Materiał do badań został wytworzony w warunkach przemysłowych w linii ciągłego odlewania i walcowania techniką Conitnuus-Properzi (CP), która została przez producenta wyposażona w układy kontroli i pomiaru parametrów procesu produkcyjnego. Układ ten umożliwia rejestrację wybranych parametrów procesu, co pozwala na analizę ich wpływu na własności walcówki. Inne parametry takie jak: temperatura ciekłego metalu w wybranych miejscach linii technologicznej oraz temperatura wlewka po wyjściu z krystalizatora mierzono za pomocą rejestratorów temperatury wyposażonych w termoelementy typu K.
Charakteryzację składu chemicznego prowadzono na bieżąco podczas procesu odlewania przy użyciu optycznego spektrometru emisyjnego firmy ARL (wyposażenie NPA Skawina). Badania mechaniczne walcówki prowadzono zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 10002-1 [150] na maszynie wytrzymałościowej firmy Zwick, natomiast własności elektryczne określano mostkiem do pomiaru rezystancji firmy Tetex zgodnie z PN-83 E-04160/70, IEC 60468 [151-152].
Badania laboratoryjne procesu obróbki cieplnej walcówki przeprowadzono na specjalnie zbudowanym stanowisku badawczym w postaci pieca rurowego (por. rys. 5.2) o długości strefy grzewczej 2000 mm, które pozwoliło na obróbkę cieplną walcówki o długości 1500m i pomiar rezystywności próbek po wygrzewaniu na bazie pomiarowej 1000 mm. Takie podejście umożliwiło opracowanie charakterystyk zmian rezystancji w funkcji czasu i temperatury wygrzewania walcówki i na tej podstawie dobór parametrów procesu wygrzewania. Dla wybranego stopu aluminium z wytypowanego punktu na krzywej wygrzewania walcówki oraz dla materiału bezpośrednio po walcowaniu wykonano obserwacje mikrostruktury za pomocą mikroskopii świetlnej, skaningowej oraz elektronowej.
Rys. 5.2. Rurowy piec laboratoryjny
Na podstawie uzyskanych w warunkach laboratoryjnych charakterystyk wygrzewania wykonano partię materiału w warunkach przemysłowych w NPA Skawina. Tak przygotowaną walcówkę poddano ciągnieniu na wielociągu z prędkością 10 m/s wg następującego rozkładu średnic ciągadeł: 7,9; 6,9; 6,4; 5,5; 4,6; 4; 3,5 mm. Uzyskane wyniki opracowano w postaci
zależność Rm, oraz A100 w funkcji odkształcenia rzeczywistego. Druty o średnicy 3,5mm poddano charakteryzacji pod kątem własności wytrzymałościowych oraz elektrycznych po czym przeprowadzono badania mające na celu określenie temperatur rekrystalizacji danych materiałów w teście jednogodzinnej ekspozycji. W tym celu wykorzystano laboratoryjne suszarki firmy Memmert oraz BMT w zakresie badań temperaturowych do 300o
C oraz piec laboratoryjny firmy Czylok w zakresie badań temperaturowych (310-630)o
C. Uzyskane charakterystyki zmian własności wytrzymałościowych drutów podczas wygrzewania w czasie 1h przedstawiono w formie krzywych mięknięcia. Dla wybranych punktów z krzywych mięknięcia przeprowadzono obserwacje mikroskopowe na przekroju wzdłużnym drutów. Obserwacje mikrostruktury ujawnionej metodą Barkera dokonano przy użyciu mikroskopu firmy Olimpus. Dla tak przygotowanych i scharakteryzowanych drutów ze stopów aluminium-cyrkon przeprowadzono parametryzację ich długoczasowej odporności cieplnej. Badania nad procesem wygrzewania drutów prowadzono w suszarkach laboratoryjnych, które dodatkowo kontrolowano za pomocą układu pomiarowego Spider 8 wyposażonego w zestaw termoelementów typu K, zakupionego na ten cel dzięki wsparciu Ministerstwa Nauki
i Szkolnictwa Wyższego w ramach grantu badawczego. Badania własności
wytrzymałościowych drutów przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej firmy Zwick.
6 Metodyka parametryzacji długoczasowej odporności cieplnej
przewodowych stopów aluminium
6.1 Definicja odporności cieplnej
Przez odporność cieplną, w sensie ogólnym, należy rozumieć zależność określającą szybkość zmian własności materiału w funkcji temperatury i czasu jego ekspozycji, ukształtowanych w procesach technologicznych, za pomocą dowolnych zjawisk fizyko-chemicznych. W odniesieniu do własności wytrzymałościowych, które ostatecznie konstytuują się na drodze obróbki cieplno-mechanicznej, takie rozumowanie wiąże się z aktywowanymi cieplnie procesami starzenia, zdrowienia i rekrystalizacji umocnionego materiału, który znajdując się w stanie termodynamicznie metastabilnym, dąży pod wpływem temperatury i czasu jej działania do obniżenia poziomu energetycznego. Tradycyjnie przyjętą miarą odporności cieplnej, zwłaszcza metali czystych technicznie, jest temperatura rekrystalizacji, najczęściej rozumiana jako temperatura całkowitej degradacji skutków umocnienia odkształceniowego materiału poddanego ekspozycji jednogodzinnego wygrzewania [51, 52]. Metoda ta polega na wygrzewaniu materiału w czasie 1h
w określonym zakresie temperatur, a następnie badaniu zmian własności
wytrzymałościowych. W procesach aktywowanych cieplnie często posługujemy się ekwiwalentem czas-temperatura w odniesieniu do tego samego poziomu spadku własności wytrzymałościowych. Oznacza to, że ekwiwalentem niskich temperatur jest długi czas ekspozycji. Wiadomo również, że zmiana temperatury o 10ºC skutkuje dwukrotną zmianą czasu wygrzewania przy założonej stałej zmianie obserwowanej wielkości [153] oraz, że mechanizmy odnowy struktury odkształconego materiału są różnorodne i charakteryzują się różnym poziomem energii aktywacji. Dlatego też wiele prac naukowych oraz prac o charakterze przemysłowym ukierunkowanych jest na badania kinetyki procesu zdrowienia i rekrystalizacji. Ważnym założeniem w powyższych badaniach jest to, aby spośród występujących procesów aktywowanych cieplnie, zdrowienie i rekrystalizacja były jedynymi procesami decydującymi o zmianie własności materiału w badanym zakresie temperatur i czasu jej działania. W odniesieniu do badanych stopów aluminium-cyrkon zakłada się, że podczas niskotemperaturowego wygrzewania dominować będzie głównie, typowy dla aluminium, proces zdrowienia struktury umocnionego materiału, rozumiany jako aktywowane cieplnie zjawiska anihilacji oraz przegrupowania dyslokacji [51, 52].
Na potrzeby niniejszej pracy odporność cieplną związano z procesem niskotemperaturowego wygrzewania materiału w ściśle określonym i z góry założonym czasie eksploatacji linii. Z uwagi na fakt, że projektowana żywotność linii elektroenergetycznych wynosi 50 lat [154], za miarę odporności cieplnej drutów z przewodowych stopów aluminium przyjęto taką temperaturę, w której nastąpi założony spadek wytrzymałości na rozciąganie. Dopuszczalny poziom spadku własności wytrzymałościowych przewodu nie powinien przekraczać 7 - 8% jego wytrzymałości na rozciąganie, co przekłada się na dopuszczalny spadek wytrzymałości na rozciąganie drutów aluminiowych na poziomie 10% wartości początkowej [48].