Vpliv toplotne obdelave na lastnosti avtomatne zlitine AlMgSiPbBi Influence of Heat Treatment on the Properties of AlMgSiPbBi Free-Cutting Alloy A. Smolej, S. Tršar, Montariistika, FNT, Ljubljana V. Dragojevič, A. Gorčenko, M. Jelen, T. Smolar, IMPOL, Slovenska Bistrica J. Kopač, M. Sokovič, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana Avtomatna zlitina vrste AlMgSiPbBi je bila predelana ter toplotno obdelana po postopkih gašenja neposredno po iztiskanju in po standardnem postopku z ločenim raztopnim žarjenjem in gašenjem. Določen je vpliv različnih postopkov toplotne obdelave na mikrostrukturo, mehanske lastnosti in obdelovalnost polizdelkov z odrezovanjem. Ključne besede: avtomatna zlitina AlMgSiPbBi, toplotna obdelava, gašenje po iztiskanju, mehanske lastnosti, obdelovalnost z odrezovanjem The AlMgSiPbBi free-cutting alloy vvas vvorked and heat treated by the method of quenching in the extrusion press (T9 temper) and by the standard method of separate solution annealing and quenching (HT9 temper). Influence of various heat-treatment methods on the micro-structure, mechanical properties, and machinability of semiproducts vvas determined. Key vvords: AlMgSiPbBi free-cutting alloy, heat-treatment, press quenching, mechanical properties, machinability 1 Uvod Zlitine vrste AlMgSiPbBi spadajo v skupino aluminijevih zlitin za obdelavo na avtomatih. Te zlitine so bile razvite iz gnetnih, toplotno utrjevalnih zlitin AlMgSi, katerim sta bila dodana svinec in bizmut. Oba elementa se pojavljata v aluminijevi osnovi kot netopne faze, ki izboljšajo obdelovalnost materiala z odrezavanjem. Optimalna sestava, velikost in porazdelitev faz s svincem in bizmutom so bile vključno z mehanizmom lomljenja odrezkov predmet številnih raziskav1-6. Zlitina AlMgSiPbBi ima v primerjavi z drugimi aluminijevimi, avtomatnimi zlitinami AlCuPbBi in AlCuMgPb boljšo preoblikovalno sposobnost, korozijsko obstojnost, možnost anodiziranja površin ter nekoliko nižje mehanske in obdelovalne lastnosti. Zlitine AlMgSi oziroma AlMgSiPbBi imajo majhno preoblikovalno trdnost v področju nad temperaturo solvus, širok interval med temperaturama solvus in solidus ter nizko kritično hitrost gašenja. Te lastnosti omogočajo, da lahko poteka del toplotne obdelave zlitin neposredno med iztiskanjem7-9. Običajni tehnološki postopek za izdelavo in toplotno obdelavo polizdelkov v obliki palic iz zlitin AlMgSiPbBi sestoji iz homogenizacijskega žarjenja polkontinuimo ulitih drogov, iztiskanja, hladne predelave z vlečenjem, raz topnega žarjenja, gašenja, umetnega staranja in ponovne hladne predelave z vlečenjem. Postopek jc opisan z. oznako HT 9. V primeru zlitin AlMgSi je možno toplotno obdelavo združiti z iztiskanjem. Kombiniran postopek z oznako T 9 vsebuje homogenizacijsko žarjenje ulitkov, iztiskanje, gašenje iztiskancev po izstopu iz matice, umetno staranje in hladno predelavo z vlečenjem. Za raztopno žarjenje se koristi toplota, ki se razvije med preoblikovanjem. Zaradi manjšega števila delovnih operacij in koriščenja preoblikovalne toplote ima ta postopek v primerjavi s standardnim velike ekonomske prednosti. Gašenje po iztiskanju zahteva natančno kontrolo večjega števila parametrov izdelave kot so hitrost ohlajanja po homogenizacijskem žarjenju, temperatura materiala med iztiskanjem, hitrost iztiskanja, hitrost gašenja in dimenzije polizdelkov4. S pravilno izbiro teh parametrov ima material po izhodu iz matrice ustrezno temperaturo raztopnega žarjenja, kar je pogoj za gašenje na stiskalnici. Postopek T 9 se v praksi uspešno uporablja za izdelavo različnih iztiskanih polizdelkov iz zlitin vrste AlMgSi z nižjo vsebnostjo Mg in Si7s; manj pa je podatkov o vplivu take toplotne obdelave na lastnosti avtomatnih zlitin v obliki palic z večjimi premeri. V tem delu je opisan vpliv gašenja po iztiskanju na mikrostrukturo, mehanske lastnosti in obdelovalnost z odrezavanjem v primerjavi s standardno predelano in toplotno obdelano zlitino AlMgSiPbBi. 2 Eksperimentalno delo Polkontinuimo uliti drogovi iz zlitine AlMgSiPbBi (tabela 1) so bili po homogenizacijskem žarjenju razrezani v surovce, ki so bili predelani in toplotno obdelani po dveh postopkih (slika 1). Premeri surovcev so bili za postopek HT 9 218 mm in za postopek T 9 155 mm. Končni premeri polizdelkov v obliki palic so bili 10 mm in 25 mm. Oba postopka se razlikujeta predvsem po načinu raztopnega žarjenja in gašenja. Pri postopku HT 9 so bile iztiskane in vlečene palice raztopno žaljene v solni kopeli pri temperaturi 525°C in gašene v mlačni vodi. Pri drugem postopku, kjer se za raztopno žarjenje koristi preoblikovalna toplota, so bile palice gašene z vodno prho po izstopu iz matrice. Tabela t. Kemijska sestava preiskusne zlitine AlMgSiPbBi (v m.%) in delno rekristalizirana mikrostruktura v površinskih področjih palic so vzrok za nizko mikrotrdoto v primerjavi z ostalim presekom palic (slika 3). Si Fe Cu Mn Mg Cr Pb Bi 0.70 0.16 0.35 0.07 0.95 0.07 0.49 0.48 POSTOPEK 2 ( T9) i surovec J iztiskanje J . gašenje umetno staranje vlečenje I palice 010 mm, i> 25mm POSTOPEK 1 (HT 9) \ surovec I iztiskanje 1. vlečenje i raztopno žarjenje J gašenje umetno staranje 2. vlečenje \ palice 10 mm, 25 mm Slika t. Shemi postopkov za predelavo in toplotno obdelavo zlitine AlMgSiPbBi. Figure t. Schemes of working and heat treatment of AlMgSiPbBi alloy. Preiskusi obdelovalnosti so bili narejeni na univerzalni stružnici in so obsegali določitev obrabe orodij, kvalitete površin, velikosti rezalnih sil in oblike odrezkov. Preizkušanci so bili v obliki palic z dimenzijami 25 x 500 mm. Glavni parametri rezanja so bili rezalna hitrost (vr = 88 do 175 m/min.), podajanje (f = 0.10 do 0.20 mm/vrt.) in globina rezanja ap = 1 mm. Uporabljena orodja so bila iz hitroreznega jekla z geometrično obliko rezalnega noža 7 = 15°, o = 10°, A = 5° in k = 90°. Ob-delovalnost je bila določena po metodologiji JNFOS-a10. 3 Rezultati preiskav in diskusija Mikrostruktura palic, ki so toplotno obdelane po postopku HT 9, sestoji iz rekristaliziranih zm po celotnem preseku (slika 2). Ta zrna nastanejo po procesu statične rekristalizacije med raztopnim žarjenjem palic v solni kopeli pri temperaturi 525°C. Velika zma na obodu palic so posledica višje temperature in deformacije površinskega področja med iztiskanjem ter dodatnega preoblikovanja med prvim vlečenjem, ki je v mejah kritične stopnje deformacije. Na površini so zaradi trenja materiala z matrico drugačni preoblikovalni pogoji kot v notranjosti iztiskancev . Usmerjenost kristalnih zm nastane med drugim vlečenjem, ki sledi toplotni obdelavi. Palice, ki so gašene neposredno po iztiskanju, imajo vlaknata kristalna zma in delno rekristal-izirano površinsko področje (slika 2). Vlaknata zrna nastanejo med iztiskanjem, kjer poteka v materialu proces dinamične poprave. Nepopolna statična rekristalizacija poteče le v ozkem površinskem področju v kratkem času med izstopom iz matrice in gašenjem. Velika kristalna zma Sredina Slika 2. Mikrostruktura zlitine AlMgSiPbBi v področju površine in sredine palice. Zlitina je bila izdelana po postopkih HT 9 (levo) in T 9 (desno). Figure 2. Microstructure of AlMgSiPbBi alloy in the surface region, and in the centre of rod. The alloy vvas manufactured by the HT 9 process (left), and T 9 process (nght). 150 0 12 3 4 5 Razdalja od površine [mm! —»- Slika 3. Mikrotrdote prečnega preseka palic, ki so bile izdelane po postopkih HT 9 in T 9. Figure 3. Microhardness on the lateral cross section of rods being made by HT 9 and T 9 processes. Mikrotrdota po preseku palic je odvisna od načinov toplotne obdelave (slika 3). Palice, ki so gašene po iztiskanju, imajo nižjo mikrotrdoto v primerjavi z ločeno raztopno žarjenim in gašenim materialom. Med iztiskanjem s hitrostjo 10 m/min. je izstopna temperatura materiala 540 do 550°C. Ta temperatura je višja od potrebne temperature za raztopno žarjenje zlitin vrste AlMgSi. Čas Postopek! (HT 9) Postopek 2 (T9) Površina raztopnega žarjenja je domnevno prekratek za popolno raztapljanje elementov Mg in Si v aluminijevi osnovi, kar ima za posledico nižjo mikrotrdoto v primerjavi z ločeno toplotno obdelanim materialom. V nasprotju z mikrotrdoto sta natezna trdnost in meja plastičnosti enakega velikostnega reda za vse preiskušance (Rp0.2 = 390 N/mm2, Rm = 400 N/mm2, ,45 = 5 - 8%). Vzrok za podobne lastnosti je izenačitev vpliva učinkovitejšega raztopnega žarjenja pri ločeno toplotno obdelanih palicah in vlaknate mikrostrukture v palicah, ki so gašene po iztiskanju. Vlaknata mikrostruktura povzroči v iztiskanih in toplotno utrjenih materialih večje trdnostne lastnosti v vzdolžni smeri v primerjavi s toplotno utrjenimi materiali, ki imajo rekristalizirano mikrostrukturo. Ta pojav je poznan kot "presefekt"12-14. Presefekt, ki se doseže z gašenjem na stiskalnici, kompenzira manjši učinek raztopnega žarjenja in povzroči dodatno povečanje trdnostnih lastnosti v vzdolžni smeri izstiskancev. Doseženi natezna trdnost, meja plastičnosti in raztezek so skladni z zahtevanimi vrednostmi po standardih. Mikrostrukturne in mehanske lastnosti zlitine, ki nastanejo po različnih postopkih predelave in toplotne obdelave, ne povzročijo znatnih razlik v obrabi orodij, kvalitetah površin in rezalnih silah. Te veličine so pri enakih pogojih rezanja podobne za obe stanji oziroma celo manjše pri nekaterih preiskusnih pogojih za materiale, ki so gašeni po iztiskanju. Bolj kot snovne lastnosti vplivajo na te veličine parametri rezanja. Obraba orodij, hrapavost površin in rezalne sile se večajo 7. naraščajočim podajanjem in rezalno hitrostjo, pri čemer ima podajanje večji vpliv (sliki 4 in 5). Različna postopka toplotne obdelave pa vplivata na obliko odrezkov. Med struženjem materiala v stanju T 9 nastanejo v primerjavi s stanjem HT 9 pri večini kombinacij rezalnih parametrov daljši odrezki v obliki zvitkov in poševnih špiral (slika 6). Ti odrezki so uvrščeni po klasifikaciji v zadovoljive do neugodne skupine. U 12 10 I » H. o 6 C£ 4 2 0 008 1 1 v VC = 141 m/r mn HT Qp = 1mm S / / T9/5 : // z' ' TTT 9 / / / ^ / s ""T9 7 / 1 010 0.12 0.14 0,16 f (mm /vrt) 0.18 0,20 0.22 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 - □ vc = 88 m/ min > / - A vc - X vc = izs m/ = 175 m in in min —- 7*^ \ HT 9 ) Op= 1 mm T 9 ( 0.18 0.20 0.22 0.08 0.10 0.12 0,14 0.16 f (mm/ vrt) Slika 5. Glavne rezalne sile v odvisnosti od podajanja f in rezalne hitrosti v,_ za zlitino AlMgSiPbBi, ki je bila izdelana po postopkih HT 9 in T 9. Figure 5. Principal cutting forces depending on feed (f) and cutting (vc) speeds for AlMgSiPbBi alloys made by HT 9 and T 9 processes. material : HT9 . orodje.BRC material: T9 . orodje BRC -vejn St no 141 175 rimm/vfti 4 * t * t i * » C v * % * % '■» 0,10 Vrez 2.rez C I 0.14 t rez i : , > f * * * " * 2. rez f ^ * % d *> > > 0,20 1 v t rez >