ISSN 1318-0010 KZLTET 32(3-4)165(1998) TOPLOTNA OBDELAVA ALUMINIJEVE ZLITINE AlCuMgPb (AA2030) MED INDIREKTNIM IZTISKOVANJEM HEAT TREATMENT OF FREE-CUTTING AlCuMgPb (AA2030) ALLOY DURING INDIRECT EXTRUSION ANTON SMOLEJ1, V. DRAGOJEVI]2, I. KVERH2, M. SOKOVI]3 1NTF, Oddelek za materiale in metalurgijo, Univerza v Ljubljani, A{ker~eva 12, 1000 Ljubljana 2IMPOL, Partizanska ul. 38, 2310 Slovenska Bistrica 3Fakulteta za strojni{tvo, Univerza v Ljubljani, A{ker~eva 6, 1000 Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19 Topilno arjenje in ga{enje aluminijevih zlitin med predelavo z iztiskovanjem je poznano kot "ga{enje na iztiskovalnici". Ta toplotna obdelava se redkeje uporablja za visokotrdnostne zlitine med indirektnim iztiskovanjem. Prispevek obravnava mo'nost delne toplotne obdelave med indirektnim iztiskovanjem avtomatne zlitine AlCuMgPb (AA2030, ISO: AlCu4PbMg). Z laboratorijskimi preizkusi je bilo ugotovljeno, da so ~asi potrebnega topilnega arjenja te zlitine relativno kratki za doseganje ustreznih trdnostnih lastnosti po staranju. Iztiskovane palice, ki so bile ga{ene na iztiskovalnici, so dosegale ve~je trdnostne lastnosti v primerjavi s standardno toplotno obdelanimi iztiskovanci. Vzrok je razli~na mikrostruktura kot posledica razli~ne toplotne obdelave. Ugotovljen je bil tudi vpliv razli~nh toplotnih obdelav na obdelovalnost z odrezovanjem. Postopek ga{enja na iztiskovalnici potrebuje vi{je preoblikovalne temperature in hitrosti, kar je pri tej zlitini teko dose~i brez pojava povr{inskih napak. Ta problem je bil re{en z uvedbo hlajenja votlice s teko~im du{ikom, kar je so~asno izbolj{alo tudi izkoristek iztiskovalnice in kakovost povr{ine polizdelkov. Klju~ne besede: avtomatna zlitina AlCuMgPb, indirektno iztiskovanje, toplotna obdelava, mehanske lastnosti, tehnolo{ke lastnosti The solution heat treatment and quenching of aluminium alloys during the extrusion is known as "press quenching". Press quenching of high-strength aluminium alloys at indirect press is less known in industrial practice. The paper deals with the possibility of using partial heat treatment of free-cutting AlCuMgPb (AA2030, ISO: AlCu4PbMg) alloy during the indirect extrusion. The laboratory investigations showed that relatively very short solution annealing times are necessary for obtaining sufficiently high strength properties of this alloy after the aging. The extruded and press quenched rods have got higher strength properties in comparison to the standard separate heat treated one. The main reason for these differences is the microstructure. Various heat treatments influence also the machinability of semiproducts. The process of press quenching needs higher working temperatures and extrusion rates what is for this alloy type very difficult to ensure because of the surface tearing. This problem was solved by introducing die cooling with liquid nitrogen which also improved the efficiency of the press and the surface quality of extruded pieces. Key words: free-cutting AlCuMgPb (AA2030) alloy, indirect extrusion, heat treatment, mechanical properties, technological properties 1 UVOD Toplotna obdelava aluminijevih zlitin za doseganje ve~jih trdnostnih lastnosti je sestavljena iz topilnega 'arjenja, ga{enja in staranja. Polizdelki iz zlitin, ki se predelujejo z iztiskovanjem, se navadno topilno 'arijo v pe~eh s solnimi kopelmi. Poleg obi~ajnega, lo~enega topilnega 'arjenja se nekatere zlitine lahko delno toplotno obdelujejo med iztiskovanjem. Ta postopek, ki se imenuje "ga{enje na iztiskovalnici", obsega topilno 'arjenje pred preoblikovanjem in med ter ga{enje iztisko-vancev. Za topljenje zlitinskih elementov se uporablja toplota ogrevanja na preoblikovalno temperaturo in toplota, ki nastane med preoblikovanjem. Tak na~in dela ima ve~ prednosti v primerjavi z lo~enim topilnim 'ar-jenjem, kot so niji stro{ki izdelave zaradi manj{e porabe energije in kraj{ega delovnega ~asa, izbolj{anje mehanskih in tehnolo{kih lastnosti ter manj{e onesna'evanje okolja zaradi odsotnosti solnih kopeli. Ga{enje na iztiskovalnici zahteva kontrolo ve~jega {tevila izdelovalnih parametrov, kot so hitrost ohlajanja KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 ulitih drogov po homogenizacijskem 'arjenju, na~in ogrevanja materiala na preoblikovalno temperaturo, hitrost iztiskovanja in ~as, ki pote~e med iztiskovanjem in ga{enjem1. Vsi ti parametri vplivajo na topljenje zlitinskih elementov v matrici in posredno tudi na mehanske in tehnolo{ke lastnosti po staranju. Aluminijeve zlitine, ki so primerne za tako toplotno obdelavo, morajo imeti naslednje lastnosti: {irok temperaturni interval med temperaturama solvusa in solidusa, majhno kriti~no hitrost ga{enja in majhne napetosti te~enja nad temperaturo solvusa1. Ta postopek se uporablja predvsem za zlitine skupine AlMgSi, ki ustrezajo na{tetim zahtevam1-4. Visokotrdnostne zlitine skupine AlCuMg se te'e toplotno obdelujejo med preoblikovanjem zaradi ojega podro~ja med temperaturama solvusa in solidusa ter ve~jih napetosti te~enja. V strokovni literaturi obstaja malo podatkov za ga{enje teh zlitin na direktni5 ali indirektni6 iz-tiskovalnici. Alanek obravnava iztiskovanje in toplotno obdelavo avtomatne zlitine AlCuMgPb (AA2030, ISO: AlCu4PbMg) na indirektni iztiskovalnici. Namen dela je 165 A. SMOLEJ ET AL.: TOPLOTNA OBDELAVA ALUMINIJEVE ZLITINE ... bila uvedba ga{enja na iztiskovalnici za to zlitino. Preizkusi so obsegali dolo~itev najkraj{ih potrebnih ~asov topilnega 'arjenja ter primerjavo mikrostrukturnih, mehanskih in tehnolo{kih lastnosti iztiskovancev, ki so bili lo~eno topilno 'arjeni v solni kopeli in med iztisko-vanjem. Za ga{enje na iztiskovalnici so potrebne vi{je temperature materiala v primerjavi z navadnim preoblikovanjem. Vi{je temperature povzro~jjo nastanek razpok na povr{ini iztiskovancev. Z namenom, da se odpravijo povr{inske napake, je bila votlica hlajena s teko~im du{ikom. Dodatno hlajenje izbo[j{a lastnosti polizdelkov in pove~a izkoristek iztiskovalnice. 2 EKSPERIMENTALNO DELO Preizkusna zlitina (tabela 1) je bila polkontinuirno ulita v drogove s premerom 285 mm. Drogovi so bili po homogenizacjskem 'aijenju razrezani v okroglice, ki so bile po stru'enju do globine 5 mm ogrete v plinski in indukcijski pe~i na preoblikovalno temperaturo. Iztisko-vanje v palice s premerom 27,70 mm je potekalo v indirektni iztiskovalnici 35 MN. Zlitina je bila iztiskovana v konstantnih preoblikovalnih razmerah brez hlajenja vot-lice in pri spremenljivih stiskalni{kih razmerjih ter hitrostih pomikov bata s hlajenjem votlice s teko~im du{ikom. Iztiskovane palice so bile toplotno obdelane po treh postopkih (slika 1): z lo~enim topilnim 'arjenjem v solni kopeli (postopka HT4 in T3) in z ga{enjem na iztiskovalnici (postopek T3A). Preiskave iztiskovanih in toplotno obdelanih palic so obsegale dolo~itev mikrostrukture, mehanskih lastnosti in obdelovalnosti z odrezavanjem v odvisnosti od na~inov toplotne obdelave. Slika 2: Vpliv ~asa topilnega 'arjenja na trdoto zlitine AlCuMgPb po naravnem staranju Figure 2: The influence of solution annealing time on the hardness of AA2030 alloy after natural aging izlo~ili utrjevalni elementi iz trdne raztopine Aasi topilnega 'arjenja pri temperaturah 450°C, 470°C in 490°C so bili od 5 sekund do 30 minut. Merilo za u~inkovitost topilnega 'arjenja je bila mikrotrdota po naravnem staranju. 3 REZULTATI PREISKAV IN DISKUSIJA 3.1 Topilno 'arjenje Laboratorijska simulacija topilnega 'arjenja je pokazala, da je topljenje utrjevalnih elementov najhitrej{e v za~etnem ~asovnem intervalu do 100 sekund (slika 2). V tem ~asu naraste trdota zlitine za pribli'no 1,6 krat. Dalj{i ~asi 'arjenja malo vplivajo na dodatno topljenje utrjevalnih elementov in s tem na trdoto zlitine po staranju. Ti rezultati veljajo le za efektivne ~ase pri posameznih temperaturah, ki so bile zelo hitro dose'ene v kovinski talini. Kratek ~as topilnega 'arjenja je eden od pogojev za toplotno obdelavo te zlitine med iztisko-vanjem. Topljenje mora potekati tudi med ogrevanjem Slika 1: Sheme postopkov za toplotno obdelavo zlitine AlCuMgPb Figure 1: Schemes of heat treatment of AlCuMgPb (AA2030) alloy Tabela 1: Kemi~na sestava preizkusne zlitine (m%) Table 1: Chemical composition of investigted alloy (wt.%) _Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Pb Bi"" 0,25 0,47 4,07 0,58 0,72 0,01 0,01 0,03 0,98 - Potrebni ~asi za topilno 'arjenje zlitine so bili ugotovljeni s simulacijo topilnega 'arjenja v laboratorijski pe~i s kovinsko talino. Za preizkuse je bila uporabljena iztiskovana, toplotno neobdelana zlitina. Vzorci z dimenzijami f 27,70 mm so bili predhodno 'arjeni 4 ure pri temperaturi 300°C z namenom, da bi se popolnoma 166 Slika 3: Mehanske lastnosti zlitine AlCuMgPb po razli~nih toplotnih obdelavah Figure 3: Mechanical properties of AlCuMgPb (AA2030) alloy after various heat treatments KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 A. SMOLEJ ET AL.: TOPLOTNA OBDELAVA ALUMINIJEVE ZLITINE ... Slika 4: Mikrostruktura zlitine AlCuMgPb po toplotnih obdelavah HT4, T3 in T3A Figure 4: Microstructure of AlCuMgPb (AA2030) alloy after HT4, T3 and T3A heat treatments zlitine na preoblikovalno temperaturo, ker je trajanje deformacije med indirektnim iztiskovanjem kraj{e od eksperimentalno dolo~enih potrebnih ~asov. Temperatura materiala pred preoblikovanjem in po njem mora biti zato vi{ja od temperatur, ki se navadno uporabljajo za indirektno iztiskovanje. 3.2 Lastnosti zlitine v odvisnosti od na~ina toplotne obdelave Mehanske lastnosti. Natezna trdnost in meja te~enja iztiskovanih in toplotno obdelanih palic po postopku T3A sta ve~ji v primerjavi s stanjema HT4 in T3 (slika 3), ~eprav so bile temperature iztiskovanega materiala ni'je od temperatur, ki se navadno pojavljajo za lo~eno topilno 'arjenje. Vzrok so vlaknata kristalna zrna, ki nastanejo med preoblikovanjem in ostanejo nespremenjena do ga{enja (slika 4). Med topilnim 'arjenjem v solni kopeli pri temperaturi 485°C pote~e popolna stati~na rekristalizacija. Skladno z nara{~anjem trdnostnih lastnosti v smeri iztiskovanja se manj{ajo prelomni raztezki. Vpliv toplotne obdelave na trdoto HB je manj izrazit. Z meritvami mikrotrdot pa je bilo ugotovljeno, da ima material po lo~enem topilnem 'aijenju ve~je vrednosti po i 1 I ! ! I T............~j"| -e- HT4 -s- T3 -v-T3a}"T....... 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Oddaljenost od površine (mm) Slika 5: Mikrotrdota zlitine AlCuMgPb po preseku iztiskovanih palic, ki so bile razli~no toplotno obdelane Figure 5: Cross section microhardness of AlCuMgPb (AA2030) alloy of extruded rods after different heat treatment procedures 166 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 pravokotnih presekih na smer iztiskovanja (slika 5). Vi{je trdote so posledica u~inkovitej{ega topilnega 'ar-jenja v solni kopeli. Vlaknata mikrostruktura kompenzira manj{i u~inek topljenja utrjevalnih elementov pred iztiskovanjem in po njem v primerjavi z lo~enim 'arjen-jem. Obdelovalnost z odrezavanjem. Oblika odrezkov je eden od glavnih meril pri ugotavljanju obdelovalnosti materiala. Nastanek ugodnih ali neugodnih odrezkov je odvisen od trdote materiala. Na obliko odrezkov vplivajo tudi rezalni parametri, kot so globina rezanja in hitrost podajanja. Pri konstantnih rezalnih razmerah z orodjem iz karbidne trdine ima zlitina v stanju T3 ugodnej{e odrezke v primerjavi s stanjem T3A (slika 6). Dalj{i spiralni odrezki stanja T3A po klasifikaciji {e vedno spadajo v skupino z zadovoljivimi oblikami. Vzrok za kraj{e odrezke stanja T3 je ve~ja trdota materiala v rezalni coni. Iztiskovane palice v stanju T3A imajo gladko in svetle~o povr{ino v primerjavi z iztiskovanci, ki so lo~eno topilno 'arjeni (slika 7). Svetla povr{ina je posle- V, (m/min) f (mm/vrt) 0.10 0.14 0.20 400 T3 \ \ V \ \ t \ 1 % X % y X \ '-i W 400 T3A ^ \ \ V» ? \ \ ^ 4 u * X h \ {v % z7 T7 h Ll Slika 6: Oblika odrezkov pri razli~nih rezalnih hitrostih (vc), podajanjih (f) in globini rezanja 1 mm za zlitino AlCuMgPb, ki je bila izdelana po postopkih T3 in T3A Figure 6: Chip shapes at various cutting speeds (vc), feed rates (f) and depth of cut 1.0 mm for AlCuMgPb (AA2030) alloy made by T3 and T3A processes A. SMOLEJ ET AL.: TOPLOTNA OBDELAVA ALUMINIJEVE ZLITINE ... odvisnosti od stiskalni{kega razmerja za postopka s hlajenjem votlice s Slika 7: Povr{ina palic po razli~nih postopkih toplotnih obdelav teko~im du{ikom in brez njega Figure 7: Surface of rods after various heat treatments procedures Fi9ure 8: Ram speed and improved productivity of press as function of extrusion ratio for die cooling with and without liquid nitrogen dica ga{enja na iztiskovalnici, kjer material ni v stiku s soljo med topilnim 'arjenjem. 3.3 Hlajenje orodja s teko~im du{ikom Topilno 'arjenje na iztiskovalnici zahteva vi{je temperature predgrevanja materiala, preoblikovalne temperature in hitrosti iztiskovanja. V teh razmerah nastanejo razpoke na povr{ini iztiskovancev. Z namenom, da bi dosegli ve~je hitrosti iztiskovanja pri vi{jih preoblikovalnih temperaturah, je bilo vpeljano hlajenje votlice s teko~im du{ikom. Ta postopek je poznan za direktno iztiskovanje; zelo malo pa je podatkov za indirektne iztiskovalnice7-9. Hlajenje prepre~uje kriti~no povi{anje temperature v ozkem povr{inskem podro~ju iztiskovanca in s tem nastajanje povr{inskih razpok. Hlajenje votlice omogo~a tudi hitrej{e iztiskovanje, kar pove~a izkoristek iztiskovalnice. Na sliki 8 so prikazane hitrosti bata iztiskovalnice in njene u~inkovitosti pri razli~nih stiskalni{kih razmerjih za postopka s hlajenjem votlice in brez. V obeh primerih so bile palice ga{ene na iztiskovalnici. Rezultati na sliki 8 veljajo za zlitino AlCu4Mg1 (AA2024), ki ima podobno sestavo kot avtomatna zlitina AlCuMgPb. Hlajenje votlice pove~a hitrost bata do 90% in izbolj{a izkoristek iztiskovalnice do 60% brez povr-{inskih napak. 4 SKLEPI Visokotrdnostna in te'e iztisljiva zlitina AlCuMgPb (AA2030) se lahko topilno 'ari in gasi med indirektnim iztiskovanjem. Polizdelki imajo vi{jo natezno trdnost in mejo te~enja, svetlo povr{ino in zadovoljive odrezke v primerjavi z iztiskovanci, ki so lo~eno topilno 'aijeni v solni kopeli. Vzrok za vi{je trdnostne lastnosti je nerekri-stalizirana mikrostruktura. Hlajenje votlice s teko~im du{ikom prepre~uje nastanek povr{inskih razpok in pove~a u~inkovitost iztiskovanja. 5 LITERATURA 1 Hains R. W.: Press quenching of aluminium alloys, Proceedings of Third International Aluminium Extrusion Technology Seminar, Atlanta, 1 (1984) 81-88 2Achenbach D.: Strangpressen von Aluminium, Aluminium, 46 (1970) 9, 607-613 3 Zoller H., A. Ried: Metallkundliche Gesichtspunkte bei der Entwicklung wenig abschreckempfindlicher AlMgSi-Legierungen, Zeitschrift für Metallkunde, 62 (1971) 5, 351-385 4Smolej A., M. Sokovi}, J. Kopa~, V. Dragojevi}: Influence of heat treatment on the properties of the free-cutting AlMgSi alloy, Journal of Materials Processing Technology, Elsevier, Amsterdam, 53 (1995) 373-384 5Sheppard T.: Metallurgical aspects of direct and indirect extrusion, Proceedings of Third International Aluminium Extrusion Technology Seminar, Atlanta, ZDA, 1 (1984) 107-124 6 A. Smolej, V. Dragojevi}, I. Kverh: Press quenching of high-strength aluminium alloys at indirect extrusion press, 3rd World Congress Aluminium 2000, Conference Proceedings, Limassol-Cyprus, 1997 7 Ward T. J., J. F. Heffron: The effects of nitrogen and liquid and gaseous - on aluminium extrusion productivity, Proceedings of Third International Aluminium Extrusion Technology Seminar, Atlanta, ZDA, 1 (1984) 211-219 8R. J. Selines, F. D. Lauricella, P. Cienciwa, C. Goff: Extrusion cooling and inerting using liquid nitrogen, Proceedings of Third International Aluminium Extrusion Technology Seminar, Atlanta, ZDA, 1 (1984) 221-226 9 H. Brodbeck: Experience using liquid nitrogen for die cooling, Proceedings of Third International Aluminium Extrusion Technology Seminar, Atlanta, ZDA, 1 (1984) 279-282 166 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4