Uprawniony z patentu: International Business Machines Corporation, Armonk (Stany Zjednoczone Ameryki) Sposób obróbki stopów eutektycznych Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki sto¬ pów eutektycznych, zwlaszcza stopów zawieraja¬ cych wagowo 78e/o cynku i 22°/o aluminium, obej¬ mujacy wstepna obróbke cieplna i mechaniczna materialu a nastepnie ksztaltowanie w podwyzszo¬ nej temperaturze.W przemysle tworzyw sztucznych i przemysle szklarskim znane sa sposoby odksztalcania przez rozciaganie róznego typu polimerów, krzemianów i innych, podobnych materialów niemetalicznych.W podstawowym procesie, do materialu umieszczo¬ nego w sasiedztwie matrycy o zadanym ksztalcie przyklada sie sile odksztalcajaca, która wywoluje rozciaganie materialu i powoduje odksztalcenie ma¬ terialu wewnatrz lub wokól matrycy tak, ze przyj¬ muje on wymagane kontury a nawet zlozone krzy¬ wizny.W toku badan stwierdzono, ze niektóre metale wykazuja wyjatkowo mala odpornosc na odksztal¬ cenie i wyjatkowo duza plastycznosc. Zjawisko to okreslane jest jako nadplastycznosc metali. Okazalo sie ze wlasciwosci nadplastyczne posiadaja stopy metali o skladzie wagowym: 20°/o aluminium i 80°/o cynku, 67°/« aluminium i 33°/o miedzi, 88,3Vo alu¬ minium i ll,7Vt krzemu, 62f/t miedzi i 38tyo cynku, 59#/« miedzi i 41f/§ cynku, 52§/t miedzi i 48f/§ cynku, przy czym wlasciwosci nadplastyczne zmniejszaja sie stopniowo wraz z odchodzeniem od idealnego skladu stopu i idealnej temperatury. Stwierdzono istnienie wydluzen siegajacych 600a/o, wskazujacych 10 15 20 80 na wysoki stopien plastycznosci, co stworzylo moz¬ liwosc zastosowania do metali nadplastycznych tech¬ nik formowania zapozyczonych ze sposobów obrób¬ ki polimerów lub szkla.Znany jest sposób cisnieniowego ksztaltowania metali wykazujacych znaczna czulosc na wielkosc odksztalcenia. Czulosc na wielkosc odksztalcenia m jest zmiennym wykladnikiem potegowym we wzo¬ rze a=k • | • m, w którym a oznacza odksztalcajace cisnienie jednostkowe, !• — wielkosc odksztalcenia w przeliczeniu na jednostkowa zmiane dlugosci i na jednostke czasu, k wspólczynnik proporcjonalnosci okreslany jako wspólczynnik szybkosci rozciagania zalezny od doboru innych wielkosci wystepujacych we wzorze. W tym znanym sposobie material wyj¬ sciowy o skladzie 78°/o cynku i 22°/« aluminium wygrzewany byl w temperaturze ok. 315°C w ciagu 1 godziny, nastepnie hartowany zanurzeniowo, po czym po nastepnym ogrzaniu do temperatury 260— 271°C ksztaltowany cisnieniowo. Uzyskane tym spo¬ sobem ogólne zwiekszenie powierzchni moze wy¬ nosic nie wiecej niz 260§/t, przy ksztaltowaniu bla¬ chy o grubosci 2,5 mm, przy zastosowaniu cisnien róznicowych mniejszych od 1,1 kg/cm2. Krancowa wielkosc wydluzenia zalezy od czulosci na wielkosc odksztalcenia, natomiast wspólczynnik szybkosci rozciagania ma zasadnicze znaczenie dla okreslenia poziomu wytrzymalosci materialu, a tym samym dla okreslenia wydatku sily i czasu wymaganego dla uksztaltowania elementu. W opisanym procesie 7© 0957*065 8 4 ksztaltowanie odbywa sie w stosunkowo wysokiej temperaturze a ponadto wymaga stosowania du¬ zych sil w stosunkowo dlugim czasie.Celem wynalazku jest opracowanie takiego spo¬ sobu obróbki stopu eutektycznego, w którym metal ksztaltowany jest przy uzyciu mniejszych sil i w krótszym czasie i który umozliwi obnizenie wspól¬ czynnika szybkosci odksztalcania w okreslonej tem¬ peraturze ksztaltowania.Cel ten zostal osiagniety w procesie obróbki sto- pów eutektycznych, zwlaszcza stopu zawierajacego 78V# wagowych cynku i 22tyo wagowych aluminium przez to, ze material wygrzewa sie w osrodku plyn¬ nym w temperaturze zawartej pomiedzy tempera- 4usa~niezmiennoscip|utektycznej i temperatura fazy stalej, w czasie niezbednym do uzyskania jednoli¬ tej struktury, po $zym ochladza sie gwaltownie \ obrabia wstepnie ?A temperaturze ponizej linii roz¬ puszczalnosci,* najkorzystniej ponizej temperatury SO^C; tr-nastepnle"ogrzewa do temperatury bliskiej i nizszej od temperatury niezmiennosci eutektycz- nej i ksztaltuje sie material w tej temperaturze.Zastosowanie sposobu wedlug wynalazku daje w efekcie znaczne obnizenie temperatury uplastycz¬ nienia nadplastycznych stopów eutektycznych. Ma¬ terial poddany obróbce zgodnej z opisanym proce¬ sem pozwala sie ksztaltowac przy zastosowaniu mniejszych sil i w krótszym czasie w porównaniu z tym samym metalem nie poddanym opisanym zabiegom. Zmniejszenie sil odksztalcajacych nie tyl¬ ko wplywa na wielkosc i wydajnosc oprzyrzado¬ wania i innych niezbednych urzadzen, ale równiez dzieki zmniejszeniu odksztalcen narzedzi pozwala na uzyskanie ksztaltowania bardziej dokladnego.Przedmiot wynalazku jest blizej objasniony na podstawie rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schematycznie podstawowe fazy procesu, fig 2 — wykres zaleznosci miedzy rzeczywistym napreze¬ niem i rzeczywista szybkoscia odksztalcenia dla róznie wstepnie przygotowanych materialów, fig. 3 r-r. wykres zaleznosci miedzy glebokoscia formowa¬ nia i czasem, dla róznie wstepnie przygotowanych materialów przy typowej operacji ksztaltowania wywolujacej naprezenia dwuosiowe, fig. 4 — wy¬ kres zaleznosci miedzy glebokoscia formowania i czasem, podobnie jak na fig. 3, dla materialu wstepnie przygotowanego w róznych temperaturach dla zilustrowania optymalnej temperatury roboczej i efektów jej odchylen, fig. 5 — wykres wzgled¬ nych zaleznosci miedzy czasem formowania i tem¬ peratura wedlug danych wykresu przedstawionego na fig. 4, fig. 6 — wykres zaleznosci miedzy chwi¬ lowym obciazeniem dla standardowej wielkosci od¬ ksztalcenia stopów o róznej zawartosci aluminium, fig. 7—3 — wykres zaleznosci miedzy glebokoscia formowania i czasem dla innych stopów róznych od zasadniczo czystych eutektyków.Proces sklada sie z podstawowych faz pokazanych schematycznie na fig. 1. W fazie pierwszej — jed¬ norodny element 10 stopu eutektycznego zawiera¬ jacego 78% cynku i 22°/« aluminium jest utrzymy¬ wany w otoczeniu powietrza lub roztworu w piecu przy temperaturze powyzej temperatury niezmien¬ nosci eutektycznej bliskiej 276°C przez okres nie¬ zbedny dla uzyskania wyrównanej wysokiej tempe¬ ratury w calym materiale. Zwiazek jiomiedzy tem¬ peratura i skladem stopu znany jest z Wykresu „aluminium — cynk". W fazie drugiel, element 10 ochlodzony zostaje do temperatury znacznie poni- * zej niezmiennosci eutektycznej, przy ozym szybkosc chlodzenia musi byc wystarczajaca dla spowodowa¬ nia nadplastycznosci materialu w temperaturze for¬ mowania. Chlodzenie moze byc dokonywane przez gwaltowne zanurzenie w wodzie. W fazie trzeciej, element zostaje poddany walcowaniu w walcach 13 w temperaturach stosunkowo niskich to znaczy po¬ nizej 205°C a korzystnie w temperaturze okolo 149°C. Nalezy zdawac sobie sprawe z reakcji egzo¬ termicznej wystepujacej po chlodzeniu, niemniej próby wykazaly, ze zasadnicze uplastycznienie ma¬ terialu w temperaturze ksztaltowania jest zacho¬ wane bez wzgledu na czas obróbki przed albo po tej reakcji.Stosujac opisany wyzej proces, uzyskuje sie ma¬ terial 10 posiadajacy niespodziewanie wysokie wlas¬ nosci uplastycznienia w temperaturach ksztaltowa¬ nia nie wystepujace w materialach nie poddanych takiej obróbce. Material tak przygotowany charak¬ teryzuje sie znacznie obnizonym wspólczynnikiem k szybkosci odksztalcania w temperaturach ksztalto¬ wania. Obnizony poziom wytrzymalosci w materiale, pozwala na polepszenie procesu ostatecznego formo¬ wania badz przez obnizenie wymaganej sily ksztal¬ tujacej, badz tez przez skrócenie czasu ksztaltowa¬ nia albo przez kombinacje obu tych czynników podstawowych.Korzystny efekt opisywanego procesu dokonywa¬ nego na stopach eutektycznych cynkowo-aluminio¬ wych jest pokazany na wykresach fig. 2 i 3. Wy¬ kres na fig. 2 — przedstawia dane uzyskane przy jednoosiowym naprezeniu rozciagajacym w tempe¬ raturze 271°C próbek o róznych niskich temperatu¬ rach roboczych w szerokim zakresie wielkosci od¬ ksztalcenia £. Dokladniej, krzywa 20 pokazuje wy¬ nikowe naprezenie rozciagajace próbki nie posiada¬ jace niskiej temperatury roboczej po fazie chlo¬ dzenia 12. Krzywa 21, 22, 23 przedstawiaja dane wynikowe obciazenie próbek posiadajacych odpo¬ wiednio 25, 50 i 75°/o redukcje temperatury robo¬ czej zgodnie z opisywanym procesem. Znaczenie danych przedstawionych na fig. 2 jest widoczne na podstawie analizy linii stalego naprezenia 24. Dla danego naprezenia o, szybkosc odksztalcenia C wzra¬ sta a czas ksztaltowania maleje blisko pieciokrot¬ nie, porównujac dobrze przygotowany metal (krzy¬ wa 23) z nie przygotowanym materialem (krzywa 20). Podobnie linia stalej szybkosci odksztalcania 25 wykazuje rozpietosc zmian naprezenia wymagana dla danej szybkosci odksztalcania w róznie przy¬ gotowanych materialach. Znacznie wyzszy poziom naprezen wystepuje przy zalozonej szybkosci od¬ ksztalcania w materialach nie przygotowanych (krzywa 20) niz poziom naprezen wymagany dla ksztaltowania przygotowanych materialów.Regularnosc tego zjawiska widoczna jest na pod¬ stawie równoleglosci krzywych 20—23. Równoleg¬ losc ta swiadczy równiez o braku ujemnego skutku znanego procesu na czulosc na wielkosc odksztalce¬ nia m reprezentowanego przez pochylenie krzy¬ wych. 15 20 25 80 85 40 45 50 55 607» 5 Fig. 3 stanowi ilustracje graficzna wyników ksztaltowania wedlug nize] opisanego sposobu. Z tego samego fragmentu wspólnego stopu walcowa¬ nego pobrano cztery próbki w postaci arkuszy.Stop zawieral 78°/t cynku, 229/a aluminium wago* wo i odznaczal sie 99.0° czystosci. Material kazdego arkusza byl walcowany w temperaturze 326°C do grubosci ostatecznej 1,27 mm umozliwiajacej stoso¬ wanie róznych temperatur roboczych. Wszystkie ar¬ kusze byly poddane ogrzaniu w plynnym osrodku w temperaturze 31&0C przez okolo 1 godz. i pózniej gwaltownie chlodzone w wodzie dla uzyskania sta¬ nu jednorodnego. Jeden z arkuszy pozostawiony zostal bez dalszej obróbki jako próbka kontrolna.Kazdy z pozostalych arkuszy byl walcowany w temperaturze pokojowej w celu zredukowania gru¬ bosci o 25, 50 i 75% dla uzyskania w koncowym rezultacie próbek o jednakowej grubosci 1,27 mm.Kazdy z arkuszy umieszczony zostal w znanej pod¬ grzewanej prasie i doprowadzony do jednakowej temperatury 271°C w czasie 16 minut. Próbka ob¬ ciazona byla pneumatycznie naciskiem 1,029 kG/cm*.Dane dotyczace czasu i wyboczenia w punkcie srod¬ kowym arkusza rejestrowane dla kazdej próby po¬ kazane zostaly graficznie na fig. 3.Wyniki badania na próbce kontrolnej podaje krzywa 30 na fig. 3. Wyniki badania próbek o re¬ dukcji grubosci 25, 50 i 75% pokazuja kolejne krzywe 31, 32 i 33.Nalezy zwrócic uwage, ze próbka kontrolna (krzywa 30) wymagala czasu odksztalcania 3,4 min. dla osiagniecia przez punkt srodkowy dna matrycy.Próbka o zredukowanej grubosci 50f/o (krzywa 32) wymagala tylko 1,1 min. dla tej samej operacji.Próbka o zredukowanej grubosci 75% (krzywa 33) wymagala tylko 1,1 min dla tej samej operacji.Zaleznosc wystepujaca miedzy fig. 2 i 3 jest zu¬ pelnie widoczna.Jest równiez widoczne, ze wplyw wstepnej ob¬ róbki na obnizenie naprezen w temperaturach ro¬ boczych ulega zmniejszeniu przy dalszej obróbce.Wplyw zmian temperatury roboczej na wynik uplastyczniajacy opisywanego procesu uwidacznia¬ ja fig. 4 i 5 na zalaczonym rysunku.Dane naniesione na fig. 4 uzyskane zostaly w wyniku badan szesciu próbek arkuszowych pozys¬ kanych z tego samego bloku eutektyku cynkowo- -aluminiowego walcowanego w temperaturze ponad 3l5°C do grubosci 2,54 mm.Próbki poddane zostaly procesowi podgrzania w osrodku plynnym o temperaturze 315°C przez 1 godz. nastepnie gwaltownie ochlodzone w wo¬ dzie. Kazda z próbek byla indywidualnie podgrza¬ na do wybranej temperatury 38°C, 93°C, 149°C, 205°C, 260°C, 315°C i walcowana do grubosci 1,27 mm, redukujac grubosc o 50°/o. Kazda z pró¬ bek po walcowaniu byla chlodzona. Walcowanie bylo wielokrotne i dla celów utrzymywania stalej temperatury próbki umieszczane byly miedzy czyn¬ nosciami walcowania w piecu podgrzewajacym.Próbka walcowana przy temperaturze 315°C zo¬ stala uznana za kontrolna poniewaz temperatura ta jest powyzej temperatury niezmiennosci eutektycz- nej. Próbka kontrolna podlegala podobnemu pro¬ cesowi wakowania jak próbki robocze, ale jak 0»5 6 zakladano, walcowanie charakteryzowalo sie iden¬ tycznoscia z procesem walcowania przed pierw¬ szym studzeniem.Próbki podlegaly badaniom wedlug sposobu po- g danego poprzednio przy okazji omawiania fig. 3.Wynik badania zilustrowany zostal podobnym ze¬ spolem krzywych z których kazda odpowiada zalo¬ zonej temperaturze walcowania.Znaczenie uzyskanych danych jest bardziej wy- it radnie przedstawione na fig. 5, na której koncowe punkty czasów odksztalcania z fig. 4 uzaleznione zostaly od temperatury roboczej walcowania. Przez porównanie z danymi uzyskanymi na próbce kon¬ trolnej mozna zaobserwowac korzystny efekt uzys- 1B kiwany przy szerokim zakresie temperatur wako¬ wania.Dla kompozycji metalu stanowiacej przedmiot doswiadczenia maksimum tego efektu uzyskane zo¬ stalo przy temperaturach zblizonych do 149°C. Poza so podstawowymi korzystnymi efektami obróbki w temperaturach wyzszych od pokojowej, waznym jest, ze obróbka w ogóle moze byc dokonywana w temperaturach wyzszych od pokojowej bez usz¬ czerbku dla procesu. Dla przykladu uboczne wa- J6 runki moga spowodowac, ze walcowanie w tem¬ peraturze pokojowej moze byc trudne o ile nie nie¬ mozliwe.Kompozycja stopu moze byc zmienna, badz dzieki przypadkowym zanieczyszczeniom, obecnosci wiek- so szej ilosci dodatków stopowych, badz tez moze za¬ wierac pozaeutektyczne kompozycje stopowe. Po¬ mimo to zakladany efekt uplastycznienia metalu jest wedlug opisywanej metody uzyskiwany i w tym przypadku.»» Przeprowadzono ponadto porównawcze doswiad¬ czenia na próbkach o róznej kompozycji. Kazda z prób dokonywana byla na próbkach bez wstepnej obróbki walcowaniem i po obróbce z 50§/t redukcja grubosci. 40 Fig. 6 ilustruje skutki procesu wedlug opisywa¬ nej metody na próbkach stopów cynkowo-alumi- niowych o skladzie bliskim kompozycji eutektycz- nej (78°/o—22*/o). Krzywa 60 wykazuje zaleznosci miedzy zawartoscia aluminium w skladzie metalu 45 a sila chwilowa rozciagajaca próbke przy zalozonej znormalizowanej szybkosci wydluzenia, dla próbek nie poddanych wstepnej obróbce w niskiej tempe¬ raturze wedlug wynalazku. Krzywa 61 pokazuje te sama zaleznosc sily ksztaltujacej dla próbek tej 50 samej kompozycji ale poddanych poprzednio 50^/t redukcji grubosci po studzeniu. Korzysci wynikaja¬ ce z opisywanej metody, dla próbek o szerokim zakresie zmian kompozycji sa i tutaj7 oczywiste.Fig. 7 i 8 uwidaczniaja dalsze korzysci wyni¬ kajace z zastosowania sposobu wedlug wynalazku do stopów zawierajacych male ale wazne domiesz¬ ki magnezu i manganu. Fig. 7 ilustruje wyniki do¬ swiadczenia na próbkach poddanych 50*/* obróbce (krzywa 70) i bez obróbki (krzywa 71) ze stopów zawierajacych 0,02°/o Mg wagowo wedlug sposobu badania jak opisano dla fig. 3.Fig. 8 ilustruje wyniki badan jak wyzej ale na próbkach ze stopów zawierajacych 0,050*/t Mn ts przy czym krzywa 80 odpowiada próbkom podda-7 79095 8 nym wstepnej obróbce, a krzywa 81 odpowiada próbkom bez wstepnej obróbki.Rezultaty badan posiadaja istotne znaczenie w ilustracji skutków opisywanego procesu, przede wszystkim z tego wzgledu, ze wybrane kompozycje sa powszechnie znane jako zdecydowanie wplywa¬ jace na kinetyke fazowego rozkladu stopów cyn- kowo-aluminiowych.Sposób obróbki wedlug wynalazku, w sposób za¬ sadniczy podnosi ekonomiczne wlasnosci eutektyku cynkowo-aluminiowego jako nadplastycznego meta¬ lu konstrukcyjnego.Dane zaprezentowane w niniejszym opisie wyka¬ zuja szeroki zasieg wynalazku przez ujawnienie w generalnym sensie obu czynników w ich optymal¬ nej wartosci dla procesu ksztaltowania, to znaczy optymalnej temperatury walcowania wstepnego i braku czulosci, przebiegu operacji w odniesieniu do wszystkich podstawowych czynników. Z drugiej strony, z danych przedstawionych w opisie mozna wyciagac wnioski dotyczace spodziewanych skut¬ ków zmian jakiegokolwiek z czynników. Odejscie od optymalnej temperatury okolo 149°C spowodu¬ je, ze korzystny rezultat obróbki wstepnej w czys¬ tym cynkowo-aluminiowym eutektyku bedzie ob¬ nizony.Istotnym jest równiez, ze urzadzenia stosowane w opisanym procesie nie maja istotnego wplywu na przedmiot wynalazku i ze poszczególne fazy pro¬ cesu moga byc dokonywane przy uzyciu róznych urzadzen. Dla przykladu, podgrzewanie, które kon¬ wencjonalnie dokonywane jest w zamknietym pie¬ cu, mozna z równym skutkiem przeprowadzac w podgrzewanej prasie o konstrukcji umozliwiajacej uzyskanie zalozonej obróbki. Chlodzenie moze od¬ bywac sie przez spryskiwanie i sama obróbka wstepna moze oznaczac wytlaczanie, prasowanie, podobnie jak walcowanie. PL PL PL PL