MISKOLCI EGYETEM MECHANIKAI TECHNOLÓGIAI TANSZÉK
Nagyszilárdságú acél és alumínium ötvözetek Tanulmány Kidolgozta:
Fodorné Cserépi Mariann1 – Pósalaky Dóra2 1 tanársegéd, 2tanszéki mérnök Készült:
a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében
A projekt szakmai vezetője:
Dr. Tisza Miklós egyetemi tanár, tanszékvezető
Miskolc/Győr/Kecskemét 2013
1
Tartalomjegyzék
1.
Nagyszilárdságú acél és alumínium ötvözetek .......................................................... 3
1.1. Acélok ........................................................................................................................ 3 1.2. Alumíniumok ............................................................................................................. 4 2. Nagyszilárdságú acél és alumínium ötvözetek hegeszthetősége általában................ 8 2.1. Nagyszilárdságú acélötvözetek hegeszthetősége ....................................................... 8 2.2. Nagyszilárdságú alumínium ötvözetek hegeszthetősége ........................................... 8 2.2.1. Porozitási hajlam............................................................................................ 9 2.2.2. Felületi oxidréteg okozta problémák ........................................................... 10 2.2.3. A varrat hőhatásövezete ............................................................................... 10 2.2.4. A hegesztett alumínium kötések repedés keletkezési problémái ................. 10 2.2.5. A kristályosodási vagy melegrepedés érzékenység ..................................... 10 2.2.6. Likvációs repedés......................................................................................... 11 2.2.7. Teraszos repedés .......................................................................................... 12 3. 4.
2.2.8. Végkráterrepedés ......................................................................................... 13 Matching .................................................................................................................. 14 Fizikai szimuláció .................................................................................................... 15
4.1. A Gleeble 3500-as rendszer ..................................................................................... 16 4.1.1. A berendezés felépítése................................................................................ 16 4.1.2. Technológiai paraméterek ............................................................................ 18 4.2. Alkalmazási lehetőségek ......................................................................................... 18 4.3. Példák a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén végzett kísérletekből ............................................................................................................. 19 4.3.1. Zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet (NST – Nil-Strength Temperature) meghatározása: ............................................................................................. 19 4.3.2. Meleg-szakítóvizsgálat elvégzése hevített és hevített-hűtött próbatesteken:20 5. 6.
4.3.3. Hőhatásövezet vizsgálat: .............................................................................. 20 Irodalomjegyzék ...................................................................................................... 21 Köszönetnyilvánítás ................................................................................................. 24
2
1. Nagyszilárdságú acél és alumínium ötvözetek A nagyszilárdságú acélok, ill. alumínium ötvözetek napjaink szerkezeti alkalmazásaiban meghatározó szerepet töltenek be. Az iparban alkalmazott fémek jelentős hányadát mind máig a vasalapú ötvözetek teszik ki, az utóbbi években jelentős térhódítást mutat az alumínium ötvözetek felhasználása. Különösen olyan húzóágazatokban figyelhető meg ez, mint az autó ipar.
1.1. Acélok FCsM
3
1.2. Alumíniumok Az alumínium ötvözetek egyre terjedő felhasználásának alapját minden bizonnyal tulajdonságaiknak pozitív lehetőségei hordozzák, úgy mint: kis sűrűség, jó hő- és villamos vezető képesség, - ötvözés mellett – acélokhoz mérhető szilárdsága és szívóssága, jó alakíthatósága, korrózióállósága és felületminősége. Ezeket a tulajdonságokat az iparban széleskörűen kihasználják több ágazatban is, például az elektronikában, űrtechnikában, csomagolóiparban, autóiparban, stb. Az alumínium termelése világszerte megugrott az elmúlt évtizedekben, többszörösére nőtt, a 2013-as júniusi állapotot mutatja az (1. ábra).
Kelet és Közép Európa ‐ 335
Észak Amerika ‐
Nyugat Európa ‐ 291 Ázsia (kiv. Kína) ‐
Kína ‐
Dél Amerika ‐ Afrika –
Óceánia ‐
1. ábra: A világ alimínium termelése [ezer tonna] [3] Az alumínium egy másik kiemelkedő tulajdonsága, hogy remeg feltételek mellett újrahasznosítható. Ha a bauxit újrafeldolgozásához szükséges energiát 100 egységnek tekintjük, akkor a hulladékalumínium feldolgozásához szükséges energia mennyiség csupán 5 egység! [6] [7]
1. kép: Bauxit, alumínium oxid, alumínium 4
A 2010-ben újrahasznosított alumínium mennyiségét szemlélteti a következő diagram:
1. diagram: A 2010-ben újrafeldolgozott alumínium mennyisége [4] Az ötvözetlen alumínium mechanikai tulajdonságai igen csekélyek, tulajdonságainak javítására több lehetőség áll rendelkezésre, melyek a következőek: ötvözés, képlékeny alakítás, hőkezelés, porkohászat, részecske / szálerősítés, valamint az előbbiek kombinációja. Az Aluminium Association (AA) közel 500 féle alumínium ötvözetet tart számon, ám az európai szabvány csak közel fele ennyi ötvözettel számol. Az AA által alkalmazott praktikus jelölésrendszert, - mely az ötvözeteket fő ötvöző elemeik szerint csoportosítja – átvette az MSZ EN 573 is. [8] A jelölésrendszer egy négy számból álló számjellel jelöli az alakítható ötvözeteket (2. ábra: Az AA által alkalmazott jelölésrendszer). Alumínium
1xxx
Cu
Mn
Si
Mg
Zn
Egyéb
2xxx
3xxx
4xxx
5xxx
6xxx
7xxx
2. ábra: Az AA által alkalmazott jelölésrendszer 5
8xxx
Mint, ahogyan az ábrán is látható a különböző számjelek megfelelnek, az adott anyag fő ötvözőjének: 1xxx: tiszta alumínium, 2xxx: réz ötvözés, 3xxx: mangán ötvözés, 4xxx: szilícium ötvözés, 5xxx: magnézium ötvözés, 6xxx: magnézium és szilícium ötvözés, 7xxx: cink ötvözés, 8xxx: ötvözés egyéb elemekkel, 9xxx: tartalék csoport. Az ötvözők rendeltetésük szerint hat csoportra oszthatóak: 1. Szilárdságnövelők: Mg, Cu, Si, Zn. 2. Korrózió állóság javítók: Mn, Sb. 3. Szemcse finomíók: Ti, Cr. 4. Melegszilárdság növelő ötvöző: Ni. 5. Forgácsolhatóság javítók: Co, Fe, Bi. 6. Önthetőség javítók: Si, Cu, Mg. Az ötvözetek végső soron két nagy csoportra oszthatóak, melyek az öntészeti ötvözetek és a képlékenyen alakítható ötvözetek. Az öntészeti ötvözetek jellemzően eutektikus (vagy eutektikumos) ötvözésűek, ennek okán jó szilárdság, önthetőség, kis zsugorodás jellemzi őket, valamint konkrét dermedési hőmérséklettel rendelkeznek. Az öntészeti ötvözeteknek három fő csoportját lehet megkülönböztetni, a fő ötvözőiktől függően: szilumines, magnéziumos és rezes öntészeti alumínium ötvözetek. A képlékenyen alakítható ötvözetek esetében mindig elmondható, hogy a fő ötvözőjük mennyisége nem haladja meg a telített oldatuk százalékos értékét. Ezen értéknél magasabb ötvözés előfordulhat, ha az elérni kívánt tulajdonságok ezt igénylik, ám ilyenkor az erősebb ötvözésből eredő esetleges negatív hatások ellensúlyozni kell egyéb ötvöző elemek értékének növelésével. Általában elmondható, hogy az alumínium ötvözetek ezen csoportja mindig tartalmaz minimum 0,5% magnéziumot. Besorolásuk a 2. ábra szerinti rendszer alapján történik. Tiszta alumínium (1xxx): nagy képlékenység, alacsony szilárdság, jó korrózióállóság jellemzi, de nem hőkezelhető, szemcsefinomítható (Ti, Cu mikroötvözés), eloxálható. Al-Cu ötvözetek (2xxx): hőkezelhető (legnagyobb szilárdság érhető el duralumíniumok), gyenge korrózióállóság, jó hőálló. Al-Mg ötvözetek (3xxx): nagy szilárdság (köszönhetően astabil szilárdoldatos jellegnek és a rendezett kristályrácsnak), nagy képlékenység, jó korrózióállóság jellemzi, nem nemesíthető. Al-Si ötvözetek (4xxx): öntészeti célú ötvözet. Al-Mg ötvözetek (5xxx): jó korrózióálló, jól forgácsolható, nagy szilárdságú ötvözet de nem nemesíthető, korróziónak kitett, nedves környezetben üzemelő szerkezetek kedvelt alapanyag. Al-Mg-Si ötvözetek (6xxx): nagy szilárdság, megfelelő korrózióállóság jellemzi ezt a típust, nagyon jól alakítható és forgácsolható ötvözet. 6
Al-Zn ötvözetek (7xxx): egyedülállóan pozitív tulajdonsága, hogy ún. önnemesedő alumínium ötvözet, azaz levegőn hűlve is telített szilárdoldatos állapota alakul ki, majd pár hónap alatt lezajlik a természetes öregedés, rácsközi korrózióra hajlamos. Egyéb ötvözetek (8xxx): ebbe a csoportba tartoznak a speciális ötvözőket tartalmazó ötvözetek, valamint az újonnan létrehozottak kerülhetnek ide. A mechanikai tulajdonságok javításánál említett részecske és szálerősítéses, valamint a porkohászati úton előállított alumínium ötvözetek jellemzően nem hegeszthetőek, ezért ezekkel jelen tanulmány részletesebben nem foglalkozik. Az alumínium alkalmazása mellett szól a jó korrózióállóság, vezetőképesség, illetve a modern alumínium ötvözetekre jellemző nagy szilárdság is. Az alumínium ötvözetek felhasználásával elérhető jelentős súly csökkentés, nem csak a gyártás során fajsúlyos szempont, hanem később a felhasználók számára is hordoz pozitív eredményeket (pl: autóipar -> súlycsökkenés ->üzemanyag fogyasztás csökkenés). Az alumínium ötvözetekből készült termékek sokszínűségét szemlélteti a (3. ábra). [5]
3. ábra: Alumínium ötvözetekből készült termékek Ám az anyagok ezen ‘új’ csoportja nem csekély kihívás elé állítja a mérnököket tervezési, kivitelezési és üzemeltetési oldalról egyaránt.
7
2. Nagyszilárdságú acél és alumínium ötvözetek hegeszthetősége általában Az anyagtudomány fejlődése és ezzel egyidejűleg az új anyagok fejlesztése nem csekély kihívás elé állítja a hegesztőket. Az új anyagtulajdonságok hatása a hegesztésre, az anyagok hegeszthetőségére, valamint ezen új tulajdonságok megtartása megfelelő hegesztett kötés kialakításával egyidejűleg komoly kutatásokat igényel és igen körültekintő előkészületeket. A növelt szilárdságú anyagok alkalmazásának elsőszámú pozitívuma a súlycsökkenésből származó előnyökből ered, a konstrukciós kialakítások terén, valamint az ebből származó gazdaságosabb anyagkihozatal. Az alumíniumok esetében még jelentősebb ez a hatás, ám ezen anyag ötvözeteinek hegesztése messze a legnehézkesebb faladat a hegesztők számára.
2.1. Nagyszilárdságú acélötvözetek hegeszthetősége FCsM
2.2. Nagyszilárdságú alumínium ötvözetek hegeszthetősége A hegeszthetőség fogalma: A hegeszthetőség a hegesztéstechnológiától függő alkalmasság olyan hegesztett kötés létrehozására, amely helyi tulajdonságai és szerkezetre gyakorolt hatása szempontjából megfelel a követelményeknek. A definícióból következően tehát a hegeszthetőség egy komplex fogalom, amely anyagtudományi, technológiai, szerkezettervezési és üzemeltetési sajátosságokat foglal magába. Ebből fakadóan az a megállapítás, hogy egy anyag jól vagy rosszul hegeszthető nem helytálló. Az alumínium és ötvözeteinek hegesztése során számos problémával találkozhatunk. Ezek a problémák abból adódnak, hogy az alumínium fizikai, kémiai és mechanikai tulajdonságai jelentősen eltérnek más fémek tulajdonságaitól. Hegeszthetőségének nehézségei főleg az alább felsorolt tulajdonságaiból adódnak: alacsony olvadáspont, olvadáskor nincs elszíneződés, nagy az oxigén iránti affinitás, a felületen összefüggő oxidhártya található, olvadáspontja (2050 °C), nagy fajhő, nagy hővezetőképesség, jó villamos-vezető képesség, nagy hőtágulási együttható, változó hidrogén-oldó képesség (folyékony-szilárd állapotban 20 az 1-hez), hőhatásövezet eltérő tulajdonságai, mechanikai tulajdonságok jelentős megváltozása. Az eddig felsorolt tulajdonságok hegesztéskor az alábbi problémák megjelenéséhez vezethetnek: repedésérzékenységi hajlam, porozitási hajlam, oxidhártya jelenléte, hőhatásövezet problémái.
8
2.2.1. Porozitási hajlam A hegesztésnél gondot jelentő gázok közül az alumínium és ötvözeteinél meghatározó jelentőséggel bír a hidrogén. Az olvadt alumínium hidrogén oldóképessége a hőmérséklet növekedésével nő, változik, míg szilárd állapotban ezen oldás jelentősen csökken. Ezen jelentős oldódásbeli különbség következménye a hidrogén okozta gázzárványok megjelenésének (2. kép). Ezek a zárványok növelik a belső feszültségeket, anyagfolytonossági hibákként fokozzák a repedésérzékenységet, ridegedést, jelentősen csökkentik a varrat alakváltozó képességét és a szilárdságát. A 3. kép kíválóan szemléltete, hogy a hidrogén milyen komoly veszély forrás lehet, nem csak mikro méretekben.
2. kép: AlSi7Mg0,6-T6 alumínium ötvözet porozitása [23]
3. kép: Hidrogén okozta hidegrepedés [24] Ömlesztő hegesztő eljárásoknál tisztítással és gondosan kidolgozott hegesztéstechnológiával csökkenthető a varrat gáztartalma. Megoldást jelenthet még például a dörzshegesztés alkalmazása 9
2.2.2. Felületi oxidréteg okozta problémák Az alumíniumnak és ötvözeteinek hegesztését befolyásoló második tényező a nagy oxigén iránti affinitása, ami a felületen összefüggő Al2O3 oxidréteg kialakulását okozza. Ez az oxidréteg természetes körülmények között alakul ki, és eltávolítását követően néhány óra alatt újraképződik, így akadályozva a hegesztést. Az oxidréteg vastagságának növekedési sebessége a hőmérséklet emelkedésével felgyorsul, így a hegesztett kötések hibamentes kialakításának fontos feltétele a felületet összefüggően borító oxidréteg eltávolítása. Az alumíniumoxid mintegy 2050°C-on olvad és a folyékony fémet is összefüggő rétegben borítja, akadályozva ezzel a kötés kialakítását, ugyanis az oxidréteg meggátolja a hegesztés folyamán a megolvadt alapanyag és hegesztő hozaganyag összeolvadását. Az oxidréteg eltávolításának hatékony megoldása a védőgázas hegesztő eljárásoknál a védőgáz alatt megvalósuló katódporlasztással kiváltott oxidbontás. Semleges védőgázas volfrámelektródos ívhegesztés esetében ez kizárólag váltakozó árammal valósul meg, ami jelentősen befolyásolja az egyéb technológiai jellemzőket. Védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés esetében a katódporlasztás megoldható egyenáram fordított polaritás alkalmazásával. 2.2.3. A varrat hőhatásövezete Ömlesztő hegesztőeljárásoknál a varrat kialakítása minden esetben az alapanyag és (ha van, akkor) a hozaganyag megolvasztásával valósul meg. A kötés kialakítására alkalmazott hőenergia egy része a munkadarabban szétterjed és felhevíti azt abban anyagszerkezettani változásokat idézve elő. Ez a legtöbb szilárdság növelési eljárásra veszély jelent, hiszen ez kvázi egy új lokális hőkezelés, amely veszélyt jelent a nemesítésre, képlékeny hidegalakításból származó felkeményedésre (az újrakristályosodás miatt), sőt egyes ötvözők, mint például a magnézium is kiéghet a varratból illetve a hőhatás övezetből. Az alumíniumnál azért jelenthet ez még nagyobb gondot, mint az acélok esetében, mert eltérőek a hőfizikai jellemzői, így például sokkal jobb a hővezető képessége, ami a hőhatásövezet kiszélesedéséhez vezet. 2.2.4. A hegesztett alumínium kötések repedés keletkezési problémái Mivel az alumínium ötvözeteknek rendszerint kiválóak a nyúlási és alakváltozási tulajdonságai, ezért amikor ezen anyagok hegesztett kötéseinek repedésérzékenységéről beszélünk, az valójában a varrat melegrepedéssel (kristályosodási repedés) szembeni érzékenységét jelenti. 2.2.5. A kristályosodási vagy melegrepedés érzékenység Elsődlegesen metallurgiai problémáról beszélünk. A legfőbb oka a kristályosodási repedés kialakulásának az, hogy az elsődleges kristályosodás során a varrat szilárdulása miatti feszültségek okozta alakváltozás meghaladja a varrat (varratfém) alakváltozó képességét (4. kép). A melegrepedés kialakulása a varratban az alábbi okokra vezethetőek vissza: Alacsony olvadáspontú eutektikum kialakulása; Ez jellemzően hibás hegesztőanyag választásból fakad. Alumínium hegesztőanyagot az adott eljárásra, technikára, pozícióra és technológiára jellemző felkeveredés szem előtt tartásával úgy válasszunk, hogy a varratfém lehetőleg ne essen a következő vegyi összetételi határok közé: 0,5% < Si% < 2,0% és 1,0% < Mg% < 3,0%. Mindenképpen igyekezzünk elkerülni a Mg2Si eutektikum kialakulásának lehetőségét. Például ne hegesszük 6xxx-es alumíniumot hegesztőanyag nélkül vagy 5xxx-es alapanyagot 4xxx-es hegesztőanyaggal. 10
Nagyon fontos tehát, hogy nagy gonddal válasszunk alumínium hegesztésekor hegesztőanyagot! Szerkezeti merevség; Amennyiben a terhelés felvételére szinte képtelen megolvadt fémet erőhatás éri, úgy majdnem teljes biztonsággal megjósolható a melegrepedés létrejötte. Ennek különböző formái léteznek a terhelés irányától és nagyságától függően (például: likvációs repedés, keresztirányú melegrepedés). A kötés megtervezése is jelentős mértékben befolyásolja a maradó feszültség mértékét. Az alkatrészek közötti nagy rés növeli a megszilárduló varratfémre ható terhelést, különösen, ha a beolvadási mélység kicsi. Ezért a kicsi mélység-szélesség aránnyal rendelkező varratok (az alkatrészek között nagy a hézag, és a varrat széles, de vékony), érzékenyebbek lesznek a kristályosodási repedésekre, ahogy az a 2. ábrán látható. Ebben az esetben a varrat közepe, ami utoljára szilárdul meg, egy keskeny zóna, ami nem képes ellenállni a repedésnek. A varratfém túlhevülése; A túlhevített ömledék túlzott hőbevitellel végzett hegesztés esetén lehűlés közben nagyobb térfogatváltozáson megy keresztül, mint helyesen megválasztott hőbevitel esetén, így a keletkező belső feszültségek is nagyobbak, aminek következtében jelentősen nő a repedés kialakulásának veszélye. Nagy szolidusz-likvidusz hőközű ötvözet; Az ilyen jellegű ötvözetekre általánosan is jellemző, hogy a nagy szolidusz-likvidusz hőköz miatt – az ömledék állapotból történő lehűlés során – lényegesen több ideje marad a különböző alacsony olvadáspontú eutektikumok létrejöttének, s így a melegrepedés kialakulásának. Ezt a problémát könnyen orvosolhatjuk célszerűen választott hegesztőanyaggal, illetve már tervezési fázisban könnyebben hegeszthető ötvözet választásával.
4. kép: Kristályosodási repedés a varratban [28] 2.2.6. Likvációs repedés Általában a likvációs repedést a melegrepedés egyik változatának tekintik. A repedés a hőhatásövezetben (HAZ) alakul ki úgy, hogy egy alacsony olvadáspontú filmréteg alakul ki a kristályhatárokon. Ezek nem tudnak ellenállni, a varrat megszilárdulása közben fellépő zsugorodás okozta feszültségnek. A hőkezelhető ötvözetek, különösen a 6xxx és 7xxx csoport, a legérzékenyebbek az ilyen típusú repedésekre (5. kép).
11
5. kép: Likvációs repedés [29] A likvációs repedés kockázata csökkenthető, az alapanyagénál alacsonyabb olvadáspontú hozaganyag használatával, például a 6xxx csoportba tartozó ötvözet a 4xxx csoportba tartozó hozaganyaggal történő hegesztésével. Azonban a 4xxx csoportba tartozó hozaganyag nem használható magas magnéziumtartalmú tartalmú ötvözetek hegesztéséhez (mint az 5083), mert túl sok magnézium-szilicid keletkezhet a beolvadási határon, ami csökkenti a képlékenységet, és növeli a repedésérzékenységet. 2.2.7. Teraszos repedés A réteges repedésként vagy teraszos törésként is ismert hibafajta esetében réteges alakban elrendezett repedésekről van szó, amelyek a felülettel párhuzamosan, fedetten is haladhatnak, de a felülről is kiindulhatnak, jellemzően teraszos vagy lemezes alakkal hatolnak be az alapanyagba. Különösen repedésveszélyesnek számítanak a lemez síkjára merőleges helyzetű hegesztési zárványok (6. kép).
6. kép: Teraszos repedés vagy másképpen réteges tépődés [30] 12
2.2.8. Végkráterrepedés A végkráterrepedés szintén a melegrepedés egyik fajtája. A hegesztési varrat végkráterének berepedése abból az egyszerű okból fakad, hogy a varrat befejezésénél, adott hosszegységre fajlagosítva kisebb térfogatú anyag vesz részt a hegesztett kötés kialakításában, mint a varrat előző részeiben. A kisebb méretű varrattömeg mellett a varrat befejezésénél a hűlési sebesség is nagyobb. A végkráternél jelentkező nagyobb hűlési sebesség és a kisebb varrattömegben jelentkező nagyobb alakítási sebességgel szemben nincs megfelelő alakváltozási képesség, ez okozza a kialakulását.
7. kép: Végkráter repedés [31] Elkerülésének legfőbb eszköze, hogy a varrat befejezésekor ezeket a viszonyokat az ideálishoz igyekszünk közelíteni. Ez a következő módszerekkel történhet: Áramlefutás és krátertöltő funkció alkalmazásával AWI hegesztés esetén többlet AWI pálcaadagolással és krátertöltéssel Bevonatos elektróda alkalmazása esetén az ív lassú nyújtásával befejezve a hegesztést.
13
3. Matching FCsM
14
4. Fizikai szimuláció Első lépéként célszerű magát, a fizikai szimuláció fogalmát tisztázni. A fizikai szimuláció több mint fizikai vizsgálat, ötvözi a modern numerikus szimulációt és a hagyományos fizikai vizsgálatokat, méréseket, oly módon, hogy egy technológiai folyamat megvalósítása során, azaz egy konkrét gyártási folyamat alatt a munkadarabot ért termikus, mechanikai és környezeti hatásokat szimulálja a vizsgálatok alkalmával, melyek nem szükségszerűen egy időben, de együttesen jelentkeznek. A fizikai szimuláció tehát valós folyamatokat próbál meg létrehozni laboratóriumi körülmények között, úgy hogy a kapott vizsgálati eredmények reprodukálhatóak legyenek és releváns információt hordozzanak egy valós probléma megoldásához. A fizikai szimuláció során olyan mintákat alkalmazunk, melyek anyaga értelemszerűen egyezik, az ipari folyamat anyagával, valamint mérete megfelelő módon reprezentálja az adott ipari, anyagtechnológiai folyamat egy térfogatelemét, - természetesen különböző próbatest kialakítások választhatóak a különböző vizsgálatoknak való legmegfelelőbb geometria szerint -. „A fizikai szimuláció nem más, mint a tényleges és lehetséges ipari folyamatok megvalósítása, a valósággal egyező időléptékben és a valóságot relevánsan megközelítő geometriai (térfogati) léptékben [1].” A fizikai szimulációra való igény egyértelmű, új gyártástechnológia kidolgozásához, új termék előállításának megtervezéséhez elengedhetetlenül szükség van a lehetséges ipari, anyagszerkezettani folyamatok modellezésére, vizsgálatára. Az első fizikai szimulációra alkalmas gépek megjelenése az 1950-es évek második felére tehető, ezek a gépek elsősorban a hegesztett kötések problémáinak vizsgálatával foglalkoztak, köszönhetően az aktuális ipari helyzetnek, globális viszonyoknak a második világháborút követően. Így az első kereskedelmi forgalomban is megjelent fizikai szimulátor is kifejezetten a hegesztett kötések hőhatásövezeteinek vizsgálatára volt alkalmazható, ez volt az amerikai Gleeble 501-es szimulátor. A gép a gyors hevítési rendszer mellett rendelkezett egy pneumatikus terhelőrendszerrel is, mely állandó sebességű húzást tett lehetővé, bármely hőmérsékleten, a gép 8000 K/s-os hevítési sebességének határain belül. A következő lépcső a fizikai szimulátorok fejlődésében a Suzuki és a Nippon Steel Corp. által továbbfejlesztett Gleeble 1500, ami képes volt már a folyamatos öntési és megszilárdulási folyamatokat is szimulálni. Egy fizikai szimulátor nem „kicsinyített” termelő berendezés, nem célgép, de egyértelműen közelebb helyezkedik el az ipari folyamatokhoz, mint a numerikus módszerekhez, a vele végzett vizsgálatok, mindig valósidejűek és hűen reprodukálják a gyártás során a munkadarabot ért termikus, mechanikai és környezeti hatásokat. [33][34][35]
15
4.1. A Gleeble 3500-as rendszer A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén a TIOP 1.3.1-07/1-2F-20080005 nyilvántartási számú projekt keretén belül megvalósult beruházás eredményeként rendelkezésre áll egy Gleeble 3500-as teljeskörűen integrált, digitálisan zártkörűen vezérelt termo-mechanikai vizsgáló rendszer, Windows alapú szoftveres számítógép támogatással, mely lehetővé teszi az észak-magyarországi régióban is széleskörű termo-mechanikai vizsgálatok és szimulációk kivitelezését és kiértékelését. 4.1.1. A berendezés felépítése A berendezés három fő egységre osztható, melyek a következőek: termikus egység, mechanikai egység és a digitális vezérlő rendszer. A Gleeble 3500 termikus egysége közvetlen ellenállás-hevítő rendszerrel rendelkezik, mely lehetővé teszi a minták igen nagy sebességű hevítését, mely akár 10000 ˚C/s is lehet, valamint lehetővé teszi az ideális állapotok kialakítását, azaz az egyensúlyi hőmérsékletek megtartására is képes. A minták olyan nagy hővezető képességű befogókba vannak befogva, melyek nélkül nem lennének megvalósíthatóak az igen gyors hűtési sebességek (10000 ˚C/s szintén). A vizsgálatok folyamán nagyon fontos a visszajelzés, máskülönben a folyamatok vezérlése nem lenne biztosítható, a pontos visszajelzés megvalósításának eszközei a termoelemek, vagy opcionálisan választható pirométerek. A Gleeble egyedülállóan magas hevítési/hűtési sebességek megvalósításával alkalmas a termo-mechanikai vizsgálatok, valamint a fizikai szimulációk 3-10-szer gyorsabb kivitelezésére, mint egy hagyományos kemence. A mechanikai egység, teljes körűen integrált komplex hidraulikus szervó-rendszer, mely húzásra és nyomásra egyaránt alkalmas a maximális terhelőerő 100 kN, a maximális terhelési sebesség pedig nem kevesebb, mint 1000 mm/s, ami megfeleltethető az ipari folyamat alakítási sebességének. Itt a reprodukálhatóság biztosítéka, azaz a visszacsatolás és szabályozáseszköze lehet LDVT átalakító, erőmérő cella, vagy érintkezés mentes lézer extenzométer. A Gleeble 3500 mechanikai egysége nagyfokú rugalmasságot tesz lehetővé azáltal, hogy a vizsgálatok folyamán bármikor korlátlanul válthatunk a különböző vezérlési módok között (dugattyú elmozdulás, erő, számos extenzométer, valódi feszültség, valódi nyúlás, mérnöki feszültség, mérnöki nyúlás). Végül vegyük szemügyre az egész rendszer legfontosabb részét, a digitális vezérlő rendszert, mely a Gleeble vezérlő rendszereinek harmadik generációja. Ez a vezérlő és ellenőrző rendszer biztosítja a szimulátor működése folyamán szükséges információ áramot, visszacsatolásokat, és teszi lehetővé a folyamatok, vizsgálatok pontos vezérlését, megteremtve a szükséges szinergiát a termikus és mechanikus egységek között. A rendszer rugalmasságát tovább fokozza, hogy az irányítás megvalósítható teljes egészében számítógépesen vagy manuálisan, és a kettő akármilyen kombinációja ként is, az adott feladattól függően. A Gleeble 3500 számítógépes kezelő felülete egy Windows alapú munkaállomásból, és a vezérlő konzolban található erős beágyazott processzorból áll. A Windows munkaállomás rugalmas ipari-szabványnak megfelelő multi-tasking alapú grafikus kezelőfelületet kínál, amely alkalmas szimulációs programok készítésére, a kapott adatok elemzésére éppúgy mint jelentések és prezentációk készítésére. A beágyazott processzor teszt, és szimulációs programokat hajt végre, valamint felhasználói adatokat gyűjt a Windows irányítása alatt. Ez a fajta munkamegosztás a munkaállomás maximális kapacitásának kihasználását nyújt a felhasználó számára amíg a 16
tesztek futnak, lehetővé téve a kezelőnek, hogy új teszteket készítsen, vagy adatokat elemezzen, amíg a szimulátor ezzel párhuzamosan teszteket , vagy fizikai szimulációkat hajt végre. A Gleeble 3500 számára szoftveres eszközök széles köre elérhető. A kezelő több programozói lehetőségből választva készíthet teszteket, mint a QuikSim szoftver, vagy táblázatos formában kitölthető program generátor segítségével, amely minden műveletet egy teszt sorban ír körül sorrend és időtartam alapján. A QuikSim a hullámformák teljes körű programozását teszi lehetővé termikus, és mechanikai egységekhez egyaránt. Egyéb programozási lehetőségek például a bonyolultabb alakváltozás vezérlő program (Deformation Control Software) vagy a Gleeble Script programozási nyelv. A Gleeble 3500 kezelői felületének tervezésekor, a DSI (Dynamic System Inc.) mérnökei felismerték, hogy a gép teljesítményéhez a rugalmas kezelőfelület elengedhetetlen. Ezért a 3500-as irányításának minden aspektusa számítógéppel szabályozható, és előre beállítható a programban. Hogy a rendszert még rugalmasabbá tegyék, és lehetővé tegyék a könnyű manuális irányítását, a Gleeble 3500-as részét képezi egy különálló irányító konzol, amin 10 további vezérlő panel található. Mindegyik panelhez tartozik kezelő gomb, és kijelző, amelyek szoftveresen konfigurálhatóak a gép bármely részének irányítására, amelyre a kezelőnek csak szüksége van. Ennek eredménye képen a kezelőnek nagy szabadsága van a rendszer manuális irányításában, mégsem áldozza fel a számítógépes irányítás lehetőségének erejét és egyszerűségét amikor ez a jobbik választás. Alkalmazhatóak az előre megírt tesztprogramok változtatás nélkül, vagy, ha az jobban megfelel az aktuális feladatnak a vezérlő paneleket a program finomhangolására miközben a tesztek folyamatban vannak. Amikor egy teszt vagy szimuláció lefutott, az eredmények automatikusan betöltődnek az Origin szoftverbe, amely egy a Gleeble 3500-hoz mellékelt erős, és rugalmas adat elemző csomag része. Az Origin sok beépített matematikai funkciót kínál az adatok elemzéshez, valamint magába foglalja a LabTalk programozási nyelvet, amely felhasználható az átfogó jellegű ismétlődő, összehasonlító szimulációk és tesztek adatainak kiértékeléséhez, feldolgozásához. Az Origin beállítható, hogy minden egyes teszt adatait betöltse és azonnal megjelenítse tetszőleges mennyiségű grafikonon, amely a szimulációk, tesztek és mérések gyors és egyszerű áttekintését teszi lehetővé. Továbbá újabb pozitívumként kiemelhető, hogy az Origin publikációkhoz megfelelő minőségű grafikonokat, és táblázatokat készít. [35] Az 8. képen a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén található Gleeble 3500-as termo-mechanikus szimulátor látható.
8. kép: A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén található Gleeble 3500-as termo-mechanikus szimulátor 17
4.1.2. Technológiai paraméterek A következő táblázat Gleeble szimulátorok legfontosabb technológiai paramétereit tűnteti fel az összehasonlíthatóság érdekében (1. táblázat). Jellemzők / paraméterek maximális értéke
Mértékegység
Gleeble rendszer 1500
3500
3800
Hevítési sebesség
˚C/s
10000
10000
10000
Hűtési sebesség
˚C/s
250
10000
10000
Elmozdulás
mm
100
100
100
mm/s
2000
2000
2000
kN
80/80
100/100
100/200
Próbatest keresztmetszete
mm2
250
-
-
Próbatest átmérője
mm
-
20
20
Próbatest hosszúsága
mm
125
-
-
Elmozdulási. sebesség Statikus erő, húzás / nyomás
1. táblázat: A Gleeble 3500-as rendszer legfontosabb összehasonlító paraméterei [3]
4.2. Alkalmazási lehetőségek A Gleeble 3500-as rendszerrel végezhető tesztek két nagy csoportra oszthatóak, az egyik az anyagvizsgálatok témaköre, a másik a folyamat szimulációk csoportja. Anyagvizsgálatok szakító/meleg-szakítóvizsgálat különböző geometriájú próbatesteken, nyomó/meleg-nyomóvizsgálat; − − −
feszültség-alakváltozás görbék meg-határozása, olvasztás és kristályosítás, zérus szilárdsági vizsgálat, növelt hőmérsékletű Erichsen-vizsgálat, hőkezelés, tágulásmérés/fázisátalakulás vizsgálat; − − − −
terhelés egytengelyű nyomó feszültséggel, síkalakváltozásos zömítés (Watts-Ford módszer), repedés szétnyílás vizsgálata nyomott állapotban,
hevítés/hűtés mellett, folyamatos/nem folyamatos, izotermás, alakítást követő,
feszültség csökkentés/leépülés vizsgálat, kúszásvizsgálat, fárasztóvizsgálat; − −
termikus, termo-mechanikus.
18
Fizikai szimulációk, folyamat szimulációk folyamatos öntés, Mushy-zóna (szolidusz és likvidusz hőköz) kísérleti vizsgálata, meleghengerlés, kovácsolás, sajtolás, hőhatásövezet, zömítő tompahegesztés, diffúziós hegesztés, folyamatos acélszalag-lágyítás, hőkezelés, edzés, gyors hűtés, porkohászat/szinterelés, szintetizálás. [3]
4.3. Példák a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén végzett kísérletekből A tanszéken folyatott kísérletek első sorban hegesztéssel kapcsolatos vizsgálatok voltak, így a hegesztés témaköréhez kapcsolódóan több anyagvizsgálati típusú tesztet és szimulációt végeztünk el ugyan azon nagyszilárdságú acél alapanyagon. 4.3.1. Zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet (NST – Nil-Strength Temperature) meghatározása: A vizsgálatok elvégzésére négy hengeres próbatesten került sor, a próbatest geometriájának megfelelő 80N-os terhelés mellett, és 1200 ˚C-ig viszonylag gyors 20˚C/s-os hevítési sebességgel, majd az adott anyag szolidusz hőmérsékletéhez közeledve kisebb, 1-2 ˚C/s-os hevítési sebességgel (4. ábra). A hevítési sebesség csökkentésének oka, hogy a zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet a fémek szolidusz hőmérsékletének közelében van ezért pontos meghatározásához, szükséges a vizsgálati paraméterek finomítása ebben a hőmérséklet intervallumban. A vizsgálat végeredményét a sorozat átlaga adja: mégpedig, hogy melyik az a hőmérséklet, amelyen a próbatest a legkisebb terhelés hatására is eltörik.
4. ábra: A vezérlőjel és egy próbatesten mért tényleges hőmérséklet [36] 19
4.3.2. Meleg-szakítóvizsgálat elvégzése hevített és hevített-hűtött próbatesteken: Meleg-szakítóvizsgálatot megelőzően mindig szükséges elvégezni a NST meghatározását, mivel a vizsgálati hőmérsékletek ez alatt kell, hogy maradjanak a kísérlet során legalább 2030 ˚C-kal. Ez a kísérlet is hengeres próbatesteken került elvégezésre, négy hevített és négy hevített-visszahűtött próbatesten (5. ábra).
5. ábra: Vizsgálati hőmérsékletek [36] 4.3.3. Hőhatásövezet vizsgálat: A vizsgálat során a hegesztésnek megfelelő termikus ciklusok a Rykalin 3D model segítségével voltak kialakítva. Ez alapján pedig három hőhatás övezeteti zónát vizsgáltunk. Az ausztenitesítési hőmérséklet felső határának megfelelő 1200 ˚C-on az első zónát, Ac3-nak megfelelő 900 ˚C-on a második zónát és végül Ac1-től valamivel magasabb hőmérsékleten, 750 ˚C-on a harmadik zónát (6. ábra), tehát a szemcsedurvulási, normalizálási és részleges átkristályosodási sávokat reprodukáltuk a Gleeble 3500-as termo-mechanikus szimulátorral valóságos hegesztés nélkül.
6. ábra: A vizsgálat során alkalmazott hőciklusok [37] 20
5. Irodalomjegyzék [1]
Komócsin, M.: Nagyszilárdságú acélok és hegeszthetőségük, Hegesztéstechnika 13. évf. 1. sz., Budapest 2002., 5-9. oldal
[2]
W.S Millera, L Zhuanga, J Bottemaa, A.J Wittebrooda, P De Smetb, A Haszlerc, A Viereggec: Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, Materials Science and Engineering: A, Volume 280, Issue 1, 15 March 2000, Pages 37–49.
[3]
http://www.world-aluminium.org/statistics/#map
[4]
http://www.alueurope.eu/production-recycled-aluminium-production-source-oea/
[5]
http://www.hydro.com/
[6]
Sándor, T.: ESAB Ismerettár Alumínium hegesztés 1. Kitekintés, ESAB Hírek 2007 2. szám, Budapest 2007, 6-7 o.
[7]
http://www.foundry.matav.hu/aktualis.htm
[8]
http://www.aluminum.org/
[9]
Sándor, T.: ESAB Ismerettár Alumínium hegesztés 2. Alapanyagok, ESAB Hírek 2007 3. szám, Budapest 2007, 6-7 o.
[10] Buzás B.: Alumínium ötvözeteinek hegesztési problémái,Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, 2003. [11] Komócsin M.: Az alumínium és ötvözetei valamint hegeszthetőségük, Magyar Hegesztők Baráti Köre, Budapest, 2011. [12] Sándor, T.: Alumínium hegesztés 3., ESAB Hírek 2008 1. szám, Budapest 2008, 1314. o. [13] Kaufman, J. G., Rooy, E. L.: Aluminium alloy castings : Properties, processes, and applications, AFS ASM, Schamburg Materials Park, 2005. [14] http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=83 [15] Lutjering, G., Doker, H., Munz, D.: Microstructure and fatigue behavior of aluminum alloys: the microstructure and design of alloys, Proceedings of the Third International Conference on Strength of Metals and Alloys, Cambridge, England, August, 1973 (1973), p. 427 [16] Tisza M.: Az anyagtudomány alapjai, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2010. [17] Gál I., Kocsisné Baán M., Lenkeyné Bíró Gy., Lukács J., Marosné Berkes M., Nagy Gy., Tisza M.: Anyagvizsgálat, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2008. [18] Balogh A., Sárvári J., Schäffer J., Tisza M.: Mechanikai technológiák, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2010. [19] Komócsin M.: Gépipari Anyagismeret, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 1995. [20] Baránszki-Jób I.: Hegesztési Kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985. [21] Szunyogh L.: Hegesztés és rokontechnológiák Kézikönyv, Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, 2007.
21
[22] Mathers, G.: The welding of aluminium and it’s alloys, Woodhead Publishing Limited, Cambrige, 2002. [23] C.M. Sonsino: Structural durability of cast aluminium gearbox housings of underground railway vehicles under variable amplitude loading, International Journal of Fatigue, Volume 27, Issue 8, August 2005, Pages 944–953 [24] L. Katgerman, M. Lalpoor, D. G. Eskin, G. ten Brink: Microstructural features of intergranular brittle fracture and cold cracking in high strength aluminum alloys, Materials Science and Engineering: A, Volume 527, Issues 7–8, 25 March 2010, Pages 1828–1834 [25] I.M. Richardson, B. Hu: Mechanism and possible solution for transverse solidification cracking in laser welding of high strength aluminium alloys, Materials Science and Engineering: A, Volume 429, Issues 1–2, 15 August 2006, Pages 287–294 [26] G. den Ouden, A Bakker, L. Katgerman, F. Soetens, J. Wardenier, C. J. van der Wekken: Weldability of Al-Zn-Mg Alloys, Tao Ma, Thesis Delft University of Technology, 1997. [27] A. Kostrivas, J. C. Lippold: A Method for Studying Weld Fusion Boundary Microstructure Evolution in Aluminum Alloys, Supplement to the welding journal, 2000 január. [28] C. Huang, S. Kou: Liquation Cracking in Full-Penetration Al-Cu Welds, Welding Research,58. szám, 2004 Február. [29] S. V. S. Narayan Murty, R.K. Gupta: Analysis of crack in aluminium alloy AA2219 weldment, Engineering Failure Analysis, Volume 13, Issue 8, December 2006, Pages 1370–1375 [30] http://dc193.4shared.com/doc/2egtQlq2/preview.html [31] Sándor, T.: ESAB Ismerettár Alumínium hegesztés 4. - Az alimínium hegesztés nehézségei II., ESAB Hírek 2008 3. szám, Budapest 2008, 5-6. o. [32] A. M. Drits, V. V. Ovchinnikov: Weldability and properties of welds of highstrength aluminum alloys of the Al-Cu-Li system, Metal Science and Heat Treatment, vol.53, Nos 9-10, 2012 Január. [33] Lukács J., Nagy Gy., Harmati I., Koritárné F. R., Kuzsella Lászlóné K. Zs.: Szemelvények a mérnöki szerkezetek integritása témaköréből, Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék, Miskolc 2012., 210-218. o. [34] Verő B.: A fizikai és matematikai szimuláció helye és szerepe a műszaki anyagtudományban, Bányászati és kohászati lapok 145. évfolyam 1. szám, Budapest 2012., 2-6. o. [35] http://gleeble.com/index.php/products/gleeble-3500.html [36] Kuzsella, L.; Lukács, J.; Szűcs, K: Fizikai szimulációval végzett vizsgálatok S960QL jelű, nagyszilárdságú acélon, GÉP, LXIII. évf., 11. szám, Budapest 2012., 37-43. o. [37] Gáspár M., Balogh A.: Structural inhomogeneities in the heat affected zones of (q+t) high strength steel joints, XXVII. microCAD International Scientific Conference Material Processing Technologies Konferencia, Miskolc 2013. 22
23
6. Köszönetnyilvánítás A tanulmányban ismertetett kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
24
