Izdelava žice iz zlitine AIMg5 za kovice in vijake Production of AIMg5 Wire for Rivets and Bolts T. Vasevska1, IMPOL, Slovenska Bistrica Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22 Namen raziskave je bil ugotoviti možnost izdelave te vrste žice v IMPOL-u z obstoječo opremo. Tehnološka pot je določena na osnovi teoretičnih in praktičnih spoznanj za zlitino in je drugačna od dosedanjega načina obdelave. Mehanske in tehnološke lastnosti dobljenega izdelka so potrdile, da v IMPOL-u lahko izdelamo žico z zahtevano kakovostjo. Ključne besede: mehanske lastnosti, natezna trdnost, meja plastičnosti raztezek skrček, strižna trdnost, tehnološke lastnosti, preoblikovalnost, žica, kovice, vijaki Summary goal was to test the equipment capability of Impol to produce high quality wire suitable for the products. A new tecnological process based on theoretical and practical conclusions was developed for the alloy. Mechanical and technological properties confirm that the new grade wire can be produced in IMPOL. Key words: mechanical properties, tensile strength, yield strength, elongation, contraction, shearing strength, technological properties, deformability, wire, rivets, bolts 1 Uvod Majhna specifična masa aluminija in njegovih zlitin je razlog za vse večje zanimanje za njihovo uporabo. Povpraševanje po zlitini AlMg5, ki se uporablja v letalski industriji, ladjedelništvu itd. je že staro. Predhodne raziskave zlitine so dale rezultate, ki so bili v veliko pomoč za nadaljnjo raziskavo. Sedaj je na trgu povpraševanje po žici kvalitete H32 za izdelavo kovic in vijakov. Moja naloga je bila, da ugotovim možnosti izdelave žice te vrste v IMPOL-u v obstoječih razmerah in brez dodatnih investicij. 2 Litje Značilno za zlitino AlMg5 je, da pri legiranju oz. dodajanju Mg v talino pride do izgube Mg. To se je obravnavalo kot "odgor" oz. oksidacijo Mg. Pokazalo, pa se je, da je ta izguba rezultat reakcije Mg s Pb in Si iz obloge peči. Ta resorbira Pb iz zlitin, ki se legirajo s Pb in so namenjene za obdelavo na avtomatih. Na sliki 1 so prikazane spremembe koncentracije Pb in Si pri dodajanju Mg v talino in v odlitku. Izračuni, po katerih 4,1% mas. Pb veže 95,9% mas. Mg v obliki Mg2Pb in 36% mas. Si veže 64% mas. Mg v obliki Mg2Si, so potrdili te predpostavke. Na sliki 2 prikazani binarni fazni diagram Mg-Pb je povzet po viru2. Pri odstajanju taline se zmanjšuje koncentracija Pb, ker je težji in se useda, poveča pa se vsebnost Si, ker je dovolj časa, da se veže z Mg in je zato vsebnost Mg v odlitku občutno zmanjšana. V tabeli 1 so prikazani razponi kemične sestave za to zlitino, ki so predpisani v posameznih standardih. ' Trajanka VASEVSKA. dipl.inž.mel. IMPOL d.o.o.. Partizanska ul. 38 2310 Slovenska Bistrica 3 Homogenizacija Da bi se izboljšala plastičnost pri topli predelavi (valjanje, stiskanje ali kovanje), se kovina po litju termično obdela z vi-sokotemperaturnim homogenizacijskim žarjenjem.Pri tem se odstranijo segregirane faze po meji kristalov ali zrn (odvisno od tipa trdne raztopine) s celotnim ali delnim raztapljanjem in E 3 CD CB (D E . ^_« Mg(t) / s* — + rV i ! < V * Mg(r) ' A i,! / H :""":" i i / / i ; : : A i : f \ ' j • : j' \ i: • j \ j/ * / - • * i i i i 0.08 0.07 0.06 0.05 c- o o 0.04 « "O (B d) 0.03 -i 0.02 « 0.01 03 n CL 4 6 Preizkus, Test 10 Slika 1: Odvisnost med koncentracijo Mg, Pb in Si ter odstopanje teoretične Mga> in realne koncentracije Mg(r> med procesom taljenja od 1. do 7. preizkusa in v odlitku 8. Zlitina AlMg5 Figure 1: The change of concetrations of Mg, Pb and Si and difference between the teoretical Mg(t> and the real Mg(r> content of Mg during the melting tests No.l to No.7 and in the as čast No.8 of the alloy AlMg5 Tabela 1: Kemična sestava AlMg5 v mas.% Table 1: Chemical composition of the alloy AlMg5 wt.% Oznaka Kemijska sestava v % Ostalo Standard Zlitina Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Mn+Cr pos. sk. DIN-1725 EAA AlMg5 5058A 0.4 0.5 0.1 O.Ido 4.5 do 0.2 0.6 5.6 0.2 0.2 0.1 do 0.6 0.05 0.15 AA 5056 0.3 0.4 0.1 0.05 do 4.5 do 0.05 do 0.2 5.6 0.2 0.1 0.05 0.15 IMPOL P51 0.3 0.4 0.1 0.05 do 4.8 do 0.05 do 0.2 0.2 0.2 0.1 0.05 0.05 0.15 600 500 S 3 S 400 8. E e 300 a t_ D | 200 E o H 100 0 o 20 40 60 80 90 Mg mas.%, Wt% Pb Slika 2: Ravnotežni fazni diagram Mg-Pb Figure 2: The equilibrium phase diagram magnesium-lead z difuzijo, ali pa se sferodizirajo v obliko, ki naj bi ustvarjala najmanjši odpor pri topli predelavi. S tem žarjenjem se tudi odpravljajo vse napetosti, ki so nastale med ohlajevanjem odlitka. Iz slike 3 je razvidno, da ima ta zlitina zelo širok temperaturni interval homogenizacije. Pri 451,5°C nastane kot rezultat peritektične reakcije intermetalna B-faza v obliki AljMgi s 34,5% Mg 2. V literaturi3 se B-faza prikazuje kot spojina AlsMgs, ker je taka najprimernejša stehiometrijska sestava te faze1-13. Pozitivni učinek homogenizacijskega žarjenja je odvisen od temperature in časa segrevanja ter hitrosti ohlajevanja. Z nepravilno določenimi parametri se lahko ustvarijo endogeni vključki1, ali pa material na koncu predelave celo nima zahtevanih lastnosti. 4 Stiskanje AlMg5 v toplem stanju Ta zlitina spada v skupino, ki ima majhno hitrost stiskanja. Nanjo vplivata homogenizacija in nastavljeni parametri stiskanja. Ce so vse zahteve zadovoljene, se občutno poveča hitrost stiskanja, izboljša se kvaliteta površine stiskanca in zmanjša se delovni pritisk. Navadno je razlika med začetnim in delovnim pritiskom pribl. 30-50 bar, odvisno od % razmerja stiskanja: %RS = Fsl.100/Frcc (1) Fsl. = nFpr0f. (2) Frcc. = D2ti/4 (3) RS - razmerje stiskanja (%) Fst. - enkratno iztisnjena površina n - število žil (n= 1,2,3,..) Fprof. - površina preseka ene žile Frec. - površina preseka recipienta D - premer recipienta Za RS = 1,7% je bila hitrost stiskanja 2m/min. 5 Hladna predelava V sklop hladne predelave spadajo vlečenje, luščenje, razmastitev, medfazno in končno žarjenje ter ravnanje. Sprememba mehanskih lastnosti materiala med redukcijo z vlečenjem je prikazana na sliki 4. Opisuje jo enačba: K = 1 - d2„/d20 (4) K - stopnja redukcije (%) d„ - začetni premer žice dn - premer žice po določeni redukciji Očitno je plastičnost zlitine AlMg5 za hladno predelavo zelo velika in prenese veliko stopnjo redukcije, kar mnogo olajša planiranje proizvodnje. 9 O 3 | 400 E o H 2 300 « i-8. E ® 200 Slika 3: Ravnotežni fazni diagram Al-Mg Figure 3: The equilibrium phase diagram aluminum-magnesium -i-1-1-1- 10 15 20 25 mas.%, wt% 400 300 I 250 z CM £ 200 tr i,50 100 PlrfTT .a -y , . .." ..,....,....... / \ X" \ V 1 1 1 :\ 1 • < ' -A \ J ......... ----.. . \i i i i 'Ni i I / ^ ........ A60.8 ----- 1 ------- - - - - - - - -; —: —:—;vv ■—i-1-1-1— 0.2 0.4 0.6 0.8 Stopnja redukcije, Reduction step, K 8 < 15 S O , UJ 5 5 (E Slika 4: Sprememba velikosti natezne trdnosti Rm, meje plastičnosti Rpo.2 in raztezka Aso.s vlečene žice v odvisnosti od stopnje redukcije zlitine AlMg5 Figure 4: Variation of tensile strength Rm, yield strength Rpo.2 and elongation A50.8 wire depending on reduction steps of alloy AlMg5 6 Lastnosti zlitine AlMg5 6.1 Mehanske lastnosti5,7 V tabeli 2 so podane vrednosti mehanskih lastnosti, ki so predpisane v posameznih standardih. 6.2 Tehnološke lastnosti5'11'9'10 Zlitina AlMg5 se lahko • lije v pesek in kokile • stiska v obliko palice, cevi in žice • valja v toplem in hladnem stanju • vleče • izsekava • trdo eloksira ter je • odporna na korozijo v morski vodi • primerna za nosilne konstrukcije, za varjenje, za predelavo na avtomatih in hladno utopno kovanje. 7 Analiza kakovosti žice AlMg5 Za to zlitino so bile izdelane številne kemijske, metalograf-ske in mehanske analize, od litja do končne oblike. V tem delu bodo prikazani samo rezultati končnih preizkusov žice za kovice ()> 5,25 mm, ki je bila izdelana po petih različnih postopkih. Vrsta predelave: Končno predelane kakovosti 1 vlečene 2,3.4,5 odžarjene Na sliki 5 so prikazane minimalne vrednost dobljenih mehanskih lastnosti za vseh pet vrst predelave. Strižna trdnost G (N/mm2) za dvorezne kovice je določena z9 G = P/2F (5) P - strižna sila (N) F - presek žice (mm2) 400 350 £ I 300 — 250 a m" 1 E tc 2 3 4 Vrata predelave, Type of working) Slika 5: Vpliv vrste predelave na natezno trdnost Rm, mejo plastičnosti Rpo,2 in strižno trdnostjo G v (N/mm2), na raztezek A50.8 in skrček Z v (%) zlitine AlMg5 Figure S: The influence of the working on tensile strength Rm, on yield strength Rpo.2, on shearing strength G (N/mm2), on the elongation A50.8 and on contraction Z (%) of the alloy AlMg5 Tabela 2: Mehanske lastnosti zlitine AlMg5 Table 2: Mechanical properties of the alloy AlMg5 Predpis Dimenzija Natez. trdnost Meja plastičnosti Raztezek Trdota Standard Stanje Premer žice Rm Rp 0.2 A10 Ai=ioo A50.8 % % % min min min HB 2.5/62.5 mm in N/mm2 min Ksi N/mm2 min Ksi min DIN W27 1790 F31 A.A. 0 tab. 10.1 H32 tab. 10.3 O tab 10.3 H32 Zahteva H 32 kupca do 15 do 15 vse do 0.374 do 1.0 do 1.0 do 0.374 270 310 max 46 min 44 max 46 44-52 44-52 140 205 10 5 5 2 20 20 55 80 1 ksi = 1000 psi = 6.097 N/mm2 1" = in = 25.4 mm Slika 7: Vzorci po torzijskem (a), strižnem (b) in tlačnem (c) preizkusu žice 5.25 mm zlitine AlMg5 Figure 7: Specimens after torsion (a), shearing (b) and compression (c) of test wire diameter 5.25 mm alloy AlMg5 določenem dimenzijskem območju lušči. Uporabljeni vzorci niso bili luščeni. 8 Sklep Pri razvoju tehnologije se je ugotovilo, da se s spremembo določenih tehnoloških parametrov dobi drugačna kakovost materiala in da je potrebno paralelno z mehanskim določiti tudi tehnološke lastnosti zlitine, ki so odvisne od namena uporabe (6.2). Ta zlitina se lahko tehnološko za poseben namen uporabe predela tako, da ima v mehkem stanju Rm>300 N/mm2. Dobljeni rezultati so pokazali, da se plastičnost zlitine AlMg5, ki je namenjena za hladno kovanje, najbolj izraža s skrčkom Z. Iz tabele 2 je očitno, da kupci, z namenom, da se čim bolj zavarujejo pred napakami, delajo nasprotno in spravljajo sebe in proizvajalca v težave. Kupec se je v tem primeru skliceval na A.A. standard. Napaka v tolmačenju tega standarda je povzročila neprimerno tehnologijo. Zato ni nikoli odveč, če se tehnologi ene in druge strani pri uvajanju novega izdelka večkrat pogovore in ovrednotijo dobljene rezultate. 9 Literatura ' H. Schumann, Metallographie, 4.,verbesserte Auflage; VEB Deut-scher Verlag fiir Grundstoffindustrie, Leipzig. 1962, 236, 525 2 M. Hansen, K. Anderko. Constitution of Binary Alloys, Second Edi-tion; McGraw-Hill Bank Companv, Inc.. New Y«rk, Toronto, London. 1958 Z = (1 - d2zklm/d2o)100 (6) Z - skrček (%) dziom. - premer vzorca na mestu zloma pri določevanju Rm d0 - začetni premer žice Ugotavljanje plastičnosti materialov za preoblikovanje s hladnim kovanjem je izvedeno na inštrumentu za torzijski preizkus po predpisu BS-1473:19726 s 6 obrati za 360° v eno smer in 6 obrati za 360° v drugo smer na vzorcih, dolgih 150 mm. Upoštevan pa ni samo rezultat enega ciklusa (6+6), ampak je poskus ponavljan do zloma vzorca. Izvršen je tudi preizkus po JUS C.A4.016 na vzorcih, dolgih lOOd, z obračanjem v eno smer do končnega zloma. Dobljeni rezultati, ki so prikazani v tabeli 3, so pokazali, da se lahko vseh pet kakovosti materiala obdeluje s hladnim kovanjem. Tabela 3: Obdelovalnost zlitine AlMg5 za hladno kovanje izražena kot maksimalno število obratov Table 3: Workability of the alloy AlMg5 by cold forging shown as maximum number of revolutions Vrsta predelave Testiranje predpisano s standardom BS 1473 (1972) Št.obr.=n(6+6) za 1=150 mm 25 30 32 28 34 JUS C.A4.016 25 56 49 51 60 St.obr. v eno smer za l=100d(mm) Tlačni preizkus l,5d/3 je pokazal, da material prenaša predpisano tlačno deformacijo, ker noben vzorec ni počil. Rezultati laboratorijskih preizkusov so se potrdili v proizvodnji pri izdelavi kovic tipa l<4,5d 4, na katerih je bil tudi poskusno izvaljan navoj (slika 6). Kljub temu. daje bilo orodje ekcentrično in je material prenesel večjo deformacijo, nobena kovica ni počila. Vsi dobljeni rezultati so potrdili, da je razvit material primeren za obdelavo s hladnim kovanjem. S preizkusom "navijanja okrog lastnega premera" smo poskušali ugotoviti, ali material to deformacijo prenaša in koliko je plastičen za druge vrste hladne obdelave, n.pr. izdelavo pletilk. Te deformacije ni prenesel samo vzorec z oznako 1, drugi štirje so se navili brez razpok. Od materiala, namenjenega za predelavo v hladnem stanju, se zahteva tudi brezhibna površina, zato se pogosto v Slika 6: Kovice, izdelane iz pet vrst žice