THEIR REDUCTION
3. AZ ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK H Ő KEZELÉSI SAJÁTOSSÁGAI
Közismert, hogy az Al ötvözetek szilárdságát leghatékonyabban nemesítéssel növelhetjük. A nemesítő hőkezelések célja, a szilárdság növelése a diszlokációk mozgását az Al mátrixban hatásosan akadályozó második fázisú részecskék létrehozásával, amelyek az ötvözőknek az alapfémmel és egymással alkotott vegyületeiből állnak [6]. A szilárdság maximumát a diszlokációk által átvágható kiválások (GP-zónák) maximális mérete és diszperzitása mellett érjük el [7, 8]. A kiválások keletkezése és a legnagyobb szilárdságot biztosító hőkezelési technológia azonban rendkívül érzékeny az ötvözetek összetételbeli változásaira és a hő keze-lési folyamat paramétereire.
3.1. Az alumínium ötvözetek nemesítésének elvi alapjai
A nemesíthetőség elvi alapja, hogy a fő ötvözők oldhatósága hőmérsékletfüggő: nagyobb hőmérsékleten szilárd oldatba vihetők, alacsonyabb hőmérsékleten a szilárd oldat bomlásával pedig különféle kiválásokat hoznak létre. A nemesítési eljárás két fő szakasza a homogenizá-lás és az azt követő kiválásos megeresztés. A homogenizálás két fázisa az oldó izzítás, amely-nek feladata az ötvözők minél tökéletesebb oldatba vitele, és azt ezt követő edzési művelet, amelynek segítségével az oldó hőkezeléskor keletkezett, egyensúlyban lévő homogén szilárd oldatot – a kiválási folyamatok megakadályozásával – szobahőmérsékletig megőrizzük.
Ugyancsak fontos szerepe van a gyors hűtésnek a nagy hőmérsékleten keletkezett nagy vakancia koncentráció megőrzésében, mivel ezek klaszterei a kiválások csíraképződésének preferált helyei. A kiválásos megeresztés, azaz a kikeményítés során tehát a túltelített szilárd oldatból az ötvözők szabályozott, minél diszperzebb, minél stabilabb, de még a diszlokációk által átvágható, nem egyensúlyi részecskéinek kiválását kívánjuk elősegíteni [9].
3.2. A hőkezelés okozta maradó feszültségek a nemesített alumínium ötvöze-tekben
Az általunk vizsgált 7xxx sorozatú Al ötvözet előírt nagy szilárdságát biztosító nemesítő hő -kezelés szerves részét képezi az edzési művelet, amelynek során a hőmérsékleti gradiens – különösen nagyobb anyagvastagságok esetén – igen jelentős, ennek következtében olykor számottevő nagyságú és bonyolult maradó feszültségeloszlás jön létre az alapanyagban. A
maradó feszültségek közvetlenül az edzés után, a darab méretétől és geometriájától függően gyakran az anyag folyáshatárát meghaladó értékűek is lehetnek. Az üzemelés közbeni vete-medések további oka lehet, ha a hőmérsékletváltozás, rezgések, besugárzás, valamint külső terhelés hatására a szerkezeti elem eredeti maradó feszültségi állapota tovább módosul.
A nemesített Al ötvözetekben kialakuló maradó feszültségek lemez alakú előgyártmányok esetén a felület közelében nyomó, majd a darabok közepén húzó, a vastagság mentén
jellegze-tes M alakú eloszlást mutatnak. A 3. ábrán a 7022 öt-vözethez igen hasonló, ugyancsak nemesíthető, nagy-szilárdságú, hengerelt lemezből kivágott 7075 minő sé-gű, T74 hőkezelési állapotú Al ötvözet mintákon meg-határozott maradó feszültségek szakirodalmi eredmé-nyeit mutatjuk be a relatív lemezvastagság függvényé-ben. (A 0 érték a lemez egyik – a vastagság irányára merőleges – felületét, az 1 érték a lemez ellentétes fe-lületét jelenti.)
3. ábra Maradó feszültségek T74 hőkezelési állapotú hengerelt 7075 minőségű Al lemezben [10]
Az ábrán bemutatott mérési eredmények, amelyek a 20°C-os vízben edzett darabokban kialakuló maradó feszültségeket illusztrálják, igen jelentős, 220 MPa hengerlési irányú és kb. 40%-kal kisebb keresztirányú nyomófeszültséget jeleznek a felület alatti 10%-os mélységben. A T74 hőkezelés csak annyiban tér el a T65 típusútól, hogy ott egy kisebb szilárdságot eredményező túlöregített állapotot hoznak létre, hosszabb kikemé-nyítés idővel, amely az edzési maradó feszültségek nagyságát lényegében nem befolyásolja.
3.3. A hőkezelési maradó feszültségek csökkentésére javasolt megoldások A maradó feszültségek megelőzésének, illetve utólagos csökkentésének számos módszere ismeretes [11, 12]. Az edzés során kialakuló, nemkívánatos maradó feszültségek megelő zésé-re az alábbi lehetőségek használhatók:
- A hűtési sebesség csökkentése. A hőmérséklet gradiens csökkenésével kisebbek lesznek a maradó feszültségek, de kevésbé őrizhető meg az oldó izzítás hőmérsékletén kialakult homogén szerkezet és nagy vakancia koncentráció, így az elérhető szilárdság és korrózió-állóság is csökken. A hűtési sebesség csökkentésére gyakran alkalmaznak 20°C-os víz helyett forrásban lévő vizet.
- Permetező hűtés. Vízpermettel „pásztázva” a hűtendő darab felületét annak különböző pontjaiban a hűtési sebesség folyamatosan szabályozható, így kedvező mechanikai tulaj-donságok mellett csökkenthető a maradó feszültségek nagysága. A módszer hátránya, hogy az egyenletes edződést csak szigorúan szabályozott folyamattal, számítógéppel ve-zérelt berendezésekkel lehet csak megvalósítani, ami költségessé teszi az eljárást.
- A hűtőközeg keverése. Akadályozza a munkadarab körüli gőzpárna kialakulását, késlelteti a hűtőközeg forrásának kezdetét. Ily módon a munkadarab kisebb hőmérsékleténél kez-dődik meg az intenzív hőelvonás, kisebb lesz a darab képlékeny torzulása, amelynél a maximális edzési feszültségek kialakulnak. A kisebb hőmérsékleten az ötvözet nagyobb szilárdsága következtében a hőfeszültségek okozta torzulások kisebbek lesznek, továbbá a darab különböző részeiben egyenletesebb lesz a hőelvonás, és végső soron a maradó fe-szültségek eloszlása is.
- Szerves adalékok vizes oldatának használata. A Poli-Alkilén-Glikol (PAG) szerves ada-lékanyag alkalmazása jelenleg a leghatékonyabb eszköze a kedvező mechanikai tulajdon-ságok és minimális maradó feszültségek egyidejű biztosításának. Bár az elérhető
szilárd-Maradó feszültség, MPa
Távolság a lemez felületétől, z, mm
— Hengerlési irány - - - Normál irány
lokális feszültség- minimumok
sági jellemzők némileg csökkennek, a hűtőközeg erélyessége az adalék mennyiségén ke-resztül rugalmasan szabályozható, továbbá használatakor jelentősen csökkennek a mun-kadarabok maradó feszültségi állapotában tapasztalható eltérések, javul az edzés megbíz-hatósága, tervezhetősége.
- Az edzési művelet végrehajtása közvetlenül a befejező megmunkálások előtt. A nagyobb méretű munkadarabokban jelentősebb és kevésbé kontrollálható maradó feszültségek éb-rednek. A 3 mm-nél nagyobb mértékű anyagleválasztást ezért célszerű az edzés előtt el-végezni. A módszer alkalmazhatósága függ a darab méretétől, geometriájától, tagoltságá-tól.
A kialakult edzési maradó feszültségek csökkentésére, szintén számos eljárást dolgoztak ki.
Ezek közül a legelterjedtebbek az alábbiak.
- Képlékeny alakítás. A maradó feszültségek jelentősen csökkenthetők az edzést követő, szabályozott körülmények között végzett, 1-3 %-os hidegalakítással [13]. A nemesíthető Al ötvözeteknél alkalmazott T651-es kezelés például a T6-tal megegyező szilárdságot biztosító eljárás, azzal a különbséggel, hogy a homogenizálás és mesterséges öregítés kö-zé egy feszültségcsökkentő alakítást is beiktatnak. Ennek célja, hogy az alapanyaggyártás során alkalmazott alakítás-oldó izzítás-edzés különféle kombinációinak eredményeként kialakuló, ún. gyártási maradó feszültségeket csökkentsék, amely lemezek, hengerelt és extrudált termékek esetén egy 1-3%-os mértékű nyújtás (jele „-51”), kovácsolt darabok esetén 3-5%-os zömítés (jele „-52”).
- Ciklikus edzés (Uphill quenching), jele: T7453. A maradó feszültségek több, mint 80%-a megszüntethető az ún. „uphill quenching” vagy „peak quench” elnevezésű kezelésekkel (magyarul háromciklusú feszültségcsökkentésnek is szokták nevezni). A speciális hő ke-zelés során a hagyományos edzési műveletet annak reverziója követi ciklikusan. Ily mó-don a gyors hűtés során kialakult maradó feszültségekkel szemben egy rendkívül gyors hevítéssel – amelynek hőmérséklete kisebb kell, hogy legyen, mint ami a kiválások kelet-kezéséhez szükséges – azokkal ellentétes maradó feszültségeket hozunk létre, amelyek az előzőeket gyakorlatilag semlegesítik [14]. E ciklikus edzés során az oldó izzítás hő mér-sékletéről folyékony nitrogénbe (-196°C), vagy héliumba (-273°C) mártva hűtjük a mun-kadarabot, majd a hőmérséklet kiegyenlítődése után azonnal felhevítjük 100°C fölé, nagy sebességű gőzt áramoltatva a felületére. Ezt a hűtési-hevítési ciklust többször megismé-telve, az edzési maradó feszültségek jelentős hányada megszüntethető. A ciklikus csúcs-edzés hatékonysága nagymértékben függ az alkalmazott technológiai paraméterektől és azok körültekintő és precíz szabályozásától, amelyek optimális esetben teljes feszültség-mentesítést eredményezhetnek [14].
- Feszültségcsökkentés szubharmonikus mechanikai rezgésekkel. A feszültségcsökkentés szubharmonikus rezgések alkalmazásával egy különleges technológia, amelynek lényege, hogy a munkadarabra egy annak méretétől, tömegétől és anyagától függő, ún. harmoni-kus csúcsfrekvencia határozható meg; ez a természetes harmoniharmoni-kus csúcsfrekvencia „el-hangolódik”, amennyiben a munkadarabban maradó feszültségek vannak. A szubharmo-nikus rezgetés hatására a maradó feszültségek csökkennek, leépülnek, a rezonancia frek-vencia görbe a természetes harmonikus rezonanciának megfelelő értékre „hangolódik”:
tulajdonképpen ezzel lehet érzékelni a maradó feszültségek leépülésének bekövetkezését.
A maradó feszültségek csökkentésére tehát számos lehetőség áll rendelkezésre. A szakiro-dalomban található kísérleti eredmények és elméleti számításokon alapuló becslések arra utalnak, hogy az elérhető feszültségcsökkenés és a költségek arányával jellemezhető haté-konyság tekintetében a legkedvezőbb eredmények a hűtési sebesség csökkentésével (pl. szer-ves oldószerek használatával – ld. 5. ábra), valamint képlékeny alakítással (ld. 4. ábra), érhe-tők el.
Ciklikus edzés forró gőzáramban Ciklikus edzés 100 °C-os vízben Edzés 20 °C-os vízben
◆
▲
■
Ciklikus edzés forró gőzáramban Ciklikus edzés 100 °C-os vízben Edzés 20 °C-os vízben
◆
▲
■
Ciklikus edzés forró gőzáramban Ciklikus edzés 100 °C-os vízben Edzés 20 °C-os vízben
◆
▲
■
◆
▲
■
7050 T7451 7050 T7452 7050 T74
◆
■
● 7050 T7451
7050 T7452 7050 T74
◆
■
● 7050 T7451
7050 T7452 7050 T74
◆
■
●
4. ábra 7075 minőségű Al ötvözet különböző hőkezelési és feszültségmentesítési állapotaiban mért maradó feszültségek [15]
a) b) c)
5. ábra a) A von Mises szerinti maximális egyenértékű maradó feszültségek különböző átmé-rőjű, hengeres 7075-ös ötvözetben edzés után, különböző hűtőközegek esetén;
b) A vízedzésű darabban kialakult maradó deformációk [16],
c) A maximális egyenértékű maradó feszültségek térbeli eloszlása a háromféle hűtőközeg esetén 4. AZ ÜZEMELÉSBŐL SZÁRMAZÓ MARADÓ FESZÜLTSÉGEK
4.1. Az üzemelés során keletkező maradó feszültségek
A vizsgált Al alaptestben kialakuló maradó feszültségek potenciális másik forrását az üzeme-lés közben létrejövő maradó feszültségek képviselik. Bár terjedelmi okok miatt ezek részletes elemzésével csak egy következő cikkünkben foglalkozunk, jelentőségükre való tekintettel, az ezzel kapcsolatos elemzéseinkről és kísérleti tapasztalatainkról nagyon röviden itt is beszámo-lunk.
Az EN AW 7022-es ötvözet kikeményítési folyamata – mesterséges öregítése – során be-következő kiválási folyamatok kinetikáját tanulmányozva kimutatható, hogy az üzemelés hő -mérsékletén a kiválási folyamatok folytatódásával a szilárdság lecsökkenhet. A négyalkotós Al ötvözetek nemesítési folyamatának elemzésekor rámutattunk, hogy az alapanyag maximá-lis szilárdságát biztosító T651-es kikeményítési állapotban kialakuló anyagszerkezet termodi-namikailag instabil és a mesterséges kikeményítési hőmérséklethez közel álló üzemi hő mér-sékleten olyan fémtani folyamatok (kiválások, visszaoldódások, az ötvözet túlöregedése) kö-vetkezhetnek be, amelyek az ötvözet szövetszerkezetét és ezen keresztül mechanikai
tulajdon-víz 10% PAG 30% PAG víz
10% PAG 30% PAG
Átmérő,
Maradó feszültség, MPa
0,0 25,4 50,8 76,2
Átmérő, mm
ságait kedvezőtlenül befolyásolhatják. Az üzemelésből kivont Al alapanyagokon végzett vizsgálataink a szilárdságcsökkenést igazolták [17].
Ennek következményeként az acél/alumínium hibrid konstrukcióban az eltérő hőtágulási viselkedés miatt létrejövő képlékeny alakváltozás és ennek gátolt jellege miatt további mara-dó feszültségek alakulhatnak ki. Ezek nagysága összehasonlítva az edzéskor létrejövő mak-roszkopikus, az egész térfogatra kiterjedő méretekben kiegyenlítődő feszültségekhez képest jóval kisebb, azonban a már meglévő, a 3. ábra szerint a folyáshatár nagyságrendjébe eső fe-szültségekre szuperponálódva, az üzemi terheléssekkel együtt olyan nagyságúvá válhatnak, hogy az üzemelést követő szétszerelés után az Al alaptestben jelentős torzulásokat okoznak.
Ennek eredményeként a szétszerelés után már nem illeszkednek az acélból készült szerszám-elemhez, illetve annak azonos méretű cseredarabjaihoz, ami az Al alaptestek pótlásából (újra-gyártásából) származó rendkívül jelentős technológiai többletköltséggel terheli meg a termék-gyártási folyamatot.
Itt kell megjegyezni, hogy vizsgált szerszámkonstrukció VEM modellezés alapján számí-tott üzemi igénybevételei arra utalnak, hogy a jelenleg használatos alapanyagok gyártói adat-lapon garantált értéke elegendően nagy az üzemközben fellépő terhelések elviselésére [18].
Ebből következően a tapasztalt nemkívánatos maradó deformációkat jellemzően az edzési maradó feszültségek okozhatják.
4.2. Az üzemeléskor keletkező maradó feszültségek csökkentési lehetőségei
4.2.1. Az alkalmazott anyagok módosításának lehetőségei
Az alapanyagban szállítási állapotban meglévő maradó feszültségek csökkentésére többféle lehetőség is kínálkozik [17]:
„Feszültségmentes”, azaz rendkívül kis maradó feszültséget tartalmazó alapanyag rendelése.
Egy megoldási lehetőség a jelenlegi T651 állapot helyett a torzulásmentességet jobban garan-táló T7451 vagy T7453 hőkezelési állapotú alapanyagok rendelése. A 110-120°C-os üzemi hőmérsékletre olyan anyagminőség (konkrét ötvözet) választása javasolható inkább, amely-nek szerkezete közelebb áll az egyensúlyihoz, a célszerűen létrehozott szilárdságnövelő fázi-sok változás nélkül megmaradnak a szerkezetben. Az ötvözet kiválasztásakor a VEM számí-tásokkal a különféle terhelési esetekre meghatározott legkedvezőtlenebb igénybevételt egy megfelelő biztonsági tényezővel figyelembe véve akár a jelenleginél kisebb szilárdságú anya-gok választása is megengedhető.
Utólagos feszültségcsökkentő hőkezelés egy olyan elvi lehetőség, amelynek alkalmazása ál-talában azért nem jöhet szóba, mert ez a hőkezelés tulajdonképpen a hőntartási idő növelésé-vel túlöregedést, ezáltal a folyási határ csökkenését idézné elő. Ugyanakkor, mivel a vonólé-cek számítógépes modellezési eredményeiből [18] az a következtetés is levonható, hogy nor-mál üzemi körülmények között a hibrid szerszám egyetlen elemében sem keletkezik olyan mértékű feszültség, amely önmagában azok nemkívánatos deformációját okozná, ennek a lehetőségnek az alkalmazási lehetősége és további elemzése is létjogosultsággal bír.
4.2.2. Konstrukciós módosítási lehetőségek
Az acél-alumínium hibrid szerkezetű szerszám alkalmazása számos problémát vet fel a szer-számelemek gyártása és üzemeltetése során. Ilyenek például az Al alaptest rendkívül magas alapanyag és gyártási költsége, a nemesített állapotú Al ötvözetben mindig jelen lévő maradó feszültségek okozta vetemedésből származó gyártási és üzemeltetési problémák, az Al és acél hőtágulási tényezőjének nagymértékű eltérése okozta gátolt hőtágulás és deformációk az üzemeléskor. A szerszám tömegének korlátai miatt az eredeti geometriai kialakítástól eltérő, a gyártást és a szerelhetőséget is figyelembe vevő új konstrukciós javaslatokat dolgoztunk ki.
Összehasonlító költségszámításokkal kimutattuk, hogy az alumínium alaptestek helyett acél alaptest használatának bevezetése éves szinten minimálisan 20 millió forintos költségmegta-karítást tenne lehetővé.