Anyagmérnöki Tudományok, 39/1 (2016) pp. 60 67. ÚJRAKRISTÁLYOSODÁSI HŐMÉRSÉKLET MEGHATÁROZÁSA DMTA BERENDEZÉSSEL DETERMINATION OF RECRYSTALLIZATION TEMPERATURE BY DMTA TECHNIQUE DUGÁR ZSOLT 1 SIMON NORBERT 1 WELTSCH ZOLTÁN 1 Az alumíniumszalag legelterjedtebb gyártási módja a hideghengerlés. A hengerlés során a megmunkálás az újrakristályosodási hőmérséklet alatt megy végbe, ennek hatására a szalag alakíthatósága csökken, illetve az alakítás hatására az anyag felkeményedik. Ezen konklúziók eredményeképpen a további alakítás nagy energiabefektetést igényelne, így a további alakváltozás eléréséhez lágyítani, újrakristályosítani kell. Az alumíniumszalag felhasználása során gyakran előfordul, hogy az adott célra túl kemény a szalag. Ennek érdekében lágyítás szükséges. Az újrakristályosítás hőmérséklete az előzetes hidegalakítás mértékétől nagymértékben változik. Az újrakristályosító lágyítás közben, ha túl magas a hőmérséklet, vagy túl hosszú ideig tart, előfordulhat, hogy a szemcsék eldurvulnak, ami jelentősen rontja a mechanikai tulajdonságokat. Ellenkező esetben, ha a szükségesnél alacsonyabb hőmérsékleten történik a hőkezelés, a mechanikai tulajdonságokat minimális mértékben változtatja meg. Szélsőséges esetben ez azt eredményezi, hogy a lemez nem alakítható tovább. Ebben az esetben előzetes kisminta kísérletekkel meghatározható a szükséges újrakristályosítási hőmérséklet. Az ilyen kísérletsorozat több mintából áll és jelentős időt vesz igénybe a vizsgálat elvégzéséhez. A vizsgálattal meghatározható, a különböző alakítottsághoz tartozó újrakristályosodási hőmérsékletek. Ezeket a hőmérsékleteket a tanulmányban ismertetem. Ezen felül az eredmények adaptálása a valódi hőkezelési technológiára bonyolult feladat. Kulcsszavak: DMTA, hideghengerlés, alumíniumszalag hengerlés Manufacturing of aluminium strips are usually done by cold rolling. Due to the rolling, the material run out of formability and the aluminium hardens is increased. For subsequent deformation annealing and recrystallization is necessary. The temperature of the recrystallization highly depends on the grade of the subsequent deformation. If the recrystallization temperature is too high, or coupled with too long time, the grains might get rough. While at lower temperatures than required, the mechanical properties cannot become favourable, the hardness remains. Small specimen test is a current process to determine the appropriate temperature of recrystallization. The test requires many specimens, and lots of time. In this paper we present a simpler and faster method to determine temperature of recrystallization. For the accurate definition of the recrystallization temperature, the Dynamic Mechanical Thermal Analyser (DMTA) method - received from polymer science gathers ground. The equipment measures the change of the mechanical characteristics, during given heating rate, and concludes certain transformations, based on the changes. The article compares the results of the small specimen test and the DMTA method, consid-ering the temperature and the forming dependence of recrystallization temperature. Keywords: DMTA, cold rolling, aluminum strip rolling 1 Kecskeméti Főiskola, Anyagtechnológiai Tanszék 6000 Kecskemét, Izsáki út 10. simon.norbert@gamf.kefo.hu
Keménységmérés HV1 Újrakristályosodási hőmérséklet meghatározása DMTA berendezéssel 61 BEVEZETÉS Ebben a tanulmányban bemutatunk egy egyszerűbb és gyorsabb megoldást az újrakristályosodási hőmérséklet meghatározására [1]. Az alakítottság és az újrakristályosodás hőmérsékletfüggését vizsgáltuk meg. Ahhoz, hogy lássuk milyen a mérési módszer alkalmazhatósága ezen a területen, különbözőképpen alakított darabokat készítettünk. A vizsgálatokat AlMg3 ötvözeten végeztük el; ez az ötvözet a járműgyártásban gyakran felhasznált alapanyag. A hengerléshez duó hengerállványt használtunk. Az alkalmazott hengerlés 30 90% alakításmérték között változott, ahol az alakítási mértéket a keresztmetszet csökkenésből határoztuk meg. A minták alakítottságát a kereskedelemben járatos hengerlési állapotoknál sűrűbben osztottuk fel, hogy pontosabb képet kaphassunk. A kereskedelemben H14, azaz 28%-ban alakítottól H36 stabilizált keményre hengerelt állapotút lehet vásárolni [2]. A kísérlethez minden esetben 1 mm vastag szalagot hengereltünk. Az utolsó hidegalakítás megkezdése előtt az irodalomban javasolt újrakristályosító hőkezelést alkal-maztuk, hogy azonos állapotú alapanyagból induljunk [2]. Hideghengerlés során a fémek mechanikai és fizikai tulajdonságai megváltoznak, szilárdságuk nagymértékben nő, alakíthatóságuk, alakváltozó képességük csökken. Az alakítottság mértékétől természetesen függnek a mechanikai tulajdonságok. Ennek magyarázata, hogy a deformált szemcsék kristályrácsa torzul, illetve növekszik a diszlokációsűrűség. A deformálódó szemcsék a bennük lévő diszlokációkkal együtt elmozdulnak. Eközben rengeteg új diszlokáció keletkezik. A deformált kristályrácsban a diszlokációk hatásövezetben lévő atomok távolsága megváltozik az eredeti, legkisebb energiájú, stabil állapothoz képest. Az elmozdulás mértékétől függően az adott atom többletenergiához jut. A többletenergiát tehát az atomok távolsága szabja meg. Azon atomok hányadát, amelyek többletenrgiával rendelkeznek, leginkább az alakítás mértéke határozza meg, így kijelenthető, hogy nagyobb alakítás hatására nagyobb tárolt energia jön létre. A diszlokációk egy-egy atomsor beékelődésével vagy kiszakadásával írhatók le, amely az atomok elmozdulását jelenti, tehát a diszlokációk létrejöttével jut többletenergiához a rendszer. Ráadásul a nagyszámú diszlokáció egymás mozgását akadályozza, így adott alakváltozás eléréséhez nagyobb feszültség szükséges, a szalag szilárdsági tulajdonságai nőnek. Ezt a szilárdságban történt változást keménységméréssel szemléltetni tudjuk (1. ábra). Itt meg kell jegyezni, a 90%-os alakítottságnál a munkadarab alakíthatósága kimerült, széle felrepedezett. A kereskedelemben ilyen mértékben alakított lemezt az alap opciók közül nem lehet beszerezni [3]. 100 90 80 70 60 50 0 20 40 60 80 Hidegalakítás % 1. ábra. AlMg3 felkeményedése a hidegalakítás hatására
62 Dugár Zsolt Simon Norbert Weltsch Zoltán. Az alakítás miatt a fém szerkezete az eredetileg nyugalmi állapotból egy magasabb energiaszintre kerül, amit igyekezne leadni. Ha energiát közlünk vele, akkor az alakítás mértékétől függően a lehető legstabilabb energiaszintre kerül, a benne tárolt energiát felhasználva. A fém hőmérsékletének növelésével lehetőséget adunk a diffúziós folyamatok gyorsítására. Ha hőt közlünk az alakított darabbal, szerkezete úgy változik, hogy a legkisebb energiájú, egyensúlyi állapotot vegye fel. A belső feszültség, a keménység és a szilárdság értékei visszatérnek az alakítás előtti állapotba, a diszlokációk száma visszaáll az egyensúlyi értékre. Ekkor az alakított szemcsék helyett új, alakítatlan szemcsék jelennek meg. A fémben szilárd állapotú csíraképződés és kristályosodás történik. Ez az újrakristályosodás folyamata, amit a 2. ábra mutat be. Az újrakristályosodás hőmérséklete az alakítás mértékében változik, minél nagyobb az alakítottság, annál nagyobb a tárolt energiája. Ez azt okozza, hogy az átalakulás hőmérséklete lecsökken [3]. Ebben a tanulmányban ezt a hőmérsékletkülönbséget keressük. 2. ábra. A szemcseszerkezet és a mechanikai tulajdonságok alakulása az újrakristályosodás előrehaladtával Az átalakult hányad a már újrakristályosodott szemcsék mennyiségét jelöli [3] 1. KISMINTA KÍSÉRLET Az újrakristályosodási paraméterek meghatározására kísérletsorozatot végeztünk, és a folyamat nyomon követésére mértük a minták keménységét. A vizsgálatra a Kecskeméti Főiskola Anyagtechnológia Tanszékén került sor. A hőmérsékletet 200 C-tól 300 C-ig 50 fokonként növeltük, 300 C-tól 350 C-ig sűrűbben, 25 fokonként növeltük. A hőntartási idő kezdetben minden hőmérsékleten 30 perc volt, majd a kedvezőnek tartott hőmérsékleteken megemeltük 60 és 90 percre. A hőkezeléshez vett minták ~1 mm vastag, 50 x 50 mm felületűek voltak. A kisminta kísérlethez 80%-os alakítottságú lemezeket használtunk. Más alakítottság mellett a kisminta kísérlet nem mutatott nagyobb különbséget, aminek oka a keménység alakítás mértékétől való függésében látható, és az alumíniumötvözetekre jellemző, hogy keményedés viszonylag intenzíven kezdődik, majd kis mértékben változik csak. A kisminta kísérletek eredményeit az 1. táblázatban mutatjuk be. A hőkezelést, OH 63 típusú kamrás kemencében végeztük védőatmoszféra alkalmazása nélkül.
Keménység HV1 Újrakristályosodási hőmérséklet meghatározása DMTA berendezéssel 63 1. táblázat AlMg3 80%-os alakítottságú minta hőkezelést követő keménysége Hőmérséklet [ C] Idő [min] Mérések száma HV1 1 2 3 4 Átlag HV1 20 0 88,6 91,8 90,2 91,1 90 30 87,7 88,8 88,5 88,9 88,5 200 60 85,1 85,3 84,1 86,7 85,3 90 84,2 84 85,1 83,4 84,2 30 80,7 80,5 81 79,7 80,5 250 60 81,4 79,4 78,5 79,8 79,8 90 79,2 79 78,9 79 79,0 30 55,1 55,7 55,1 55,3 55,3 300 60 57,2 57,1 56,5 56,9 56,9 90 57,5 55,5 56,3 56,4 56,4 30 54,9 55,7 56,4 55,8 55,7 325 60 54,8 55,9 57,1 55,9 55,9 90 56,8 56,1 56,6 56,5 56,5 30 54,5 54,7 55 54,7 54,7 350 60 57,3 57,3 57,2 57,40 57,3 90 57,3 57,8 57 57,4 57,4 A kisminta kísérletből kiderül, hogy 250 C-on végzett hőkezelés hatására a keménység nem csökken számottevően, még 90 perc hőntartás után sem. A keménység kismértékű csökkenését a feszültség relaxációjának tudhatjuk be. 300 C-on 30 perc hőntartás után a darab keménysége lecsökken, a hőkezelés ideje és hőmérsékletének változtatása sem változtatja nagymértékben a darab keménységét. A hőmérséklet függvényében 30 perc lágyítási idő esetén a mért adatokat a 3. ábrán mutatjuk be. 100 90 80 70 60 50 40 0 100 200 300 400 Kemence hőmérséklete [ C] 3. ábra. Hőmérséklet hatása a keménységre, hőntartás ideje 30 perc
64 Dugár Zsolt Simon Norbert Weltsch Zoltán. 2. DMTA MÉRÉSI EREDMÉNYEK A DMTA mérőműszer neve az angol dinamikus mechanikus termikus analizátor sza-vakból ered, ahol a hőmérséklet változása közben dinamikus körülmények között a mechanikai tulajdonságok változásából következtetünk valamilyen szerkezetváltozásra[4-9]. A gép, amiben a méréseket végeztük, univerzális berendezés, a vizsgált mintákon húzó, nyomó, hajlító és nyíró vizsgálatokat végezhetünk. A méréseinket hajlító feltétekben végeztük. A mérési paramétereket a 2. táblázatban foglaltuk össze. Mérés módja Vizsgálati frekvencia Amplitúdó Fűtési sebesség 2. táblázat DMTA mérési paraméterek Kétpontos hajlító feltét 5 Hz 5 μm 3 K/perc A minta merevsége miatt legcélszerűbb mérési eljárás a kétpontos hajlító feltét. A mindkét végén megfogott próbatest mechanikai tulajdonságairól nyújt információt oly módon, hogy a próbatestet a műszer meghatározott amplitúdójú feszültséggerjesztéssel rezegteti, jellemzően 1 10 Hz között, miközben a hőmérséklet a beállított programnak megfelelően változik. A próbatest mérés közbeni elszakadását, elnyíródását megfelelő beállításokkal akadályozhatjuk meg (rugalmas alakváltozás tartományában tartjuk). Az eljárással jól meghatározhatók a műanyagok és fémek mechanikai jellemzői különböző körülmények között. 4. ábra. 90%-ban alakított minta DMTA mérési eredménye
Újrakristályosodási hőmérséklet meghatározása DMTA berendezéssel 65 A 4. ábrán látható mérési eredményen mutatjuk be a mért jelek értelmezését. A mintákból 18 mm hosszú, 5 mm széles darabokat vágtunk, és ezeket vizsgáltuk DMTA berendezésben. A berendezés meghatározza az anyagok periodikus igénybevétel esetén mutatott mechanikai jellemzőit: a tárolási modulust, a veszteségi modulust és ezek hányadosát, a veszteségi tényezőt (tan δ). A 4. ábrán a zöld görbe a tárolási modulus, ami a minta rugalmasságával arányos, a kék görbe a veszteségi modulus, ami a belső súrlódásokkal arányos mennyiség. A veszteségi tényező az anyagokban végbemenő szerkezeti változásokat mutatja. Ez az átalakulás esetünkben az újrakristályosodás, hőmérsékletét pontosan le tudjuk olvasni a görbe lokális csúcsértékéről (T csúcs = 304 C). Az átalakulás 337 C-on fejeződik be. Az 5. ábrán a veszteségi tényező változását mutatjuk be a hőmérséklet függvényében a legkisebb (30%) és a legnagyobb alakítottságú (90%) minták esetén. Az eredményekből látszik, az alakítottság mértékétől hogyan függ az átalakulás hőmérséklte. 5. ábra. 33%-os és 90%-os alakítottságú minta veszteségi tényezőjének változása a hőmérséklet függvényében Az eredményeket összefoglalva ábrázolhatjuk az újrakristályosodás hőmérsékletét az alakítottság függvényében. (6. ábra)
Átalakulás hőmérséklete [ C] 66 Dugár Zsolt Simon Norbert Weltsch Zoltán. 325 320 315 310 305 300 295 290 30 50 70 90 Alakítottság mértéke q [%] 6. ábra. DMTA-val mért átalakulás hőmérsékletének függése az alakítás mértékétől ÖSSZEFOGLALÁS Közleményünkben 30 90% alakítottságú AlMg3 ötvözet újrakristályosodását tanulmányoztuk, és DMTA berendezéssel kimutattuk az újrakristályosodási folyamatot. Megállapítottuk, hogy az alakítás függvényében az átalakulás hőmérséklete változik. A kapott adatok megfelelnek az irodalomban publikált értékeknek. A DMTA-val meghatározott átalakulási hőmérséklet jó közelítéssel megegyezik a keménységméréssel mérttel. A mutatkozó eltérés az izoterm és a dinamikus hőkezelésből adódik. A folyamatot elektormikroszkóp segítségével is tanulmányozzuk a jövőben. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Kutatómunkánkat a TÁMOP 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 pályázat támogatásával végeztük. IRODALOMJEGYZÉK [1] FAN, G. D. ZHENG, M. Y. HU, X. S. XU, C. WU, K. GOLOVIN, I. S.: Effect of heat treatment on internal friction in ECAP processed commercial pure Mg. Journal of Alloys and Compounds, 549 (2013), 38 45. [2] VÉGVÁRI Ferenc DUGÁR Zsolt: Hidegen alakított vörösréz lágyítása. Hőkezelő és Anyagtudomány a Gépgyártásban, Országos Konferencia és szakkiállítás. 2010. [3] TÓTH Tamás: Alumínium és ötvözetei. Dunaújváros, 2001. [4] VERŐ József KÁLDOR Mihály: Fémtan. Nemzeti Tankönyvkiadó, 1996. [5] SONG, Rui YANG, Debin HE, Linghao: Effect of surface modification of nanosilica on crystallization, thermal and mechanical properties of poly(vinylidene fluoride). J Mater Sci, 42 (2007), 8408 8417.
Újrakristályosodási hőmérséklet meghatározása DMTA berendezéssel 67 [6] CRAWFORD, Alasdair O. HOWLIN, Brendan J. CAVALLI, Gabriel HAMERTON, Ian: Examining the thermo-mechanical properties of novel cyanate ester blends through empirical measurement and simulation. Reactive & Functional Polymers, 72 (2012), 596 605. [7] LAHELIN, M. AALTIO, I. HECZKO, O. SÖDERBERG, O. GE, Y. LÖFGREN, B. HANNULA, S. P. SEPPÄLÄ, J.: DMA testing of Ni Mn Ga/polymer composites. Composites: Part A, 40 (2009), 125 129. [8] HENRIQUES, B. GASIK, M. SOARES, D. SILVA, F. S. : Experimental evaluation of the bond strength between a CoCrMo dental alloy and porcelain through a composite metal ceramic graded transition interlayer. Journal of themechanical behaviorofbiomedicalmaterials, 13 ( 2012 ), 206 214. [9] ZHOU, Z. C. XIONG, J. Y. GU, S. Y. YANG, D. K. YAN, Y. J. Du, J.: Anelastic relaxation caused by interstitial atoms in β-type sintered Ti Nb alloys. Journal of Alloys and Compounds, 509 (2011) 7356 7360.