Procesy kształtowania objętościowego Oryginalny artykuł naukowy
Solid forming processes Original Scientific Article
Badania walcowania pakietowego aluminium
oraz tłoczenia próbek z materiału o strukturze ultra drobnej
Studies of accumulative roll bonding of aluminum
and stamping of ultra-fine grain specimens of material
(1) Marek Pawlicki*, (2) Maciej Rozmysłowicz, (3) Michał PieszakInstytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland Informacje o artykule
Data przyjęcia: 17.08.2015 Data recenzji: 24.11.2015 Data akceptacji: 22.03.2016 Wkład autorów
(1) Autor koncepcji i założeń ba-dań walcowania i tłoczenia, wykonanie badań walcowa-nia i toczewalcowa-nia
(2) Autor koncepcji założeń do prób wykrawania, wykona-nie badań walcowania (3) Autor modyfikacji metody
przygotowania powierzch-ni, wykonanie badań wal-cowania i tłoczenia Article info Received: 17.08.2015 Reviewed: 24.11.2015 Accepted: 22.03.2016 Authors’ contribution
(1) Author of the concept and assumptions of the bonding and stamping tests, bonding and stamping tests (2) Author of the concept and
assumptions of the punch-ing, bonding and stamping tests
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki walcowania pakietowego (ARB – Accumulative Roll Bonding) wyżarzonego, czystego technicznie aluminium o grubości 1,2 mm. Poprzez obróbkę wielokrotnego walcowania otrzymano próbki - taśmy o strukturze ultra drobnej, o grubości około 1 mm. Obserwowano próbki po 8 przepuście ARB metodą EBSD (Electron Backscatter Diffraction Analysis), co pozwoliło wstępnie określić wielkość ziaren na mniejszą od 1 µm. Oszacowano również metodą rentge-nowską Scherrera średnią wielkość krystalitów, która wynosiła 180 nm. Następnie wykonano badania tłoczenia i przetłaczania wytłoczek na kilku zestawach stempli i matryc (kilka ciągów) w celu uzyskania głębokiej wytłoczki o bardzo małej średnicy (wytłoczki zbliżonej do obudowy kondensatora). Stwierdzono, że połączonymi me-todami walcowania pakietowego i tłoczenia (oraz kilku operacji przetłaczania) można uzyskać bardzo głębokie wytłoczki, zarówno o podwyższonych właściwościach me-chanicznych (w stosunku do materiałów konwencjonalnych – np. wyżarzonego, czys-tego technicznie aluminium), jak również o większych głębokościach aniżeli próbki wykonane z wyżarzonego materiału. Zaobserwowano bowiem ponad dwukrotne zwiększenie wartości granicy plastyczności oraz wytrzymałości na rozciąganie, dla próbek pobranych z taśm po procesie ARB, w stosunku do próbek wyciętych z ma-teriału wyżarzonego. Wynik ten jest zgodny z założeniami metody ARB. Podwyższone właściwości mechaniczne powinny się przełożyć na zwiększoną wytrzymałość eks-ploatacyjną obudów kondensatorów. Taśmy aluminiowe poddane walcowaniu me-todą ARB posiadały ponadto większą tłoczność niż taśmy niewalcowane.
Słowa kluczowe: walcowanie pakietowe, tłoczenie, aluminium, ultra drobne ziarno
Abstract
This article presents the results of accumulative roll bonding (ARB) of annealed, tech-nically pure aluminum with a thickness of 1.2 mm. Specimens – tapes with an ultra-fine grained structure and thickness of approx. 1 mm, were obtained through multiple rolling. Specimens were observed after the 8th ARB pass using EBSD (Electron Back-scatter Diffraction Analysis), which made it possible to preliminarily determine grain size to be less than 1 µm. Average crystallite size was also assessed using Scherrer’s X-ray diffraction method, and it amounted to 180 nm. Next, stamping and redrawing tests were performed on several sets of punches and dies (several draws) in order to obtain a deep drawpiece with a very small diameter (drawpiece similar to capacitor housing). It was observed that, by using the combined methods of accumulative roll bonding and stamping (as well as several redrawing operations), very deep drawpieces can be obtained, with both improved mechanical properties (compared to conventional materials – e.g. annealed, technically pure aluminum) and greater depths than speci-mens made from annealed material. Specispeci-mens collected from tapes after the ARB process had double the yield point and tensile strength compared to specimens cut out from
(3) Author of the modification of the surface preparation method, bonding and stam-ping tests
annealed material. This result is concurrent with the assumptions of the ARB method. Improved mechanical properties should translate to improved operational durability of capacitor housings. Aluminum tapes subjected to ARB also had greater drawability than tapes that were not rolled.
Keywords: accumulative roll bonding, stamping, aluminum, ultra-fine grain
1. WSTĘP
Walcowanie pakietowe (nazywane również walcowaniem metodą Accumulative Roll Bonding – w skrócie ARB) jest jedną z metod uzyskiwa-nia materiałów o strukturze ultradrobnej (UFG – ultra-fine grained) oraz o podwyższonych właś-ciwościach mechanicznych. Metoda walcowania pakietowego może zostać użyta do łączenia ze sobą różnego typu blach metalowych, zarówno z tych samych metali wsadowych, jak również dwóch lub więcej różnych metali w dowolnych kombinacjach, na przykład: stal/aluminium, alu-minium/miedź, miedź/miedź [1]. Na rys. 1 przed-stawiono schemat walcowania pakietowego.
1. INTRODUCTION
Accumulative roll bonding (ARB), is a me-thod of obtaining materials with ultra-fine grained (UFG) structure and improved mechanical pro-perties. The accumulative roll bonding method can be used to join different types of metal sheets, both in cases where the same stock metals are used and where two or more different metals are joined in any combination, for example: steel/aluminum, aluminum/copper, copper/copper [1]. Fig. 1 pre-sents a scheme of accumulative roll bonding.
Rys. 1. Schemat walcowania pakietowego (ARB) [12] Fig. 1. Accumulative roll bonding (ARB) scheme [12]
Proces technologiczny walcowania metodą ARB rozpoczyna się od wycięcia kawałków blach (taśm) o określonych wymiarach, takich samych dla wszystkich warstw wsadu wcho-dzących w skład danego pakietu. W pracach [1, 3, 5–8] opisano proces wyżarzania pociętych na odpowiedni wymiar próbek, przed przygotowa-niem (oczyszczeprzygotowa-niem) ich powierzchni. Wyża-rzanie wsadu miało na celu usunięcie naprężeń powstałych podczas cięcia i ujednorodnienie właściwości mechanicznych w próbkach łączo-nych w pakiety.
Następnym krokiem, przed złożeniem i prze-walcowaniem pakietu blach, było oczyszczenie i odtłuszczenie ich powierzchni. Istnieją różne
The ARB process begins with cutting out of pieces of sheets (tapes) with specific dimensions, identical for all stock layers entering into the composition of a given pack. Articles [1, 3, 5–8] describe the process of annealing specimens cut to the appropriate dimensions before preparation (cleaning) of their surface. Annealing of the stock was intended to remove stresses created during cutting and homogenize mechanical properties in specimens combined into packs.
The next step, before packing and redrawing of the sheet pack, was to clean and degrease their surfaces. There are various methods of cleaning Odtłuszczanie i czyszczenie
powierzchni blachy Degreasing and cleaning
of the sheet surface
Składanie blach Packing of sheets Walcowanie Rolling Cięcie Cutting
sposoby oczyszczania i przygotowywania po-wierzchni, zarówno chemiczne, jak również me-chaniczne. L. F. Ciupik w pracy [11] dokonał analizy literatury, na podstawie której stwier-dził, że oczyszczanie mechaniczne poprzez szczotkowanie jest najlepszym sposobem przy-gotowania powierzchni materiałów do łączenia (odkształceniem na zimno). Jak podaje autor, próbki, których powierzchnie przed spajaniem były oczyszczone mechaniczne, zostaną prawdo-podobnie trwale połączone. Opinię tę potwier-dzają autorzy innych publikacji [3, 5–7]. W ich pracach opisywane są badania materiałów, przy wytwarzaniu których zastosowano mechaniczne przygotowywanie powierzchni przed spajaniem. Różnice występują w opinii na temat stanu przy-gotowanej powierzchni. W opinii Tycelote’a [11], powierzchnią gwarantującą najlepsze połącze-nie jest powierzchnia matowa. Natomiast Ain-binder [11] w swoich publikacjach przedstawia pogląd, że najlepszą powierzchnią do przepro-wadzenia procesu spajania jest taka, na której widoczne są nadtopienia.
W pracach tych przedstawiono również wy-niki badań, w których pakiety tuż przed proce-sem spajania walcowaniem, wygrzewano przy podwyższonej temperaturze (w zależności m.in.: od rodzaju spajanych materiałów). Natomiast w pracach [6, 7] przedstawiono wyniki wpływu temperatury, przy której przeprowadzano proces łączenia na wytrzymałość połączenia spojonych ze sobą blach. Stwierdzono, że wraz ze wzros-tem wzros-temperatury wsadu wzrasta siła potrzebna na zerwanie utworzonego połączenia, jak rów-nież zmniejsza się wartość koniecznego odkształ-cenia potrzebnego do uzyskania trwałego połą-czenia materiałów.
Istotą procesu spajania blach metodą wal-cowania pakietowego jest dobranie odpowied-niego gniotu, zapewniającego powstanie popraw-nego, wytrzymałego połączenia blach. W bada-niach przedstawionych w pracach [3–6, 9] trwałe połączenie blach uzyskiwano przy gniocie pro-centowym wynoszącym około 50%. Takie od-kształcenie sprawiało, że próbka uzyskiwana po procesie spajania była grubości pojedynczej wars-twy wsadu.
Cały proces przeprowadzony był bez zasto-sowania smarowania [4, 9]. Użycie środka smar-
and preparing the surface, both chemical and mechanical. L.F. Ciupik, in article [11] conduc-ted an analysis of the literature, based on which he stated that mechanical cleaning by brushing is the best way to prepare the surfaces of ma-terials for joining (cold deformation). As the author states, specimens whose surfaces were cleaned mechanically before joining will probably be permanently joined. This opinion is confirmed by the authors of other publications [3, 5–7]. Their articles describe studies of materials, where mechanical surface preparation was applied be-fore joining. There are differences of opinion concerning the condition of the prepared sur-face. In Tycelote’s opinion [11], a matte surface guarantees the best bond. Ainbinder [11], how-ever, presents the opinion that the best surface for conducting the bonding process is one on which partial melting is visible.
These articles also present the results of stu-dies in which packs were soaked at elevated temperature just before the roll bonding process (depending on, among other things: the type of bonded materials). However, in papers [6, 7], the results of the impact of temperature at which the bonding process was performed on the strength of the bond of joined sheets were presented. It was stated that the force required to break the formed bond increases as the stock temperature increases, and the value of deformation necessary to obtain a permanent bond between materials decreases.
The essence of the sheet bonding process by means of accumulative roll bonding is to select the appropriate draft, ensuring the formation of a proper, strong bond between sheets. In the stu-dies presented in papers [3–6, 9], a permanent bond between sheets was obtained at a percen-tage draft amounting to approximately 50%. Such deformation caused the specimen obtained after the bonding process to have the thickness of a single stock layer.
The entire process was conducted without lubrication [4, 9]. The use of a lubricant would re-
nego zmniejszyłoby współczynnik tarcia, co utrudniłoby uchwycenie pakietu przez walce, przez co proces walcowania pakietowego mógł-by nie zostać zrealizowany poprawnie. Dodat-kowo czynnik smarujący w postaci płynnej, zanieczyszczałby powierzchnie przeznaczone do łączenia, wcześniej odtłuszczone i oczyszczone mechanicznie.
W artykule [10] opisano sposoby oczysz-czania powierzchni i przygotowania materiałów do procesu łączenia poprzez spęczanie. Wska-zano również wartości siły nacisku, pozwalające uzyskać pełną wytrzymałość złącza dla próbek w postaci prętów. W pracy wykazano również różnice w odkształcalności i wytrzymałości złącz materiałów konwencjonalnych i materiałów o strukturze ultra drobnej.
Blachy o strukturze ultra drobnej, uzyskane w wyniku walcowania pakietowego, posłużyły jako materiał do badań wytłaczania głębokich, cylindrycznych wytłoczek, które mogą być w przyszłości używane na obudowy kondensa-torów. Natomiast w pracy [2] pokazano możli-wości wykonywania głębokich wytłoczek z ma-teriału o strukturze ultra drobnej. Według auto-rów pracy materiał o strukturze UFG jest bar-dziej przydatny do wykonania głębokich wytło-czek, w odniesieniu do materiałów konwencjo-nalnych.
Celem opisywanych poniżej badań walco-wania pakietowego ARB, wykrawalco-wania krążków oraz ich tłoczenia było określenie możliwości kształtowania głębokich wytłoczek z materiału o strukturze ultra drobnej (UFG), jak również wykonanie demonstratorów w postaci przykła-dowych, głębokich wytłoczek. Według autorów niniejszej pracy zastosowanie materiału o struk-turze UFG do wytwarzania obudów kondensa-torów, powinno przełożyć się na zwiększoną wytrzymałość eksploatacyjną wykonanych ele-mentów.
2. METODYKA BADAŃ
2.1. Badania walcowania pakietowego
Badania walcowania pakietowego zrealizo-wano na, zmodernizowanej w ramach projektu NANOMET, walcarce typu duo, przedstawionej
duce the friction coefficient, which would make it difficult for rollers to grasp the pack, and be-cause of this, the accumulative roll bonding pro-cess might not have been performed correctly. In addition, a fluid lubricant would contaminate bonding surfaces that had previously been de-greased and cleaned mechanically.
Article [10] describes methods of surface cleaning and preparation of materials for the bonding process through upset forging. Pressing force values making it possible to obtain full bond strength for rod specimens were also indi-cated. The paper also shows differences in the deformability and strength of bonds of conven-tional materials and materials with an ultra-fine grain structure.
Sheets with UFG structure, obtained as a re-sult of accumulative roll bonding, served as the material for tests of stamping of deep, cylindri-cal drawpieces, which can be used as capacitor housings in the future. Article [2] shows capabi-lities of making deep drawpieces from material with an ultra-fine grain structure. According to the authors of the article, material with UFG structure is more suitable for making deep draw-pieces compared to conventional materials.
The objective of the tests of ARB, punching and stamping of disks described below was to determine the possibilities of forming deep draw-pieces from material with ultra-fine grain (UFG) structure, as well as to make demos in the form of example deep drawpieces. According to the authors of this article, the application of mate-rial with UFG structure to produce capacitor housings should translate to improved operating strength of manufactured elements.
2. RESEARCH METHODOLOGY
2.1. Accumulative roll bonding tests
Accumulative roll bonding tests were perfor-med on a two-high rolling mill modernized within the framework of the NANOMET project, presen-
na rys. 2. Próbki z czystego technicznie alu-minium o wymiarach 50 x 100 mm wycięto z arkusza blachy, a następnie wyżarzono przy temperaturze 450°C w czasie 1 godziny. W za-leżności od liczby przepustów walcowania ARB walcowane pakiety (2 próbki) podzielono na grupy próbek: o grubości 1,03 mm (dla 2 oraz 4 przepustów ARB) oraz o grubości 1,05 mm (dla 6 i 8 przepustów ARB). Aby zwiększyć prawdopodobieństwo poprawnego połączenia pakietów, próbki przed walcowaniem poddano oczyszczaniu mechanicznemu za pomocą sta-lowej szczotki drucianej. Obserwacje prowa-dzone podczas wstępnych prób walcowania pakietowego potwierdziły opinię przedstawianą przez Ainbindera [11], że najlepiej przygoto-wana do spajania powierzchnia powinna wyglą-dać, jakby była lekko nadtopiona. Na pod-stawie informacji zawartych w pracy [6] oraz przeprowadzonych badań autorzy niniejszego artykułu określili optymalną, dla przeprowa-dzanego procesu, temperaturę walcowania oraz gniot procentowy. Wszystkie pakiety bezpośred-nio przed walcowaniem były podgrzewane w piecu przez 5 minut przy temperaturze 335°C. Próbki walcowano z gniotem procentowym wynoszącym minimum 50% tak, aby ostatecz-nie uzyskać walcówki o grubości około 1 mm.
ted in Fig. 2. Specimens made from technically pure aluminum, with dimensions of 50 x 100 mm, were cut out from a sheet and then annealed at a temperature of 450°C for 1 hour. Depending on the number of ARB passes, rolled packs (2 specimens) were divided into groups of specimens: with 1.03 mm thickness (for 2 and 4 ARB passes) and with 1.05 mm thickness (for 6 and 8 ARB passes). To increase the probability of correct pack bonding, specimens were cleaned mechanically before rolling by means of a steel wire brush. Observations conducted during preliminary ARB tests confirmed the opinion presented by Ain-binder [11] that the surface best prepared for bonding should appear as if it was slightly, par-tially melted. Based on the information contained in article [6] and conducted tests, the authors of this article determined the optimal rolling tem-perature and draft as a percentage for the pro-cess that was performed. All packs were heated in a furnace for 5 minutes at a temperature of 335°C immediately before rolling. Specimens were rolled with a percentage draft amounting to at least 50% so as to ultimately obtain a rolled blank with a thickness of approx. 1 mm.
Rys. 2. Zmodernizowana walcarka typu duo – WD-2 Fig. 2. Modernized two-high rolling mill – WD-2
2.2. Badania wykrawania krążków
Z uzyskanych metodą walcowania pakieto-wego blach wykrojono krążki na zaprojektowa-nym specjalnie w tym celu wykrojniku (rys. 3). Konstrukcja przyrządu umożliwiała zastosowa-nie narzędzi do wykrawania krążków o różnych
2.2. Disk punching tests
Disks were punched out from the sheets ob-tained by accumulative roll bonding, on a punch-ing die specially designed for this purpose (Fig. 3). The design of the machine made it possible to apply tools for punching disks with different dia-
średnicach krawędzi tnącej. Na rys. 4 przedsta-wiono przykładowe zestawy matryc oraz stempli. W ramach badań oceniano wpływ wielkości szczeliny między stemplami i matrycami na ja-kość wykrawanych krążków.
meters of the cutting edge. Fig. 4 presents exam-ples of die and punch sets. The impact of the gap size between punches and dies on the quality of punched disks was assessed within the frame-work of studies.
Rys. 3. Wykrojnik do wykrawania krążków Fig. 3. Punching die for punching disks
Rys. 4. Zestawy matryc oraz stempli wykrojnika do wykrawania krążków: a) Ø=28 mm; b) Ø=24 mm; c) Ø=21 mm; d) Ø=18 mm; e) Ø=15 mm
Fig. 4. Die and punch sets of the punching die for disk punching: a) Ø=28 mm; b) Ø=24 mm; c) Ø=21 mm; d) Ø=18 mm; e) Ø=15 mm
2.3. Badania głębokiego tłoczenia wytłoczek cylindrycznych
Do prób tłoczenia stosowano krążki zarów-no z przewalcowanego i wyżarzonego czystego technicznie aluminium, jak również z materiału ultra drobnoziarnistego, uzyskanego metodą wal-cowania pakietowego. Zdecydowano się na prze-prowadzanie tłoczenia w 5 operacjach ciągnie-nia na zmodernizowanym w ramach projektu NANOMET stanowisku do badań procesu tło-czenia Hille – rys. 5. W tab. 1 przedstawiono wy-miary średnic narzędzi oraz parametry nia w poszczególnych ciągach. Prędkość tłocze-nia była stała i wynosiła 1 mm/s. Dociskacz sto-
2.3. Deep stamping tests of cylindrical draw-pieces
Disks made of both rerolled and annealed technically pure aluminum as well as ultra-fine grained material obtained by accumulative roll bonding were used for stamping tests. It was de-cided to perform stamping in 5 drawing opera-tions on a station for testing the Hille stamping process, modernized within the framework of the NANOMET project – Fig. 5. Tab. 1 presents tool diameters and stamping parameters in in-dividual draws. The stamping rate was constant and amounted to 1 mm/s. A pressure pad was ap-
sowano jedynie w pierwszej operacji tłoczenia wytłoczki z krążka. Podczas późniejszych ope-racji przetłaczania zastosowanie dociskacza nie było wymagane.
plied only in the first operation of stamping a drawpiece from a disk. During later redrawing operations, it was not required to apply a pre-ssure pad.
Rys. 5. Zmodernizowane stanowisko do badań procesu tłoczenia Hille Fig. 5. Modernized station for testing of the Hille stamping process
Tab. 1. Wymiary średnic narzędzi oraz parametrów tłoczenia (prędkość oraz siła dociskacza), w kolejnych ciągach Tab. 1. Tool diameters and stamping parameters (advance rate and pressure pad force) in consecutive draws
Nr ciągu Wymiar średnicy stempla [mm] Wymiar średnicy matrycy [mm] Siła dociskacza [kN]
1 Ø17,0 Ø19,3 ok. 3 2 Ø13,5 Ø16,0 brak 3 Ø11,0 Ø13,5 brak 4 Ø9,0 Ø12,4 brak 5 Ø7,8 Ø10,2 brak 3. WYNIKI BADAŃ
W wyniku badań walcowania metodą ARB udało się uzyskać blachy o strukturze ultra drob-nej (UFG) o grubości około 1 mm. Na rys. 6 przedstawiono przykładowe próbki uzyskane w wyniku badań.
3. TESTS RESULTS
As a result of ARB tests, sheets with an ultra-fine grain (UFG) structure, with a thickness of approx. 1 mm, were successfully obtained. Fig. 6 presents examples of specimens obtained as a re-sult of studies.
Rys. 6. Przykładowe blachy po 2, 4, 6 oraz 8 przepustach ARB Fig. 6. Examples of sheets after 2, 4, 6, and 8 ARB passes
Z uzyskanych walcówek wycięto próbki do dalszych badań. Były to próbki do: metalogra-ficznych badań mikroskopowych, badań właści-wości wytrzymałościowych, jak również krążki do badań tłoczności cylindrycznych wytłoczek głębokich. Na rys. 7 przedstawiono kształt pró-bek, a na rys. 8 pokazano wykres krzywych roz-ciągania badanych wiosełek.
Specimens were cut out from obtained rolled blanks for further tests. These were specimens for: metallographic examinations under a microscope, strength tests, as well as disks for testing of the drawability of deep cylindrical drawpieces. Fig. 7 presents the shape of specimens, and Fig. 8 shows the tensile curves of tested dumbbells.
a) b) c)
Rys. 7. Kształt próbek do: a) metalograficznych badań mikroskopowych, b) badań właściwości mechanicznych, c) badań tłoczności
Fig. 7. Shape of specimens for: a) metallographic examinations under a microscope, b) tests of mechanical properties, c) drawability tests
Rys. 8. Wykres krzywych rozciągania próbek aluminiowych po wyżarzaniu i walcowaniu: 0, 2, 4, 6, 8 – liczba przepustów ARB; 0, 45, 90 – oznaczenie wskazuje kąt położenia osi próbki względem kierunku walcowania Fig. 8. Chart of tensile curves of aluminum specimens after annealing and rolling: 0, 2, 4, 6, 8 – number of ARB passes,
0, 45, 90 – designation indicating the angle formed between the specimen's axis and the rolling direction
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono ponad dwukrotnie większą war-tość granicy plastyczności – Rp0,2 oraz
wytrzy-małości na rozciąganie – Rm dla próbek pobra-
Based on conducted tests, yield point – Rp0.2
and tensile strength – Rm nearly double that of
specimens cut out from material that was only annealed were determined for specimens taken
Przemieszczenie / Dislocation [mm] N ap rę że n ie / S tr e s s [M P a]
nych z walcówek po ARB w stosunku do tych wyciętych z materiału jedynie wyżarzonego. Zmiany właściwości mechanicznych próbek pobranych po poszczególnych przepustach są nieznaczne ze względu na maksymalne umoc-nienie materiału poprzez odkształcanie walco-waniem już po pierwszym przepuście, czyli na początkowym etapie walcowania ARB.
Wobec możliwości powstania rozwarstwień oraz wyrwań materiału w wyniku statycznej próby rozciągania (podczas zrywania próbek, a nie walcowania) zdecydowano się na obser-wacje zgładu z części chwytowej próbki wytrzy-małościowej. Na rys. 9 pokazano zdjęcia zgładów z części chwytowej próbek wytrzymałościowych.
from blanks after ARB. The changes of mecha-nical properties of specimens collected after in-dividual passes are slight due to maximum har-dening of the material by rolling deformation after just the first pass, or at the initial stage of ARB.
Due to the possibility of the formation of delaminations and breaks of the material as a result of the static tensile test (during tension of samples, not rolling), it was decided to observe the metallographic specimen from the grip part of the strength test specimen. Fig. 9 shows photo-graphs of metallographic specimens from the grip part of strength test specimens.
Rys. 9. Zgłady metalograficzne poprzeczne próbek po 8 przepustach ARB Fig. 9. Transverse metallographic specimens of samples after 8 ARB passes
Obserwacje zgładów z części chwytowej próbek wytrzymałościowych nie pokazały wy-raźnych rozwarstwień czy przerwań materiału. Wobec tego stwierdzono, że w badaniach walco-wania aluminium metodą ARB uzyskano dobre spojenia po kolejnych przepustach.
W celu uzyskania odpowiedzi na pytanie, czy uzyskane blachy posiadają strukturę ultra drobną, obserwowano próbki po 8 przepuście ARB metodą EBSD (Electron Backscatter Diff-raction Analysis), co pozwoliło wstępnie okreś-lić wielkość ziaren. Na rys. 10 przedstawiono zdjęcia obrazujące wielkości ziaren próbek po 8 przepustach ARB na zgładzie wzdłużnym w sto-sunku do kierunku walcowania. Wymiary zia-ren w pozostałych kierunkach są zbliżone do tych ze zgładu wzdłużnego albo mniejsze. Do-datkowo, dla tej samej próbki, oszacowano me-todą rentgenowską Scherrera średnią wielkość krystalitów, która wynosiła 180 nm. Na podsta-
Observations of metallographic specimens from the grip part of strength test specimens did not reveal clear delaminations or breaks in the material. In light of this, it was stated that good bonds were obtained in aluminum rolling tests using the ARB method after consecutive passes.
In order to answer the question whether ob-tained sheets have an ultra-fine grained struc-ture, specimens were observed after the 8th ARB pass using the EBSD (Electron Backscatter Diff-raction Analysis) method, which made it possible to preliminarily determine grain size. Fig. 10 pre-sents photographs illustrating grain size in spe-cimens after 8 ARB passes, on a longitudinal metallographic section relative to the rolling di-rection. Grain sizes in other directions are simi-lar to those from the longitudinal metallographic section, but smaller. In addition, for the same specimen, average crystallite size was also asse-ssed using Scherrer’s X-ray diffraction method,
wie przeprowadzonych badań stwierdzono, że uzyskane metodą walcowania pakietowego wal-cówki mają strukturę ultra drobną (UFG).
and it amounted to 180 nm. Based on conducted tests, it was determined that rolling blanks obtain-ed by accumulative roll bonding have an ultra-fine grained (UFG) structure.
Rys. 10. Struktura próbki po 8 przepustach ARB, metoda obserwacji EBSD Fig. 10. Specimen structure after 8 ARB passes, EBSD observation
Po potwierdzeniu uzyskania poprawnego spojenia oraz istnienia ultra drobnej struktury w walcówkach uzyskanych metodą pakietową, przeprowadzono badania tłoczności cylindrycz-nych wytłoczek głębokich. Badano możliwości wytłaczania wytłoczek z krążków z materiału o strukturze ultra drobnej, o grubości 1 mm i średnicach: Ø=22 mm, Ø=24 mm, Ø=26 mm, Ø=28 mm i Ø=30 mm. Na rys. 11 pokazano wsad (krążek) oraz wytłoczki uzyskiwane w ko-lejnych ciągach. Natomiast na rys. 12 przedsta-wiono przykładowe głębokie wytłoczki uzyskane z materiału po 2, 4, 6 oraz 8 przepustach wal-cowania ARB.
After confirmation of the achievement of pro-per bonding and the presence of an ultra-fine structure in rolling blanks obtained by accumu-lative roll bonding, drawability tests of deep cy-lindrical drawpieces were performed. Capabilities of drawing drawpieces from disks of UFG ma-terial, with a thickness of 1 mm and diameters: Ø=22 mm, Ø=24 mm, Ø=26 mm, Ø=28 mm and Ø=30 mm, were tested. Fig. 11 shows the stock (disk) and drawpieces obtained in consecu-tive draws. Fig. 12 shows examples of deep draw-pieces obtained from the material after 2, 4, 6, and 8 ARB passes.
przygotówka 1 ciąg 2 ciąg 3 ciąg 4 ciąg 5 ciąg
blank draw 1 draw 2 draw 3 draw 4 draw 5
Rys. 11. Wsad oraz wytłoczki po kolejnych ciągach Fig. 11. Stock and drawpieces after consecutive draws
Rys. 12. Przykładowe głębokie wytłoczki, wykonane z materiału o strukturze ultra drobnej Fig. 12. Examples of deep drawpieces made from material with ultra-fine grained structure
W tab. 2 przedstawiono wyniki prób tło-czenia wraz z podaniem wysokości uzyskiwa-nych wytłoczek. Przyjęto następującą numera-cję próbek do badań tłoczności, w zależności od badanego materiału: 1 – wyżarzony (niepod-dany walcowaniu pakietowemu), 2 – po 2 prze-pustach ARB, 3 – po 4 przeprze-pustach ARB, 4 – po 6 przepustach ARB, 5 – po 8 przepustach ARB. Wysokość wytłoczek oznaczono jako H.
Tab. 2 presents the results of stamping tests, with specification of the heights of obtained draw-pieces. The following numbering of specimens for drawability tests was adopted, depending on the tested material: 1 – annealed (not subjected to accumulative roll bonding), 2 – after 2 ARB pas-ses, 3 – after 4 ARB paspas-ses, 4 – after 6 ARB paspas-ses, 5 – after 8 ARB passes. The height of drawpieces was designated as H.
Tab. 2. Wyniki przeprowadzonych prób tłoczenia Tab. 2. Results of performed stamping tests
Nr próbki oraz rozmiar krążka [mm] Rezultat próby Wymiary wysokości wytłoczki [mm]
1 – Ø=22 udana H = 11,10 (min.), 16,93 (max.)
2 – Ø=22 udana H = 9,92 (min.), 16,05 (max.)
3 – Ø=22 udana H = 10,85 (min.), 14,79 (max.)
4 – Ø=22 udana H = 12,09 (min.), 14,95 (max.)
5 – Ø=22 udana H = 12,19 (min.), 14,68 (max.)
1 – Ø=24 udana H = 14,83 (min.), 20,07 (max.)
2 – Ø=24 udana H = 13,50 (min.), 17,59 (max.)
3 – Ø=24 udana H = 13,28 (min.), 18,16 (max.)
4 – Ø=24 udana H = 14,02 (min.), 18,46 (max.)
5 – Ø=24 udana H = 13,53 (min.), 18,06 (max.)
1 – Ø=26 zerwana —
2 – Ø=26 udana H = 16,62 (min.), 21,95 (max.)
3 – Ø=26 udana H = 16,05 (min.), 22,12 (max.)
4 – Ø=26 udana H = 17,05 (min.), 20,46 (max.)
5 – Ø=26 udana H = 17,04 (min.), 20,14 (max.)
1 – Ø=28 zerwana —
2 – Ø=28 udana H = 18,87 (min.), 24,99 (max.)
3 – Ø=28 udana H = 19,31 (min.), 24,45 (max.)
4 – Ø=28 udana H = 18,93 (min.), 24,27 (max.)
5 – Ø=28 udana H = 19,55 (min.), 20,95 (max.)
1 – Ø=30 zerwana — 2 przepusty ARB 2 ARB passes 4 przepusty ARB 4 ARB passes 6 przepustów ARB 6 ARB passes 8 przepustów ARB 8 ARB passes
Nr próbki oraz rozmiar krążka [mm] Rezultat próby Wymiary wysokości wytłoczki [mm]
2 – Ø=30 udana H = 24,61 (min.), 26,01 (max.)
3 – Ø=30 udana H = 21,95 (min.), 27,83 (max.)
4 – Ø=30 udana H = 23,59 (min.), 27,23 (max.)
5 – Ø=30 udana H = 23,88 (min.), 24,60 (max.)
Pomyślnie udało się wytłoczyć głębokie wy-tłoczki cylindryczne z krążków o średnicach od Ø=22 do Ø=30 mm. Zerwaniu uległy wytłoczki z czystego technicznie aluminium bez struktury UFG z krążków o średnicach od Ø=26 do Ø=30 mm. Wynik ten jest zgodny z wnioskiem auto-rów pracy [2], mówiącym o większych możliwoś-ciach kształtowania głębokich wytłoczek z ma-teriału o strukturze ultra drobnej niż z konwen-cjonalnego materiału. Świadczy to o większej wy-trzymałości materiału ze strukturą UFG i jego większej tłoczności.
W celu oceny właściwości eksploatacyjnych, w tym elektrycznych, wytłoczek należy przepro-wadzić dalsze, dodatkowe badania właściwości elektrycznych, głównie przewodności właściwej za pomocą urządzeń wykorzystujących zjawisko prądów wirowych.
4. WNIOSKI
1. Na podstawie zrealizowanych badań można stwierdzić, że właściwości mechaniczne (Rp0,2,
Rm) blach otrzymanych metodą ARB nie
za-leżą ściśle od liczby przepustów i kierunku wycięcia próbek badawczych. Zmiany właś-ciwości mechanicznych próbek po poszcze-gólnych przepustach są nieznaczne ze wzglę-du na silne umocnienie materiału na skutek odkształcenia walcowaniem już po pierwszym przepuście, czyli na początkowym etapie wal-cowania ARB.
2. Próbki po procesie ARB posiadały ponad dwukrotnie większą wartość granicy plastycz-ności oraz wytrzymałości na rozciąganie w stosunku do próbek wyciętych z materiału wyżarzonego. Wynik ten jest zgodny z zało-żeniami metody ARB.
3. Podczas wykrawania uzyskano krążki o wy-maganych średnicach, pozbawione zadziorów
Deep cylindrical drawpieces were successfully drawn from disks with diameters from Ø=22 to Ø=30 mm. Drawpieces from technically pure aluminum without UFG structure, from disks with diameters from Ø=26 to Ø=30 mm, were broken. This result is concurrent with the con-clusion of the authors of article [2], indicating greater capabilities of forming deep drawpieces from UFG material than from conventional terial. This indicates the greater strength of ma-terial with UFG structure and its greater draw-ability.
Further, additional tests of electrical pro-perties, mainly specific conductivity, should be performed by means of eddy-current devices in order to assess functional properties, including electrical properties, of drawpieces.
4. CONCLUSIONS
1. Based on conducted tests, it can be stated that the mechanical properties (Rp0.2, Rm) of sheets
obtained using the ARB method do not strictly depend on the number of passes and direc-tion in which test samples were cut out. The changes of mechanical properties of specimens after individual passes are slight due to maxi-mum hardening of the material by rolling deformation after just the first pass, or at the initial stage of ARB.
2. Specimens after the ARB process had more than double the yield point and tensile strength of specimens cut out from annealed material. This result is concurrent with the assumptions of the ARB method.
3. Disks of the required diameters, free from burrs, were obtained during punching. It is pos-
Istnieje możliwość uzyskania głębokich wy-tłoczek z materiału o strukturze ultra drob-nej (UFG).
4. Taśmy aluminiowe poddane walcowaniu me-todą ARB posiadały większą tłoczność niż taś-my niewalcowane.
5. Przeprowadzone badania potwierdzają więk-sze możliwości kształtowania materiału UFG drogą głębokiego tłoczenia, w porównaniu z materiałem niepoddanym procesowi wal-cowania metodą ARB.
PODZIĘKOWANIA
Badania przedstawione w niniejszej pracy zos-tały przeprowadzone w ramach realizowanego w latach 2012–2015 w Instytucie Obróbki Plas-tycznej projektu NANOMET – „Nowe materiały metaliczne o strukturze nanometrycznej do za-stosowań w nowoczesnych gałęziach gospodar-ki”. NANOMET jest projektem kluczowym Pro-gramu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka w priorytecie 1 „Badania i rozwój nowoczesnych technologii”, działanie 1.3 „Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe”, poddziałanie 1.3.1 projekty rozwojowe.
LITERATURA
[1] Su-Hyeon K., Hyoung-Wook K., Kwangjun E., Kang J.-H., Cho J.-H. 2012. „Effect of wire brushing on warm roll bonding of 6XXX/5XXX/6XXX aluminum alloy clad sheets”. Materials and Design 35: 290–295.
[2] Ma X., Lapovok R., Gu C., Molotnikov A., Estrin Y., Pereloma E.V., Davies C.H.J., Hodgson P.D. 2009. „Deep drawing behaviour of ultrafine grained copper: modelling and experiment”. J Mater Sci 44: 3807–3812.
[3] Dehsorkhi R.N., Qods F., Tajally M. 2011. „Investigation on microstructure and mechanical properties of Al–Zn composite during accumulative roll bonding (ARB) process”. Materials Science and Engineering A 530: 63–72.
[4] Lee S.H., Saito Y., Sakai T., Utsunomiya H. 2002. „Microstructures and mechanical properties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative roll-bonding”. Materials Science and Engineering A 320: 228–235.
sible to obtain deep drawpieces from mate-rial with ultra-fine grained (UFG) structure.
4. Aluminum tapes subjected to ARB had greater drawability than tapes that were not rolled.
5. Conducted tests confirm the greater capabili-ties of forming UFG material by way of deep stamping compared to material not subjected to ARB.
ACKNOWLEDGEMENTS
Tests were conducted within the framework of the NANOMET project – “New metallic materials of nanometric structure for applications in mo-dern branches of the economy”, which has been executed at the Metal Forming Institute in the years 2012–2015. NANOMET is a key project of the Innovative Economy Operational Programme in priority 1 “Research and development of mo-dern technologies”, measure 1.3 “Support of R&D projects for enterprises executed by scientific units”, sub-measure 1.3.1 development projects.
REFERENCES
[1] Su-Hyeon K., Hyoung-Wook K., Kwangjun E., Kang J.-H., Cho J.-H. 2012. “Effect of wire brushing on warm roll bonding of 6XXX/5XXX/6XXX aluminum alloy clad sheets”. Materials and Design 35: 290–295.
[2] Ma X., Lapovok R., Gu C., Molotnikov A., Estrin Y., Pereloma E.V., Davies C.H.J., Hodgson P.D. 2009. “Deep drawing behaviour of ultrafine grained copper: modelling and experiment”. J Mater Sci 44: 3807–3812.
[3] Dehsorkhi R.N., Qods F., Tajally M. 2011. “Investigation on microstructure and mechanical properties of Al–Zn composite during accumulative roll bonding (ARB) process”. Materials Science and Engineering A 530: 63–72.
[4] Lee S.H., Saito Y., Sakai T., Utsunomiya H. 2002. “Microstructures and mechanical properties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative roll-bonding”. Materials Science and Engineering A 320: 228–235.
[5] Shibayan R., Nataraj B.R., Satyam S., Kumar S., Chattopadhyay K. 2012. „Accumulative roll bonding of aluminum alloys 2219/5086 laminates: Microstructural evolution and tensile properties”. Materials and Design 36: 529–539.
[6] Eizadjou M., Danesh Manesh H., Janghorban K. 2008. „Investigation of roll bonding between aluminum alloy strips”. Materials and Design 29: 909–913.
[7] Eizadjou M., Danesh Manesh H., Janghorban K. 2009. „Mechanism of warm and cold roll bonding of aluminum alloy strips”. Materials and Design 30: 4156–4161.
[8] Cyganek Z., Rodak K., Grosman F. 2013. „Influence of rolling process with induced strain path on aluminum structure and mechanical properties”. Archives of Civil and Mechanical Engineering 13: 7–13.
[9] Pirgazi H., Akbarzadeh A. 2008. „Characterization of nanostructured aluminum sheets processed by accumulative roll bonding”. International Journal of Modern Physics B 22 (18–19): 2840–2847. [10] . Pawlicki M, Drenger T., Pieszak M., Borowski J.
2015. „Cold upset forging joining of ultra-fine-grained aluminium and copper”. Journal of Materials Processing Technology 223: 193–202. [11] Ciupik L.F. 1983. Mechanizmy procesu spajania
odkształceniowego metali na zimno. Zielona Góra: Wyższa Szkoła Inżynierska im. J. Gagarina w Zielonej Górze, Wydział Mechaniczny, 38–39.
[12] Kurzydłowski K., Lewandowska M. 2011. Nano-materiały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne. Warszawa: Wydawnictwo naukowe PWN.
[5] Shibayan R., Nataraj B.R., Satyam S., Kumar S., Chattopadhyay K. 2012. “Accumulative roll bonding of aluminum alloys 2219/5086 laminates: Microstructural evolution and tensile properties”. Materials and Design 36: 529–539.
[6] Eizadjou M., Danesh Manesh H., Janghorban K. 2008. “Investigation of roll bonding between aluminum alloy strips”. Materials and Design 29: 909–913.
[7] Eizadjou M., Danesh Manesh H., Janghorban K. 2009. “Mechanism of warm and cold roll bonding of aluminum alloy strips”. Materials and Design 30: 4156–4161.
[8] Cyganek Z., Rodak K., Grosman F. 2013. “Influence of rolling process with induced strain path on aluminum structure and mechanical properties”. Archives of Civil and Mechanical Engineering 13: 7–13.
[9] Pirgazi H., Akbarzadeh A. 2008. “Characterization of nanostructured aluminum sheets processed by accumulative roll bonding”. International Journal of Modern Physics B 22 (18–19): 2840–2847. [10] . Pawlicki M, Drenger T., Pieszak M., Borowski J.
2015. “Cold upset forging joining of ultra-fine-grained aluminium and copper”. Journal of Materials Processing Technology 223: 193–202. [11] Ciupik L.F. 1983. Mechanizmy procesu spajania
odkształceniowego metali na zimno. Zielona Góra: Wyższa Szkoła Inżynierska im. J. Gagarina w Zielonej Górze, Wydział Mechaniczny, 38–39.
[12] Kurzydłowski K., Lewandowska M. 2011. Nano-materiały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne. Warszawa: Wydawnictwo naukowe PWN.
