdost HV 0,1 80 60 40 BHM H M H+M Tvrdost HV 0,1 80 60 40 BHM H M H+M 25 260 3 380 430 Teplota [ C] 25 230 280 330 460 Teplota [ C] a) b) Obr.5. Rekrystalizační křivky pro pásy tloušťky 0,18 mm a) AA 8006, b) AA 8011. Při porovnání rekrystalizačních křivek pásů slitiny AA 8006 tloušťky 0,18 mm (obr.5.a.) je vidět, že odpevnění u pásů zpracovávaných různými tepelně-mechanickými způsoby nastává při různých teplotách. Nejvyšší tvrdost vykazují pásy bez homogenizace (s i bez mezižíhání) [3]. U pásu bez homogenizace a bez mezižíhání dochází k plnému odpevnění až při teplotě 430 C, kdežto pás s homogenizací a s mezižíháním potřebuje k odpevnění pouze teplotu 270 C. Pás H nebo pás M je plně odpevněn při teplotě 380 C. U pásů AA 8011, podobně jako je tomu u pásů AA 8006, vykazují nejvyšší pevnost a mez kluzu pásy bez homogenizace (s i bez mezižíhání). Homogenizované a mezižíhané pásy mají tvrdost nižší (odpevnění u nich nastává v rozmezí teplot 260-300 C, obr.5.b)). Rekrystalizační křivky ukazují, že tvrdost mezižíhaných pásů tloušťky 0,18 mm bez homogenizace dosahuje podobných hodnot jako u pásů s homogenizací. Odpevnění u homogenizovaných pásů bez mezižíhání nastává v intervalu teplot 280-300 C, zatímco u homogenizovaných pásů s mezižíháním se tento interval posouvá k nižším teplotám, a sice
k 230-260 C. Odpevnění nehomogenizovaných pásů bez mezižíhání má plynulý klesající průběh. Pro dosažení měkkého "O" stavu u homogenizovaných a mezižíhaných pásů nebo nehomogenizovaných a mezižíhaných je plně dostačující teplota finálního žíhání 260 C. U pásů homogenizovaných a bez mezižíhání tloušťky 0,25 mm proběhne odpevnění v rozmezí teplot 280-330 C. Jinak je průběh rekrystalizačních křivek pásů tloušťky 0,25 mm shodný s průběhem rekrystalizačních křivek pásů o tloušťce 0,18 mm. 0 160 Rp0,2 A50 35 30 60 50 Rp0.2 A50 30 Rp0,2 [MPa] 1 80 25 15 A50 [%] Rp0,2 [MPa] 40 30 25 A50 [%] 40 10 10 0 BHM M H H+M 5 0 BHM M H H+M 15 a) b) Obr.6.Hodnoty meze kluzu R p0,2 a tažnosti A 50 pro pásy tl. 0,18 mm a) AA 8006 b) AA 8011. Výsledky mechanických zkoušek u pásů AA 8006 jsou shrnuty na obr. 6.a. U pásů, které byly homogenizovány, byly naměřeny nižší hodnoty pevnosti a meze kluzu oproti nehomogenizovaným pásům, ale také až o 15% vyšší tažnost. Pevnost a mez kluzu mezižíhaných pásů se sníží o -30 MPa oproti pásům bez mezižíhání. Tažnost není mezižíháním výrazněji ovlivněna. Výsledky mechanických zkoušek pásů slitiny AA 8011 (obr. 6.b.) jsou ve shodě s výsledky strukturních analýz, a sice, že hodnoty R m a R p0,2 jsou přibližně stejné pro pásy s mezižíháním, s i bez homogenizace. O málo vyšší hodnoty těchto parametrů vykazují pásy bez homogenizace a bez mezižíhání. Z hlediska těchto skutečností se dá říci, že pro dosažení normou předepsaných hodnot R m a R p0,2 zařazení homogenizace ani mezižíhání pásů slitiny AA 8011 není nutné. To platí jen tehdy, pokud nejsou kladeny zvýšené požadavky na tažnost, která se díky homogenizaci a mezižíhání zvyšuje asi o 5-10%. 3. Závěr Výsledky rozborů a zkoušek čtyř variant zpracování kontilitých pásů AA 8006 a AA 8011 lze shrnout do následujících závěrů: V případě pásů slitiny AA 8006 Zařazení homogenizace do procesu zpracování vede ke vzniku rovnoměrné a plně rekrystalizované struktury pásů finální tloušťky. Pásy válcované na finální tloušťku bez zařazení jakéhokoliv tepelného zpracování jsou po finálním vyžíhání pouze zotavené. Mezižíhání u nehomogenizovaných pásů způsobí vznik hrubých zrn a neúplnou rekrystalizaci. Přidání mezižíhání u homogenizovaných pásů vede k nahrubnutí zrn pásů finálních tlouštěk.
V případě, že není zařazena homogenizace, pak mezižíhání nezlepší strukturní ani mechanické vlastností natolik, aby bylo možné tyto pásy použít na výrobu finstocků. Mezižíhání nemůže nahradit homogenizaci (nedojde k výraznému poklesu tvrdosti, pevnosti a meze kluzu, tažnost zůstává nízká). Homogenizace zvyšuje hodnotu prohloubení IE, mezižíhání nikoliv Z hlediska vhodnosti pásů slitiny AA 8006 pro využití na výrobu finstocků lze konstatovat, že pro dosažení dostatečných hodnot pevnosti, meze kluzu a zároveň dobré tažnosti, je nutné zařadit do technologie zpracování proces homogenizace. V případě slitiny AA 8011 Struktura homogenizovaných a nehomogenizovaných (mezižíhaných) pásů je téměř shodná, v případě homogenizace je rovnoměrnější. V případě homogenizovaných pásů mezižíhání nezpůsobí téměř žádnou změnu ve struktuře, v případě nehomogenizovaných pásů dochází vlivem mezižíhání ke zhrubnutí zrn. Zařazení homogenizace do procesu tepelně mechanického zpracování není nutné, a při určitých požadavcích (nižší tažnost) není nutné ani mezižíhání. Tvrdost pásů finálních tlouštěk homogenizovaných a nehomogenizovaných s mezižíháním dosahuje srovnatelných hodnot. Homogenizace ani mezižíhání neovlivňují významně hodnotu prohloubení IE Homogenizace pásů slitiny AA 8011 pouze posouvá odpevnění k nižším teplotám. Také se ukazuje, že pro dostatečnou tvrdost pásů postačí setrvání na teplotě finálního žíhání po dobu 2 hodin, což by mohlo snížit provozní náklady. Z tahové zkoušky vyplývá, že hodnoty pevnosti a meze kluzu jsou srovnatelné pro pásy s mezižíháním, s i bez homogenizace. Poděkování Autoři děkují MŠMT za finanční podporu výzkumných prací v rámci dotace na řešení projektu EU1824 z programu EUREKA, smlouva OE34/1 (1998). Použitá literatura [1] Ben Q. Li: Producing Thin Strips by Twin-Roll Casting-Part I: Process Aspects and Quality Issues, JOM, August 1995, p. 29. [2] Slámová M., Sláma P.: Vliv parametrů homogenizace na strukturu a vlastnosti kontilitých pásů ze slitiny AA 8006, Výzkumná zpráva ITC-VÚK, 10/99 V, 1999. [3] Bosáková P, Slámová M., Karlík M.: Vliv homogenizace a mezižíhání na strukturu a vlastnosti tenkých pásů ze slitiny AA 8006, Výzkumná zpráva ITC-VÚK, 25/99- V, 1999 [4] Bosáková P, Slámová M., Karlík M.: Vliv homogenizace a mezižíhání na strukturu a vlastnosti tenkých pásů ze slitiny AA 8011, Výzkumná zpráva ITC-VÚK, 02/00- V, 00