GRAIN REFINEMENT IN STRIP SHEET PREPARED BY DRECE MACHINERY Stanislav RUSZ a, Vít MICHENKA b, Jan KEDROŇ a, Stanislav TYLŠAR a, Jan DUTKIEWICZ c a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR, E-mailová adresa: stanislav.rusz@vsb.cz, jan.kedron@vsb.cz, stanislav.tylsar@vsb.cz b VÚHŽ Dobrá, a. s., Dobrá, ČR, E-mailová adresa: michenkak@vuhz.cz c Polish Academy of Science, Institute of Metallurgy and Materials Science, Reymonta St. 25, 30-059 Krakow, Poland, E-mailová adresa: nmdutkie@imim-pan.krakow.pl Abstrakt V souladu s nejnovějšími poznatky vývoje nových technologií výroby UFG (ultra jemnozrnných) materiálů bylo na VŠB TU Ostrava, Fakultě strojní, Katedře mechanické technologie vyvinuto prototypové zařízení označené DRECE. Zařízeni 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 ze speciální nástrojové oceli. Pás plechu o rozměrech 59x2x1000 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 je dosaženo po určitém počtu průchodů podstatného zjemnění struktury. Experimenty byly prováděny s pásem plechu z Cu. Mechanické vlastnosti byly určovány z tahové zkoušky a měřením tvrdosti. Velikost zrna byla vyhodnocována na TEM a pomocí SAED. 1. ÚVOD PODSTATA PROCESU VÍCENÁSOBNÉ PLASTICKÉ DEFORMACE (SPD) Velmi efektivní metoda, která vede ke zjemnění struktury kovů, je využití vícenásobné plastické deformace (SPD) o střední velikosti zrna, které nelze dosáhnout běžnými konvenčními postupy tváření. Tato metoda je předmětem základního i aplikovaného výzkumu. Nově vyvíjené technologie využívají extrémní plastické deformace k vytváření UFG a NC struktury. Výzkum je především zaměřen na výrobu materiálů z neželezných kovů a jejích slitin (na bázi Al, Mg, Cu), neboť ty se vyznačují velmi dobrými mechanickými vlastnostmi při zachování dobré tvářitelnosti a v neposlední řadě se vyznačují tím, že je jejich měrná hmotnost je nižší v porovnání s běžně dostupnými ocelovými materiály. Metody SPD najdou uplatnění především v malosériové výrobě, kde není kladen důraz na velký objem vyrobených materiálů, avšak je požadováno specifických materiálových vlastností a dále pak vysoká cena vyrobených materiálů je akceptována tržním prostředím. 1.1 Technologie výroby UFG materiálů procesem C2S2 C2S2 je proces protlačování tenkých plechů z různých materiálů. Hlavní a přítlačný válec jsou použity jako podavače plechu. Dva kanály se stejnou šířkou se protínají pod úhlem Φ (tzv. nástrojový úhel kanálu), který se obvykle pohybuje v rozmezí od 90 do 150 [1]. Další úhel Ψ definuje poloměr zaoblení na vnější straně nástrojového úhlu a nazývá se vnější nástrojový úhel, který se pohybuje v rozmezí od 0 do (180 - Φ). Posuvová rychlost je závislá na rozměrech plechu a nástrojovém úhlu kanálu. Obvyklá rychlost je 5 až 50 m/min. Rozměr výstupního kanálu je větší než kanálu vstupního [1, 2].
Obr. 1. Princip procesu C2S2 Fig. 1. Principle of the process C2S2 1.2 Rozložení deformace v procesu C2S2 Na obr. 2(a) je znázorněno efektivní rozložení deformace v pásu plechu při Φ = 90. Zpracovaný pás lze rozdělit do čtyř hlavních zón: čelní deformovaná zóna (HDZ), hlavní zóna (MDZ), ECAP zóna (EDZ) a CONFORM zóna (CDZ). Zóna HDZ má nejednotné efektivní deformační rozložení. Efektivní deformační rozložení MDZ je jednotné po směru šířky plechu. EDZ je oblasti intenzívni deformace v průniku dvou kanálů. Efektivní deformace na plechu je poměrně velká. Zóna CDZ se přemísťuje účinkem tření mezi přítlačným a hlavním válcem. Deformace plechu v procesu C2S2 je nezávislá na šířce plechu ve směru osy Z. Deformace v ose XY je konstantní po celém průřezu. Konečné výsledky analýzy prvků jsou zaměřeny na vývoj deformace plechu v části XY. Části A-B nedeformované oblasti a C-D deformované oblasti jsou vybrány jako kontrolní body pro měření efektivní deformace, jak je znázorněno na obr. 2(b). Pět bodů v části A-B (tloušťka plechu), je považováno za body sledující změny efektivní deformace v C2S2 procesu [2]. Dvacet bodů na C-D linii (tloušťka plechu) slouží k měření a k získání informací o průběhu deformace v plechu. Křivky průběhu deformace jsou rozděleny do tří různých skupin deformace: CONFORM fáze, ECAP fáze a deformovaná fáze. Při deformační době je 0 3 s (vyšší rychlost deformace), deformace přináleží CONFORM fázi, která v plechu převládá [2]. a) b) Obr. 2a. Efektivní deformace v plechu, 2b. část A-B nedeformovaná oblast a C-D deformovaná oblast Fig. 2a. Effective plastic strain in the strip sheet, 2b. A-B nondeformation area and C-D deformation area
1.3 Dosažené poznatky Ačkoliv deformace není dosažena dokonalým prostým smykem, obě číselné analýzy a experimentální pozorování vykazuje, že prostý smyk je dominantním způsobem deformace v průběhu procesu C2S2. Smyková deformace vložená do vzorku byla rozmístěna relativně stejnoměrně po celé šířce plechu, kromě oblasti blízkých spodnímu povrchu pásu. Experimentální výsledky naprosto souhlasí s výsledky získanými provedením matematických analýz založených na metodě konečných prvků. Z experimentálních výsledků je patrno, že největší diference ve velikostech dosažené deformace se objevují v blízkosti spodního povrchu [3]. Tato nehomogenní deformace se vyskytuje v místě, kde nedochází ke styku protlačovaného vzorku s nástrojem. Oblast smykové deformace se prodlužuje se vzrůstajícím počtem průchodů daným nástrojem. 1.4 Prototypové zařízení DRECE (proces obdobný jako C2S2) Tvářecí proces na zařízení DRECE je založen na technologií protlačování s téměř nulovým úběrem tloušťky pásu plechu s konečným cílem dosažení vysokého stupně deformace ve tvářeném materiálu. Prototyp tohoto zařízení je umístěn v laboratoři CPIT VŠB-TU Ostrava, Fakultě strojní [4]. Na daném zařízení je možno provádět protlačování pásu plechu ze slitin neželezných kovů o rozměrech 58x2x1000 mm. Jak bylo již dříve uvedeno. Proces zjemňování struktury je založen na spojení principů procesu CONFORM a ECAP, obdobně jako proces C2S2. Dané zařízení je v současné době ve stádiu ověřování jeho funkčnosti a stanovení Obr. 3. Zařízení DRECE Fig. 3. DRECE machinery 2. VLASTNÍ EXPERIMENTY Na zařízení DRECE byly na úplném počátku použity pásy komerčně čistého hliníku (99,5 Al) o výchozím rozměru. Tento materiál se použil pro praktické vyřešení počátečních technologických problémů se zasekáváním a velkou šavlovitostí pásů. V dalších fázích experimentu se však s komerčně čistým hliníkem nepočítá, protože dosahované hodnoty nárůstu mechanických hodnot nebyly považovány za dostatečné. Příčinou tohoto jevu je s největší pravděpodobností nízká rekrystalizační teplota hliníku, která mohla být v průběhu tvářecího procesu lokálně překročena. V další fázi experimentálního ověřování zjemňování struktury byla vybrána komerčně čistá měď (99,5 Cu) [4]. Z dosažených výsledků vyplývá, že s nárůstem počtu průchodů dochází k malému zvětšení šířky plechu (b1, b2, b3) na úkor zmenšení jeho tloušťky (t1, t2, t3). Daný jev je shodný s výsledky dosaženými matematickou simulací. Obr.4. Schématické znázornění pásu plechu s měřenými místy změny jeho rozměrů Fig. 4. Strip sheet (scheme) with measurements points of changed sheet parameters
Tab. 1 Změny rozměrů plechu po jednotlivých průchodech Table 1 Changing of sheet parameters after single passes průchod otočení [ ] l x š x t [mm] mazání tlak [bar] l 1 b 1 b 2 b 3 t 1 t 2 t 3 0 300 58,08 58,02 58,01 1,90 1,93 1,92 1 0 301 58,46 58,37 58,14 1,79 1,90 1,88 ano 100 2 180 305 58,63 58,43 58,36 1,86 1,92 1,91 ano 100 3 0 307 58,62 58,68 58,57 1,87 1,89 1,87 ano 100 4 180 312 58,68 58,70 58,52 1,84 1,85 1,89 ano 100 5 0 315 58,80 58,54 58,56 1,89 1,78 1,89 ano 120 6 180 320 59,05 58,67 58,63 1,86 1,78 1,91 ano 120 7 0 321 58,98 58,76 58,96 1,89 1,75 1,90 ano 140 8 180 323 59,02 58,86 58,98 1,87 1,73 1,91 ano 140 2.1 Analýza struktury Analýza byla provedena na světelném mikroskopu typu NEOPHOT. Z dosažených výsledků je patrno, že zařízení DRECE umožňuje dosažení potřebného zjemnění zrna u 99,5%Cu [4]. Byly provedeny zároveň tahové zkoušky pro určení mechanických Cu výchozí 100x, příčný směr Cu 8x DRECE, 100x, příčný směr Obr. 4. Analýza struktury Cu 99,5% (výchozí stav a po 8 průchodu) Fig. 4. Structure analyse Cu 99,5% (initial state, after 8th pass) vlastností a zkoušky tvrdosti (HV5). 2.2 Vliv počtu průchodů zařízením DRECE na mechanické vlastnosti pásu plechu 99,5%Cu Rp0,2, Rm (MPa) 350 325 300 275 250 225 200 175 150 Rp0,2 Rm Zkouška tahem - DRECE Cu A80mm výchozí 2x 4x 6x 8x 10x Počet průchodů 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Při zpracování Cu 99,5 dochází k maximu na mezi kluzu již po cca 4-5 průchodech. Další zvyšování počtu průchodu nepřináší zásadní vliv na nárůst hodnoty meze kluzu i meze pevnosti [4]. Z hlediska zachování potřebné tvařitelnosti je nutno provést tepelné zpracování po 5. průchodu zařízením DRECE. Obr. 5. Změna mechanických vlastností v závislosti na počtu průchodů zařízením DRECE Fig. 5. Changing of mechanical properties on pass number through to machinery DRECE 2.3 Měření tvrdosti Metodika měření tvrdosti v pásu plechu
Obr. 6 Označená místa v pásu plechu k odebírání vzorků pro měření tvrdosti Fig. 6 Selected patches in strip sheet for measuring hardness Tab. 2 Tvrdost HV 5 výchozí stav Table 2 Hardness HV 5 initial state vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: 1 83,60 1 85,12 1 79,26 2 79,02 2 89,13 2 79,95 M01 3 81,87 M02 3 87,49 M03 3 81,38 4 82,11 4 87,76 4 84,10 5 82,60 5 94,02 5 93,13 x = 81,8 x = 88,7 x = 83,56 Tab. 2 Tvrdost HV 5 po 8 průchodech Table 2 Hardness HV 5 after 8 passes vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: vzorek: měření: tvrdost: 1 112,94 1 117,40 1 118,24 2 119,52 2 110,61 2 116,98 M101 3 121,69 M102 3 113,33 M103 3 118,24 4 118,24 4 113,33 4 127,16 5 113,73 5 117,40 5 116,16 x = 117,2 Z dosažených výsledků je možno konstatovat, že došlo ke zvýšení tvrdosti o 45% oproti výchozímu stavu. Proces se jeví jako velice efektivní [4]. V dalších pracích bude nutno ověřit vliv tepelného zpracování na dosažení potřebné tažnosti i stability struktury. x = 114,4 x = 119,36 3. CELKOVÉ VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ Nově navržené zařízení DRECE je ve stadiu funkčního ověřování. Bylo konstruováno jako prototypové zařízení pro výrobu UFG struktury v pásech plechu z neželezných kovů s následnou možností přetvoření i ocelových plechů v tloušťkách 1,7 a 2 mm. V daném procesu se jedná především o vytvoření dostatečného počtu střižných systémů s různou orientací v krystalografické mřížce. Na rozdíl od technologie ECAP a technologie CCDC (Cyclic Channel Die Compression) nedosahujeme v jednotlivých průchodech tvářecím
nástrojem tak vysokého stupně deformace, jako hlavního faktoru ovlivňujícího efektivitu procesu SPD a tímto i dosažení potřebného zjemnění zrna. Vytvoření UFG struktury v pásu plechu je úzce spojeno s návrhem vhodné geometrie tvářecího nástroje, vhodně dimenzované pohonné jednotky a řídicího systému umožňující nastavení různých velikostí obvodových rychlostí. Dále je nutno optimalizovat přítlačnou sílu a tímto tlak na přítlačných válcích, aby nedocházelo k procesu válcování, ale pouze k protlačování. Dalším faktorem ovlivňujícím daný tvářecí proces je zajištění mazání jen v zóně deformace, tak, aby mazivo neulpívalo na podávacím válci a nedocházelo ke snížení třecí (protlačovací ) síly. V opačném případě by docházelo k prokluzu a materiál by zůstal v nástroji jen částečně protlačen. V neposlední řadě se jedná o přesné vymezení všech vůlí v celém tvářecím zařízení DRECE. Z hlediska tvářecích parametrů, při vyšších počtech průchodů bude docházet ke značnému zpevňování tvářeného materiálů, které musí být kompenzováno zvýšením velikosti sil v přítlačných válcích a zároveň optimalizováním odpovídající rychlosti podávání plechu (resp. rychlosti deformace). PODĚKOVÁNÍ Výzkumné práce byly realizovány v rámci projektu 2A-1TP1/124 za finanční podpory MPO. Název projektu: Výzkum vlivu extrémních podmínek deformace na submikrostrukturu kovů a zkušebních metod pro diagnostiku jejich technologických vlastností. LITERATURA [1] TATSUYA,T., KAZUHIKO, O. and SABUROV, T. Precise Extrusion Technology by Conform Process for Irregular Sectional Copper, Hitachi Cable Review, No. 21 (August 2002), p. 77-82 [2] SHUBO, X., GUOQUN, Z., XUFANG, R. and YANJIN, G. Numerical investigation of aluminum deformation behavior in threedimensional continuous confined strip shearing process, Materials Science and Enginnering A, 476 (2008), p. 281-289. [3] CHONGXIANG H., SHIDING WU., SHOUXIN L. and ZHEFENG Z. Strain Hardening Behavior of Ultrafine-Grained Cu by Analyzing the Tensile Stress-Strain Curve, Advanced Engineering Materials, 2008, 10, No. 5, p. 434-438 [4] RUSZ, S., MICHENKA V., GOTTWALD, M. and MALANÍK K. Průběžná zpráva hodnocení projektu za r. 2010, srpen 2010, VŠB TU Ostrava, FS, Laboratoře a zkušebny, VÚHŽ a.s., p. 1-21