Modelowanie fizyczne w∏aŹciwoŹci mechanicznych i warunków

Modelowanie fizyczne w∏aÊciwoÊci mechanicznych
i warunków kszta∏towania blach ze stopu AZ31*)
Physical modeling of the mechanical properties
and forming conditions of sheet metal alloy AZ31
MONIKA HYRCZA-MICHALSKA
JOANNA DEMBI¡SKA
Streszczenie: W pracy przedstawiono rezultaty modelowania w∏aÊciwoÊci mechanicznych blach cienkich ze stopu magnezu AZ31. Badania te sà kontynuacjà doÊwiadczeƒ w zakresie sporzàdzania charakterystyk technologicznej plastycznoÊci
blach taÊmowych ze stopów magnezu odlewanych mi´dzy walcami w uk∏adach pionowych albo poziomych, tzw. metodà
twin-roll casting. W ramach wczeÊniejszych doÊwiadczeƒ prowadzonych w Instytucie Technologii Metali Politechniki
Âlàskiej i we wspó∏pracy z Technische Universität Bergakademie Freiberg (Niemcy) pozyskano pó∏wyroby w postaci blach
cienkich ze stopu AZ31. W celu dalszego przetwarzania wytworzonych blach konieczne sta∏o si´ zaprojektowanie
optymalnych warunków ich kszta∏towania, np. metodami t∏oczenia. Stàd podj´to prace modelowe nad zaprojektowaniem
optymalnych warunków kszta∏towania tych blach. Z zastosowaniem granicznych krzywych t∏oczenia okreÊlono kompleksowo t∏ocznoÊç blach ze stopu magnezu AZ31 w podwy˝szonej temperaturze. Oceniono iloÊciowy i jakoÊciowy wp∏yw
temperatury odkszta∏cenia na efekty t∏oczenia wyrobów ze stopu magnezu AZ31. Wykonano równie˝ badania profilometryczne dla oceny zaprojektowanych warunków kszta∏towania i jakoÊci powierzchni wyrobów t∏oczonych z magnezowych
blach w podwy˝szonej temperaturze.
S∏owa kluczowe: stopu magnezu, AZ31, metoda twin-roll casting, kszta∏towanie w podwy˝szonej temperaturze, t∏ocznoÊç,
próba miseczkowania, analizator odkszta∏ceƒ AutoGrid
Abstract: The paper presents the results of modeling mechanical properties of thin AZ31 magnesium alloy metal sheets.
These studies are continuation of experiences in presenting the characteristics of technological plasticity of strips made
of magnesium alloy which have been cast between rolls in vertical or horizontal systems called ‘twin-roll casting’.
In the context of previous experiments conducted at the Institute of Material Technology of the Silesian University of
Technology in cooperation with the Technische Universität Bergakademie Freiberg (Germany), drawability of these
strips at elevated temperatures has been comprehensively defined while using forming limit curves. Quantitative and
qualitative impact of deformation temperature upon the drawability effects of AZ31 magnesium alloys products has
been evaluated. To assess designed forming conditions and surface quality of pressed products made of AZ31 alloy the
profilometry tests done.
Keywords: magnesium alloys, AZ31, twin-roll casting method, forming at elevated temperature, drawability, cup forming
test, AutoGrid strain analyzer
Przetwarzanie metodami przeróbki plastycznej
stopów metali lekkich na potrzeby przemys∏u lotniczego dotyczy g∏ównie pó∏wyrobów w postaci
taÊm i blach. Stopy magnezu, zaliczane do grupy
stopów metali lekkich, stanowià materia∏ konstrukcyjny po˝àdany do wytwarzania elementów konDr in˝. Monika Hyrcza-Michalska, Politechnika Âlàska.
Wydzia∏ In˝ynierii Materia∏owej i Metalurgii, Instytut
Technologii Metali, ul. Krasiƒskiego 8, 40-019 Katowice,
e-mail: [email protected]; mgr in˝. Joanna Dembiƒska – Technische Universität Bergakademie
Freiberg, Institute of Metal Forming, Bernhard-vonCotta-Straße 4, D-09599 Freiberg, Germany, e-mail:
[email protected].
strukcji statków powietrznych z uwagi na niskà
g´stoÊç, du˝à wytrzyma∏oÊç wzgl´dnà oraz zdolnoÊç
do t∏umienia drgaƒ. Jednym z istotnych zadaƒ
Indywidualnego Projektu Kluczowego pt.: „Nowoczesne technologie materia∏owe stosowane w przemyÊle lotniczym” jest aplikacja stopów lekkich, w tym
stopów magnezu, jak np. AZ31. Projekt przewiduje
opracowanie wytycznych dla technologii wytwarzania pó∏wyrobów i dalszego ich przetwarzania na
elementy poszycia i elementy cienkoÊcienne, które
otrzymywane sà w wyniku t∏oczenia z wsadów w postaci blach lub taÊm oraz na elementy gruboÊcienne
pozyskiwane z zastosowaniem technologii kucia,
wyciskania lub odlewania tych stopów.
*) Praca wykonana w ramach Projektu „Nowoczesne technologie materia∏owe stosowane w przemyÊle lotniczym”,
Nr POIG.0101.02-00-015/08 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt wspó∏finansowany przez
Uni´ Europejskà ze Êrodków Europejskiego Funduszu Rozwoju
Regionalnego.
Otrzymywanie taÊm i blach ze stopów magnezu
o okreÊlonej podatnoÊci do kszta∏towania metodami
przeróbki plastycznej wymaga zastosowania specjalnej technologii pozyskiwania tego typu pó∏wyrobów. Dzi´ki zastosowaniu nowoczesnej technologii
34
ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 10/2015
odlewania taÊm ze stopów magnezu mi´dzy walcami
w uk∏adach pionowych albo poziomych, tzw. metodà
twin-roll casting [1], mo˝liwe sta∏o si´ pozyskanie
wsadów do wytwarzania blach i taÊm oraz ich przetwarzania metodami t∏oczenia. Ta nowoczesna technologia pozwala ponadto ograniczyç liczb´ operacji
walcowania w porównaniu z konwencjonalnym walcowaniem wlewków ze stopu magnezu, gdzie konieczne jest wy˝arzanie mi´dzyoperacyjne, co powoduje, ˝e proces jest kosztowny i czasoch∏onny.
Walcowanie taÊm ze stopów Mg mo˝e byç prowadzone tylko na goràco, przy czym zakres temperatury zale˝ny jest od zawartoÊci dodatków stopowych.
Dobór w∏aÊciwej temperatury podyktowany jest wymaganiami dotyczàcymi w∏aÊciwoÊci mechanicznych zapewniajàcych odpowiednià odkszta∏calnoÊç
tych pó∏wyrobów walcowanych w kolejnych procesach przetwarzania, np. metodami t∏oczenia. PodatnoÊç t´ definiuje si´, oceniajàc t∏ocznoÊç materia∏ów wsadowych. W pracy przedstawiono rezultaty badania t∏ocznoÊci blach cienkich ze stopu magnezu AZ31 walcowanego i kszta∏towanego w ró˝nych zakresach temperatury przeróbki plastycznej
na goràco. W badaniach wykorzystano nowoczesny, cyfrowy analizator odkszta∏ceƒ lokalnych AutoGrid [2].
W temperaturze otoczenia stopy magnezu, ze
wzgl´du na swojà heksagonalnie zwartà struktur´
krystalograficznà (A3), majà ma∏à odkszta∏calnoÊç,
poniewa˝ poÊlizg jest mo˝liwy tylko w jednej p∏aszczyênie {0001}. W temperaturach powy˝ej 225°C
uaktywniajà si´ dodatkowe systemy poÊlizgu, które
zapewniajà bardzo dobrà odkszta∏calnoÊç. Dodatki
stopowe wp∏ywajà korzystnie na odkszta∏calnoÊç
stopów magnezu przez zmian´ parametrów sieci
krystalicznej albo drobne ziarno [3 – 6]. Stàd dobór
temperatury przetwarzania tych stopów staje si´
zagadnieniem bardzo znaczàcym. Wybrany do badaƒ
stop AZ31 jest przeznaczony do przeróbki plastycznej [7] i zawiera dodatki: Al oraz Zn. Najcz´Êciej stosowanym dodatkiem stopowym jest aluminium.
Jego zawartoÊç w stopach odlewniczych mo˝e wynosiç do 11%, natomiast w stopach do przeróbki
plastycznej do 8% [8]. Aluminium zwi´ksza wytrzyma∏oÊç i wyd∏u˝enie przy st´˝eniu do oko∏o 6%.
Du˝a zawartoÊç Al powoduje gwa∏towny spadek
plastycznoÊci stopu. Dodatkowo aluminium poprawia lejnoÊç stopu [9]. Cynk podobnie jak aluminium
wp∏ywa na w∏aÊciwoÊci stopów, zwi´ksza twardoÊç,
wytrzyma∏oÊç i wyd∏u˝enie stopu oraz poprawia jego
lejnoÊç. Maksymalne w∏aÊciwoÊci ma stop, który zawiera oko∏o 5% Zn. ZawartoÊç manganu w stopach
najcz´Êciej nie przekracza 1,5%. Nieznacznie poprawia on w∏aÊciwoÊci mechaniczne stopów, natomiast
znaczàco poprawia odpornoÊç korozyjnà oraz umo˝liwia ich spawanie [8]. Przeci´tnie w∏aÊciwoÊci mechaniczne taÊmy ze stopu magnezu AZ31 w stanie po
ciàg∏ym odlewaniu sà nast´pujàce: wyd∏u˝enie 5%,
wytrzyma∏oÊç 280 MPa i granica plastycznoÊci
245 MPa. Po procesie walcowania i obróbki cieplnej
znaczàco wzrasta wyd∏u˝enie nawet do 25% przy
nieznacznym spadku wytrzyma∏oÊci.
ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 10/2015
Sporzàdzanie charakterystyk materia∏owych
stopów AZ31 w podwy˝szonej temperaturze
Sporzàdzenie charakterystyk technologicznej plastycznoÊci blach taÊmowych ze stopów magnezu odlewanych mi´dzy walcami w uk∏adach pionowych,
tzw. metodà twin-roll casting, by∏o celem wczeÊniejszych doÊwiadczeƒ prowadzonych w Instytucie
Technologii Metali Politechniki Âlàskiej we wspó∏pracy z Technische Universität Bergakademie Freiberg
(Niemcy). Instalacja do ciàg∏ego odlewania sk∏ada
si´ z pieca do topienia metalu w atmosferze ochronnej, którego przepustowoÊç wynosi oko∏o 750 kg/h,
elektrycznie ogrzewanego systemu dostarczania
ciek∏ego metalu oraz klatki walcowniczej z walcami
ch∏odzonymi wodà. Za pomocà tej instalacji mogà
byç wytwarzane taÊmy o szerokoÊci do 700 mm
i gruboÊci w zakresie od 4,0 mm do 7,0 mm. Kolejnym etapem produkcji jest walcowanie odlanych
taÊm. W efekcie tych dzia∏aƒ pozyskano pó∏wyroby
w postaci blach cienkich ze stopu AZ31 o gruboÊci
2,0 mm. Dla pozyskanych blach wyznaczono krzywe
odkszta∏calnoÊci granicznej dla t∏oczenia. Majàc na
uwadze niskà odkszta∏calnoÊç magnezu w temperaturze otoczenia, próby t∏ocznoÊci wykonano w podgrzewanych matrycach w zakresie temperatury od
200°C do 350°C. Przy zastosowaniu granicznych krzy-
a)
b)
Rys. 1. a) Stanowisko do prób t∏oczenia na goràco z analizatorem odkszta∏ceƒ AutoGrid, b) zestaw próbek do badaƒ
– wymiary próbek
35
wych t∏oczenia okreÊlono kompleksowo t∏ocznoÊç
blach ze stopu magnezu AZ31 w podwy˝szonej temperaturze, a wyniki tych badaƒ zaprezentowano
w pracy [10]. W badaniach wykorzystano stempel
kulisto zakoƒczony o Êrednicy 60 mm i zestaw próbek
przygotowanych zgodnie z opisem na rys. 1b.
a)
T∏oczenie na goràco wykonano na stanowisku
badawczym (rys. 1a) w TU Bergakademie Freiberg
w Niemczech. Do iloÊciowej oceny t∏ocznoÊci blach
ze stopu AZ31 zastosowano nowoczesny, cyfrowy
analizator odkszta∏ceƒ lokalnych AutoGrid firmy
Vialux oraz metod´ analizy obrazu odkszta∏conych
siatek podzia∏owych o parametrze oczka 1 mm. Przyk∏adowe wyniki pomiarów wartoÊci dla odkszta∏ceƒ
lokalnych dla t∏oczenia w temperaturze 250°C zebrano
na rys. 2b, a fotografi´ zestawu wyt∏oczek wykorzystanych do wyznaczenia granicznej krzywej t∏oczenia (GKT) zamieszczono na rys. 2a. Porównanie granicznej krzywej t∏oczenia badanej blachy ze stopu
magnezu AZ31 w podwy˝szonej temperaturze (250°C)
z wynikami uzyskanymi na podstawie literatury zamieszczono na rys. 3.
Sporzàdzanie charakterystyk materia∏owych
stopów AZ31 – próba miseczkowania
b)
Rys. 2. Wyniki t∏oczenia stopu AZ31 w podwy˝szonej temperaturze 250°C: a) fotografia zestawu wyt∏oczek, b) wyniki
pomiarów rozk∏adów odkszta∏ceƒ lokalnych dokonanych na
tych wyt∏oczkach analizatorem AutoGrid dla wyznaczenia GKT
W celu dalszego przetwarzania otrzymanych blach
niezb´dne jest zaprojektowanie optymalnych warunków ich kszta∏towania, np. metodami t∏oczenia.
Dla blach z magnezu AZ31, pozyskanych w procesie twin-roll casting, oceniono t∏ocznoÊç w zakresie
temperatury od 20°C do 350°C. Modelowaniu fizycznemu poddano warunki kszta∏towania tych blach,
wykorzystujàc prób´ miseczkowania stemplem
o Êrednicy 40 mm i przekroju ko∏owym, przy zachowaniu sta∏ej si∏y docisku równej 7 kN oraz pr´dkoÊci przemieszczania stempla równej 1 mm/s. Dodatkowo, dla ujednorodnienia w∏aÊciwoÊci mechanicznych wytworzonej blachy i zwi´kszenia zakresu w∏aÊciwoÊci plastycznych, zastosowano obróbk´
cieplnà przed t∏oczeniem – wy˝arzanie przez 1 h
w temperaturze 400°C. Do badaƒ stosowano krà˝ki
z blachy ze stopu magnezu AZ31 o gruboÊci 2 mm
i Êrednicy wyjÊciowego krà˝ka wsadowego 60
i 66 mm. Zestawienie rejestrowanych parametrów
dla realizowanej próby miseczkowania wykonanej w wybranym zakresie temperatury zebrano w pra-
Rys. 3. Porównanie granicznej krzywej t∏oczenia badanej blachy ze stopu magnezu AZ31 uzyskanej w podwy˝szonej temperaturze 250°C z wynikami uzyskanymi na podstawie literatury [11]
36
ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 10/2015
cy [10], a wyniki prób miseczkowania w postaci
fotografii uzyskanych wyt∏oczek przedstawiono na
rys. 4.
Z uwagi na w∏aÊciwoÊci stopu AZ31 w podwy˝szonej temperaturze zastosowano podczas t∏oczenia
specjalne przek∏adki z∏o˝one z teflonu i tworzywa
sztucznego (rys. 4). Dla wskazania wp∏ywu tem-
towania silnie zwi´ksza chropowatoÊç powierzchni,
sprzyja powstawaniu bruzd i rozwarstwieƒ powierzchni miseczki, szczególnie w obszarach naro˝y
i przejÊcia Êcianek bocznych w dno. W wy˝szych
temperaturach ni˝ 250°C zmienia si´ znaczàco falistoÊç otrzymywanych powierzchni (rys. 6), a dotychczas korzystne pofa∏dowanie powierzchni zatrzy-
Rys. 4. Fotografia wyt∏oczek po wykonaniu próby miseczkowania stemplem cylindrycznym o Êrednicy 40 mm blach o gruboÊci 2,0 mm ze stopu magnezu AZ31
a)
b)
Rys. 5. Rozk∏ady wartoÊci chropowatoÊci wybranego przekroju dla próbki z miseczki t∏oczonej w temperaturze: a) 200°C,
b) 350°C
peratury t∏oczenia na jakoÊç powierzchni wyrobu
t∏oczonego przeprowadzono badania profilografometryczne oraz oceniono chropowatoÊç na powierzchni wyt∏oczek po próbie miseczkowania (rys. 5)
oraz jej falistoÊç (rys. 6). Dopuszczalny poziom
chropowatoÊci powierzchni (rys. 5) wykazujà próbki
kszta∏towane w temp. od 200°C do 250°C. Obserwowana geometria powierzchni sprzyja zatrzymywaniu Êrodka smarnego. Wy˝sza temperatura kszta∏ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 10/2015
mujàce Êrodek smarny, zamienia si´ w niekorzystne.
Pojawiajà si´ liczne rozwarstwienia na powierzchni
miseczki i ∏uszczenie, zw∏aszcza w obszarach naro˝nikowych i na powierzchniach bocznych, co jest
niedopuszczalne dla wyrobów t∏oczonych. Natomiast
kszta∏towanie w temperaturze od 20°C do 200°C jest
nieefektywne. Odkszta∏calnoÊç blach ze stopu AZ31
jest w tym zakresie temperatury silnie ograniczona
i powstajà wyroby z wadami.
37
a)
b)
Rys. 6. FalistoÊç wybranego przekroju dla próbki z miseczki t∏oczonej w temperaturze: a) 200°C, b) 350°C
Wnioski
LITERATURA
W ramach programu badaƒ projektu Nr
POIG.0101.02-00-015/08 wykazano, i˝ prowadzenie
procesu walcowania w zakresie temperatury od
300 do 450°C gwarantuje uzyskanie blach o wymaganej jakoÊci – dobrej podatnoÊci do t∏oczenia. Jest
to mo˝liwe dzi´ki silnemu rozdrobnieniu ziaren
i uaktywnieniu dodatkowych systemów poÊlizgu.
Mo˝liwoÊç t∏oczenia elementów w temperaturze
od 20 do 200°C jest ograniczona. Dopiero podwy˝szenie temperatury do 250°C pozwala na otrzymanie zadowalajàcych rezultatów. W procesach t∏oczenia mo˝na wi´c otrzymaç elementy o bardziej
skomplikowanych kszta∏tach, dzi´ki wi´kszej odkszta∏calnoÊci granicznej, nie obni˝ajàc jakoÊci wyrobu.
Podwy˝szenie temperatury do 300°C zwi´ksza
zakres odkszta∏ceƒ mo˝liwych do zastosowania,
ale mo˝e prowadziç ju˝ do zmian mikrostruktury
ukszta∏towanej w procesie wczeÊniejszego walcowania i obróbki cieplnej. Z przyczyn metodycznych
(degradacji temperaturowej siatki podzia∏owej) nie
uda∏o si´ wyznaczyç granicznej krzywej odkszta∏cenia dla tej temperatury. Uzyskane wartoÊci odkszta∏ceƒ granicznych w podwy˝szonych temperaturach Êwiadczà o mo˝liwoÊci kszta∏towania elementów konstrukcyjnych o oczekiwanej jakoÊci z blachy ze stopu AZ31 przetwarzanej wed∏ug opracowanej technologii.
Obni˝enie temperatury t∏oczenia mo˝e powodowaç obni˝enie jakoÊci wyrobów t∏oczonych. Podwy˝szenie temperatury t∏oczenia stopu AZ31 maksymalnie do 250°C umo˝liwia uzyskanie wyrobów
o bardziej z∏o˝onej geometrii przy zachowanej dobrej
jakoÊci powierzchni wyrobów t∏oczonych.
1. Grocock P.G., Thomas P.M.: Patent US5372180A Twin roll
casting, Dorset, December 13, 1994.
2. Hyrcza-Michalska M.: Badania technologicznej plastycznoÊci blach cienkich przy zastosowaniu analizatora odkszta∏ceƒ AutoGrid®. Hutnik-WiadomoÊci Hutnicze, nr 8,
2013.
3. Kuc D., Hadasik E., Schindler I., Kawulok P., Âliwa R.: Characteristics of plasticity and microstructure of hot forming
magnesium alloys Mg Al-Zn type. Arch. of Metal. and
Mater., Vol. 58, Issue 1, 2013.
4. Legerski M., Plura J., Schindler I, Kuc D., G. Niewielski G.
Hadasik E.: Complex Flow Stress Model for a Magnesium
Alloy AZ31 at Hot Forming. High Temperature Materials and
Processes, No. 30 (1-2), 2011.
5. Schindler I., Kawulok P., Hadasik E., Kuc D.: Activation
Energy in Hot Forming and Recrystallization Models for
Magnesium Alloy AZ31. Journ. of Mater. Eng. and Perform.,
Vol. 22, Issue 3, 2013.
6. Kuc D., Hadasik E.: Model of microstructure development
in hot deformed magnesium alloy AZ31 type. Solid State
Phenom., Vol. 197, 2013.
7. Friedrich H. E., Mordike B.L.: Metallurgy, Design Data,
Applications. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2006.
8. Wojtkun F., So∏ncew J.: Materia∏y specjalnego przeznaczenia. Politechnika Radomska, Radom 2001.
9. Bakke P., Pettersen K., Westengen H.: Enhanced ductility
and strength through RE addition to Magnesium die
casting alloys. Magnesium Technology 2003. Ed. H.I.
Kaplan. TMS-Annual Meeting, San Diego, CA, USA,
March 2 – 6, 2003.
10. Hyrcza-Michalska M., Kawalla R., Dembiƒska J.: Drawability
studies of magnesium alloy sheets at elevated temperature.
Archives of Metallurgy and Materials, 2015 (w druku).
11. Dembinska J., Neh K., Ullmann M., Kawalla R.: Properties
and applications of magnesium strips produced by twingroll-casting and hot rolling [in:] H. WiÊniewska-Weinert
(Ed.), Advanced technologies for forming tool life improvement. Metal Forming Institute, Poznaƒ, 2012.
38
ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 10/2015