Widok Wpływ struktury na odkształcalność na zimno stopu AlZn6Mg2Cu (PA9)

dr in . Jacek Borowski, dr in . Jarosław Samolczyk Instytut Obróbki Plastycznej, Pozna

WPŁYW STRUKTURY NA ODKSZTAŁCALNO

NA ZIMNO STOPU AlZn6Mg2Cu (PA9)

W pracy przedstawiono wyniki próby ciskania stopu aluminium AlZn6Mg2Cu (PA9). Próbki poddano obróbce cieplnej maj cej na celu zró nicowanie stanu strukturalnego materiału. Na podstawie krzywych umocnienia i pomiarów twardo ci, jak równie obserwacji mikroskopowej, okre lono najbardziej korzystne (z punktu widzenia plastyczno ci) parametry obróbki ciepl-nej. Nie stwierdzono istotnego wpływu czasu wygrzewania oraz czasu od rozpocz cia odkształcenia do zako czenia obróbki cieplnej na przebieg krzywej odkształcenia. Najmniejsz plastyczno miała próbka wyci ta z materiału w stanie dostawy. Najwi ksz plastyczno miały próbki wygrzewane w temperaturze 520 oC i chłodzone wraz z piecem.

Słowa kluczowe: próba ciskania, krzywa umocnienia, odkształcalno , stop aluminium, obróbka cieplna

1. Wst p

W przemy le wiatowym produkcja aluminium i jego stopów zajmuje drugie miejsce po stali. Stopy aluminium pierwsze masowe zastosowanie znalazły w budowie samolotów. W obecnych czasach konkuru-j one ze stopami magnezu i tytanu. Nato-miast zu ycie aluminium w przemy le mo-toryzacyjnym ci gle wzrasta. Zwi zane to jest ze stosunkowo nisk cen przy ko-rzystnych własno ciach wytrzymało cio-wych. Wg [1] masa cz ci samochodowych wytworzonych ze stopów aluminium w 2005 r. w samej tylko Europie b dzie wynosiła około 1900 kton; dla porównania w 1994 wynosiła ok. 675 kton. Z danych przedstawionych na rysunku 1 wynika, e w strukturze wyrobów ze stopów aluminium nast pi istotny wzrost udziału wyrobów odkształcanych plastycznie kosztem odle-wów.

Głównymi pierwiastkami stopowymi w stopach aluminium s mied , krzem, magnez, mangan, cynk, lit, cyrkon, bor oraz chrom, kobalt i inne. Odpowiedni do-bór składu chemicznego i wła ciwa obrób-ka cieplna pozwalaj uzysobrób-ka wymagane własno ci wytrzymało ciowe [2]. Na pod-stawie analizy kosztów wytwarzania prostej

cz ci karoserii samochodu wykonanej z stopu aluminium wykazano, e koszt ma-teriału wynosi 62% cało ci kosztów wyro-bu, a dalsze 28 % pochłaniaj koszty ba-da laboratoryjnych. Koszty narz dzi i koszty konserwacji nie przekraczaj 1 %. Wynika z tego, e dla prostych cz ci

obnienie kosztów wytwarzania wyrobów mo -na uzyska przede wszystkim przez zasto-sowanie ta szych materiałów konstrukcyj-nych. Trudno jest natomiast uzasadni ce-lowo wdro enia technologii wykorzystu-j cewykorzystu-j drogie materiały nawet o znacznie lepszych własno ciach oraz obróbki istot-nie podwy szaj cej koszty produkcji. Sto-sunkowo wysokie koszty precyzyjnego od-lewania powoduj , e coraz cz ciej po-dejmuje si wykonanie wyrobu metodami obróbki plastycznej kosztem wyrobów od-lewanych. Nale y jednak zaznaczy , e dotyczy to prostej cz ci, która nie wymaga skomplikowanej technologii wykonania i produkowana jest masowo. Podczas wy-konywania mniejszych serii wyrobów o bardziej skomplikowanych kształtach, zmniejsza si udział kosztów zakupu mate-riału, a wzrasta wpływ technologii wykona-nia.

Rok 1994 ( 657 kton)

6%

2%

11%

81%

20%

3%

12%

65%

Rys. 1. Struktura wyrobów ze stopów aluminium w Europie w latach 1994 i 2005 na podstawie [1]

Na własno ci wykonanych wyrobów maj wpływ wszystkie operacje procesu technologicznego. Czynnikami, które decy-duj o własno ciach wyrobu wykonanego ze stopu aluminium s : struktura wyj ciowa materiału przed odkształceniem, tempera-tura odkształcania, warto odkształcenia oraz ko cowa obróbka cieplna.

Badania stopów aluminium wykazuj , e ich własno ci s silnie zwi zane z pr d-ko ci odkształcenia i temperatur [3,4]. Wzrost temperatury jak i spadek szybko ci odkształcania obni aj własno ci wytrzy-mało ciowe i podnosz plastyczno . Nie jest to reguł w przypadku, gdy plastycz-no wyra ona b dzie przew eniem próbki. Na rysunku 2 przedstawiono zale -no ci włas-no ci wytrzymało ciowych i pla-stycznych od pr dko ci odkształcania sto-pów EN AW – AlMg2 (PA2), AlZn6Mg2Cu (PA9). Przebieg krzywej stopu PA2 jest charakterystyczny dla stopów niskowy-trzymałych, natomiast PA9 - dla wysokowy-trzymałych.

Rys. 2. Wpływ pr dko ci odkształcenia na własno ci plastyczne stopów PA2 i PA9

przy temperaturze 500 oC [3]

Istotny wpływ na wielko napr enia podczas obróbki plastycznej na zimno ma stan strukturalny materiału wyj ciowego. W stopach aluminium wpływ stanu

wyj-ciowego jest jeszcze wyra niejszy, ponie-wa nawet w temperaturze otoczenia, za-chodz procesy wydzieleniowe, które mog znacznie pogorszy odkształcalno bada-nych stopów. Szczególnie trudnym w obróbce plastycznej na zimno jest stop aluminium (PA9 – AlZn6Mg2Cu) zawiera-j cy cynk. W pracy podzawiera-j to prób okre le-nia odkształcalno ci tego stopu i okre lele-nia rodzaju obróbki cieplnej przed odkształce-niem daj cej najmniejsze napr enie upla-styczniaj ce podczas próby ciskania.

2. Materiał i metodyka bada

Do bada wybrano pr ty o rednicy φ 26 mm ze stopu aluminium AlZn6Mg2Cu – PA9, wykonane w Hucie Materiałów Lek-kich w K tach. Skład chemiczny materiału podano w tabeli 1. Analiz składu che-micznego wykonano w Laboratorium Cen-tralnym Aluminium Konin-Impexmetal.

Stopy aluminium nale do stopów, które si trudno trawi odczynnikami meta-lograficznymi. Dlatego stosuje si trawienie elektrolityczne, które wymaga specjalnych odczynników i do wiadczenia w doborze parametrów pr dowych. Opis prac wyko-nanych przy budowie stanowiska pomiaro-wego znajduje si w pracy BM 901 01 004 INOP, Pozna 1998 r. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania krzywej umocnienia pokazano na rys. 3.

P rz ew en ie w zg l d n e w [ % ] Pr dko odkształcenia [1/s] stop PA2 stop PA9

Tabela 1 Skład chemiczny stopu AlZn6Mg2Cu

Si [%] Fe [%] Cu [%] Mn [%] Mg [%] Zn [%] Al [%] 0,121 0,444 1,97 0,227 2,3714 5,296 reszta 1 2 3 4 5 6 2 2 0 V 2 2 0 V

Rys. 3. Schemat blokowy układu pomiarowego siły i przemieszczenia podczas wyznaczania krzywej umocnienia

1 - próbka, 2 - idukcyjny czujnik drogi typ W-50 firmy Hottinger (do pomiaru siły), 3 - indukcyjny czujnik drogi typ Wa-100 firmy Hottinger (do pomiaru drogi), 4 - wzmacniacz tensometryczny firmy

Hottinger typ MGC (dwukanałowy ), 5 - komputer z monitorem, 6 - mechanizm nap du maszyny wytrzymało ciowej ZD-100

Do wyznaczenia krzywej umocnienia stosuje si próbki w kształcie walca koło-wego z wytoczeniami w podstawach. Po-miar wykonuje si z zachowaniem jedno-osiowego stanu napr enia ciskanej próbki (1) z wytoczeniami, wypełnionymi smarem. Warstwa smaru oddziela podsta-wy próbki od ciskaj cych j gładkich ko-wadełek, redukuje wpływ tarcia pomi dzy ich powierzchniami i zapewnia równomier-ne odkształcenie próbki na jej wysoko ci. Zmian wysoko ci ciskanej próbki wska-zuje indukcyjny czujnik pomiarowy (3) Wa-100, który bezpo rednio odmierza zmian odległo ci pomi dzy czołowymi powierzch-niami kowadełek. Sił rejestruje indukcyjny czujnik W-50 przymocowany do

mechani-zmu zegarowego maszyny wytrzymało-ciowej ZD-100. Oba czujnik podł czone s do wzmacniacza tensometrycznego Firmy Hottinger typ MGC. Kanały wzmac-niacza tensometrycznego podł czone s do komputera, w którym zainstalowany jest program do rejestracji danych. Na ich pod-stawie wyznacza si wykres napr enia uplastyczniaj cego w zale no ci od od-kształcenia rzeczywistego (logarytmiczne-go).

3. Wyniki bada

Przeprowadzono wy arzanie zmi kcj ce oraz utwardzanie dyspersykcjne w za-kresie temperatur 400–520 oC stosuj c ró ne rodki chłodzenia (powietrze, woda, z piecem). Uzyskano w ten sposób ró ne stany strukturalne. Najmniejsz twardo ci charakteryzowały si próbki utwardzone, chłodzone wraz z piecem. Jednocze nie twardo próbek chłodzonych na powietrzu była nieznacznie ni sza od próbek chło-dzonych w wodzie. Najmniejsz twardo uzyskała próbka wygrzewana w 500 oC i chłodzona wraz z piecem. Najwi ksz twardo uzyskały próbki chłodzone w wodzie. Prawdopodobnie powodem s napr -enia cieplne, które powstały podczas gwałtownego ochłodzenia. Mo na wnio-

skowa , e wydzielanie zwi zków, które zachodzi podczas powolnego ochładzania nie powoduje znacznych zmian twardo ci. Wyniki pomiarów twardo ci przedstawiono na wykresie – rys. 4.

Struktur wybranych próbek po uprzednim wypolerowaniu i wytrawieniu elektrolitycznym przedstawiono na rys. 5-8. Podczas przesycania w wodzie nast puje rozpuszczenie wi kszo ci faz i zwi zków. Z obserwacji mikroskopowych próbek wyni-ka, e struktura próbek chłodzonych w wo-dzie i na powietrzu jest bardzo podobna (podobnie jak twardo ), natomiast próbki chłodzone z piecem charakteryzuj si licznymi wydzieleniami. Próbki wygrzewane w temperaturze powy ej 500 oC maj struk-tur ziarnist zrekrystalizowan .

Temperatura wygrzewania 100 69 112 95 66 89 60 123 91 66 110 101 103 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 mat. w stanie dostawy

woda powietrze piec

Sposób chłodzenia T w a rd o , H B W 2 ,5 / 6 2 ,5 .. 400 C 480 C 500 C 520 C

Rys. 4. Twardo stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w temperaturze 480 oC, 500 oC i 520 oC oraz chłodzonych w wodzie, na powietrzu lub z piecem

Rys. 5. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu w stanie surowym (pow. 250x)

Rys. 6. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 400 oC i chłodzeniu na powietrzu (pow. 250x)

a) b)

Rys. 7. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 480 oC i chłodzeniu a) z piecem, b) na powietrzu (pow. 250x)

a) b)

Rys. 8. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 520 oC i chłodzeniu a) w wodzie, b) z piecem (pow. 250x)

Wyznaczanie krzywej umocnienia w próbie jednoosiowego ciskania

Prób ciskania wykonywano na prób-kach Rastiegajewa, bezpo rednio po ob-róbce cieplnej. Na podstawie danych zare-jestrowanych w komputerze, wyznaczono wykres zmiany napr enia uplastyczniaj -cego w zale no ci od odkształcenia rze-czywistego (logarytmicznego). Wykresy przedstawiono na rys. 9–12. Z rysunków wynika, e najmniejsz plastyczno miała próbka wyci ta z materiału surowego. Od-kształcalno materiału w takim stanie była bardzo mała – rys. 9, a wszystkie próbki uległy pop kaniu. Szybko odkształcania nie miała wpływu na warto napr enia uplastyczniaj cego.

Stop AlZn6Mg2Cu w stanie dostawy

0 200 400 600 800 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Odkształcenie logarytmiczne ε N a p r e n ie u p la st y c z n ia j c e . [ M P a ] 0,0003 mm/s 0,0007 mm/s 0,0011 mm/s

Rys. 9. Krzywa napr enia uplastyczniaj cego stopu AlZn6Mg2Cu w stanie wyj ciowym przy

szybko ciach odkształcania: 0,0003; 0,0007 i 0,0011 mm/s

St op AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 400o_C 0 200 400 600 800 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Odkształcenie logary tmiczne ε

N ap r en ie u p la st y cz n ia j ce . [ M P a] z piecem - 0,0003 mm/s z piecem - 0,0007 mm/s z piecem - 0,0011 mm/s na powiet rzu - 0,0003 mm/s na powiet rzu - 0,0007 mm/s" na powiet rzu - 0,0011 mm/s

Rys. 10. Krzywa napr enia uplastyczniaj cego stopu AlZn6Mg2Cu po wy arzaniu w 400 oC

i chłodzeniu w ró ny sposób. Szybko odkształcania: 0,0003; 0,0007 i 0,0011 mm/s

Stop AlZn6Mg2Cu wygrzewany w 480oC

0 200 400 600 800 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Odkształcenie logarytmiczne, ε N ap r en ie u p la st y cz n ia j ce [ M P a] w wodzie na powietrzu z piecem

Rys. 11. Krzywa napr enia uplastyczniaj cego stopu AlZn6Mg2Cu po wy arzaniu w 480 oC

i chłodzeniu w ró ny sposób. Szybko odkształcania: 0,0007 mm/s

Stop AlZn6Mg2Cu wygrzewany w 520oC

0 200 400 600 800 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Odkształcenie logarytmiczne ε N ap re en ie u p la st y cz n ia j ce [ M P a] _{w wodzie} na powietrzu z piecem

Rys. 12. Krzywa napr enia uplastyczniaj cego stopu AlZn6Mg2Cu po wy arzaniu w 520 oC

i chłodzeniu w ró ny sposób. Szybko odkształcania 0,0007 mm/s

Wykonywano równie próby ciskania na próbkach bez wytocze , stosuj c folie teflonow jako rodek smaruj cy. Wyników tych nie mo na było porówna z wynikami uzyskanymi na próbkach z wytoczeniami. Warto odkształce w tych samych wa-runkach obróbki ró niła si . Przeprowa-dzono równie próby stosuj c ró ny czas przesycania (0,5 1 i 3 godziny) oraz ró ny czas od ko ca obróbki do pocz tku od-kształcania (20 min, 1 godzina, 3, 24 i 48 godziny). Nie stwierdzono istotnego wpły-wu czasu wygrzewania, jak i czasu przerwy od momentu obróbki cieplnej do pocz tku odkształcania na przebieg krzywej umoc-nienia.

4. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych bada mo na stwierdzi , e:

− stop aluminium AlZn6Mg2Cu w stanie dostawy hutniczej (prawdopodobnie po wyciskaniu na gor co) cechuje si bar-dzo mał plastyczno ci ,

− ka da z przeprowadzonych obróbek cieplnych, niezale nie od sposobu chło-dzenia z temperatury 400, 480, 500 czy 520 oC powoduje zwi kszenie plastycz-no ci stopu,

− przesycanie stopu (chłodzenie w wodzie po wygrzewaniu w temperaturze 480, 500 czy 520 oC), powoduje najmniejszy wzrost plastyczno ci badanego stopu, − najwi ksz plastyczno wykazywały

próbki wygrzewane w temperaturze 520 oC i chłodzone wraz z piecem,

− najmniejsz twardo ci charakteryzowały si próbki chłodzone z piecem (minimal-n - próbka wygrzewa(minimal-na w 500 oC), − twardo próbek chłodzonych na

powie-trzu jest nieznacznie ni sza od próbek chłodzonych w wodzie,

− najwi ksz twardo uzyskały próbki chłodzone w wodzie. Prawdopodobnie, wynika to z napr e cieplnych, które powstały podczas gwałtownego ochło-dzenia.

Przeprowadzone badania pozwalaj dobra optymalny rodzaj obróbki cieplnej pozwalaj cy kształtowa wyrób ze stopu AlZn6Mg2Cu. Badania zostały

wykorzysta-z piecem na powietrzu

ne przy projektowaniu obróbki plastycznej wyrobu wyciskanego na zimno.

Literatura

[1] Miller W.S. i inni: Recent development in aluminum alloys for the automotive industry. Materials Science & Engineer-ing A, 280 (2000) s. 37-49.

[2] Sweeney K., Grunewald U.: The appli-cation of roll forming for automotive structural parts Journal of Materials Processing Technology 132 (2003) s. 9-15.

[3] Gontarz A., Wero ski W. S.: Kucie sto-pów aluminium-Aspekty technologiczne i teoeretyczne procesu. Politechnika Lubelska –Lublin 2001.

[4] Brandt A.J., Bernarth G., Theisen S., Kopp R.: Ouantiative Beschreibung sta-tischer Entfestgungsvorsvorgange von Aluminium-legierungen mit Hilfe von Einzel – und Doppelstauchversuchen. Aluminium Vol. 73, Nr 1/2 , 1997, s. 76-82.

Prac zrealizowano w ramach działalno ci statutowej finansowanej przez Komitet Bada Naukowych:

Praca BM 901 57 000 – Badania odkształcalno ci stopów lekkich metali (aluminium i tytan)

THE INFLUENCE OF STRUCTURE ON COLD DEFORMABILITY AlZn6Mg2Cu (PA9) ALLOY

Abstract

The paper presents the results of a compression test of aluminium alloy, AlZn6Mg2Cu (PA9). The samples have been subjected to heat treatment aiming at differentiation of the structural state of the material. Basing on the work-hardening curves and hardness measurements, as well as on microscopic examination , the most advantageous (from the plasticity point of view) parameters of the heat treatment have been determined .No significant influence of the soaking time and the time from defor-mation start to the end of heat treatment on the shape of the of the defordefor-mation curve. The lowest plasticity was that of a sam-ple cut from the material as supplied. The highest plasticity was that of samsam-ples soaked at 520°C and cooled together with the furnace.