Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 125 133. MELEGEN HENGERELT 5083 ÉS 5182 ALUMÍNIUM DINAMIKUS ÚJRAKRISTÁLYOSODÁSÁNAK VIZSGÁLATA INVESTIGATION OF DYNAMIC RECRYSTALLIZATION OF HOT ROLLED 5083 AND 5182 ALUMINUM PLATES HEGYES TIBOR, BARKÓCZY PÉTER Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros fembarki@uni-miskolc.hu Lemezek bugából történő gyártása esetén meleghengerlést alkalmazunk. A hengerlés olyan hőmérsékleten történik, ahol már az alakítás során dinamikusan újrakristályosodik az ötvözet. Ez egy kulcsfontosságú átalakulás, hiszen újrakristályosodás következtében azonnal lágyul a lemez, kevesebb szúrással, nagyobb alakítási mérték alkalmazásával, gazdaságosabban érhető el a kívánt végső lemezvastagság. Kulcsszavak: meleghengerlés, dinamikus újrakristályosodás, lágyulás. Hot rolling is applied to produce thin plates from slab. Dynamic recrystallization takes place during the rolling process at sufficient high temperature. This is a very important phase transformation where the plate is being soft immediately during recrystallization. For this reason the final plate thickness can be reach by less passes and higher deformation economically. Keywords: hot rolling, dynamic recrystallization, softening. Bevezetés Lemezek gyártásakor a meleghengerlés az első művelet [1]. Az akár több száz milliméter vastagságú öntött bugákat néhány milliméteres vékony lemezzé hengerlik [2]. Meleghengerlés esetén olyan hőmérsékleten történik az alakítás, ahol az anyag újrakristályosodása az alakítási művelettel összemérhető időtartamon belül megtörténik. A hengerlés alatt, ha a hőmérséklet elegendően magas, megújulás, csíraképződés és csíranövekedés, azaz az újrakristályosodás megy végbe [3]. Lágyul az alakított lemez, így nagymértékű alakváltozás hajtható végre. Hideghengerlés esetén az alakváltozás következtében diszlokációk halmozódnak fel, akadályozva egymás útját, megnövelve ezzel a darab keménységét, szakítószilárdságát, folyáshatárát [4]. Ez a további alakítást megnehezíti. Nagy alakváltozások esetén kialakuló feszültség hatására mikrorepedések keletkezhetnek, majd elrepedhet, törhet a darab. Ennek elkerüléséhez további hengerlés előtt közbenső lágyításra van szükség [5, 6]. Magasabb hőmérséklet miatt számolni kell a hőtágulással. Emiatt meleghengerléssel korlátozott az elérhető méretpontosság. Megemelt hőmérséklet hatására olyan folyamatok következnek be, amelyek miatt a felületi minőséggel szemben támasztott követelmények esetleg nem teljesülnek. Meleghengerléssel adott lemezvastagságnál kisebbet nem lehet elérni, mert a lemez a hengerlési művelet során folyamatosan hűl, így további vastagság-
126 Hegyes Tibor Barkóczy Péter csökkentést csak hideghengerléssel lehet megvalósítani, amellyel már pontos méretek is beállíthatóak, jobb felületi minőségben [7]. Melegalakítás után további megmunkáláson eshet át a hengerelt anyag, hordozva magában a korábban kialakult anyagszerkeztbeni tulajdonságokat. Ezért fontos a melegen hengerelt lemezek mikroszerkezetének vizsgálata. 1. Vizsgált anyagok A bevezetőben említett okok miatt a melegen majd hidegen hengerelt lemezek mikroszerkezetének vizsgálatára szükség van. Homogén szemcseszerkezet kialakítása a cél. Hengerlés esetén a munkahengerekkel érintkező anyag felületéhez közel nagyobb alakváltozást szenved el, mint a belső, hosszirányú tengelye mentén, így a kapott darab keresztmetszete eltérő alakváltozó képességgel rendelkezik. A meleghengerlésből, majd hideghengerlésből hozott inhomogén szövetszerkezet pl. további feldolgozáskor egy hajlítási művelet esetén problémát okozhat. Például mélyhúzáskor a korábban nagyobb mértékben alakított térfogatainak kisebb az alakváltozó képessége, így azok a terhelés hatására jobban keményednek és elrepedhetnek. A többi, nagyobb alakítási mértéket elviselő lágyabb térrészhez viszonyítva. A szemcsék nyújtottságának, méretének lényeges hatása van a lemezek mechanikai viselkedésére. Vizsgálatunkban magnéziummal ötvözött alumíniumlemezek melegalakítása során bekövetkező mikroszerkezeti változásokat követjük. Magnéziummal ötvözött alumínium ötvözetek jó korrózióállósággal és hegesztési szilárdsággal rendelkeznek. Emiatt főleg hajótestet, elektromos vezetéket gyártanak belőlük. Kiválásosan nem nemesíthetők. Szilárdságuk 6% magnézium tartalomig egyenesen arányos a magnézium tartalommal [8]. A kereskedelmi forgalomban lévő ötvözetek magnézium tartalma 0,5-6% közötti. A magnézium oldhatósága alumíniumban 450 C-on 14,9%, szobahőmérsékleten már csak 1,7%. Hidegalakításkor 4%-nál több magnéziumot tartalmazó alumínium ötvözet esetén szemcsehatár menti kiválás jön létre, növelve a szilárdságot. Kevésbé ötvözött anyagot akkor alkalmaznak, ha döntő szempont az alakíthatóság és a felületkezelés. Alumíniumból készült szerkezetek esetén akkor indokolt a nagyobb magnézium tartalom, amikor a szilárdság, töréssel, fáradással szembeni ellenállás és hegeszthetőség elengedhetetlen követelmény [9]. Alacsony magnézium-tartalmú ötvözethez gyakran adagolnak mangánt a későbbi szilárdság növeléshez. A mangán csökkenti az újrakristályosodott szemcsék méretét. Nagyobb mangán-tartalom esetén a mangán kiválik Al 6 Mn formában, amely késlelteti az újrakristályosodást, ezért alakítás során fokozza az alakítási keményedést. 4,5% Mg és 2% Mntartalom biztosítja a megfelelő finom eloszlású Al 6 Mn kiválás rendszert Al-Mg-Mn ötvözetek esetén [10]. A kísérletben vizsgált 5182 és 5083-as alumínium ötvözetek szabványos (DIN EN 573-3, AA1997, MSZ EN 573-3 ) kémiai összetételét az 1. táblázat tartalmazza.
Melegen hengerelt 5083 és 5182 alumínium dinamikus újrakristályodosásának 127 Anyag minőség jele AlMg4,5Mn0,4 5182 AlMg4,5Mn0,7 5083 Si % Fe% Cu% Mn% Mg% Cr% Zn% Ti% Egyéb % 0,20 0,35 0,15 0,20 4,0 0,10 0,25 0,10 0,15 0,50 5,0 0,40 0,40 0,10 0,40 4,0 0,05 0,25 0,15 0,15 1,0 4,9 0,25 1. táblázat. Az 5182 és 5083-as alumíniumötvözetek szabványos kémiai összetétele 2. Vizsgálatok A meleghengerlést a Von-Roll hengerállványon végeztük el duo üzemmódban (1. ábra). A kísérlet sorozatban a két ötvözet hengerlés után kapott mikroszerkezetét és tulajdonságát hasonlítottuk össze, feltárva a hasonlóságokat és különbségeket. A vizsgált alumínium ötvözetek félfolyamatos tuskóöntéssel készültek. Öntött dendrites szerkezetük jól látható a 2. ábrán. Ebből munkáltuk ki a kísérletre szánt mintadarabokat. Szélességük 23 mm, hoszszúságuk 250 mm mind két ötvözet esetében. Magasságuk eltérő az 5083-as 10 mm, az 5182-es pedig 20 mm volt. A mintákat villamos fűtésű kamrás kemencében melegítettük elő 400, 425, 450, 475, 500 C-os hengerlési hőmérsékletekre, majd 1 órás hőntartást követően egy szúrással 20, 30, 40, 50, 60%-os alakítási mértékkel hengereltük 100 m/min-es hengerlési sebességgel. Az alakított darabok szabad levegőn hűltek le szobahőmérsékletre. Munkahenger előmelegítést nem alkalmaztunk. Az 5 különböző alakítás mérték és hőmérséklet miatt, nagy mintadarab szám állt rendelkezésünkre, ötvözetenként 25 db. 1. ábra. A Von Roll kísérleti hengerállvány (balra) és a hengerlési erő mérésének helye (jobbra) A kísérlet során 2 db Hottinger Baldwin Messtechnik gyártmányú erőmérővel (1. ábra) mértük a hengerlési erőt. A mért adatok folyamatos kiértékelését National Instruments adatgyűjtő rendszer végezte.
Hegyes Tibor Barkóczy Péter 128 2. ábra. 5083-as öntött dendrites szerkezet (balra) és az 5182-es (jobbra) Metallográfiai vizsgálatra mintákat készítettük elő. A csiszolatokat a hengerlési és a merőleges irány által kifeszített síkban készítettük. A szemcsék jobb láthatóság érdekében a mintáinkat színes maratással készítettük elő. Csiszolás, majd 3µm-es gyémántpasztás polírozást követően végeztük el a maratást. Ehhez Struers Lectro-Pol 5 típusú elektropolírozó berendezését és Barker-marószert alkalmaztunk. A gyártó által javasolt paramétereket beállítva végeztük el a minták maratását. A marószer hatására alumínium-oxid keletkezik a felületen. A csiszolat síkjához képest eltérő szögben helyezkednek el a szemcsék kristálytani főtengelyei. Ennek köszönhetően különböző vastagságú oxid réteget alakul ki a felületen. Polarizált fénnyel megvilágítva az eltérő kristályok, más-más színűek lesznek. Polarizált fényben Zeiss AxioVert 40-es optikai mikroszkóppal készítettünk fényképeket. Minden egyes mintán 18 db Brinell-keménységet mértünk 5 mm-es golyó átmérővel és 62,5 kg-os terheléssel. Ez összesen az 50 mintára 900 db mérési pontot jelent. 3. Eredmények A kísérlet alatt mértük a hengerlés erőszükségletét. A kapott eredményeket közepes alakítási ellenállássá számoltuk át és az alakítás mértékének függvényében a 3. ábrán láthatók. 5182 5083 18 11 10 9 400 C 8 425 C 7 450 C 6 475 C kk, N/mm2 k k, N/mm 2 12 16 14 400 C 12 425 C 10 450 C 475 C 8 20 30 40 ε, % 50 60 500 C 20 30 40 50 60 500 C ε, % 3. ábra. A közepes alakítási ellenállás és alakítási mérték kapcsolata a vizsgált ötvözetek esetén: 5182 (bal) és 5083 (jobb) ötvözet Mindkét ötvözetnél az alakítás mértékének növelésével nőtt a közepes alakítási ellenállás. Az 5182 ötvözet esetében kicsit alacsonyabb értékekről indul és kevésbé nő, mint az 5083 ötvözet esetében. Az eredmények vizsgálatakor nem szabad figyelmen kívül hagyni,
Melegen hengerelt 5083 és 5182 alumínium dinamikus újrakristályodosásának 129 hogy az 5182 ötvözetből vett minta vastagabb, így a hengerelt darab nagyobb tömegű. Ennek köszönhetően ez az ötvözet lassabban hűlt a kísérlet során, így magasabb hőmérsékleten történt így a hengerlés. Az alakítási ellenállás és a hőmérséklet kapcsolata a 4. ábrán látható. A diagramból megállapítható, hogy a hőmérséklet nem volt jelentős hatással az alakítási ellenállásra 5083-as ötvözet hengerlésekor. Hőmérséklet növekedésével, nem csökkent a darabok alakítási ellenállása. Az 5182-es ötvözetnél 20-30%-os alakváltozás esetében az alakítási ellenállás csökken kis mértékben, 40-50-60%-os alakítási mérték esetében pedig alig változik (4. ábra). kk, N/mm 2 12 11 10 9 8 7 6 5182 400 425 450 475 500 T, C kk, N/mm2 5083 18 16 14 12 10 8 400 425 450 475 500 T, C 4. ábra. A közepes alakítási ellenállás és a hőmérséklet kapcsolata a vizsgált ötvözeteknél: 5182 (bal) és 5083 (jobb) 5182 5083 74 80 72 400 C 75 400 C 68 425 C 450 C 65 425 C 450 C 66 64 20 30 40 50 60 475 C 500 C 60 55 20 30 40 50 60 475 C 500 C ε, % ε, % 5. ábra. Keménység és az alakítás mértékének kapcsolata a vizsgált ötvözetek esetén: 5182 (bal) és 5083 (jobb) Hengerlés után keménység méréssel össze lehet hasonlítani a különböző hengerlési paraméterekkel kapott szövetszerkezeti változásokat. A keménység és alakítás mérték kapcsolatának elemzésekor arra a következtetésre jutottunk, hogy a vizsgált két ötvözet görbéjének trendje ellentétes irányba mutat (5. ábra). Az 5182-es ötvözet keménysége kismértékben bár, de nő az alakítás mértékével, míg az 5083-as ötvözetnél negatív meredekségűek a görbék. Az utóbbi esetben 400 C felett az alakítás mértékének növelésével a keménység lassú ütemben csökken, viszont 60%-os alakváltozásnál hírtelen leesik. Láttuk, hogy az alakítás mértékének növelése ellentétesen hatott a két ötvözetből készült minták keménységre, viszont a hengerlési hőmérséklet növekedésével a keménység
Hegyes Tibor Barkóczy Péter 130 mind a két ötvözet esetén csökken, amit a 6. ábra mutat. Ez arra utal, hogy a hőmérséklet növekedésével egyre jobban lágyultak a minták adott alakítási mérték alkalmazásakor. A befektetett hőenergia miatt egyre gyorsabb a csíraképződés és növekedés, így az újrakristályosodás sebessége, nagyobb mértékű lágyulást okozva. 5182 5083 80 72 68 66 64 75 74 400 425 450 T, C 475 500 65 60 400 425 450 475 500 T, C 6. ábra. Keménység és az alakítás hőmérsékletének kapcsolata a vizsgált ötvözetek esetén: 5182 (bal) és 5083 (jobb) A jelenség jobb értelmezhetősége végett összehasonlítottuk a két ötvözetből a legnagyobb alakítási mértékkel és hőmérséklettel hengerelt minták szövetképét (7. ábra). Az 5083-as ötvözet teljesen újrakristályosodott, a másikon alakítás nyomai látszanak. Egyes szemcsék kissé nyújtottak a hengerlési irányban. 7. ábra. 500 C 60% 5182 (bal) és 5083 (jobb) oldalt A 8. ábrán a közepes alakítási ellenállást hasonlítottuk össze a mért keménységgel. A két pontsorból ugyanazok a megállapítások kiolvashatók, mint a fent bemutatott diagramok mutattak. A két ötvözet diagramját tekintve jelentős különbségeket állapíthatunk meg. Az 5182-es ötvözet pontjainak trendje pozitív, amíg az 5083-as ötvözet esetén ez negatív előjelű. A másik jellegzetesség, ami a diagramok alapján megállapítható, hogy az 5182-es ötvözet esetében teljesen összemosódnak az egyes alakítási mértékekkel végzett kísérletek eredményei. Az 5083-as ötvözet esetén alakítási mértékek szerint jobban szétválnak a mérési eredmények.
Melegen hengerelt 5083 és 5182 alumínium dinamikus újrakristályodosásának 131 Az 5182-es ötvözet keménység tartomány széles 40%-os alakváltozásig. Az adatokra illesztett ellipszis vékony, hosszú tengelyű. 40%-os alakváltozás felett viszont egyre kisebb a keménység tartomány, azaz a hengerlési hőmérsékletnek egyre kisebb a hatása. Ha egy képzeletbeli trend vonalat helyeznénk a kapott adatpontokra, akkor a alakítási ellenállás növekedésével pozitív irányú egyenest kapnánk. Ez a jelenség a már bemutatott 6. ábra bal oldali diagramjára hasonlít. Az alakítás mértékének növelésével nő az alakítási ellenállás. Ha ugyanezt elvégezzük az 5083-as ötvözettel akkor negatív irányú trend vonalat kapunk, amely szintén az 5. ábrán jobb oldalon szemléltetett diagramhoz hasonlít. Így ennél az ötvözetnél az alakítás mértékének növekedésével csökken az alakítási ellenállás, lágyul a darab. 5182 75 72.5 67.5 65 6 7 8 9 10 11 12 k k, N/mm 2 5083 80 75 65 60 55 8 9 10 11 12 13 14 15 16 k k, N/mm 2 8. ábra. A melegen hengerelt minták keménysége az alakítási ellenállás függvényében 5182 (bal) és 5083 (jobb) ötvözet esetében Meleghengerlés után kapott mikroszerkezetek láthatók a 9. ábrán. 425 C-on 60% alakváltozással hengerelt minták szövetszerkezete eltérő (a) 5182-es minta szemcséi nyújtottak, hidegalakításra jellemző módon változott, (b) 5083-as esetben már csírák és újrakristályosodott részek is vannak. Az 5182-es ötvözet 500 C-on hengerelt próbák mikroszerkezetei láthatóak a legkisebb 20%-os (c) és legnagyobb 60%-os (d) alakváltozásra. (c) kis alakváltozás és nagy hőmérséklet ellenére még felismerhető a mintában az öntött dentrites szerkezet, viszont (d) esetén már a csíraképződés és növekedés megindult. Néhány alakított szemcsét még fel lehet fedezni a képen. Az újrakristályosodás még nem fejeződött be az alkalmazott hengerlési paraméterek mellett. Ha ezt az összehasonlítást elvégezzük az 5083-as ötvözetre 500 C-on (e) és (f) képek között nagy eltérés van. 20%-os alakváltozás után (e) dendrites szerkezet nem felfedezhető és a szemcsék nem nyújtottak. 60%-os alakváltozás után a minta teljesen újrakristályosodott. A (d) és (f) képek mikroszerkezetét és a 6. ábrákat összehasonlítottuk. Kimutatható, hogy 5182-es (e) még nem teljesen újrakristályosodott ötvözet 10 Brinell-el nagyobb a keménysége, mint a teljesen újrakristályosodott (f) 5083-as ötvözet.
Hegyes Tibor Barkóczy Péter 132 a) b) c) d) e) f) 9. ábra. Meleghengerlés után kapott mikroszerkezetek. (a) 5182 és (b) 5083 425 C ε = 60%, (c) 5182 500 C ε = 20%, (d) 5182 500 C ε = 60%, (e) 5083 500 C ε = 20% és (f) 5083 500 C ε = 60% Összegzés Két 5182 és 5083 magnéziummal ötvözött és eltérő mangán tartalommal rendelkező öntött állapotú alumínium ötvözetek meleghengerlés után kapott mikroszerkezetbeni és mechanikai paramétereit hasonlítottuk össze. Változtattuk a hengerlés hőmérsékletét és az alakítás mértékét. Mértük a hengerlés erőszükségletét és Brinell-keménységet. Ábrázoltuk az alakítás erőszükségletét a keménység függvényében. Megállapítottuk, hogy a kapott diagram szemléletesen írja le a jelenséget. Megállapítottuk, hogy a két mintasorozat között lényegi különbség állapítható meg. A két ötvözet nagyon hasonlít egymásra, a szabványos mechanikai paramétereik közel állnak egymáshoz. A két minta között a minta vastagságában volt jelentős különbség. Megállapí-
Melegen hengerelt 5083 és 5182 alumínium dinamikus újrakristályodosásának 133 tottuk, hogy a vastag lemez esetén valóban meleghengerlést végeztünk. Azonban a vékony minta olyan gyorsan hűl, hogy a mérési eredmények szerint nem teljesen lágyult ki a minta alakítás során, hanem kis mértékű keményedés volt tapasztalható. Köszönetnyilvánítás A kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 támogatásával valósult meg. Irodalom [1] George E. Totten: Handbook of Aluminium Vol. 1 2, Marcel Dekker, New York, 2003. [2] ASM Metals Handbook Vol 14., ASM International, 1992. [3] P. COTTERILL P. R. MOULD: Recrystallization and Grain Growth in Metals, Surrey University Press, London, 1982. [4] John. D. Verhoeven: Fundamentals of Physical Metallurgy, Willey & Sons,New York, 1975. [5] Verő J. Káldor M.: Fémtan, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1996. [6] William F. Hosford Robert M. Caddell: Metal Forming Mechanics and Metallurgy, Cambridge University Press, Cambridge, 2007. [7] Aluminum and aluminum alloys, ASM International, special edititon, 1992. [8] Brandes Brooks: Smithells Light Metals Handbook, Butterwoth Heinemann, Oxford, 1998. [9] Kissel Ferry: Aluminum Structures, Wiley and sons, New York, 2002. [10] ALUMINUM STRUCTURES A Guide to Their Specifications and Design Second Edition J. Randolph Kissell,Robert L. Ferry (The TGB Partnership JOHN WILEY & SONS, INC.)