Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 371 379. PLATTÍROZOTT ALUMÍNIUM LEMEZEK KÖTÉSI VISZONYAINAK TECHNOLÓGIAI VIZSGÁLATA TECHNOLOGICAL INVESTIGATION OF PLATED ALUMINIUM SHEETS BONDING PROPERTIES SZABÓ GÁBOR 1,a, MERTINGER VALÉRIA 2,b 1 Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 2 Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros a femszgab@uni-miskolc.hu, b femvali@uni-miskolc.hu Tanulmányunkban az alumínium lemezek kötési viszonyainak vizsgálatával foglalkoztunk. A plattírozásra kiválasztott ötvözetek: 1050 valamint 3003 volt. A kísérleteket a Miskolci Egyetem Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetének Képlékenyalakító laboratóriumában, plasztométer tárcsával felszerelt excenteres kovácssajtón, valamint Von Roll kísérleti hengerállványon, melegen végeztük. Az alakítási hőmérséklet: 400, 450, illetve 500 C volt. A kötés erősségének megállapítására szakítóvizsgálatokat valamint T-peel tesztet alkalmaztunk. A T-peel teszt segítségével meghatároztunk egy paramétert, mellyel minősíteni lehet a kötés jóságát. Kulcsszavak: plattírozás, hengerlés, szendvics lemez. In this study the aluminium sheet bonding properties were investigated. The bonding was performed between 1050 and 3003 Al alloys using mechanical press (eccentric press) or hot rolling (VON ROLL experimental duo mill). The bonding temperatures were 400, 450, 500 C. The strength of bond was tested by tensile and T-peel tests. The optimal parameters were developed for the T-peel test. The results obtained from these tests give a good description about the quality of bonding. Keywords: plated aluminium sheets, bonding, cladding, sheet bonding, rolling, roll bonding. Bevezetés Az alumínium lapos előtermékek előállításánál kitüntetett hányadot tesznek ki a keményforrasztás technológiával tovább feldolgozott hengerelt termékek. A plattírozott alumínium lemezek 3, 5 de esetenként akár 7 rétegből is állhatnak, ami azt jelenti, hogy egy magötvözetre kétoldali fedő réteg kerül, mely utóbbi a keményforrasztás forraszanyagaként szolgál és a technológia során megolvad. A minőségi termékek ezen túl még korrózióálló réteget, vagy egyéb elvárásoknak megfelelő réteget is tartalmaznak. A kiinduló szendvics jellemző vastagsága 400 600 mm, amit a meleg és hideg hengerléssel akár 0,2 mm-re vékonyítanak. A plattírozás során az a technológiai kihívás, hogy a különböző vastagságú, összetételű és tulajdonságú lemezek összehegedjenek és a hengerlés során úgy alakváltozzanak, hogy a szendvics jelleg a darab teljes hosszában megmaradjon. Ennek megvalósulása a hengerlés korai szakaszában kialakuló kötési viszonyoktól függ. Korábbi tanulmányokban megállapították, hogy a plattírozó hengerlés egy olyan nyomásos hegesztési eljárás, ahol a kötés a képlékenyalakítás hatására jön létre [1-14]. A kötés erőssége az alak-
372 Szabó Gábor Mertinger Valéria változás nagyságától függ. Megállapították azt is, hogy a kötés kialakulásához az alakváltozásnak egy alsó határértéket el kell érnie, különben nem alakul ki a kötés. [3-5, 8] Az alsó határértéket meghaladva azonban a kötési szilárdság dinamikusan nő és elér egy felső határt, ami megegyezik az alapanyag szakítószilárdságával. [3-4, 8-10] Az alsó határérték azonban minden anyagra más és más [3-4, 6]. 1. Plattírozás excenter sajtón 1.1. Vizsgálati folyamat A vizsgálat során 1050 és 3003-as alumínium lemezeket plattíroztunk Ford szerszámmal [1] excenter sajtón. Az így történő alakítás a plattírozási folyamat közelítő modellje. Az alkalmazott lemezek 7 mm vastagságban hidegen hengerelt állapotban álltak rendelkezésre, melyeket zsírtalanítás után egymáshoz képest eltolva rögzítettünk. A kiinduló és a plattírozott lemezek geometriája és elhelyezése az 1. ábrán látható. A kísérleteket 500 Con végeztük, az alakváltozás mértéke pedig 30 80% között volt. Az excenter sajtót plasztométer tárcsával láttuk el, hogy az alakváltozási sebesség értéke állandó legyen. 7 7 50 60 80 60 a. b. 1. ábra. Eltolva rögzített lemezek (a) plattírozás előtt, (b) plattírozás után A plattírozás után az összekötött rétegeket egy INSTRON 5982 típusú szakítógép segítségével szakítóvizsgálatnak vetettük alá. (2. ábra) A szakítógépen felvett út erő diagramból meghatároztuk a Ford szerszám által nyomott felületre normált feszültség értéket határoztuk meg. (1) Fmax Rm normál = (1) AFord R m normált normált szakítószilárdság, MPa F max Maximális terhelőerő a szakító vizsgálat során, N A Ford A Ford szerszámnak a darab felületével érintkező felülete, mm 2 A normált szakítószilárdság arányos a kötés erősségével.
Plattírozott alumínium lemezek kötési viszonyainak technológiai vizsgálata 373 1.2. Eredmények 2. ábra. Plattírozott alumínium lemezek szakítóvizsgálat közben Az excenter sajtón végzett kísérletek után meghatároztuk a Ford szerszám által nyomott felületre normált szakítószilárdság értékeket. A különböző alakváltozáshoz tartozó normált feszültség szilárdság megnyúlás diagramokat a 3. ábra mutatja. Rm normált [MPa] Rm normált [MPa] dl [mm] dl [mm] a) b) Rm normált [MPa] Rm normált [MPa] dl [mm] dl [mm] c) d) 3. ábra. Normált feszültség változása a keresztfej elmozdulás függvényében, alakítás mértéke: a = 30%, b = 40%, c = 50%, d = 60%
374 Szabó Gábor Mertinger Valéria 4. ábra. Normált feszültség változás a magasságcsökkenés függvényében 5. ábra. Kötési zónán kívüli szakadás A 4. ábrán látható, hogy a normált feszültség nő az alakváltozás hatására. Nagy alakváltozások esetén a módszer nem alkalmazható, mert a mintadarabok keresztmetszete annyira lecsökken, hogy a darabok szakadása nem a kötési zónában következik be. (5. ábra) A módszer során a terhelés hatására az összetapadt felület a függőleges síkból folyamatosan kifordul ezért a rá ható kezdeti tiszta nyírófeszültség mellett megjelenik a normális irányú feszültség is.
Plattírozott alumínium lemezek kötési viszonyainak technológiai vizsgálata 375 2. Plattírozás a Von Roll kísérleti hengerállványon 2.1. Vizsgálati folyamat A vizsgálat során 1050-es alumínium lemezeket plattíroztunk. A hengerlést a VON ROLL kísérleti hengerállványon plattírozó hengerpárral végeztük duó üzemmódban. (6. ábra) Az összehegedt rétegeket INSTRON 5982 típusú szakítógép segítségével vizsgáltuk. A rétegek egymásról történő lefejtésére T-peel tesztet alkalmaztunk. (7. ábra) A plattírozási kísérleteket 400, 450 és 500 C-on egy hengerlési szúrással végeztük, az alakváltozás mértéke pedig 30-85% között volt. A hengerlési sebességet 10 m/min. értéken tartottuk. 6. ábra. Plattírozó hengerlés max átlag Lefejtőerő, N Kötési zóna Keresztfej elmozdulás, mm 7. ábra. T-peel teszt A T-peel teszt során regisztrált erőértékeket az összevethetőség kedvéért fajlagosítani szükséges ezért bevezettük a fajlagos lefejtő erőt a (2) összefüggés alapján. Flefejtő N F lefejtő, fajlagos =, bpóbatest mm (2)
376 Szabó Gábor Mertinger Valéria F lefejtő = T-peel teszt során mért lefejtő erő, N b próbatest = Hengerlés utáni próbatest szélesség, mm 2.2. Eredmények A hengerelt minták során igazolható volt, az a korábban már szakirodalomból ismert megállapítás, hogy a kötés csak egy adott alakváltozási határt követően következik be, majd ezután a kötés nagysága dinamikusan nő. [3-5, 8] Továbbá megállapítottuk, hogy a T-peel teszt kiválóan alkalmas a kötés jóságának számszerűsítésére. Az alakváltozás növelésével nő a lefejtő erő nagysága is. A 8-10. ábrákon látható a különböző hőmérsékleten hogy változik a lefejtő erő az alakítás függvényében. Az alakítási hőmérséklet növelése a kötés jóságát csökkenti. (11. ábra) 8. ábra. Lefejtő szilárdság változása az alakváltozás függvényében, 400 C Fajlagos lefejtő erő, N/mm (450 C ) Fajlagos lefejtő erő, N/mm (400 C ) 9. ábra. Lefejtő erő változása az alakváltozás függvényében, 450 C
Plattírozott alumínium lemezek kötési viszonyainak technológiai vizsgálata 377 10. ábra. Lefejtő erő változása az alakváltozás függvényében, 500 C Fajlagos lefejtő erő, N/mm Fajlagos lefejtő erő, N/mm (500 C ) 11. ábra. Az alakítási hőmérsékletnövekedésével a lefejtő erő csökken A T-peel teszt befejezése után a lefejtett felületeken SEM felvételeket készítettünk. A 12. ábrán láthatóak a felszakadt kötések, valamint a megfolyások nyomai.
378 Szabó Gábor Mertinger Valéria a) b) 12. ábra. Felszakított felület a lefejtő vizsgálat után Látható, hogy nagyobb alakítás mellett sűrűbben helyezkednek el a folyási vonalak, mely a kötés erősségével arányban van. Mivel a képeken a nagyítás eltérő a képek összehasonlítása csak a marker jelek figyelembevételével történhet. Megállapítások Vizsgálataink során megállapítottuk, hogy a kialakult kötés erőssége az alakítás mértékétől függ. Excenter sajtón 60%-os alakítás fölött a rétegek kötése teljes felületen megtörténik. Hengerléssel a teljes felületen történő kötés kialakulásához nagyobb alakváltozás szükséges. A szakító és T-peel vizsgálattal a kötés erőssége minősíthető, a mért értékekkel arányban van. Köszönetnyilvánítás A bemutatott munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt keretében valósult meg. Irodalom [1] Voith M.: A képlékeny alakítás elmélete. Miskolc, Miskolci Egyetemi Kiadó, 1998. [2] Kiss E.: Képlékeny alakítás. Budapest, Tankönyvkiadó, 1987. [3] Bay N.: Cold welding, Part I, Characteristic, bonding mechanisms, bond strength. Met Construct (1986) 369 372. [4] M. Eizadjou, H. Danesh Manesh, K. Janghorban: Mechanism of warm and cold roll bonding of aluminum alloy strips, Materials and Design (2009) 4156 4161. [5] Zhang W, Bay N.: Cold welding-theoretical modeling of weld formation. Weld J (1997) 417 420. [6] Wright PK, Snow DA, Tay CK.: Interfacial conditions and bond strength in cold pressure welding by rolling. Met Technol (1978) 24 31. [7] Wu HY, Lee S, Wang JY.: Solid state bonding of iron-base alloy, steel-brass and aluminum alloy. J Mater Process Technol (1998) 173 179. [8] Danesh Manesh H, Karimi Taheri A.: Study of mechanisms of cold roll welding of aluminum alloy to steel strip. J.: Mater Sci Technol (2004) 1064 1068. [9] Danesh Manesh H, Karimi Taheri A.: An investigation of deformation behavior and bonding strength of bimetal strip during rolling. Mech Mater (2005) 531 542.
Plattírozott alumínium lemezek kötési viszonyainak technológiai vizsgálata 379 [10] Zhang W, Bay N.: Cold welding-experimental investigation of the surface preparation methods. Weld J (1997) 326 330. [11] Hwang Y. M., Hsu H. H. and Lee, H. J.: Analyses of sandwich sheet rolling by stream function method, International Journal of Mechanical Science, 1994, pp. 297 315. [12] Hwang Y. M., Hsu H. H. and Hwang, Y. L.: Analytical and experimental study on bonding behavior at the roll gap during complex rolling of sandwich sheets, International Journal of Mechanical Science, 1999, pp. 2418 2437. [13] Danesh Manesh H, Karimi Taheri A.: Theoretical and experimental investigation of cold rolling of tri-layer strip, Journal of Materials Processing Technology, 2005, pp. 163 172. [14] Tzou G. Y. et al.: Analytical approach to the cold-and-hot bond rolling of sandwich sheet with outer hard and inner soft layers, Journal of Materials Processing Technology, 2002, pp. 664 669.