NOVÉ POZNATKY Z VÝVOJE A ZKUŠEBNÍHO PROVOZU PROTOTYPOVÉHO ZAŘÍZENÍ DRECE NEW FINDING FROM DEVELOPMENT AND TEST WORKING OF MODEL MACHINERY DRECE Stanislav RUSZ a, Karel MALANÍK b, Jan KEDROŇ a, Irena SKOTNICOVÁ a a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17.listopadu 15, 708 Ostrava Poruba, ČR, e-mailová adresa: stanislav.rusz@vsb.cz, jan.kedron.st@vsb.cz, irena.skotnicova.st@vsb.cz b VÚHŽ Dobrá, a. s., Dobrá, ČR, E-mailová adresa: malanik@vuhz.cz Abstrakt Vývoj technologií výroby velmi jemnozrnných materiálů je v současné době velmi intenzívně urychlován. Vedle klasické technologie ECAP (v současné době nejvíce uplatňovanou) se pro plošné tváření, z hlediska průmyslové praxe, vyvíjí technologie DCAP a CONFORM. V příspěvku je provedena analýza vývoje velmi jemnozrnné (UFG) struktury v pásu plechu na podobném typu zařízení (nazvaném DRECE Dual Rolling Equal Channel Extrusion). Dané zařízení je v současné době vyvíjeno na pracovišti Vývoje nových technologií, Fakulty strojní VŠB TU Ostrava ve spolupráci s VÚHŽ Dobrá a.s.. Je podrobněji analyzována problematika vývoje UFG struktury u 99,5% Al pásu plechu o rozměrech 60xx1000 mm. Dále je provedena analýza struktury i základních mechanických vlastností dosažených po vícenásobné plastické deformaci a následně porovnání dosažených výsledků s vlastnostmi Al plechu ve výchozím stavu. ÚVOD Typickým charakteristickým rysem nanokrystalických materiálů je závislost meze kluzu na velikosti zrna, která je dána jejich strukturálními zvláštnostmi, charakteristickými pro nanorozměrné struktury s extrémně vysokou objemovou frakcí hranic zrn. Odpovídající teoretický popis, závislosti velikosti zrna na mezi kluzu v nanokrystalických materiálech, na jednu stranu zásadně přispívá k porozumění zásad vztahů v nano-stupnici tuhé fáze a na druhou stranu slouží jako základ pro vývoj vyspělých technologií využívajících výjimečných mechanických vlastností nanokrystalických materiálů. Teoretické modely mohou být rozděleny do dvou základních kategorií: (i) modely popisující nanokrystalické materiály jako dvoufázové kompozity. Modely kategorie (ii) popisují mez kluzu R e a další mechanické vlastnosti s pomocí tzv. pravidla směsi [1]. Tímto přístupem, mez kluzu R e nanokrystalických materiálů je vyjádřená jako vážený součet mezí kluzu charakterizující fáze vnitřku zrna a jeho okrajů, který silně závisí na objemovém lomu fáze hranice zrna. Mez kluzu fáze hranice zrna se přepokládá nižší než fáze uvnitř zrna. Modely (ii) popisují vývoj defektů a struktur hranic zrn, se zaměřením na fyzikální mechanismy (pohyb mřížkové dislokace, posuv hranice zrn, difúzní mechanismy plasticity) plastického toku v nanokrystalických materiálech. 1. MODELY VYCHÁZEJÍCÍ Z HALL-PETCHOVA VZTAHU Byly analyzovány dva fyzikální modely, které v současné době jsou intenzívně rozpracovávány
Model Konstantinidise and Aifantise vycházel z pravidla směsi, které je podobné rovnici (). Jediným rozdílem byl předpoklad, že mikrotvrdost intergranulární fáze také vyhovuje Hall-Petchovu vztahu s jeho efektivními parametry H0GB a βgb. Pro zjednodušení, autoři předpokládali, že H0GB=H0, tj. třecí napětí bylo předpokládáno stejné pro intergranulární a krystalickou fázi. V této řadě, bylo odhadnuto βgb jako Hall- Petchův β koeficient násobený faktorem, který by bral v úvahu přítomnost překážek pro dislokační skluz na hranicích zrn. Jako překážky byly uvažovány trojné uzly hranic zrn, včetně těch které obsahují trojnásobné lineární disklinace (natočení) [1]. H = ( ) d δ d δ dδ + δ µ ( ) d H 0 + βd 1/ + d cr 1 () Pro konečné vyjádření mikrotvrdosti nanokrystalického materiálu pak platí: H ( d δ ) d ( d δ ) ϑd ϑd 1/ c = H 0 + β ln / ln + d () d d r0 r0 Model Pandeho a Masumury je zaměřený na mechanismus mřížkové dislokace plastického toku v nanokrystalických materiálech. Předpoklad uvedený v tomto modelu je, že klasický Hall-Petchův model hromadění dislokací převládá až na jedinou výjimkou, a to, že analýzy musí brát v úvahu skutečnost, že u zrn v nanometrech nemůže být počet dislokací příliš rozsáhlý. Dále při stále menších velikostech zrn by měl tento mechanismus ustat v době když jsou zde pohromadě pouze dvě dislokace. Pande a Masumura s ohledem na Hall-Petchův model ukázali, že teorie dislokace pro Hall-Petchův účinek dává lineární závislost R e na d -1/ pouze když materiál obsahuje velké množství dislokací pohromadě a plasticita není zdrojově omezena. V tomto režimu mez kluzu roste s klesajícím d, protože shluky obsahují méně dislokací, koncentrace napětí v čele padá a je požadováno větší aplikované napětí ke kompenzaci. Když se počet dislokací blíží k jedné, žádné další zvýšení meze kluzu již není možné. Upravené vyjádření dle Pandeho a Masumury [1]: L A τ ( n + m 1) 1/ 1 1/ i + ε 1 ( n + m 1) 1/ 6 i1, (4) kde ε malý korekční člen (ε «1) a může být zanedbán. Pande a Masumura upravili H-P vztah pro malé velikosti zrna ( λ 1/ ) 5 / + c ( 1/ ) 7 / s = λ + c λ (5) 1/ 1 kde s=τ/[mτ*], c 1 =-0.6881, c =0.19 a l=lmτ*/a.. ÚVOD DO PROBLEMATIKY CONFORM CONFORM (Continuous Extrusion Forming) je metodou, která byla původně vyvinuta pro plynulé vytlačování, ale na základě problémů s opotřebením nebyla použita. Na tuto metodu se v současnosti opět navázalo a opakovaným použitím se zkouší dosáhnout velmi vysokého stupně deformace. Obrázek 1 ukazuje princip procesu CONFORM, který je podobný procesu ECAP. Materiál, ve formě tabulového pásu, je veden "podávacím válcem" s podporou "přítlačné kladky" a tlačen segmentem do "vložky tvářecího
nástroje". Tvářecí nástroj je situovaný v upevněném pouzdře []. Intenzivní deformace materiálu přináší požadované zjemnění zrna ve vložcenástroje. Stupeň sklonu pro tuto metodu je 100 10. V jednotlivých průchodech dochází k menšímu stupni deformace, což znamená, že tato metoda požaduje vyšší množství průchodů pro získání stejné struktury zjemnění jako u procesu ECAP. Přítlačná kladka Opěrná vložka Podávací válec Tvářený materiál Vložka tvářecího nástroje Uchycení pouzdra Obr. 1 Schema procesu CONFORM Fig. 1 Principle of CONFORM process Tvářecí nástroj je opatřen dvěma kanály, jejichž tloušťka se vzájemně liší, tloušťka venkovního kanálu (1,55mm) je mírně větší než tloušťka vnitřního kanálu (1,45mm), jak je vidět na obrázku 5.. Úhel kanálu, který vznikne protnutím vnějšího a vnitřního může být zvětšen ze 100 na 140 s úhlem zakřivení Ψ = 0. Pás má počáteční tloušťku 1,55mm, je podáván podávacím válcem a je přetvářen na tloušťku 1,45mm je následně veden nástrojem směrem k tvářecí zóně. Dále je pás vtlačován přes hlavní funkční část s tvářecí zónou, kde se vnější a vnitřní kanály protínají a vychází vnějším kanálem při zachování počáteční tloušťky (1,55 mm) []. Podáváním vzorku vyvozenou třecí sílou hnacího válce, namísto podávání vzorku pomocí průtlačníku u hydraulického lisu, bylo umožněno nejen vytváření nepřetržité (kontinuální) operace, ale také tváření různých rozměrů pásů plechů.. 1 Návrh simulace protlačování Al plechu modifikovaným nástrojem CONFORM - DRECE Další oblast výzkumu je zaměřena rovněž na vývoj nástroje pro tváření pásů plechu. Pro samotnou matematickou simulaci je potřeba navrhnout tvar a geometrii nového typu nástroje DRECE. Dále navrhnout tvar, rozměry a materiálové vlastnosti zkušebních vzorků. Experimentálně stanovit základní tvářecí parametry k dosažení potřebných strukturních a mechanických vlastností. Předpokládané výstupy matematické simulace: Optimalizace počtu průchodů nástrojem změnou cesty deformace, variace profilu a rozměrů tvářecího nástroje. Vliv geometrie nástroje, teplotně-deformačních a technologických parametrů na výsledné vlastnosti zkoušených materiálů. Porovnání s experimentálními výsledky. Vývoj a následná simulace procesu bude probíhat v programech QForm D a také nově v programu Simufact.forming jenž je vylepšený nástupce softwarů SuperForm & SuperForge. Pro srovnávání dosažených mechanických vlastností pomocí D matematické simulace bude využitý program MarcMentat.
Simulace procesu může být ovšem velmi zjednodušena či jinak pozměněna a bude podřizována též omezeními danými tvářecími programy. Otáčivý pohyb nástrojů a posuvný pohyb vzorku s třením mezi materiálem a nástrojem nemusí být zcela adekvátní praktické úloze. Vyplývá to též ze složitosti procesu DRECE [4]. Obr. Vlastní návrh simulace procesu CONFORM Fig. New conception of DRECE technology. Nástroj DRECE V průběhu roku 008 byl na pracovišti VŠB-TUO uveden do zkušebního provozu prototyp daného zařízení. Na obr. je uveden celkový pohled na prototyp výše uvedeného zařízení. Zařížení se skládá z těchto hlavních částí: převodovka typu Nord s el. motorem, lamelová spojka, podávací válec a přítlačné válce s regulací přítlačné síly, vlastní tvářecí nástroj z oceli typu Dievar. Pás plechu o rozměrech 59xx1000 mm je vložen do pracovního prostoru a podávacím válcem v součinnosti s přítlačnými válci je protlačován tvářecím nástrojem aniž dochází ke změně příčného průřezu. Při takto prováděné vícenásobné plastické deformaci docílíme podstatného zjemnění struktury. V rámci zkušebního provozu byly provedeny první pokusy a jejich vyhodnocení. Na základě těchto prací byly navrženy další konstrukční úpravy. Jelikož se jedná o patentovou ochranu daného zařízení, není možno zveřejňovat podrobnější technické údaje [4]. Obr. Prototypové zařízení DRECE pro protlačování pásu plechu Fig. Machinery DRECE for extrusion strip sheet metal
Obr. 4 Čelní pohled na zařízení DRECE Fig. 4 Front look at machinery DRECE. MATEMATICKÁ SIMULACE PROCESU DRECE Byla provedena vstupní simulace 6 průchodů nástrojem DRECE pásu plechu (99,5 Al), kdy okrajové podmínky byly jen přibližně definovány vzhledem k vlastním experimentům. Při parametrech úhlu kanálu φ = 10, úhel vnějšího zaoblení ψ = 0, s poloměry R1 =,4 mm a R = 0, mm dosahuje intenzita napětí hodnot σi = 01,97 MPa. Intenzita deformace nabývá maximálních hodnot ε i =,7 Tab. 1 Tvářecí parametry dosažené po prvním průchodu nástrojem DRECE Table 1 Forming parameters achieved after first pass Intenzita napětí Intenzita deformace Rychlost vektoru tečení Kontaktní tlak na nástroj σ max ε max [MPa] [-] kovu v max p max [MPa] [mm/s] 194,64 0,4941 0,0017 9,4 Obr. 5 Grafické znázornění průběhu intenzity deformace po 1. průchodu Fig. 5 Magnitude deformation intensity after first pass
Tab. Hodnoty dosažené po šestém průchodu kanálu DCAP pro slitinu AlMn1Cu Table Forming parameters achieved after six passes Intenzita Intenzita Rychlost vektoru Kontaktní tlak napětí deformace tečení kovu na nástroj σ max ε max v max p max [MPa] [-] [mm/s] [MPa] 01,97,7 0,0018 501, Obr. 6 Grafické znázornění průběhu intenzity deformace po 6. průchodu Fig. 6 Magnitude deformation intensity after six passes Z výsledků matematické simulace vyplývá jednoznačný závěr, že u protlačování pásu plechu, z hlediska dosažení dostatečného počtu střižných systémů (rovin) s různou jejich orientací, je nutno provést podstatně vyšší počet průchodů pro dosažení potřebné velikosti intenzity deformace umožňující dosažení velkého zjemnění zrna [4], vzhledem k procesu ECAP typ průchodů B C, který je nejefektivnější. Daný typ průchodů pro plech není možno realizovat v praxi. Dosažené výsledky matematické simulace budou v dalších pracích srovnávány s experimenty. 4. METALOGRAFICKÁ ANALÝZA PROTLAČOVANÉHO PLECHU NÁSTROJEM DRECE V první fázi prací byly realizovány a vyhodnoceny průchody nástrojem DRECE a) b) Obr. 7 Struktura vzorku - rovnoběžný směr se směrem válcování. a) výchozí stav, b). průchod Fig. 7 Structure specimen - parallel direction with direction rolling a) initial state b) third pass
a) b) Obr. 8 Struktura vzorku příčný řez pásu a) výchozí stav, b). průchod Fig. 8 Structure specimen - crosscut strip sheet a) initial state b) third pass a) b) Obr. 9 Struktura podélný řez pásu a) výchozí stav, b). průchod Fig. 9 Structure specimen - lengthwise cut a) initial state b) third pass 4. SHRNUTÍ Z provedené metalografické analýzy vyplývá, že dochází k pozvolné změně (zmenšení) střední velikosti zrna po jednotlivých průchodech nástrojem DRECE. Podrobnější analýza bude provedena po dalších experimentech, kdy chceme dosáhnout 8 až 10 průchodů nástrojem DRECE. Analýza bude provedena n TEM a difrakcí na mřížce (SAED). Z hlediska funkčnosti zařízení DRECE je zkonstruováno na velmi dobré technické úrovni. V dalších ověřovacích pracích bude zkoumán vliv rychlosti deformace na výslednou strukturu, bude provedena optimalizace frekvence procesu mazání, jak rovněž ověřen vliv velikosti síly přítlačných válců na proces protlačování. LITERATURA [1] GUTKIN, M.YU I. - OVID KO, A. - C.S.PANDE, C., S. Theoretical Models of Plastic Deformation Processes in Nanocrystalline Materials, Rev.Adv.Mater.Sci. Vol. (001), pp. 80-10
[] PENGUYUE, W. - YUCAI, W. - SHUISHENG, X. aj.. Numerical Simulation on Conform Process of Aluminium Alloy Rectangular Hollow Conductor, Materials Science Forum, Vol. 546-549 (006), pp. 75-740. [] VALIEV, R. Z.- LANGDON, T. G. Some new trends in SPD processing for fabrication of bulk nanostructured materials. Materials Science Forum, Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, Vol. 50-504 (006), Trans Tech Publications, pp. -10. [4] RUSZ, S., MALANÍK, K. Průběžná zpráva projektu MPO č. A-1TP1/14 Trvalá prosperita - Výzkum vlivu extrémních podmínek deformace na submikrostrukturu kovů a zkušebních metod pro diagnostiku jejich technologických vlastností, září, 009, pp. 1-15 Poděkování Práce vznikla v rámci řešení projektu MPO A-1TP1/14.