Studium vlastností modelových slitin hliníku na bázi Al-Cu-Mg bez olova určených pro obrábění

Studium vlastností modelových slitin hliníku na bázi Al-Cu-Mg bez olova určených pro obrábění Jiří Faltus a, Peter Sláma a, Ivana Stulíková b, Michal Hájek b, Jan Mádl c, Václav Koutný c, Karel Plaček d a) VÚK Panenské Břežany, s.r.o. 250 70 Panenské Břežany, jiri.faltus@cbox.cz b) MFF Universita Karlova v Praze, Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2 c) ČVUT v Praze, fakulta strojní, Zikova 4, 166 07 Praha 6 d) Alusuisse Děčín, s.r.o., Ústecká 37, 405 35 Děčín Abstract The EC regulations now being prepared limit severely lead content in metal and alloyed materials. If the European Parliament adopts the EC regulation End of Life Vehicles Directive in full as it has been drafted then utilisation of lead would be completely impossible in metals and alloys for vehicle design. Duralumin types of free-cutting alloys - such as: AlCu4PbMg(Mn) - possessing relatively high Pb content (0,8-1,5 wt. %). For their high strength and easy machinability they belong among widespread free-cutting aluminium alloys used in design practice here and throughout the whole of Europe. The research now submitted has been motivated by a necessity of founding a detailed research in verification of potential replacements for lead-type free-cutting aluminium alloys of Al-Cu-Mg-Pb types by other alloys in Al-Cu-Mg system not containing toxic lead with comparable properties. The system Al-Cu-Mg-Me, where Me = Sn or Sn + Bi was studied. Present paper deals with the influence of Me on alloys solid solution decomposition during their thermo-mechanical treatment. The influence of structural parameters on chip forming and separation during machining was investigated. The results contribute to the enlarging of fundamental knowledge about aluminium alloys of type Al-Cu-Mg-Me. This is indispensable for the development of new, environmentally acceptable, machinable Al-alloys based on Al-Cu-Mg system, as lead-free options to free-cutting leaded alloys (EN AW-2007 and EN AW-2030) to industrial practice 1. Úvod. Ve světě se vyrábějí a všeobecně komerčně využívají tři základní typy obrobitelných slitin: AlCu6BiPb, AlMgSiPb a AlCu4PbMg(Mn). Tyto typy slitin jsou normalizovány v mezinárodních a evropských normách i ve všech národních normách vyspělých států světa. Dobrá obrobitelnost těchto slitin používaných pro třískové obrábění je podmíněna přítomností olova jako legujícího prvku. Bez olova mají slitiny malou lámavost třísky, jakost obrobeného povrchu je špatná, spotřeba energie na obrábění vysoká. Obzvláště při zpracování na obráběcích automatech je nutné používat materiály, které mají zaručenou obrobitelnost zejména z hlediska utváření třísek. U běžně používaných obrobitelných slitin se obsah olova pohybuje od 0,5 do 1,5 hm. %. Dobrá obrobitelnost je zaručena především přítomností měkkých, nízkotavitelných fází s obsahem olova. Při lokálním zvýšení teploty v místě řezu dochází k natavení těchto fází a tím ke zlepšení lámavosti třísky. Fáze zabraňují tvorbě nárůstků (build up) a významně snižují energetickou náročnost obrábění. Pro svou měkkost minimálně působí na abrasivní opotřebení nástroje [1]. Olovo je pro lidský organismus škodlivé. Nepříznivě ovlivňuje hematologický a nervový systém, má nepříznivé účinky na činnost ledvin a dalších orgánů. Ekologické tlaky

na eliminaci slitin obsahujících olovo stále sílí. Postupně se zpřísňují normy na úroveň obsahu těžkých kovů ve vodě, potravinách a v celém životním prostředí. Slévárny a další výrobci, které zpracovávají olovnaté slitiny hliníku budou muset postupně instalovat drahé monitorovací zařízení ke kontrole emisí tak, jak je to již zavedeno u zpracovatelů beryliových bronzů. Současně připravované legislativní předpisy Evropského společenství (ES) silně omezují obsah olova v kovech a slitinách. Například bude-li Evropským parlamentem schválena navrhovaná směrnice ES End of Life Vehicles Directive v plném navrhovaném znění, bude v kovech a slitinách pro dopravní prostředky olovo úplně vyloučeno. V případě, že budou akceptovány připomínky hliníkářského průmyslu k této směrnici, bude jeho povolený obsah v tvářených hliníkových slitinách omezen na max. 0,4 hm. % [2]. Všechny tři typy současných olovnatých automatových slitin hliníku mají obsah Pb větší než 0,4 hm. %. Otázka nutnosti vývoje bezolovnatých obrobitelných slitin hliníku byla v polovině 90. let otevřena firmou Alusuisse-Děčín. Ve spolupráci s touto firmou jsme vyvinuli dvě nové hliníkové automatové slitiny a to AlCuSnBi, která nahrazuje slitinu AlCu6BiPb, dle evropských norem označenou EN AW-2011 a AlMgSiSnBi, která je bezolovnatou alternativou slitin AlMgSiPb a AlMg1SiPb (EN AW-6012 a EN AW-6262). Obě nové slitiny jsou předmětem evropských patentů [3]. Automatové slitiny hliníku duralového typu AlCu4PbMgMn a AlCu4PbMg (EN AW- 2007 a EN AW-2030), které obsahují relativnì vysoké množství olovo (0,8-1,5 hm. %), představují poslední ze tří základních skupin olovnatých obrobitelných slitin hliníku. Pro svou vysokou pevnost a snadnou obrobitelnost jsou jedny z nejrozšířenějších automatových hliníkových slitin používaných v kostruktérské praxi u nás a v celé Evropě. Jsou normalizovány v Evropských normách a národních normách mnoha zemí a až dosud se běžně používájí např. v Německu, Švýcersku, Itálii, Francii, Španělsku, Norsku a dalších zemích. Pro vysoký obsah olova bude použití těchto vysokopevných slitin rovněž silně omezeno, zejména v dopravním strojírenství a potravinářském prùmyslu. V současnosti neexistují jejich případné bezolovnaté náhrady. Práce, prezentované v našem příspěvku byly vyvolány nutností podrobnějšího základního výzkumu zaměřeného na ověření potenciální možnosti náhrady olovnatých obrobitelných hliníkových slitin typu AlCu4PbMg(Mn) jiným slitinami systému Al-Cu-Mg. Obrobitelnost nových materiálů bez obsahu olova a jejich mechanické a další vlastnosti by měly být srovnatelné s komerčně používanými olovnatým slitinám typu AlCu4PbMg(Mn). Z předcházejících našich prací [3, 11, 12] vyplynulo, že jedna z možností řešení tohoto problému je náhrada olova cínem ve spojení s dalšími netoxickými kovy. Cín může vytvořit ve struktuře hliníkové slitiny měkké, nízkotavitelné fáze, které vedou k lámavosti a stáčivosti třísky. Na rozdíl od olova se ale cín v hliníku částečně rozpouští. Tím významně ovlivňuje rozpad tuhého roztoku a zásadně mění vlastnosti vytvrditelných hliníkových slitin. Náš experiment se zaměřil na: a) Výzkum systému Al-Cu-Mg-Me, kde Me je Sn v kombinaci s Bi. Studium vlivu chemického složení na vznik, charakteristiku a morfologii fází tohoto systému. b) Studium rozpad tuhého roztoku sledovaného systému Al-Cu-Mg-Me v závislosti na chemickém složení a tepelně-mechanickým zpracováním. c) Zjištění rozhodujících strukturních činitelů, které ovlivňují geometrii a morfologii třísky a kvalitu obrobeného povrchu za modelových řezných podmínkách. Jako referenční materiál pro hodnocení struktury, vlastností a charakteristik obrobitelnosti se použila stávající technická slitina systém Al-Cu-Mg-Pb, tedy slitina EN - AW AlCu4PbMgMn (EN AW-2007).

2. Experiment V poloprovozních podmínkách byly stacionárním litím do grafitové kokily odlity čepy o průměru 205 mm ze slitiny typu AlCuMgSnBi s dvěma úrovněmi obsahu hořčíku, nižší s obsahem Mg kolem 0,3 hm.% (slitina ) a vyšší, s obsahem Mg cca 0,8 hm. % (slitina V) (tab. 1). V provozních podmínkách Alusuisse Děčín byly odlitky zpracovány na tyče jmenovitého průměru 30 až 36mm. Na výrobcích v konečných stavech se zjišťovaly strukturní a mechanické vlastnosti a obrobitelnost. Jako referenční materiál pro hodnocení mechanických vlastností, kinetiky rozpadu přesyceného tuhého roztoku, struktury a charakteristik obrobitelnosti se použily tyče průměru 30 mm z technické slitiny AlCu4PbMgMn (EN AW-2007) zhotovené v provozních podmínkách Alusuisse obvyklým výrobním postupem ve dvou modifikacích obsahů slitinových prvků (slitina 6254 - R a slitina 3254 - E) (tab. 1). Tabulka 1 Chemické složení experimentálních a referenčních slitin v hm. % Slitina Označení Si Fe Cu Mn Mg Ti Pb Bi Sn AlCuMgSnBi 0,564 0,305 4,420 0,726 0,267 0,035 0,006 0,363 1,480 AlCuMgSnBi V 0,112 0,138 4,360 0,552 0,822 0,0003 0,012 0,185 1,650 AlCu4PbMgMn (6254) R 0,646 0,570 4,060 0,666 0,679 0,021 1,125 <0,001 0,003 AlCu4PbMgMn (3254) E 0,175 0,348 3,691 0,538 0,570 0,019 1,017 0,002 0,0001 Strukturní vlastnosti konečných stavů se studovaly na podélných řezech pomocí světelné metalografie. Rozložení a složení fází se sledovalo metodou elektronové mikroanalýzy na rastrovacím elektronovém mikroskopu DSM 940. V režimu odražených elektronů se sledovalo rozložení fází, identifikace fází proběhla pomocí plošných rozložení jednotlivých prvků. Rozpad přesyceného tuhého roztoku Al-Cu-Mg vzorků slitiny R a - bez a s přítomností cínu byl zkoumán měřením izochronních žíhacích křivek rezistivity. Po zhotovení vzorků pro elektrická měření následovalo rozpouštěcí žíhání 510 o C/1 h ukončené rychlým ochlazením do vody. Následné izochronní žíhání vzorků probíhalo v režimu 30K/30min a to v lázni silikonového oleje (do 240 o C) a v peci s argonovou atmosférou při vyšších teplotách. Rezistivita vzorků byla měřena klasickou čtyřbodovou metodou při 77K v sérii se srovnávacím vzorkem sloužícím ke korekci teplotní nestability lázně kapalného dusíku. Parazitní termosíly byly potlačeny komutací měřícího proudu. Pro doplnění informace byly měřeny i izochronní žíhací křivky tvrdosti HV 10. Žíhání vzorků probíhalo naprosto stejně jako při měření rezistivity, fázové složení materiálu je tedy pro jednotlivé teploty žíhání identické. Mechanické vlastnosti se určovaly standardním způsobem na kruhových tyčích o průměru 8 mm, odebraných v podélné ose konečných tyčí. Zkouškami obrobitelnosti se studoval vliv řezné rychlosti a tloušťky odebírané vrstvy na tvar třísky. Při zkouškách se vycházelo z metodiky Alusuisse - Lonza. Vzorky kruhové tyče se obráběly soustružením na sucho nožem 25x25 ON 3712 - P30 (ISO 2R) s úhlem nastavení k =45, úhlem čela nože g =6, s úhlem hřbetu nože =8 a hloubkou řezu a=2 mm. Posun nože se měnil v intervalu od 0,05 do 0,15 mm/ot. a řezná rychlost v se pohybovala v

rozmezí od 100 do 200 m/min. Podle předepsané šestistupňové klasifikační stupnice FN 1 (nejhorší) až FN 6 (nejlepší) se hodnotil charakter třísky. Vedle třísky se měřila drsnost povrchu. Zkoušky byly provedeny na pracovišti Ústavu strojírenské technologie. 3. Výsledky a diskuse ρ/ρ0[%] 20 0-20 -40-60 Rozpad přesyceného tuhého roztoku Al-Cu-Mg. Z izochronních žíhacích křivek rezistivity obou zkoumaných materiálů podrobených rozpouštěcímu žíhání je vidět (Obr.1), že proces rozpadu přesyceného tuhého roztoku mezi pokojovou teplotou a 200 o C v nich probíhá odlišným způsobem. Prvotní vzrůst rezistivity mezi teplotou 20 o C a 200 C je u slitiny s Sn téměř potlačen, zatímco u slitiny s Pb tyto počáteční efekty jsou výrazné. Hlavní žíhací stádium je situováno u obou slitin mezi 200 o C-320 o C. Podobný je průběh žíhacích křivek i nad teplotou 320 C, kde se pozoruje vzrůst rezistivity. Izochronní žíhací křivka AlCu4PbMgMn ve shodě s literárními údaji [4,5] odráží precipitační sekvenci Cu v Al, kterou lze schematicky znázornit takto: 20 o C 200 o C 320 o C 360 o C 500 o C vznik a hrubnutí GP zón tvorba Θ' tvorba Θ a částečná rekonstrukce SSS R 20 120 220 320 420 520 T [ C] Obr. 1: Izochronní žíhací křivky rezistivity slitin AlCu4PbMgMn ( R ) a AlCuMgSnBi () po rozpouštěcím žíhání 510 o C/1 h rekonstrukce SSS Tomu odpovídá i průběh izochronní žíhací křivky tvrdosti HV 10 (obr.2) s vytvrzením až 40%. Absence raného HV 10 160 140 120 100 80 60 Obr. 2: Izochronní žíhací křivky tvrdosti HV 10 slitin AlCu4PbMg ( R ) a AlCuMgSnBi () po rozpouštěcím žíhání 510 o C/1 h R 0 100 200 300 400 500 T [ C] precipitačního stádia u slitiny AlCuMgSnBi je podle našich zkušeností se slitinami AlCuSnBi [6-8] dána tím, že je výrazně potlačena tvorba GP zón typických pro binární slitinu Al- Cu. Atomy Sn a jejich drobné shluky vážou totiž silně vakance [9,10], které pak nemohou usnadnit tvorbu GP zón. K precipitaci Sn dochází již během ochlazování z teploty rozpouštěcího žíhání a při nižších teplotách následného izochronního žíhání. Jak ukazuje průběh žíhacích křivek tvrdosti a rezistivity, lze očekávat, že při teplotách nad 120 C bude

docházet pravděpodobně k tvorbě S -fáze známé ze systému Al-Cu-Mg a to přednostně na shlucích Sn, které mohou sloužit jako nukleační centra. K prověření této hypotézy je však třeba přímého pozorování pomocí transmisní elektronové mikroskopie, které se v současnosti provádí. Změna kinetiky rozpadu slitiny AlCuMgSnBi daná přítomností Sn bude tak mít, stejně jako u Al-Cu [11, 12] zřejmě výrazný dopad při hledání optimálního tepelného zpracování (obr. 3). 140 130 120 Tvrdost HV30 110 100 90 80 R V 70 60 1 10 100 1000 Doba přirozeného stárnutí (h) Obr. 3: Porovnání křivek přirozeného stárnutí experimentálních slitin AlCuMgSnBi (, V) a referenční slitiny AlCu4PbMgMn (R ). Mechanické vlastnosti tyčí ve stavu po umělém stárnutí (T6) a ve stavu po přirozeném stárnutí (T4) po dobu minimálně 7 dnů uvádí tabulka 2. Tabulka 2 Mechanické vlastnosti experimentálních slitin AlCuMgSnBi ve stavech T6 a T4. Porovnání s hodnotami pro technické slitiny EN AW AlCu4PbMg(Mn) dle EN 754-2 ve stavu T3, T351 Slitina Označení Rozměr D (pr.) [mm] Stav Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] AlCuMgSnBi 30 T6 a) 317 + 4 453 + 0,5 14,4+ 0,4 AlCuMgSnBi V1S2 36 T6 a) 324 + 2 461 + 3 14,5+ 0,5 AlCu4PbMgMn R 15 T6 315 + 3 480 + 3 15,4+ 0,6 AlCuMgSnBi 30 T4 b) 307+2 463 + 1 17,7+ 0,5 AlCuMgSnBi V2K22 36 T4 b) 334 + 3 480 + 3 14,8+ 0,2 EN AW AlCu4PbMg(Mn) dle EN 754-2 T3, T351 <30 30<D< 80 T3, T351 min. 250 min. 220 min. 370 min. 340 a) po rozpouštěcím žíhání 500 o C x 1 h + umělém stárnutí 160 o C x 16 h b) po rozpouštěcím žíhání 500 o C x 1 h + přirozeném stárnutí min. 7 dní 7 6

METAL 2001 Z tabulky je patrné, že experimentální slitina vykazovala pevnostní hodnoty (Rp0,2 a Rm), které se vyrovnají pevnosti běžně dosahované u technické slitiny AlCu4PbMgMn a splňují zaručované hodnoty pro stavy T3 a T351 dle evropské normy EN 754. Rozložení fází. Ve struktuře experimentálních slitin byly přítomny drobné globulární částice, případně protažené tyčinky fází bohatých cínem, někdy doprovázené vizmutem, řádkovitě uspořádané ve směru tváření (obr. 4). Částice Sn(Bi) Částice Pb a) b) Obr. 4: Rozložení fází ve struktuře a) experimentální slitiny AlCuMgSnBi ve stavu T6 b) referenční komerční slitiny AlCu4PbMg (AA2007) ve stavu T3 Ve struktuře slitiny s nižším obsahem hořčíku (Mg 0,3 % - ) obsahovala většina těchto částic pouze cín, případně doprovázený vizmutem. Tyto měkké, nízkotavitelné částice snižují tření mezi řezným nástrojem a obráběným materiálem a usnadňují lámání odcházející třísky. Proto experimentální slitina s nižším obsahem hořčíku vykazovala v obou zkoušených stavech (T6 a T4) vynikající stáčivost a lámavost třísky (obr. 5a). Ve struktuře slitiny s vyšším obsahem hořčíku (0,8 % - V) se podstatně zvýšil počet částic, které vedle nízkotavitelných kovů Sn a Bi obsahovaly též hořčík. Hořčík vytvořil v těchto částicích tvrdé intermetalické fáze s vysokou teplotou tání (Mg2Sn - 778 oc a Mg3Bi2 823 oc), čímž podstatně zvýšil jejich tvrdost a teplotu tavení a tak snížil jejich pozitivní vliv na obrábění. Slitina s vyšším obsahem Mg (0,8 % - V) měla málo stáčivou třísku se sklonem tvořit dlouhé spojité spirály (obr. 5b). V komerční referenční slitině AlCu4PbMgMn jsou měkké nízkotavitelné fáze zlepšující obrobitelnost tvořeny fázemi olova. Z analýzy struktury vyplynulo, že rozložení částic olova ve struktuře analyzovaných vzorků této slitiny bylo značně nerovnoměrné, oproti rovnoměrnému rozložení měkkých fází Sn ve struktuře experimentální slitiny (obr. 4a-b). Tím lze vysvětlit relativně nízkou kvalitu třísky referenční slitiny AlCu4PbMgMn se sklonem tvorby spojité třísky (obr. 5c). a) b) c) Obr. 5: Třísky získané při zkoušce obrobitelnosti soustružením a) experimentální slitiny AlCu4MgSnBi s nižším obsahem Mg (0,3 % - ) b) experimentální slitiny AlCu4MgSnBi s vyšším obsahem Mg (0,8 % - V) c) referenční technické slitiny AlCu4PbMgMn (EN AW2007)

Obzvláště velmi dobrou stáčivost a lámavost třísky prokázala experimentální bezolovnatá slitina s nižším obsahem Mg při vyšších řezných rychlostech (obr. 6). Za těchto podmínek obrábění se tato experimentální slitina ukázala jako jednoznačně lepší než zavedená technická slitina AlCu4PbMgMn. 5 kód třísky (dle "LEV") 4 3 2 1 0 6254 v=100m/min V 0,05 0,147 0,117 0,078 posuv [mm/ot] kód třísky (dle "LEV") 4 3 2 1 0 6254 v=150m/min V 0,05 0,147 0,117 0,078 posuv [mm/ot] 5 kód třísky (dle "LEV") 4 3 2 1 0 6254 v=200m/min V 0,05 0,147 0,117 0,078 posuv [mm/ot] Obr. 6: Vliv řezné rychlosti v od 100 do 200 m/min na utváření třísky u experimentální slitiny AlCuMgSnBi s nižším obsahem Mg (0,3 %) -, s vyšším obsahem Mg (0,8 %) - V a z referenční technické slitiny AlCu4PbMgMn - 6254 - R 4. Závěry - Prokázalo se, že olovnaté obrobitelné slitiny hliníku duralového typu AlCu4PbMg(Mn) (EN AW-2007 a EN AW-2030) lze nahradit bezolovnatou alternativou na bázi slitin AlCuMgSnBi. - Cín v systému Al-Cu-Mg mění rozpadovou řadu přesyceného tuhého roztoku s potlačením předprecipitačních stádií. Tyto změny se promítají do způsobu tepelného zpracování těchto bezolovnatých obrobitelných slitin. - Experimentální slitiny typu AlCuMgSnBi vykazují při úplném vytvrzení podobné mechanické vlastnosti jako komerční obrobitelné slitiny duralového typu s obsahem olova. - Obrobitelnost při soustružení, hodnocená tvarem a lámavostí (dělitelnosti) třísky je úzce spojena s obsahem hořčíku. Při nižší úrovni obsahu Mg je obrobitelnost bezolovnaté slitiny podstatně lepší než stávající komerčních obrobitelných slitin duralového typu s obsahem olova. Poděkování: Práce vznikla za finanční podpory grantu č.gačr 106/00/1047. Tuto podporu autoři oceňují. Experimentální materiál byl připraven na výrobních zařízeních firmy Alusuisse Děčín, s.r.o. Za tuto pomoc autoři děkují vedení společnosti a pracovníkům technického rozvoje.

Literatura [1] Metals Handbook, Vol.2, ASM Metals Park, OH, 9 th ed., 1979, s.187 [2] Osobní informace z Alusuisse Děčín ze dne 2.3.1999 [3] FALTUS, J.- PLAČEK, K.: Aluminiumbegierung mit guter Spanbarkeit, Evropský patent EP 9781069.4-1270, Prioritat: CZ 09.09.96, CZ 2628-96 [4] HARDY, H.K.: J. Inst. Met. 78, 1950-51, p. 169 [5] HAASEN, P.: Physical Metallurgy, Cambridge Univ. Press, Cambridge 1978 [6] VOSTRÝ, P.- STULÍKOVÁ, I.- PELCOVÁ, J.- HÁJEK, M.- CIESLAR, M.- FALTUS, J.: Precipitační procesy ve slitině Al-Cu-Bi-Sn. in: Difúze a termodynamika materiálů. Ústav fyziky materiálů AV ČR, Brno 1998, ISBN 80-214-1128-7, s. 113-116 [7] MELICHOVA, O.- PROCHÁZKA, I.- VOSTRÝ, P.- STULÍKOVÁ, I.- CIESLAR, M.- FALTUS, J.: Studium precipitačních procesů ve slitině Al-Cu-Bi-Sn pozitronovou anihilační spektroskopií. in: Difúze a termodynamika materiálů. Ústav fyziky materiálů AV ČR, Brno 1998, ISBN 80-214-1128-7, s. 121-124. [8] CIESLAR, M., HÁJEK, M., PELCOVÁ, J., STULÍKOVÁ, I., VOSTRÝ, P.: The influence of Sn and Pb on decomposition process of Al-Cu-Bi based machinable wrought alloy. Aluminum Transactions 2 (2000) 278-282 [9] RINGER S.P., HONO K., SAKURAI T.: Metallurg. Mater. Trans. 26A, 1995, 2207 [10] SZELES CS., SÜVEGH K., HOMONNAY Z., VÉRTES A.: phys.stat.sol (a) 103, 1987, 397 [11] FALTUS, J., - PLAČEK, K.: Neue, gut spanbare Aluminiumlegierungen ohne Bleizusatze, Aluminium, 4, 1999, s.304 [12] FALTUS, J. - SLÁMOVÁ,M. - MÁDL,J.- KOUTNÝ, V.- PLAČEK, K.: Utváření třísky u nových slitin hliníku se zvýšenou obrobitelností, in. Proc. of 7.Inter. Metallurg. Symposium METAL98, vol.4, ed.prnka T., Tanger, Ostrava 1998, ISNB 80-86-1221-4, p.35