Charakterystyka taśm z aluminium i jego stopów wytworzonych metodą TRC

W literaturze można spotkać szereg publikacji ukazujących strukturę taśm z linii TRC o różnej grubości oraz otrzymanych z różnych gatunków stopów aluminium (choć głównie dotyczą stopów najpopularniejszych dla omawianej technologii, a mianowicie 1XXX, 8XXX oraz 3XXX). Omawiane struktury można znaleźć m.in. w pracach [87-93], a ich przykłady dla stopu serii 1XXX, 8XXX oraz 8XXX ukazane zostały na rysunkach 2.40-2.41.

a) b)

Rys. 2.40. Makrostruktura taśm otrzymanych w linii TRC obserwowana w kierunku wzdłuzym dla a) stopu aluminium serii 1XXX [92], b) stopu aluminium serii 8XXX [89]

Obserwując ukazane struktury można zauważyć, iż niezależnie od materiału nie prezentują one typowej struktury odlewniczej, lecz pewne połączenie struktury znamiennej dla materiału przerobionego plastycznie oraz w stanie po odlewaniu. Przy powierzchni obserwowane sa bowiem drobne, równoosiowe ziarna, wewnątrz tasmy natomiast zauważyć można długie dendryty, pochylone w kierunku odbioru ciepła i spotykające się w środkowej części taśmy [87-93].

49

Rys. 2.41. Makrostruktura taśm otrzymanych w linii TRC obserwowana w kierunku wzdłuzym, poprzecznym oraz ukośnym dla stopu aluminium serii 3XXX [87]

Rys. 2.42. Wpływ prędkości chłodzenia na tworzenie się faz Al-Fe w stopach aluminiowo – żelazowych (1XXX oraz 8XXX) [94]

50 W przypadku procesów odlewania, w większości przypadków struktura stopu wytworzona podczas krystalizacji odbiega od stanu równowagowego. Zagadnienie to nabiera szczególnego znaczenia w odniesieniu do materiałów odlewanych w sposób ciągły, w których ciekły metal wprowadza się miedzy obracające się cylindryczne krystalizatory. Prędkość krystalizacji takiego procesu jest duża i procesy dyfuzyjne nie mają wystarczającej ilości czasu i siły pędnej na wyrównanie składu w obrębie ziaren. W praktyce w wyrobach odlewanych obserwuje się makro i mikrosegregację składu chemicznego. Podczas procesów ciągłego odlewania mogą występować różne szybkości chłodzenia. W zależności od tego parametru, w stopach aluminium – żelazo (np. 1XXX czy 8XXX) mogą tworzyć się różne fazy, co ukazano na rysunku 2.42, które następnie mogą ulegać transformacji z faz nierównowagowych w równowagowe (np. podczas homogenizacji).

W przypadku badań mikrostruktury taśm z linii TRC autorzy prac [47,87-89,91-93,95] dokonali obserwacji, wskazującej iż materiał przy powierzchni jest silnie przesycony dodatkami stopowymi (szczególnie Fe), a około 90% wspomnianego żelaza znajduje się w roztworze stałym (przypisywane jest to dużej szybkości krystalizacji, powodującej przesycenie materiału). Inaczej sytuacja wygląda w przypadku środka odlewanej taśmy. Pierwiastki stopowe obserwowane są tam bowiem w postaci wydzieleń i dużych cząstek międzymetalicznych. Przy powierzchni natomiast cząstki międzymetaliczne są bardzo drobne. Omawiane zjawisko ukazane zostało na rysunku 2.43 dla stopu serii 8XXX (jest ono mniej widoczne dla stopów serii 1XXX [93]).

Rys. 2.43. Mikrostruktura taśmy otrzymanej w linii TRC obserwowana w kierunku wzdłużnym dla stopu aluminium serii 8XXX (Al-0,75Fe-0,67Si) [89]

Proces szybkiej krystalizacji powoduje powstawanie segregacji w środkowej części taśm z linii TRC. Zjawisko to zostało zaobserwowane i opisane w pracach [65,91,93,96,97]. Co oczywiste większa segregacja składników stopowych (i zapewne również zanieczyszczeń) zauważana jest w przypadku stopów niż w aluminium o czystości technicznej (zawierającym jedynie śladowe ilości Fe i Si) [93]. Zjawisko to zostało potwierdzone przez autorów pracy [96], których wyniki zaprezentowani na rysunku 2.45.

51

Rys. 2.44. Zjawisko segregacji w środkowej części taśmy z linii TRC (EN AW-8111) [91]

Rys. 2.45. Zawartość Fe oraz Si dla stopów aluminium serii 1XXX oraz 8XXX na grubości odlanej taśmy [96]

W publikacjach [88,89,96] można również znaleźć badania rozkładu mikrotwardości oraz zawartości dodatków stopowych na grubości otrzymanych taśm, potwierdzające możliwość występowania segregacji, a także przesycenia materiału dodatkami stopowymi w okolicy powierzchni taśmy.

52

Rys. 2.46. Rozkład twardości na grubości taśm z linii TRC odlanych na grubość 3mm oraz 6mm (Al-0,75Fe-0,67Si) [89]

W literaturze można również spotkać wyniki ukazujące rozkład grubości taśm z linii TRC na szerokości taśmy (rysunek 2.47). Jak widać na przedstawionym rysunku, taśma taka może charakteryzować się różnicami w grubości, szczególnie pomiędzy środkiem a brzegami taśmy. Różnice te jednak zostają zniwelowane na drodze walcowania na zimno.

53 W technologii Twin Roll Casting można zaobserwować szereg występujących defektów odlewanych taśm. Proces odlewania musi być więc odpowiednio opanowany, aby można było uniknąć różnorakich wad kształtu, powierzchni czy wad wewnętrznych wlewka odbijających się bezpośrednio na własnościach wyrobu [12,38,41,65]. Na rysunkach 2.48-2.56 ukazano przykładowe wady mogące powstawać podczas odlewania taśm w linii TRC. Pierwszą grupę wad stanowią wady kształtu.

Rys. 2.48. Przykład występowania niedolewów w taśmie z linii TRC [12]

Na rysunku 2.48 ukazano wadę w postaci niedolewu. Może ona powstawać, w momencie gdy prędkość odlewania jest zbyt wysoka lub zbyt niska, gdy występuje niewłaściwe ciśnienie metalostatyczne, a także w przypadku, gdy ciekły stop nie został odpowiednio przygotowany lub układ zasilania ciekłym metalem jest niewłaściwe zaprojektowany.

Rys. 2.49. Przykład występowania wyboczeń w taśmie z linii TRC [65]

Innym przykładem wady kształtu jest wyboczenie ukazane na rysunku 2.49. Obserwowany feneomen jest analogiczny do typowej wady występującej w procesie walcowania, przy niewłaściwej nastawie lub deformacji sprężystej czy termicznej walców. Wyboczenie powstaje na ogół na skutek naprężeń wewnętrznych wygenerowanych przez zmienne na szerokości odkształcenie plastyczne. Może się również pojawiać przy nieodpowiednim naciągu taśmy zadawanym przez zwijarkę podczas opuszczania obszaru walców, a także gdy nacisk walców jest nieodpowiednio dobrany do grubości odlewanej taśmy. Regulując naciskiem (zadając wstępny nacisk przed rozpoczęciem procesu) można tę wadę wyeliminować, co zostało ukazane na rysunku 2.50.

54

Rys. 2.50 Wpływ grubości odlewanej taśmy oraz funkcji siły docisku walców na tworzenie się defektów zewnętrznych w odlewie w zależności od odlewanego stopu aluminium [65]

Inną grupą wad są wady powierzchni, które mogą niekorzystnie wpływać na jakość końcowego wyrobu, którym jest blacha w stanie po walcowaniu. Przykładowe wady powierzchni ukazano na rysunkach 2.51-2.54.

Rys. 2.51. Przykład występowania zatarć w taśmie z linii TRC [41]

Zatarcia mogą powstawać przy ciągłym odlewaniu w linii TRC w wyniku przyklejania się odlewanej taśmy do walców, przez nieodpowiednie ich chłodzenie oraz smarowanie, a także w wyniku odskoku menisku na dolnym walcu (por. rys. 2.17). Przyczyną powstawania zatarć na odlewanej taśmie może być także wysoka szybkość odlewania lub nieodpowiednio przygotowana lub nadmiernie zużyta powierzchnia walców.

55

Rys. 2.52. Przykład występowania żyłek w taśmie z linii TRC [38]

Na rysunku 2.52 ukazano wadę powierzchni określaną jako żyłki. Żyłki są wadą powstającą w wyniku przenikania ciekłego stopu w szczeliny powstałe w walcach, które są następstwem pęknięć ich powierzchni.

Rys. 2.53 Przykład występowania wgnieceń w taśmie z linii TRC

Kolejnym przykładem wad powierzchni są wgniecenia. Najczęstszą przyczyną powstawania tego typu wady przy ciągłym odlewaniu metodą TRC jest uszkodzenie mechaniczne powierzchni walców lub nalepienia odlewanego metalu na walce.

Rys. 2.54. Przykład występowania pęcherzy wewnętrznych w taśmie z linii TRC [38]

Pęcherze zewnętrzne powstają wówczas, gdy gazy wydzielające się przy zalewaniu ciekłego stopu pomiędzy walce i zassane powietrze przenikają do metalu i nie mogą przemieścić się przez krzepnący odlew, a zwłaszcza przez granicę zakrzepły metal-walce, gdzie tworzy się naskórek, pod którym lokują się pęcherze. Pęcherze mogą również powstać przy niewłaściwym smarowaniu.

Dominująca wada wewnętrzna to segregacja składu chemicznego. Zjawisko to zostało już opisane na etapie analizy literaturowej struktury taśm powstającej w linii TRC. W przypadku procesu TRC zjawisko to przyjmuje charakterystyczna formę tzw. „kanałów” wzbogaconych w wydzielenia pierwotne. Autorzy pracy [65] wskazują jednak, iż wada ta

56 może być ograniczona poprzez odpowiedni dobór siły nacisku do grubości odlewanej taśmy, co ukazano na rysunku 2.56.

Innym objawem tej wady wewnętrznej może być struktura pasemkowa (pasemkowość). Wadzie tej sprzyja duża szybkość krzepnięcia stopów i mała szybkość dyfuzji. Szczególne znaczenie ma przebiegająca, w wyniku różnicy gęstości składników stopowych, segregacja fazy stałej oraz ciekłej w okresie krystalizacji.

a)

b)

c)

Rys. 2.55. Przykład występowania segregacji (a), segregacji kanałowej (b) oraz struktury pasemkowej w taśmie z linii TRC (c) [65]

Taśmy z linii TRC poddawane dalszemu przetwórstwu na blachy powinny być pozbawione opisanych wad, co jest możliwe poprzez odpowiedni dobór parametrów odlewania, przygotowanie walców - krystalizatorów oraz ciekłego metalu.

57

Rys. 2.56. Wpływ grubości odlewanej taśmy oraz funkcji siły docisku walców na tworzenie się defektów wewnętrznych w taśmie w zależności od odlewanego stopu aluminium [65]