Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 321–330.
ÖNTÉSZETI AL2014 ÖTVÖZET KÖNYÖKSAJTOLÁSA A ÉS BC UTASTECHNIKÁVAL ECAP OF THE CASTING AL2014 ALLOY WITH A AND BC ROUTES PÁZMÁN JUDIT1,A, KRÁLLICS GYÖRGY2,B, GÁCSI ZOLTÁN1,C 1
Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar, Anyagtudományi Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros 2 Budapesti Műszaki Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, XI. Bertalan L. u. 7. MT épület A
[email protected] B
[email protected] C
[email protected] A nemesíthető alumínium ötvözetek kedvező fajlagos tulajdonságaik miatt egyre nagyobb hangsúlyt kapnak az autóipari alkalmazásokban. Ötvözéssel és hőkezeléssel a szín alumíniumhoz képest jelentősen javíthatók a szilárdsági tulajdonságok, azonban ez csak a szívóssági paraméterek drasztikus mértékű csökkenése árán érhető el. Az elmúlt évtizedekben egyre fontosabbá váló intenzív képlékeny alakítási technikákkal azonban a szívóssági tulajdonságok megőrzése mellett lehet szilárdságnövekedést elérni. Kutatómunkánk során nemesíthető alumínium ötvözetet – az intenzíven képlékeny alakítási technikák közé tartozó – könyöksajtolással alakítottuk, annak érdekében, hogy a szilárdsági jellemzők növekedjenek és a szívósságiak se csökkenjenek. Az alkalmazott A és Bc utas technikával a kezdeti szinte zéro nyúlásértékeket adó Al2014-es ötvözet négy átsajtolást követően 6-10%-os nyúlást mutatott, valamint a szilárdsági jellemzők az átsajtolás számával 40-75%-kal növekedtek meg. Kulcsszavak: könyöksajtolás, alakítási utak, szemcsefinomodás, alumínium ötvözet. The precipitation hardening aluminium alloys get a more and more higher role in the auto industry application due to the required specific mechanical properties. The tensile properties can be improved significantly for the pure aluminium by alloying and heat treatment, but it can be realized only at the price of the drastical decrease in the ductile properties. The strength increasing can be achieved without the decrease of the ductile properties by severe plastic deformation technologies become more and more important in the last decades. In our research work a precipitation hardening aluminium alloy was worked by equal channel angular pressing belong to the severe plastic deformation technologies to increase the tensile properties and not to decrease the ductile properties. The initial zero elongation of the Al2014 can be imporved to 6-10% after the ECAP of the Al2014 alloy with A and Bc routes. The increase of 40-75% can be observed with the extrusion number in the tensile properties. Keywords: equal channel angular pressing (ECAP), pressing routes, grain refinement, aluminium alloy.
322
Pázmán Judit–Krállics György–Gácsi Zoltán
Bevezetés Az ipar számára fontos hogy, minél kisebb energia ráfordítással egyre nagyobb teljesítményű berendezéseket és használati cikkeket gyártsanak. Ehhez olyan anyagokra van szükség, melyek az eddigiekével megegyező vagy jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek és tömegük töredéke ezeknek. Ennek köszönhető, hogy az anyagtudományi kutatások középpontjában olyan anyagok fejlesztése került, melyekkel egyre nagyobb fajlagos szilárdsági értékek érhetők el jelentős szívóssági jellemzők mellett. Ezek a speciális mechanikai tulajdonságok a könnyűfémek közé tartozó alumíniummal és ötvözeteivel is megvalósíthatók, annak ellenére, hogy a tiszta alumínium kis szilárdsággal rendelkezik (folyáshatár: 16-28 MPa, szakítószilárdság: 40-70MPa) [1]. Ötvözéssel, hőkezeléssel és intenzív képlékeny alakítással mechanikai tulajdonságai jelentős mértékben változtathatók. Az alumíniumötvözetek intenzív képlékeny alakítása, azon belül is a könyöksajtolása tekintetében jelentős kutatások folynak, mind az alakítási út, mind az átsajtolási szám hatásának feltérképezésében. Az Al-Si ötvözetek viselkedését a különböző alakítási utak („A”, „BA”, „BC”, „C”) esetén Garcia-Infanta és társai [2] tanulmányozták. Kutatásaik eredményeként megállapították, hogy a „BC” és „C” utak esetében az eredeti dendrites szerkezet mutatkozik az alakítás után, míg az „A” út esetében elnyújtott szemcseszerkezet figyelhető meg. A „BA” út az eredeti dendrites szemcseszerkezet nyújtott változatát eredményezi, de az orientáció az „A” úttól eltérő. A repedésterjedés a „BC” és „C” utas minták esetén a rideg eutektikus fázison halad és a repedés vonala cikk-cakk jellegű. Az „A” és „BA” utas minták esetén pedig a repedés egyaránt terjed a primer alumíniumban és az eutektikus fázisban, simább repedésvonalat eredményezve. A primer alumínium elnyújtott és összenyomott dendritjei sokkal rugalmasabbak, melyek így energiatárolóként viselkedve megnövelik az alakíthatóságot szemben a rideg eutektikus fázis területeivel. Az „A” és a „BA” utak megfelelő nyúlást biztosítanak az ötvözet számára. Al-Cu ötvözetek esetében a korábban említett alakítási paraméterek mellett a réz tömeg% aránya is jelentős szerepet játszik. Ennek növelésével további finomodás
1. ábra. Szakítószilárdság értékek réztartalom függvényében [4-8]
Öntészeti Al2014 ötvözet könyöksajtolása A és Bc utastechnikával
323
következhet be. Ezt igazolja a 2, 3, 5 tömeg% Cu tartalmú ötvözetet vizsgáló Mahallawy és társainak [3] elvégzett vizsgálatai is. Cikkükben megfogalmazott megállapítások során a réz koncentrációjának növelésével és így a Θ-fázis nagyobb mértékű megjelenésével a szilárdsági jellemzők erőteljes növekedése mutatkozik. A réztartalom függvényében ábrázolva a szakítószilárdság értékeket [4-8] egy növekvő tendenciát kapunk (1. ábra), melyek természetesen az alakítás előtti hőkezelések függvényei is. A szövetszerkezetben nemesítés illetve ECAP-öregítés hatására kialakult Θfázis mennyisége és az átsajtolási szám függvényében való finomodása egyaránt elősegítette a szakítószilárdság értékének növekedését. Hasonló a helyzet a szemcsefinomodással is, a rézkoncentráció növelésével a szemcseátmérő egyre kisebb, ultrafinom szemcseszerkezetű. A másik fontos paraméter a nyúlás érték, mely az átsajtolási szám növekedésével hol csökken, hol pedig nő. Ennél a paraméternél egyértelmű tendencia felállítása nem lehetséges. Az értéke 6-15% között változik koncentrációtól függetlenül. Kutatómunkánk során AlCuSiMg ötvözetet könyöksajtolunk „A” és „BC” utas technikával. A vizsgálati ötvözet 4,5% réztartalmával a fenti példák alapján szakítószilárdságát tekintve négyszeri ECAP sajtolással 350-400 MPa körüli értékkel rendelkezhet. A nyúlás megállapítása azonban ennél bonyolultabb, a nagy rézkoncentrációt alapul véve a megadott intervallum alsó részében foglal helyet, tehát 6% körüli. 1. Kiindulási anyag A kísérleteinket 2014-es anyagminőségű AlCuSiMg ötvözeten végeztük el, melynek pontos kémiai összetételét az 1. táblázat foglalja össze.
Ötvözők Al Cu Si Mg
Al 2014 Tömeg% 93,5 4,4 0,8 0,5
1. táblázat. Öntészeti Al 2014 ötvözet vegyi összetétele
324
Pázmán Judit–Krállics György–Gácsi Zoltán
2. ábra. 2014-es Al-ötvözet szövetszerkezete (eredeti nagyítás: 500X) A mikro-szerkezeti felvételen (2. ábra) jól látható a dendrites struktúra, mely az öntészeti próbadarabot jellemzi. A szerkezet finomságát a szekunder dendritág-távolság mutatja, mely jelen esetben két mintán 5-5 látómezőben mértünk. A mérési eredménye alapján öntést követően egy durvább (átlag SDAS: 50 µm), illetve egy finomabb (átlag SDAS: 20 µm) dendrites szerkezet jött létre. Az öntött Al 2014-es ötvözet keménysége 91 HV2, a szórás 4 HV2, közel egyenletes keménységet mutat. A szakítószilárdság 190 MPa, a folyáshatár 132 MPa, a nyúlás érték nem adható meg. Az öntött szövetszerkezetű darabokból 16 mm átmérőjű, 160 mm hosszú próbatesteket munkáltunk ki könyöksajtolás céljára. 2. Kísérleti körülmények Az öntött darabokat A utas (elforgatás nélküli visszahelyezés a sajtolószerszámba) valamint Bc utas (az óramutató járásával ellentétes irányban, 90°-os elforgatás az egyes átsajtolások során) technikával alakítottuk. A nagy réztartalomnak köszönhetően a könyöksajtolást 250 °C-os előmelegített sajtoló szerszámban végeztük, melynek hőmérsékletét egy hideg illetve meleg nyomóvizsgálattal határoztuk meg [9]. Az öntött próbadarabokat kilágyítottuk, majd 1X, 2X, 3X és 4X-szeres átsajtolást végeztünk. Az átsajtolt alumíniumötvözeten keménységmérést, szakító- és szövetszerkezet-vizsgálatot végeztünk, annak érdekében, hogy a könyöksajtolás, azon belül az egyes átsajtolási utak és azok számának hatását tanulmányozzuk. A keménységméréshez Instron TUKON 2100 B típusú keménységmérő gépet, a szövetszerkezeti vizsgálatokhoz Zeiss optikával ellátott AXIO Imager optikai mikroszkópot (OP) és FEI TECNAI G2 20 X-TWIN transzmissziós elektronmikroszkópot (TEM) használtunk.
Öntészeti Al2014 ötvözet könyöksajtolása A és Bc utastechnikával
325
3. Eredmények 3.1. Keménységmérés Az A és Bc utastechnikával alakított próbatesteken 2 kg-os terheléssel, 10 sec. holtidővel Vickers-keménységet mértünk, mely során a keresztmetszet mentén 14 mérést (mm-ként) végeztünk, annak érdekében, hogy a keresztmetszet menti keménység változást meg tudjuk figyelni. Az A utas technika alkalmazásakor a keménység 7-14 HV2 ingadozást mutatott a keresztmetszet mentén, ami az átsajtolási szám növelésével egyre erőteljesebbé vált. B utas technika esetén 5-11 HV2 volt az eltérés, ami azonban különbség az A utastechnikához képest, hogy az átsajtolási szám növelésével a keménység kiegyenlítettebbé vált, a keménység egyre kisebb értéktartományban mozgott. Emellett a keménység átsajtolási szám függését is elemeztük, melyet ezek átlagával tudtuk jellemezni, ezt a 3. ábrában szereplő diagramok is szemléltetik.
3. ábra. Keménységértékek az átsajtolási szám függvényében
A 3. ábrán jól látható, hogy az „A” utastechnikával alakított próbatestek keménysége az átsajtolási szám növelésével növekszik, azonban a „BC” utastechnikával könyöksajtolt darabok keménysége kismértékű csökkenést mutat. Ennek oka lehet a sajtoló szerszám hőmérsékletének ingadozása, mely az alumínium ötvözet esetén akár meleg alakítást is jelenthet, ezzel a folyamatos keményedést lágyulások szakítják meg. Így az átsajtolási szám növelésével a kívánt szilárdságnövelés nem teljesül. 3.2. Szakítóvizsgálat Az intenzíven alakított AlCuSiMg ötvözetből szakítópróba pálcákat is kimunkáltunk, hogy a szilárdsági és szívóssági paramétert is megtudjuk határozni. Mind a folyáshatárt, mind a szakítószilárdságot az átsajtolási szám függvényében elemeztük, hogy így a képlékeny alakítás hatását jellemezni lehessen az alumínium mechanikai tulajdonságaira. A
326
Pázmán Judit–Krállics György–Gácsi Zoltán
4. ábra mutatja az egyes szilárdsági és szívóssági paramétereket az A és a Bc utastechnika alkalmazásakor.
a)
b) 4. ábra. Szakítóvizsgálat eredményei az átsajtolási szám függvényében a) „A” utastechnika b) „BC” utastechnika
A 4. ábra görbéi jól tükrözik az egyes utak okozta alakváltozások jellegét. Az „A” utastechnika esetén a folyáshatár és szakítószilárdsági érték az átsajtolási szám növelésével növekszik, a szívóssági paraméter azonban maximumos görbejelleget ölt. Tehát az „A” utasalakítás hatására az anyag keményedik, és a negyedik átsajtolás után kismértékű ridegedés mutatkozik, melyet a szakadási nyúlás csökkenése jelez. A „BC” utastechnika alkalmazásakor kismértékű a szilárdságnövekedés, de a szakadási nyúlás folyamatos
Öntészeti Al2014 ötvözet könyöksajtolása A és Bc utastechnikával
327
növekedése figyelhető meg. A „BC” utas alakítás hatására a viszonylag magas szerszám hőmérséklet miatt meleg alakítást szenved az anyag, ami a szilárdsági paraméterek növekedési mértékének csökkenésében és a szívóssági jellemző fokozottabb növekedésében mutatkozik meg. Emellett a próbadarab átsajtolásonkénti forgatás egyenletesebb mechanikai tulajdonságot biztosít az ötvözet számára. 3.3. Szövetszerkezet-vizsgálat A kétféle alakítási úttal könyöksajtolt próbatesteken szövetszerkezet-vizsgálatot végeztünk, mely magába foglalja a szemcseméret és alak jellemzését. A 2. táblázatban összegyűjtött szövetképek az átsajtolási szám függvényében mutatják a szövetszerkezet változását. A kiindulási szövetszerkezet dendrites felépítését mutatja az 5. ábra. Az öntéssel és levegőn való hűléssel létrehozott dendrites szövetszerkezet az alakítások hatására elveszti kezdeti jellegét és kisebb nagyobb mértékben irányított struktúrát mutat.
5. ábra. Kiinduló dendrites szövetszerkezet (eredeti nagyítás:500X) Jól látható, hogy az „A” utastechnika alkalmazása egy anizotóp mikroszerkezetet hoz létre, ahol szemcsék nyújtottsága az átsajtolások ismétlésével fokozódik. Míg a „BC” utasalakítás során az átsajtolások közötti forgatás a mikroszerkezetben nem eredményez erősen irányított szemcseszerkezetet (2. táblázat).
Pázmán Judit–Krállics György–Gácsi Zoltán
328
A utastechnika 1000X nagyítás
Bc utastechnika 1000X nagyítás
négyszer átsajtolt
háromszor átsajtolt
kétszer átsajtolt
egyszer átsajtolt
Átsajtolási szám
2. táblázat. „A” utas és „BC” utastechnikával sajtolt próbatestek szövetszerkezetének változása az átsajtolások függvényében
Öntészeti Al2014 ötvözet könyöksajtolása A és Bc utastechnikával
329
Az „A” utastechnikával kialakuló anizotrópia okozta szemcsealak-változást TEM vizsgálattal lehet nyomon követni. A kezdeti dendrites szerkezetű szemcse lemezes alakkal jellemezhető a 4. átsajtolás után. Ezt támasztja alá a transzmissziós elektronmikroszkóppal készített x, y és z irányú metszeti felvétel (6. ábra).
a)
b)
c)
6. ábra Anizotópia kimutatása TEM-mel a) X irányú metszeti kép b) Y irányú metszeti kép
A 6. a) és b) TEM felvétel téglalap alakú szemcsealakokat mutat, melynél a szemcsék hosszmérete 1-1,5 µm, míg a szélessége pedig 200-500 nm között változik. Ezzel szemben a „z” irányú metszet (6. c) teljesen izotóp szemcsealakot mutat, ahol a jól orientált szemcse (a szemcse valamelyik zónatengelye az elektronsugárral párhuzamos) (sötét színű) mind hossz, mind pedig keresztirányban 2-3 µm. Tehát ezek alapján elmondható, hogy az „A” utastechnikával könyöksajtolt AlCuSiMg ötvözetet 4. átsajtolást követően 200-500 nm X 11,5 µm X 2-3 µm-es lemezes szerkezet jellemzi. Az intenzív képlékeny alakítás hatására a kezdeti mikronos szemcseszerkezet (ultrafinom) nanométeresre finomodik, ami jelentős szilárdság- és szívósságnövekedést von maga után. Összefoglalás Kutatómunkánk során nagy réztartalmú öntészeti alumínium-ötvözetet könyöksajtoltunk „A” és „BC” utastechnikával 250 °C-os szerszámhőmérséklet mellett. Az alakított próbatesteken keménységmérést végeztünk, melynek eredményeként megállapítható volt, hogy „A” utastechnikával az öntött minta 91 HV2 keménységéhez képest 112 HV2 keménységet lehet elérni, ami a folyáshatár és szakítószilárdságban is megmutatkozik. Hiszen az öntött próbatest 132 MPa folyáshatárához és 191 MPa szakítószilárdságához képest „A” utastechnikával, négy átsajtolás után 284 MPa (Rp0,2) és 332 MPa (Rm) érhető el. „BC” utas könyöksajtolást követően a keménység kismértékű csökkenést mutat a kiinduló értékhez képest, míg folyáshatár tekintetében 203 MPa, szakítószilárdság esetén 270 MPa érhető el négy átsajtolást követően. A nyúlás értékek igen jelentős növekedést mutatnak. Míg az öntött mintákon nem lehetett szakadási nyúlást meghatározni, addig a könyöksajtolt darabok esetén már egyszeri átsajtolást követően is mérhető volt ez a
Pázmán Judit–Krállics György–Gácsi Zoltán
330
szívóssági paraméter. Ez a negyedik átsajtolásra tovább növekedett, így „A” utastechnikával kb. 7%, míg „BC” utastechnikával 10% nyúlást lehetett kimutatni. Köszönetnyilvánítás A kutatómunka és az elvégzett szövetszerkezeti és mechanikai vizsgálatok a „A felsőoktatás minőségének javítása kiválósági központok fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területein” TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt keretében készült.
Irodalom [1] [2]
[3]
[4]
[5] [6] [7] [8]
[9]
Tóth, T. (2001). Az alumínium és ötvözetei. Dunaújváros, Főiskolai Kiadó. Garcia-Infanta, J., Zhilyaev, A., Cepeda-Jimenez, C., Ruano, O., & Carreno, F. (2008). Effect of the deformation path on the ductility of a hypoeutectic Al–Si casting alloy subjected to equal-channel angular pressing by routes A, BA, BC and C. Scripta Materialia 58 , 138-141. Mahallawy, N. E., Shehata, F., Hameed, M., & Aal, M. (2009). Effect of Cu content and number of passes on evolution of microstructure and mechanical properties of ECAPed Al/Cu alloys. Materials Sience and Engineering A 517 , 46-50. Fang, D., Zhang, Z., Wu, S., Huang, C., & Zha, H. (2006). Effect of equal channel angular pressing on tensile properties and fracture modes of casting Al–Cu alloys. Materials Science and Engineering A 426 , 305-313. Murayama, M., Horita, Z., & Hono, K. (2001). Microstructure of two-phase Al-1.7 at% Cu alloy deformed by equal channel angular pressing. Acta mater. , 21-29. Prados, E., Sordi, V., & Ferrante, M. (2009). Tensile behaviour of an Al–4 wt.%Cu alloy deformed by equal-channel angular pressing. Materials Science and Engineering A 503 , 68-70. Tjong, S., & Chen, H. (2004). Nanocrystalline materials and coatings. Materials Science and Engineering R 45 , 1-88. Zhang, Z., Wu, S., Li, Y., Liu, S., & Wang, Z. (2005). Cyclic deformation and fatigue properties of Al–0.7 wt.% Cu alloy produced by equal channel angular pressing. Materials Science and Engineering A 412 , 279-286. Pázmán, J. (2010). Porkohászati és öntészeti AlCuSiMg-ötvözet könyöksajtolása. Miskolc: Miskolci Egyetem, Diplomamunka.
