UDK 669.715:621.771 ISSN 1580-2949 Strokovni članek MTAEC9, 38(3Č1)191(2004) UTRJEVANJE ALUMINIJA IN ZLITIN PRI VZDOLŽNEM HLADNEM VALJANJU HARDENING OF ALUMINIUM AND ALLOYS BY LONGITUDINAL COLD ROLLING Trajanka Vasevska Raziskovanje in eksperimentalni razvoj na področju metalurgije, Prvomajska ul. 5, 2310 Slovenska Bistrica, Slovenija Impol, d. d., Sektor Razvoj, Partizanska 38, 2310 Slovenska Bistrica, Slovenija trajanka.vasevskaŽrerpm-vasevska.si ; trajanka.vasevskaŽimpol.si Prejem rokopisa – received: 2004-02-20; sprejem za objavo - accepted for publication: 2004-04-06 Aluminij in njegove zlitine se lahko vzdolžno valjajo z izmeničnim spreminjanjem smeri valjanja za 180°. Raziskan je vpliv spremembe smeri valjanja na mehanske lastnosti in mikrostrukturo hladno valjanega aluminijskega traka. Ključne besede: hladno valjanje, smer valjanja, mehanske lastnosti, plastična deformacija, mikrostruktura When using longitudinal cold strip rolling of aluminium and its alloys the deformation direction is changed by 180°. The influence of rolling-direction change on the mechanical properties and the microstructure of aluminium was investigated. Key words: cold rolling, rolling direction, mechanical properties, plastic deformation, microstructure 1 UVOD Pred leti je bil v Impolu uveden sistem računalniškega izpisa tehnoloških nalog, za katerega so potrebni zelo natančni podatki o tehnološkem postopku. Tehnologi so morali zelo natančno opredeliti parametre tehnologije valjanja, predvsem število prevlekov in skupno deformacijo, vse v intervalih, ki zagotavljajo vnaprej predpisane mehanske lastnosti izdelka z upoštevanjem vseh značilnosti vsake zlitine. Da bi to dosegli, so morali pripraviti zelo veliko število izpisanih nalog in upoštevati številne vplivne parametre, med njimi tudi vpliv spremembe smeri valjanja na končne mehanske lastnosti izdelka. 2 PLASTIČNA DEFORMACIJA Trdne kovine spreminjajo obliko pod vplivom zunanje sile. Preoblikovalne lastnosti so odvisne od kristalne zgradbe, kemijske sestave in mikrostrukture. Kristalne ploskve in smeri premikanja dislokacij so različne pri plastični deformaciji kovin in zlitin z zelo različno kristalno mrežo1'4. Število ploskev in smeri ni v vseh kristalnih mrežah enako, zato so nekatere kovine bolj plastične, med njimi so tudi aluminij in njegove zlitine. Aluminijeve zlitine vsebujejo binarne ali večkom-ponente faze ali kemične (intermetalne) spojine v obliki vključkov, ki imajo različno obliko in velikost in so različno porazdeljeni v matici. Zato močno vplivajo na plastičnost in mehanske lastnosti. Temu ustrezna je različna tehnologija predelave, ki zagotavlja zahtevane lastnosti izdelkov. Pri načrtovanju postopka valjanja so zelo pomembne meja plastičnosti Rp0,2, natezna trdnost Rm in sprememba dimenzij. Meja plastičnosti Rp0,2 je temeljni podatek za izračun natezne sile pri navijanju traka v kolobar, natezna trdnost Rm pa opredeljuje stopnjo utrjevanja materiala med plastično deformacijo. Sprememba dimenzij v zoni elastične deformacije je potrebna zato, da dovolj natančno določimo velikost reže pri valjanju, da je ta dovolj velika. Na sliki 1 so shematično prikazane spremembe dolžine pri valjanju3. Elastična deformacija aluminija in njegovih zlitin je zelo majhna in ni pomembna pri določanju tehnoloških parametrov. Elastična deformacija Le in meja elastičnosti R0,005 ali R0,oi se določata s posebno metodo z napravo, ki lahko registrira 0,001 % raztezka dolžine preizkušanca oziroma 0,0005 mm podaljška4. /* ¦< *< 1 -i ¦ 1+9. t+e Slika 1 : Spremembe dimenzije pri plastični deformaciji materiala. Le -elastični raztezek, Lpi - plastični raztezek, l - dolžina pred deformacijo Figure 1: Dimension changes for the plastic deformation of metals. Le - elastic elongation, Lz - plastic elongation, l - length before deformation MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 38 (2004) 3-4 191 T. VASEVSKA: UTRJEVANJE ALUMINIJA IN ZLITIN PRI VZDOLŽNEM HLADNEM VALJANJU Meja plastičnosti Rp0,2 je opredeljena kot napetost pri kateri se material plastično deformira za 0,2 %. Določa se po enaki metodi kot Rom ali R0M z napravo, ki pokaže 0,05 % raztezka oziroma 0,01 mm podaljška merilne dolžine4. Podaljšek ez se v praksi pojavlja kot raztezek A5 ali Aio, ki sta izražena v odstotkih. Dimenzija obdelovanega telesa med valjanjem je (1 + e), po prenehanju obremenitve pa (1 + ez). Zakon o podobnosti omogoča, da se s primerno laboratorijsko opremo za predelavo kovin okvirno določijo nekateri tehnološki parametri predelave, kar omogoča, da se pri proizvodnji izognemo riziku pri uvajanju novih tehnologij. Matematična oblika tega zakona je: (1) A V. G A2 V2 G Ai, A2 -Vu V2 -Gi, G2 delo prostornina – masa Pi Fi P2 č F2 Pu Pi -Fi, F2 - sila ploščina (2) 3 VALJANJE Valjanje je plastična deformacija materiala v reži med dvema valjema, ki se vrtita v nasprotni smeri. Pri valjanju plošč in trakov imata valja ravno, pri valjanju profilov pa reliefno površino2. V tem delu je obravnavano le ploskovno linijsko valjanje trakov. Ravna in gladka valja prevzameta debelejši valjanec, če je skladno s sliko 2 izpolnjen pogoj3: P ¦ µ ¦ cos a > P ¦ sin a µ>a H>h (3) (4) (5) P - sila, s katero valji pritiskajo na material (sila valjanja) µ - koeficient trenja a - kot zajemanja H - vhodna debelina materiala h - izhodna debelina materiala Pri prehodu skozi valje se večina deformacije izvrši s podaljškom valjanca v smeri valjanja, del pa tudi z njegovim širjenjem. Širjenje izračunamo z Leon-Žaz-vovo enačbo 3, odvisno pa je od vhodne debeline valjanca, od koeficienta trenja in od premera valjev. AB lH| ß R Ah H H Ah_\ 2HJ Ah Ah = H-h (6) (7) H h- debelina valjanca pred deformacijo debelina valjanca po deformaciji Slika 2: Sile med valji in valjancem na začetku valjanja Figure 2: Forces between the cylinder and the material at the start of rolling Ah - odvzem pri valjanju µ - koeficient trenja R - polmer delovnih valjev Končna vrednost je seštevek širjenja pri vsakem prehodu valjanca med valji. V praksi je širjenje materiala pomembno pri vročem valjanju, posebno pri valjanju debelih valjancev in profilov, pri hladnem valjanju pa je širjenje zanemarljivo majhno in zato se pri njem predpostavlja, daje povečanje širine AB = 0 in se upoštevata le odvzem Ah in podaljšek Al. Ah = h0- h, (8) M = l- l (9) Ah - odvzem ho - višina valjanca pred deformacijo Al - podaljšek lo - dolžina valjanca pred deformacijo hi, l - višina, dolžina valjanca po deformaciji 4 REZULTATI PREISKAV V letu 1989/1990 smo v Impolu pripravljali tehnološke parametre za računalniško vodenje tehnologije valjanja. Treba je bilo tudi ugotoviti, kako sprememba smeri valjanja vpliva na mehanske in tehnološke lastnosti materiala. Rezultati preizkusov so pokazali, da izmenična sprememba smeri valjanja za 180° pri istem valjancu ne vpliva na končne lastnosti aluminija in njegovih zlitin. Ta pojav je bil potrjen tudi pri vlečenju žice iz aluminija in njegovih zlitin. Na slikah 3, 4, 5 in 6 so prikazane najmanjše vrednosti meje plastičnosti Rvo,2, natezne trdnosti Rm, trdote po Brinellu HB in raztezka Aio za hladno valjan trak iz aluminija A199,5 (DIN 1712). Na slikah 7, 8, 9 in 10, a, b, so prikazane metalo-grafske strukture A199,5 v hladno valjanem stanju za 2 192 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 38 (2004) 3–4 T. VASEVSKA: UTRJEVANJE ALUMINIJA IN ZLITIN PRI VZDOLŽNEM HLADNEM VALJANJU 220 200 180 as a. 160 2 140 CM 120 CE 100 F 80 a: 60 40 20 0 /?pC >,? .......H& S V -----------Aw =i " \ \ _-j \ \ \ Č- _ _ - - 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 e/% Slika 3: Sprememba lastnosti toplo valjanega traku Al99,5 pri hladnem valjanju v eni smeri. Sprememba natezne trdnosti (Rm), meje plastičnosti (Rp02), trdote (HB) po Brinellu in raztezka (A10) vzdolž smeri valjanja Figure 3: Change of properties of hot-rolled Al99.5 strip when cold rolled in the same direction. Change of tensile strength Rm, yield strength Rp0,2, Brinell hardness HB and elongation A10, longitudinal to the direction of rolling 220 200 180 (0 I 160 či 14° el 120 i 100 * 80 60 40 20 0 -----------/?p0,2 — ¦ — -A10 Č ss-s* S . % v "¦" • , ¦"¦ - 60 50 40 30 s 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 e/% Slika 4: Sprememba lastnosti toplo valjanega traku Al99,5 pri hladnem valjanju v eni smeri. Sprememba natezne trdnosti (Rm), meje plastičnosti (Rp0,2) in raztezka (A10), prečno na smer valjanja Figure 4: Change of properties of hot-rolled Al99.5 strip when cold rolled in the same direction. Change of tensile strength Rm, yield strength Rp0 2 and elongation A10, transverse to the direction of rolling 220 200 180 CD fL 160 Č 140 S 120 ce § 100 CC 80 60 40 20 0 ------------Rp0,2 ------------KB ' *¦ ....../*10 - » ***" ČČ / x - _, . _. - — - ¦¦" ¦¦ ' ¦ - 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 e/% Slika 5: Sprememba lastnosti toplo valjanega traku Al99,5 pri hladnem valjanju z izmenično spremembo smeri valjanja za 180°. Sprememba natezne trdnosti (Rm), meje plastičnosti (Rp0,2), trdote (HB) po Brinellu in raztezka (A10) vzdolž smeri valjanja Figure 5: Change of properties of hot-rolled Al99.5 strip when cold rolled with an alternate change of the rolling direction by 180°. Change of tensile strength Rm, yield strength Rp02, Brinell hardness HB and elongation A10, longitudinal to the direction of rolling 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 e/% Slika 6: Sprememba lastnosti toplo valjanega traku Al99,5 pri hladnem valjanju z izmenično spremembo smeri valjanja za 180°. Sprememba natezne trdnosti (Rm), meje plastičnosti (Rp0,2) in raztezka (A10), prečno na smer valjanja Figure 6: Change of properties of hot-rolled Al99.5 strip when cold rolled with an alternate change of the rolling direction by 180°. Change of tensile strength Rm, yield strength Rp0,2 and elongation A10, transverse to the direction of rolling 220 60 200 50 180 L 160 40 2 140 L S 120 30 - a? 100 "=C 20 of 80 60 10 40 20 0 0 -------Rm --------/?p0,2 ¦ — -Aio s > k N b) vzdolžno Slika 7: Mikrostruktura hladno valjanega traka Al99,5, 16-odstotna redukcija, začetek hladnega valjanja: a) prečno na smer valjanja, b) vzdolžno na smer valjanja. Povečava 250-kratna Figure 7: Microstructure of cold-rolled Al99.5 strip, 16 % deformation. Start of cold rolling a) transverse to the direction of rolling; b) longitudinal to the direction of rolling; 250 x MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 38 (2004) 3–4 193 T. VASEVSKA: UTRJEVANJE ALUMINIJA IN ZLITIN PRI VZDOLŽNEM HLADNEM VALJANJU ¦Sp b) vzdolžno Slika 8: Mikrostruktura hladno valjanega traka A199,5, 52-odstotna redukcija z izmenično spremembo smeri valjanja: a) prečno na smer valjanja, b) vzdolžno na smer valjanja. Povečava 250-kratna Figure 8: Microstructure of cold-rolled A199.5 strip, 52 % deformation with an alternate change of the rolling direction: a) transverse to the direction of rolling, b) longitudinal to the direction of rolling; 250 x različne stopnje in smeri deformacij, prečno in vzdolžno na smer valjanja. Valjanje s stopnjo redukcije nad 80 % je bilo opravljeno na manjši hladni valjarni s ciljem, da se ugotovi, kaj se dogaja v materialu pri zelo visokih redukcijah, ki se sicer ne uporabljajo pri hladnem valjanju aluminija in njegovih zlitin v redni proizvodnji. Če primerjamo natezno trdnost Rm in mejo pla-stičnosti Rp0,2, trdoto po Brinellu HB in raztezek A10 za vzdolžne preizkušance iz traka Al99,5, valjanega v eni smeri (slika 3), in za trak, valjan z izmenično spremembo smeri valjanja za 180° (slika 5), ugotovimo, da se natezna trdnost Rm in meja plastičnosti Rp0,2 spreminjata v intervalu od 0,1 MPa do 5 MPa, trdota po Brinellu HB in raztezek A10 pa sta enaka. Natezna trdnost Rm in meja plastičnosti Rp0,2 sta za trakaste preizkušance Al99,5, valjane v eni smeri (slika 4), in z izmenično spremembo valjanja za 180° (slika 6) med 5 MPa in 8 MPa, raztezek A10 pa je enak. b) vzdolžno Slika 9: Mikrostruktura hladno valjanega traka A199,5, 30-odstotna redukcija z izmenično spremembo smeri valjanja: a) prečno na smer valjanja, b) vzdolžno na smer valjanja. Povečava 250-kratna Figure 9: Microstructure of cold-rolled A199.5 strip, 30 % deformation with an alternate change of the rolling direction. a) transverse to the direction of rolling; b) longitudinal to the direction of rolling; 250 x Primerjava med vzdolžnim in prečnim preiz-kušancem za trak Al99,5, valjan v eni smeri, pokaže, da sta natezna trdnost Rm in meja plastičnosti Rp0,2 večja za 7 – 20 MPa pri prečnih preizkušancih, raztezek A10 pa je manjši. Razlika v raztezku se izgubi pri večjih stopnjah redukcije. Pri traku Al99,5, valjanem z izmenično spremembo smeri za 180°, sta natezna trdnost Rm in meja plastičnosti Rp0,2 pri prečnih preizkušancih večja od vzdolžnih za 3 – 9 MPa, raztezek A10 pa je manjši pri manjši redukciji, toda pri večji redukciji se ta razlika izgubi. Metalografske strukture prečnih in vzdolžnih preiz-kušancev za Al99,5 valjanih v enako smer in z izme-nično spremembo smeri valjanja za 180°, so za nekatere primere prikazani na slikah od 7 do 10. S teh slik je razvidno, da sprememba smeri valjanja ne vpliva na mikrostrukturo, ki je pri enaki redukciji enaka, ne glede na način valjanja. Pri redukcijah, večjih od 50 %, po- 194 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 38 (2004) 3–4 T. VASEVSKA: UTRJEVANJE b) vzdolžno Slika 10: Mikrostruktura hladno valjanega traka Al99,5, 76-odstotna redukcija z izmenično spremembo smeri valjanja: a) prečno na smer valjanja, b) vzdolžno na smer valjanja. Povečava 250-kratna Figure 10: Microstructure of cold-rolled Al99.5 strip, 76 % deformation with an alternate change of the rolling direction: a) transverse to the direction of rolling, b) longitudinal to the direction of rolling; 250 x stane mikrostruktura prečnih in vzdolžnih preizkušancev zelo podobna. 5 RAZPRAVA Cilj hladnega valjanja aluminija in njegovih zlitin je doseči pri določeni dimenziji mehanske lastnosti, ki omogočajo uporabo materiala pri kupcih. Zato je zelo pomembno, da vemo, kako poteka utrjevanje materiala pri deformaciji in kakšne spremembe pri tem nastanejo v mikrostrukturi. Pri plastični deformaciji kovin z valjanjem se kristalne ploskve pomikajo v smeri, v katero jih iztiska naraščajoča deformacija med valjanjem, katere rezultat je enosmerni podaljšek. Pomiki kristalnih ploskev so tem večji, čim večja je deformacija. Ves premik se izvrši MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 38 (2004) 3–4 ALUMINIJA IN ZLITIN PRI VZDOLŽNEM HLADNEM VALJANJU enosmerno, v smeri podaljška kovine, in ko se smer valjanja obrne za 180°, nastane podaljšek v nasprotni smeri. Natezna trdnost Rm, meja plastičnosti Rp0,2, trdota po Brinellu HB, raztezek A10 in metalografske analize prečnih in vzdolžnih preizkušancev za trak Al99,5, valjan v eno smer in z izmenično spremembo smeri valjanja za 180°, kažejo, da smer valjanja ne vpliva na mehanske lastnosti aluminija in tudi ne na plastičnost. Ta pojav se je pokazal tudi pri analizi rezultatov valjanih in vlečenih preizkušancev iz aluminijevih zlitin. Pri 30-odstotni skupni redukciji in manjši je edina sprememba v mikrostrukturi sploščitev enakoosnih poligonalnih kristalnih zrn. Pri večji deformaciji se v mikrostrukturi pokažejo valovite črte, ki so sledovi pomika dislokacij in kažejo, da pri zadostni deformaciji drsenje preskakuje iz ene v drugo vzporedno kristalno ploskev z istim kristalografskim indeksom. Pri deformaciji so intermetalne faze pasivne, ni pretoka materiala, lahko se prerazporedijo tudi na kristalne meje5,6. Pri hladnih deformacijah se energija deformacije pretvori v toploto. Hlajenje med valjanjem prepreči, da bi se temperatura dvignila na tisto raven, ki omogoča procese poprave, rekristalizacijo in difuzijo. Plastovitost postane zelo izrazita šele, ko skupna redukcija zraste nad 90 %. 6 SKLEP Aluminij in njegove zlitine se valjajo na reverzirnem ogrodju, ki je postavljeno med odvijalno/navijalno napravo, s čimer se izognemo dolgim valjarniškim progam. Pri prvem prehodu se material valja z zahtevano stopnjo redukcije, v naslednjem se previja, da bi se ohranila enaka smer valjanja pri naslednji deformaciji. Spoznanje, da sprememba smeri valjanja za 180° ne vpliva na mehanske in strukturne lastnosti aluminija, omogoča, da se izognemo praznemu hodu pri valjanju. Čas, potreben za hladno valjanje, se s tem močno zmanjša, prihranek energije pa je tudi pomemben, zato je produktivnost večja, strošek valjanja pa manjši. 7 LITERATURA 1 Z. Wusatowski, Fundamentals of rolling, Katowice 1969, Ch. 1, 1–8 2 M. Čauševič, Valjanje i kalibriranje, Tehnička knjiga, Beograd 1962, 227–236 3 N. Miškovi}, B. Miškovi}, Teorija plastične prerade metala, Tehno-loško metalurški fakultet, Beograd 1977, 24–34, 157–167 4 Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1972, 63–81, 137–139 5 F. Vodopivec, Kovine in zlitine, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana 2002, 9–27 6 H. Šuman, Metalografija, Zavod za izdavanje udžbenika SR Srbije, Beograd 1965, 240–260 195