Vpliv homogenizacijskega žarjenja na preoblikovalne lastnosti zlitin vrste AlMgSi
Influence of Homogenization Annealing on the Workability of AlMgSi Alloys
Smolej Al, FNT Montanistika, Ljubljana V. Dragojevič, R. Kučič, IMPOL, Slovenska Bistrica
Preoblikovalne lastnosti zlitin vrste AlMgSi so odvisne od načinov toplotne obdelave polkontinuirno ulitih drogov. V delu je opisan vpliv različnih hitrosti ohlajanj ulitkov po homogenizacijskem žarjenju in ponovnih ogrevanj na preoblikovalno trdnost zlitine AlMgSiPb. Različne hitrosti ohlajanj in ogrevanj vplivajo na mikrostrukturo in s tem posredno na preoblikovalno trdnost zlitin.
Ključne besede: zlitina AlMgSiPb, homogenizacijsko žarjenje, mikrostruktura, preoblikovalne lastnosti
Workability of AlMgSi alloys depends on heat treatment of semicontinuously čast poles. The influence of various cooling rates of castings after the homogenization annealing and reheating on the workability of AlMgSiPb alloy is described. Various cooling and heating rates influence the microstructure and thus indirectly also the yield stress of the alloys.
Key vvords: AlMgSiPb alloy, homogenization annealing, microstucture, workability
1. Uvod
Zlitine skupine AlMgSi (AA 6XXX) so količinsko najbolj razširjene in vsestransko uporabne aluminijeve zlitine, ki se predelujejo z iztiskovanjem v profile, palice in cevi. Te zlitine odlikujejo dobra preoblikovalnost, trdnostne lastnosti, korozijska obstojnost in obdelovalnost z odrezavanjem pri materialih z dodatkom svinca in bizmuta. Mehanske in tehnološke lastnosti so odvisne od kemične sestave ter toplotnih obdelav ulitkov in iztiskovancev. Toplotna obdelava ulitkov sestoji iz homogenizacijskega žarjenja. kjer so glavni parametri temperatura in čas žarjenja ter hitrost ohlajanja materiala do prostorske temperature. Način ohlajanja vpliva na izločanje tistih zlitinskih elementov. ki so med homogenizacijskim žarjenjem v trdni raztopini. Velikost in porazdelitev sekundarnih izločkov vpliva na preoblikovalno trdnost, hitrost iztiskovanja, kakovost površine, in mehanske lastnosti iztiskovancev. Optimalne lastnosti polizdelkov so odvisne tudi od ponovnega ogrevanja homoge-niziranih ulitkov na temperaturo iztiskovanja.
Vpliv ohlajanja po homogenizaciji na hitrost izrtiskovanja in kakovost površine polizdelkov je bil predmet številnih raziskav, katerih rezultati se pogosto razlikujejo1''. Znano je, da morajo biti izločki Mg,Si drobni in enakomerno porazdeljeni v matrici6. Taka mikrostruktura, ki nastane med dovolj hitrim ohlajanjem ulitkov po homogenizaciji, povzroči dobro površino iztiskovancev in zato omogoča tudi hitrejše iztiskovanje. Večji izločki pospešujejo nastanek površinskih napak na profilih in palicah pri
prof. tir. Anion SMOLLJ. dipl. inž. metal. I-N r. Odsek /a metalurgijo in materiale Aškerčeva 12. & 1 €>(X) Ljubljana
hitrejšem iztiskovanju in povzročijo slabše mehanske lastnosti polizdelkov1 \ Optimalna hitrost iztiskovanja je zato pogojena s kvaliteto površine in preoblikovalno trdnostjo materiala. Ti dve lastnosti pa sta odvisni predvsem od načinov toplotne obdelave polkontinuirno ulitih drogov. Kljub številnim raziskavam s tega področja je malo kvantitativnih podatkov o vplivu teh toplotnih obdelav na preoblikovalne lastnosti zlitin vrste AlMgSf.
V tem delu je opisan vpliv ohlajanja po homogenizacijiskem žarjenju in ogrevanja pred preoblikovamjem na mikrostrukturo in preoblikovalno trdnost zlitine AlMgSiPb.
2. Eksperimentalno delo
Preiskusna zlitina AlMgSiPb (tabela 1) je bila ulita po polkontinuirnem postopku v drogove s premerom 165 mm. Iz dela ulitih drogov so bili izrezani vzorci za labotatorijsko homogenizacijsko žarjenje. ki je potekalo v laboratorijski elek-trouporovni peči pri temperaturi 545°C, času 10 ur in treh hitrostih ohlajanja po končanem žarjenju: 25 C/h. 200°C/h in hlajenje v vodi s temperaturo 18 C. Krivulje dejanska nape-tost-dejanska deformacija oziroma sila-skrček so bile narejene /. osnosimetričnim tlačnim preizkusom na stroju Gleeble 1500 pri preoblikovalni temperaturi 500°C in hitrosti stiskanja 5 mm/s do logaritemske deformacije 0.6. Časi ogrevanja do preoblikovalne temperature so bili 2. 15 in 45 minut.
Tabela 1: Kemična sestava preizkusne zlitine (v m. 'k i Table I: Chemical composition of investigated allov (wt. %)
Si	Fe	Cu	Mg	Mn	Cr	Pb	Bi
1.09	0,28	0.09	0.97	0.70	0,01	1.00	0.02
Rezultati preiskav
Dejanske napetosti za preoblikovanje zlitine so v območju deformacij do e=0.6 najmanjše pri počasno ohlajenih zlitinah s temperature homogenizacijskega žarjenja (25°C/h). Vrednosti napetosti naraščajo s hitrostjo ohlajanja. Rezultati so identični za vse tri čase ogrevanja na preoblikovalno temperaturo (slika 1).
V =5mm/s; L=2min; T =500 °C
45
15
'0.002 0.2 0.4 Deformacija
Slika I: Krivulje dejanska napetost - deformacija za različne hitrosti ohlajanja zlitine po homogenizaciji (v„=25°C/h. 200 C/h. voda) po 2 minutnem ogrevanju na preoblikovalno temperaturo 500°C in hitrosti stiskanja 5 mm/s Figure I: True stress - strain curves of allovs being cooled at various cooling rates after the homogenization annealing, and after 2 - minute heating to vvorking temperature of 500 C: compression rate was 5 mm/s
Na sliki 2 so prikazane odvisnosti preoblikovalnih sil od višin preizkušancev med stiskanjem po različnih časih ogrevanja na preoblikovalno temperaturo. Preoblikovalne sile oziroma napetosti so odvisne tako od hitrosti ogrevanja na preoblikovalno temperaturo kakor tudi od predhodnega načina ohlajanja ulitkov s temperature homogenizacijskega žarjenja. Preoblikovalne sile se večajo z daljšimi časi ogrevanja, če so bili ulitki relativno počasi ohlajeni s temperature homogenizacije (slika 2a). Nasprotno pa se preoblikovalne sile manjšajo z, naraščajočim časom žarjenja na preoblikovalno temperaturo, če je zlitina po homogenizaciji zelo hitro ohlajena (slika 2b). Vzrok za spreminjanje preoblikovalnih sil temelji na načinu porazdelitve elementov magnezija in silicija v matrici.
Med posthomogenizacijskim ohlajanjem nastajajo v matrici sekundarni izločki. Njihovi velikost in gostota sta odvisni od hitrosti ohlajanja. Med počasnim ohlajanjem (do 200°C/h) nastanejo veliki paličasti in drobni sferični izločki (slika 3a). Paličasti izločki imajo sestavo Mg,Si, medtem ko sferične izločke sestavljajo elementi Al. Mn. Mg, Si iri Cu. V vodi gaše-na zlitina vsebuje le drobne sferične izločke (slika 3b).
Med ogrevanjem homogenizirane in različno ohlajene zlitine na preoblikovalno temperaturo se ponovno spremenita velikost in gostota izločkov. Obe veličini sta odvisni predvsem od časa ogre\ anja. Veliki izločki, ki nastanejo med počasnejšim postho-
Slika 2: Krivulje preoblikovalna sila (F)-višina stiskanca (Ah) za različne čase ogrevanja (tp=2, 15. 45 minut) na preoblikovalno temperaturo 500 C pri hitrosti stiskanja 5 mm/s. Zlitina je bila po homogenizaciji ohlajena s hitrostjo 25°C/h (a) in v vodi (b) Figure 2: Curves of forming force (F) vs. height of specimen (Ah) for various heating times to working temperature of 500°C and compression rate of 5 mm/s. Alloy was after the homogenisation annealing cooled vvith the rate 25°C/h (a), and dipping in vvater (b)
mogenizacijskim ohlajanjem (do 200°C/h), se delno raztapljajo (slika 4a). Izločki postajajo manjši, njihovi gradniki pa gredo delno v trdno raztopino. Nasprotno pa se v gašeni zlitini pojavljajo precipitati kot posledica izločanja med prehodom skozi območje nižjih temperatur (slika 4b). To pojavljanje izločkov je vzrok za nižje preoblikovalne sile med stiskanjem hitro ohlajene zlitine po homogenizaciji (slika 2b).
4. Diskusija rezultatov
v Homogenizacijsko žarjenje zlitine AlMgSiPb pri temperaturi 545°C je identično z raztopnim žarjenjem. Glavana zlitinska elementa magnezij in silicij sta po 10 urnem žarjenju v trdni raztopini. Procesi izločanja so pod temperaturo solvusa odvisni od
v =5mm/s; T=500°C; vh=25 °C/h
4.5
Ah (mm)
vp=5mm/s; TD=500°C; vh=voda 4.5 i-,—
tp=45min
L-1 Srnin
=2min
< b)
12	3	4
Ah (mm)
tp-2min
t^=45min -tp=15min-
. X NI /. / v /
-. v
. ' • \..N ' Z-'//	"
•• • A« « • V ■	■	t *	• '
f ■ >5 /• » ' • ft> ■ • .......-»
9
■
& s' ;v ;	-
\ /
'>•..*. '»i •

t"-, v
•:, ■■ ■ ■
v""*	A,.
• • • ,
"• ZO
Slika 3: Mikrostruktura zlitine AlMgSiPb po homogenizaciji z različnima hitrostima ohlajanja: (a) 2(10 'C/h, (b) voda Figure 3: Microstructure of the AlMgSiPb allov after the homogenization annealing with various cooiing rates: (a) 200°C/h, (b) dipping into water
M—a «.• f. '"„ %: • ^"THBTf £ vm
« »••• .-, ■ ' * pi . t ■	'♦».-• » x v
•i- _ .......
' * V*-: '	*., V;



•■„ -.v •■•:. ■. / . i. ■ f'-	-v. m
'■'■■..i;
■ "V v
v,/"..•>'
*
• - *

"K'i b
(-20
Slika -I: Porazdelitev in velikost izločkov po 45 minutnem ogrevanju zlitine AlMgSiPb na tempraturo 500C: (a) hitrost ohlajanja po homogenizaciji 20()°C/h, (b) ohlajanje po homogenizaciji v vodi Figure 4: Distribution and size of precipitates after 45 - minutes heating of the AlMgSiPb allov to the temperature of 500' C: (a) cooiing rate after the homogenization annealing 200°C/h; (b) cooiing in vvater
°c			
			a+ liquid 595°C
		«	
400	- J		
	/		
	/		
	/		
200	/ / /		«+ Mg 2 Si
1 1 01		1	l
Al	1	2	3
% Mg 2 Si
Slika 5: Kvazibinarni fazni diagram Al - Mg,Si Figure 5: Quasibinary phase diagram for Al - Mg Si"
kjer je a„ prenasičena trdna raztopina. GP so Guinier -Prestonove cone. B' je semikoherentni izloček tipa Mg,Si s heksagonalno osnovno celico. B je ravnotežni, nekoherentni izloček Mg,Si s kubično ploskovno centrirano celico ', a,, a,, a, so trdne raztopine z vsakokratnimi sestavami, ki so v ravnotežju z. izločki GP. B' in B.
Med počasnim ohlajanjem (25 C/h) se zlitina zadržuje relativno dolgo v bližini solvus temperature za ravnotežno fazo Mg.Si (slika 5). To temperaturno območje je nad navideznima, metastabilnima krivuljama topnosti v ravnotežnem diagramu za izločke B' in GP cone. Ker sta podhladitev in hitrost nukleacije majhni, migracija atomov v tem temperaturnem področju pa velika. so rezultat počasnega ohlajanja redki, relativno veliki, stabilni. izločki Mg,Si. Med ohljanjem s hitrostjo 200°C/h nastane zaradi večje podhladitve več aktivnih nukleusov kot v prejšnjem primeru. Hitrost nukleacije je večja zaradi manjše aktivacijske energije, ki je potrebna za nastanek semikoherentnih nukleusov v področju med krivuljo topnosti za B in navidezno krivuljo topnosti za B'. Ti nukleusi zrastejo v relativno velike izločke zaradi visoke temperature, ki pogojuje rast nukleusov z difuzijo. .Rezultat ohlajanja s hitrostjo 200°C/h so veliki in gosteje prazdeljeni metastabilni in stabilni izločki tipa Mg,Si. Med ohlajanjem zlitine v vodi nastane zaradi presežene kritične temperature podhladitve zelo veliko nukleusov, katerih rast je ovirana zaradi majhne difuzijske sposobnosti atomov pri prostorski temperaturi.
Spreminjanje preoblikovalne napetosti oziroma sile s hitrostjo ohlajanja po homogenizaciji in hitrostjo ogrevanja na preoblikovalno temperaturo je posledica porazdelitve zlitinskih elementov v matrici. Preoblkovalna napetost se veča z naraščajočo hitrostjo posthomogenizaciskega ohlajanja pri preizkušancih, ki so hitro ogreti na preoblikovalno temperaturo (slika 1). V primeru ohlajanja zlitine s htrostmi do 200°C/h in ponovnim ogrevanjem na preoblikovalno temperaturo 500CC v časih do 15 minut sta Mg in Si pred deformacijo še vedno pretežno v obliki izločkov Mg,Si in le delno med ogrevanjem preideta v trdno raztopino (slika 4a). Grobi sekundarni izločki se lahko ponovno popolnoma raztope le pri preoblikovalni temperaturi, ki je za določeno vsebnost Mg,Si nad ravnotežno temperaturo solvusa. Preizkusna zlitina ima teoretično 1.51 m. % Mg,Si. Temperatura solvusa je za to vsebnost približno 525°C (slika 51. Količina in velikost izločkov se zato pri danih pogojih ogrevanja le delno zmanjšata, ker je čas ogrevanja prekratek in preoblikovanje pod ravnotežno temperaturo solvusa. Zlitina se preoblikuje pri nižjih napetostih v primerjavi s hitro ohlajenim materialom v vodi, ki ima pred deformacijo elementa Mg in Si v trdni raztopini ali v obliki zelo drobnih izločkov.
Nasprotno pa se preoblikovalna napetost oziroma sila manjša z naraščajočo hitrostjo posthomogenizacijskega ohlajanja pri preizkušancih, ki so počasno ogreti na preoblikovalno temperaturo (slika 3a). Gašena zlitina se med daljšim zadrževanjem v temperaturnem intervalu med 100°C in 200°C stara z izločanjem magnezija in silicija iz trdne raztopine. Pri višjih temperaturah ogrevanja nastane prestaranje, tako da se zlitina sestoji pred deformaci jo iz matrice s stabilnimi izločki Mg:Si. Zlitina se preoblikuje pri nižjih napetostih v primerjavi s počasneje ohljenim materialom po homogenizaciji, ker ima pred deformacijo več izločenih zlitinskih elementov.
hitrosti ohlajanja materiala. Med ohlajanjem s temperature 545°C ne poteka sekvenca izločanja v zaporedju kot med umetnim staranjem:
a„ -» a, + GP —> a, + B' —> a, + B
5. Zaključki
I. Preoblikovalna trdnost zlitin vrste AlMgSi je odvisna od hitrosti ohlajanja po homogenizacijskem žarjenju in načina ponovnega ogrevanja materiala na preoblikovalno temperaturo.
2.	Preoblikovalna trdnost se veča z naraščajočo hitrostjo ohlajanja ulitkov po homogenizacijskem žarjenju v primeru hitrega ogrevanja in manjša v primeru počasnejšega ogrevanja na preoblikovalno temperaturo 500°C.
3.	Sprememba preoblikovalnih trdnosti je posledica porazdelitve zlitinskih elementov v matrici. Med počasnim ohlajanjem s temperature homogenizacije nastanejo veliki sekundarni izločki, ki se le delno raztapljajo med ponovnim hitrim ogrevanjem na preoblikovalno temperaturo. Taka mikrostruktura zmanjša preoblikovalno trdost v primerjavi z zlitino, ki ima večji delež magnezija in silicija v trdni raztopini.
6. Literatura
O. Raiso: The Effect of Compositional and Homogenization Treatment on Extrudability of AlMgSi Alloys, The Effect ol" Microstructure on the Extrudability of Some Aluminium Allovs. Hvdro Aluminium. Sunndalsora, 1992. 31-40
P. R. Sperry: Correlation of Microstructure in 6XXX Extrusion Allovs with Process Variables and Properties. Proceedings ol" Third Intrnational Aluminium Extrusion Technologv Seminar, Volume I, Aluminium Assotiation, Atlanata, 19X4, 21-29 J. Langerweger: Metallurgische Einfliisse auf Produktivitat beim Strangpressen von AlMgSi-Werkstoffen. Aluminium, 58. 19X2. 107-109
D. Marchive: High Extrudability Allovs in the 6000 Series. Liqlu Metal As;e. 4, 1983. 6-10
G. Lan«. A. F. Castle: Effect of Rate of Colling after Homogenisation on Direct - Extrusion Parameters of 6063 (Al-Mg-Si) Billet. Metals Technology, December. 1978,434-438
R. W. Hains: Press Quenching of Aluminium Alloys, Proceedings of Third International Aluminium Technologv Seminar, Volume I. Atlanta, 1984. 81-88
I. J. Polmear: Light Allovs. Second Edition, Edvard Arnold. London, 1989,29
s L. F. Mondolfo: Aluminium Allovs: Structure and Propperties, Butterworths, London, 1976. 566-590