dr in�. Jacek Borowski, dr in�. Jarosław Samolczyk

Instytut Obróbki Plastycznej, Pozna�

WPŁYW STRUKTURY NA ODKSZTAŁCALNO�� NA ZIMNO STOPU AlZn6Mg2Cu (PA9)

Streszczenie

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

oC i chłodzone wraz z piecem.

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

1. Wst�p W przemy�le �wiatowym produkcja aluminium i jego stopów zajmuje drugie miejsce po stali. Stopy aluminium pierwsze masowe zastosowanie znalazły w budowie samolotów. W obecnych czasach konkuru-j� one ze stopami magnezu i tytanu. Nato-miast zu�ycie aluminium w przemy�le mo-toryzacyjnym ci�gle wzrasta. Zwi�zane to jest ze stosunkowo nisk� cen� przy ko-rzystnych własno�ciach wytrzymało�cio-wych. Wg [1] masa cz��ci samochodowych wytworzonych ze stopów aluminium w 2005 r. w samej tylko Europie b�dzie wynosiła około 1900 kton; dla porównania w 1994 wynosiła ok. 675 kton. Z danych przedstawionych na rysunku 1 wynika, �e w strukturze wyrobów ze stopów aluminium nast�pi istotny wzrost udziału wyrobów odkształcanych plastycznie kosztem odle-wów. Głównymi pierwiastkami stopowymi w stopach aluminium s� mied�, krzem, magnez, mangan, cynk, lit, cyrkon, bor oraz chrom, kobalt i inne. Odpowiedni do-bór składu chemicznego i wła�ciwa obrób-ka cieplna pozwalaj� uzyska� wymagane własno�ci wytrzymało�ciowe [2]. Na pod-stawie analizy kosztów wytwarzania prostej

cz��ci karoserii samochodu wykonanej z stopu aluminium wykazano, �e koszt ma-teriału wynosi 62% cało�ci kosztów wyro-bu, a dalsze 28 % pochłaniaj� koszty ba-da� laboratoryjnych. Koszty narz�dzi i koszty konserwacji nie przekraczaj� 1 %. Wynika z tego, �e dla prostych cz��ci obni-�enie kosztów wytwarzania wyrobów mo�-na uzyska� przede wszystkim przez zasto-sowanie ta�szych materiałów konstrukcyj-nych. Trudno jest natomiast uzasadni� ce-lowo�� wdro�enia technologii wykorzystu-j�cej drogie materiały nawet o znacznie lepszych własno�ciach oraz obróbki istot-nie podwy�szaj�cej koszty produkcji. Sto-sunkowo wysokie koszty precyzyjnego od-lewania powoduj�, �e coraz cz��ciej po-dejmuje si� wykonanie wyrobu metodami obróbki plastycznej kosztem wyrobów od-lewanych. Nale�y jednak zaznaczy�, �e dotyczy to prostej cz��ci, która nie wymaga skomplikowanej technologii wykonania i produkowana jest masowo. Podczas wy-konywania mniejszych serii wyrobów o bardziej skomplikowanych kształtach, zmniejsza si� udział kosztów zakupu mate-riału, a wzrasta wpływ technologii wykona-nia.

Obróbka Plastyczna Metali Nr 1, 2005 Materiałoznawstwo i obróbka cieplna

Rok 1994 ( 657 kton)

6%

2%11%

81%

odlewy

wyroby wyciskane

odkuwki

blachy

Rok 2005 (1900 kton)

20%

3%

12%

65%

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

Na własno�ci wykonanych wyrobów maj� wpływ wszystkie operacje procesu technologicznego. Czynnikami, które decy-duj� o własno�ciach wyrobu wykonanego ze stopu aluminium s�: struktura wyj�ciowa materiału przed odkształceniem, tempera-tura odkształcania, warto�� odkształcenia oraz ko�cowa obróbka cieplna. Badania stopów aluminium wykazuj�, �e ich własno�ci s� silnie zwi�zane z pr�d-ko�ci� odkształcenia i temperatur� [3,4]. Wzrost temperatury jak i spadek szybko�ci odkształcania obni�aj� własno�ci wytrzy-mało�ciowe i podnosz� plastyczno��. Nie jest to reguł� w przypadku, gdy plastycz-no�� wyra�ona b�dzie przew��eniem próbki. Na rysunku 2 przedstawiono zale�-no�ci własno�ci wytrzymało�ciowych i pla-stycznych od pr�dko�ci odkształcania sto-pów EN AW – AlMg2 (PA2), AlZn6Mg2Cu (PA9). Przebieg krzywej stopu PA2 jest charakterystyczny dla stopów niskowy-trzymałych, natomiast PA9 - dla wysokowy-trzymałych.

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

przy temperaturze 500 oC [3]

Istotny wpływ na wielko�� napr��enia podczas obróbki plastycznej na zimno ma stan strukturalny materiału wyj�ciowego. W stopach aluminium wpływ stanu wyj-�ciowego jest jeszcze wyra�niejszy, ponie-wa� nawet w temperaturze otoczenia, za-chodz� procesy wydzieleniowe, które mog� znacznie pogorszy� odkształcalno�� bada-nych stopów. Szczególnie trudnym w obróbce plastycznej na zimno jest stop aluminium (PA9 – AlZn6Mg2Cu) zawiera-j�cy cynk. W pracy podj�to prób� okre�le-nia odkształcalno�ci tego stopu i okre�lenia rodzaju obróbki cieplnej przed odkształce-niem daj�cej najmniejsze napr��enie upla-styczniaj�ce podczas próby �ciskania. 2. Materiał i metodyka bada� Do bada� wybrano pr�ty o �rednicy

φ 26 mm ze stopu aluminium AlZn6Mg2Cu – PA9, wykonane w Hucie Materiałów Lek-kich w K�tach. Skład chemiczny materiału podano w tabeli 1. Analiz� składu che-micznego wykonano w Laboratorium Cen-tralnym Aluminium Konin-Impexmetal. Stopy aluminium nale�� do stopów, które si� trudno trawi� odczynnikami meta-lograficznymi. Dlatego stosuje si� trawienie elektrolityczne, które wymaga specjalnych odczynników i do�wiadczenia w doborze parametrów pr�dowych. Opis prac wyko-nanych przy budowie stanowiska pomiaro-wego znajduje si� w pracy BM 901 01 004 INOP, Pozna� 1998 r. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania krzywej umocnienia pokazano na rys. 3.

Prz

ew��en

ie w

zgl�

dn

e w

[%

]

Pr�dko�� odkształcenia [1/s]

stop PA2

stop PA9

Tabela 1 Skład chemiczny stopu AlZn6Mg2Cu

Si [%]

Fe [%]

Cu [%]

Mn [%]

Mg [%]

Zn [%]

Al [%]

0,121 0,444 1,97 0,227 2,3714 5,296 reszta

1

2

3

4

5

6

2 2 0V

2 2 0V

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

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

czujnik drogi typ Wa-100 firmy Hottinger (do pomiaru drogi), 4 - wzmacniacz tensometryczny firmy Hottinger typ MGC (dwukanałowy ), 5 - komputer z monitorem, 6 - mechanizm nap�du maszyny

wytrzymało�ciowej ZD-100

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

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

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

skowa�, �e wydzielanie zwi�zków, które zachodzi podczas powolnego ochładzania nie powoduje znacznych zmian twardo�ci. Wyniki pomiarów twardo�ci przedstawiono na wykresie – rys. 4. Struktur� wybranych próbek po uprzednim wypolerowaniu i wytrawieniu elektrolitycznym przedstawiono na rys. 5-8. Podczas przesycania w wodzie nast�puje rozpuszczenie wi�kszo�ci faz i zwi�zków. Z obserwacji mikroskopowych próbek wyni-ka, �e struktura próbek chłodzonych w wo-dzie i na powietrzu jest bardzo podobna (podobnie jak twardo��), natomiast próbki chłodzone z piecem charakteryzuj� si� licznymi wydzieleniami. Próbki wygrzewane w temperaturze powy�ej 500 oC maj� struk-tur� ziarnist� zrekrystalizowan�.

Temperatura wygrzewania

100

69

112

95

66

89

60

123

91

66

110

101 103

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

mat. w stanie

dostawy

woda powietrze piec

Sposób chłodzenia

Tw

ard

o��

, H

BW

2,5

/6

2,5

..

400 C 480 C

500 C 520 C

Rys. 4. Twardo�� stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w temperaturze 480

oC, 500

oC i 520

oC

oraz chłodzonych w wodzie, na powietrzu lub z piecem

Rys. 5. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu w stanie surowym

(pow. 250x) Rys. 6. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu

w 400 oC i chłodzeniu na powietrzu (pow. 250x)

a) b)

Rys. 7. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 480

oC i chłodzeniu a) z piecem, b) na powietrzu

(pow. 250x)

a) b) Rys. 8. Struktura stopu AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 520

oC i chłodzeniu a) w wodzie, b) z piecem

(pow. 250x)

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

Stop AlZn6Mg2Cu w stanie dostawy

0

200

400

600

800

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Odkształcenie logarytmiczne ε

Nap

r��en

ie u

pla

sty

czn

iaj�

ce

.

[M

Pa]

0,0003 mm/s

0,0007 mm/s

0,0011 mm/s

Rys. 9. Krzywa napr��enia uplastyczniaj�cego stopu AlZn6Mg2Cu w stanie wyj�ciowym przy szybko�ciach odkształcania: 0,0003; 0,0007

i 0,0011 mm/s

Stop AlZn6Mg2Cu po wygrzewaniu w 400oC

0

200

400

600

800

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Odkształcenie logarytmiczne ε

Nap

r��en

ie u

pla

stycz

nia

j�ce

.

[M

Pa]

z piecem - 0,0003 mm/s

z piecem - 0,0007 mm/s

z piecem - 0,0011 mm/s

na powietrzu - 0,0003 mm/s

na powietrzu - 0,0007 mm/s"

na powietrzu - 0,0011 mm/s

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

oC

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

Stop AlZn6Mg2Cu wygrzewany w 480oC

0

200

400

600

800

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Odkształcenie logarytmiczne, ε

Nap

r��e

nie

upla

stycz

nia

j�ce

[M

Pa]

w wodzie

na powietrzu

z piecem

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

oC

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

Stop AlZn6Mg2Cu wygrzewany w 520oC

0

200

400

600

800

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

Odkształcenie logarytmiczne ε

Nap

re�e

nie

upla

sty

cznia

j�ce

[M

Pa] w wodzie

na powietrzu

z piecem

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

oC

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

Wykonywano równie� próby �ciskania na próbkach bez wytocze�, stosuj�c folie teflonow� jako �rodek smaruj�cy. Wyników tych nie mo�na było porówna� z wynikami uzyskanymi na próbkach z wytoczeniami. Warto�� odkształce� w tych samych wa-runkach obróbki ró�niła si�. Przeprowa-dzono równie� próby stosuj�c ró�ny czas przesycania (0,5 1 i 3 godziny) oraz ró�ny czas od ko�ca obróbki do pocz�tku od-kształcania (20 min, 1 godzina, 3, 24 i 48 godziny). Nie stwierdzono istotnego wpły-wu czasu wygrzewania, jak i czasu przerwy od momentu obróbki cieplnej do pocz�tku odkształcania na przebieg krzywej umoc-nienia. 4. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych bada� mo�na stwierdzi�, �e:

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

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

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

− najwi�ksz� plastyczno�� wykazywały próbki wygrzewane w temperaturze 520 oC i chłodzone wraz z piecem,

− najmniejsz� twardo�ci� charakteryzowały si� próbki chłodzone z piecem (minimal-n� - próbka wygrzewana w 500 oC),

− twardo�� próbek chłodzonych na powie-trzu jest nieznacznie ni�sza od próbek chłodzonych w wodzie,

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

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

z piecem

na powietrzu

ne przy projektowaniu obróbki plastycznej wyrobu wyciskanego na zimno. Literatura [1] Miller W.S. i inni: Recent development

in aluminum alloys for the automotive industry. Materials Science & Engineer-ing A, 280 (2000) s. 37-49.

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

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

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

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

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

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

Abstract

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

ple cut from the material as supplied. The highest plasticity was that of samples soaked at 520°C and cooled together with the furnace.

Key words: compression test, work-hardening curve, deformability, aluminium alloy, heat treatment