Strain rate, s
5. ALUMÜNIMATRÜSIKOMPOSIITTIEN YLEISIMMÄT MUOVAUSMENE
TELMÄT
Katkokuiduilla, viskereillä tai partikkeleilla lujitettujen alumiinimatriisikomposiittien muovauksessa suositaan menetelmiä, jotka suoritetaan pääasiassa puristus- jännityksen alaisena, kuten esimerkiksi pursotusta, takomista ja valssausta /82/.
Valtaosa alumiinikomposiittien muovauksista suoritetaan kuumamuovauksena, sillä muovaus on helpompaa korkeissa lämpötiloissa kuin huoneenlämpötilassa /50, 83/.
Materiaali on tällöin muovautuvampaa, voimantarve muovaamisessa on näissä lämpötiloissa pienempi ja koska aine ei myöskään lujitu, voi kuumamuovauksen muokkausaste olla mahdollisimman suuri.
5.1 Kuumapursotus
Kuumapursotus on menetelmä, jossa umpinaisessa sylinterinmuotoisessa padassa oleva sopivan kuuma aihio pakotetaan suuren paineen alaisena virtaamaan ulos padan toisesta päästä olevasta aukollisesta työkalusta eli ns. matriisista. Tällöin syntyy muototankoja eli profiileja, joiden poikJrileikkausmuoto määräytyy matriisin aukon mukaan (kuva 27).
Kuva 27. Profiilin pursotus;
1) profiili, 2) suurin 1. matriisi, 3) pursotusaihio /84/.
Kuumapursotus on saatavilla olevan kirjallisuuden perusteella alumiinimatriisi- komposiittien yleisin muovausmenetelmä. Sen suosio perustuu mm. seuraaviin nimenomaan kuumapursotukselle tyypillisiin ominaisuuksiin /73, 84, 85/.
- Pursotuksessa plastinen muodonmuutos tapahtuu moniaksiaalisen puristus- jännityksen vaikutuksesta, jolloin muovattavalle materiaalille saadaan suuri muodonmuutoskyky. Näin ollen pursottamalla voidaan muovata hauraita materiaaleja ja materiaaleja, jotka muuten ovat vaikeasti muovattavissa.
- Pudotuksella voidaan yhdellä työvaiheella aikaansaada poikkipinnaltaan hyvinkin monimutkainen tuote, joka on lähes lopullisessa muodossaan. Tästä koituva taloudellinen hyöty saadaan pääasiallisesti materiaali- ja työajan säästöinä.
- Jauhemetallurgisten aihioden kuumapursotuksessa yhdistyvät sekä kuuma- kompaktointi että kuumamuovaus lopputuloksen ollessa tiivis muokattu rakenne.
Pursotukseen liittyvän voimakkaan deformaation ansiosta jauhepartikkelien päällä oleva oksidikerros rikkoutuu ja hajaantuu tehokkaasti, mikä edesauttaa partikkelien hitsautumista toisiinsa. Muokkausvyöhykkeessä vaikuttava suuri hydrostaattinen puristusjännityskomponentti puolestaan varmistaa rakenteen täydellisen tiivistymisen.
- Pursotuksessa katkokuitu- ja viskerilujitteet suuntautuvat tehokkaasti pursotuksen suuntaisesti, jolloin niiden lujitusvaikutus profiilin suunnassa saadaan mahdollisimman hyväksi. Haittapuolena on tällöin kuitenkin ominaisuuksien voimakas anisotrooppisuus, sillä kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa ovat lujuusominaisuudet usein vain murto-osa pääsuunnan lujuudesta. Järjestämällä kuidut pääjännityksen suuntaan voidaan ominaisuuksien suuntaisuutta kuitenkin käyttää hyväksi komponenttien suunnittelussa.
5.1.1 Pursotusmenetelmät
Pursotusmenetelmät jaetaan niiden toimintaperiaatteen mukaan kolmeen perusmenetelmään: suoraan eli myötävirtapursotukseen, epäsuoraan eli vastavirta- pursotukseen sekä hydrostaattiseen pursotukseen.
Suora eli mvötävirtapursotus
Suorassa pursotuksessa, joka on ylivoimaisesti yleisin pursotustapa, painin liikkuu materiaalin virtaussuuntaan. Matriisi ja pursotuspata eivät liiku toisiinsa nähden (kuva 28) /48, 86/.
Kuva 28. Kaaviollinen kuva suorasta pursotuksesta; 1) pursotusaihio, 2) purso
tuspata, 3) matriisi, 4) painin, 5) puristuskiekko, 6) matriisinpidin /48/.
Suorassa pursotuksessa huomattava osa muovaukseen tarvittavasta voimasta kuluu kitkan voittamiseen aihion ja padan välisessä pinnassa. Sen takia voimantarve pienenee pursotuksen loppua kohti (kuva 29). Materiaalin virtauksesta johtuen ominaisuudet ja kiderakenne vaihtelevat tuotteen eri osissa jonkin verran /48, 84/.
Ram displacement — —
—H—\
(b) Ram displacement - —
(o) Dependence of extrusion lodd on ram displacement:
о-b, direct extrusion; a'-Ь', indirect extrusion, (b) Divi
sion of the work of deformation: A, work of upsetting;
B, work needed to initiate deformation; C, work of de
formation; D, work needed to overcome friction and shearing in direct extrusion.
Figure 13-4. Typical load versus ram displacement curves for nonlubricated extrusion processes.113"11
Kuva 29. Voimantarve pursotuksessa; a) pursotusvoiman riippuvuus painimen asemasta; а-b suora purso tus, a’-b’ epäsuora pursotus, b) eri tekijöiden osuudet pursotuksessa kuluvasta työstä; A = aihion tyssäykseen kuluva työ, В = materiaalin liikkeellelähtemiseen tarvittava työ, C = homo
geeniseen muodonmuutokseen kuluva työ, D = kitkan voittamiseen ja materiaalin leikkautumiseen kuluva työ suorassa pursotuksessa /48/.
Epäsuora eli vastavirtapursotus
Epäsuorassa, taaksepäin tapahtuvassa pursotuksessa, painimen liikesuunta on vastakkainen materiaalin virtaussuuntaan nähden. Matriisi, joka on yhdistetty puristuskiekkoon, liikkuu pursotuspataan nähden ja materiaali virtaa onton painimen läpi (kuva 30) /48,86/.
Kuva 30. Kaaviollinen kuva epäsuorasasta pursotuksesta; 1) pursotusaihio, 2) pursotuspata, 3) matriisi puristuskiekkoon yhdistettynä, 4) painin /48/.
Koska aihio epäsuorassa punotuksessa pysyy paikoillaan, on voiman tarve kitkan voittamiseksi punotettavan materiaalin ja padan välissä erittäin pieni (kuva 29).
Puristimen teho voi tämän takia olla jopa 25...30 % pienempi kuin suorassa punotuksessa. Tuotteen ominaisuudet ovat näin punotettuna myös tasaisemmat /84/.
Epäsuoran menetelmän haittapuolina ovat kuitenkin /48, 84, 86/:
- painimessa olevan reiän koko rajoittaa tuotteen kokoa - työkalun tukeminen männässä on vaikeaa
- materiaalin virtauksesta johtuen aihion pintakerrokset pääsevät matriisin läpi tuotteeseen ja aihion pinta on tämän takia yleensä työstettävä
- epäsuora menetelmä soveltuu parhaiten suuria eräkokoja varten.
Hydrostaattinen pursotus
Hydrostaattisessa pursotuksessa puristusmännän paine vaikuttaa aihioon paine- nesteen välityksellä sekä takaa että sivuilta (kuva 31). Osa painenesteestä voitelee pursotuksen aikana matriisia /86, 87/. Hydrostaattinen pursotus suoritetaan myötä- virtapursotuksena, jolloin siis painimen liikesuunta ja materiaalin virtaussuunta ovat samat.
die high bi/lef Wring/
pressure mitre seal liquid
Figure 121: Typical hydrostatic extrusion apparatus.
Kuva 31. Kaaviokuva hydrostaattisesta pudotuksesta /87/.
Hydrostaattisessa pudotuksessa on voimantarve selvästi pienempi kuin konventio
naalisissa myötä- ja vastavirtapursotusmenetelmissä. Siten hydrostaattisella pudo
tuksella päästään suurempiin pursotussuhteisiin ja, koska padan ja aihion väliltä puuttuu kitka, voidaan pudottaa pitkiä aihioita /86, 87/.
Vaikka hydrostaattinen pudotusmenetelmä on teoriassa ihanteellinen, on sen käyttö kuitenkin melko vähäistä käytännön ongelmien takia. Sitä käytetään murtumis- taipumuksen omaaville materiaaleille, joiden muovattavuus on huono /84, 86, 87/.
Erittäin hauraille materiaaleille voidaan pursotus suorittaa matalapainekammioon murtumisen estämiseksi /86, 87/.
5.1.2 Alumiinimatriisikomposiittien pursotus
Katkokuidulla, viskereillä tai partikkeleilla lujitetut alumiiniseokset on yleensä pudotettu tavanomaisella suoralla pursotusmenetelmällä, mutta myös epäsuoraa sekä hydrostaattista pudotusta on käytetty /88-90/. Valmistetut tuotteet ovat tyypilli
sesti olleet tankoja, profiileja, putkia ym. välituotteita ja puolivalmisteita /90,91/.
Vaikka komposiittien pursotuksessa käytetyt työvaiheet ovatkin samat kuin lujittamattomien seosten pudotuksessa, vaativat komposiittien erilaiset deformaatio- käyttäytymiset usein muutoksia prosessiparametreihin. Seuraavassa onkin tarkoitus esittää joukko tekijöitä, jotka tulee ottaa huomioon epäjatkuvalujitteisia alumiini- komposiitteja pudotettaessa.
Pursotuspaine
Partikkeleilla tai viskereillä lujitetut alumiiniseokset vaativat lujitemäärästä riippuen noin 5 - 35 % korkeammat pursotusvoimat ja -paineet kuin vastaavat lujittamattomat matriisiseokset (taulukko 6) /91-93/. Tämän suuruusluokan paineenlisäys mahtunee useimpien puristimien toiminta-alueeseen. Ellei näin kuitenkaan ole, on kohonnut pursotusvoiman tarve kompensoitava käyttämällä suurempitehoisia puristimia tai pienempiä pursotusaihioita ja/tai pienempiä reduktioita /91/.
Taulukko 6. SiC-partikkelilisäyksen vaikutus AA6061 -seoksen pursotettavuuteen pursotuslämpötilassa 450° C /92/.
Table 2
Influence of SIC Particle Additions on Extrusion Behaviour of 6061
Volume Shape Reduction Break Maximum
% SIC Ratio through Speed
Pressure (ft/min) Increase
(%)
10 I-Beam 41 13 26-36
20 36 6
10 Reet.Bar 23 5 55
20 34 37
Pursotuslämpötila
Koska materiaalin liikkeelle lähtemiseen tarvittava työ sekä kitkan voittamiseen ja materiaalin leikkautumiseen kuluva työ vakiopursotusnopeudella on suurempi komposiiteilla kuin lujittamattomilla matriisiseoksilla /94/, syntyy komposiittien suorassa pursotuksessa yleensä enemmän lämpöä kuin lujittamattomien seosten suorassa pursotuksessa (kuva 32) /88, 93, 94/. Jotta näin syntyvä lisälämpö ei johtaisi komposiittimateriaalin alkavaan sulamiseen ja muihin kuumahauraus- ilmiöihin, täytyy komposiitien pursotuksessa tavallisesti käyttää lujittamattomia seoksia alhaisempia aihion esikuumennuslämpötiloja ja/tai tarkempaa lämpötilan ja muodonmuutosnopeuden säätöä /94/.
with 15 vol % SIC
540
without SiC о 530
3 520 -510
15 20 25 30 35
Extrusion speed [m/min.]
Figure 3 cl Surface temperature vs extrusion speed
- AlSUMg with / without SiC-.
Kuva 32. Pursotusnopeuden vaikutus profiilin pintalämpötilaan AlSiVMg-seoksella ja AlSi7Mg-15til.% SiC komposiitilla. Pursotusaihioiden esikuumennuslämpötila on 460° C /93/.
Pursotusnopeus
Alumiiniseosten suurin saavutettavissa oleva pursotusnopeus pienenee tavallisesti lujitepitoisuuden kasvaessa /91-93/. Lujitteiden pursotusnopeutta pienentävä vaikutus kasvaa pursotussuhteen kasvaessa (kts. taulukko 6).
Pursotustvökalut 1. matriisit
tavanomaisia suorakulmaisia matriiseja (shear-, flat die) (kuva 33 a). Kartio- matriisien (conical-, tapered die) käyttö on kirjallisuuden perusteella selvästi vähäisempää /88, 89/. Viskeri- tai katkokuitulujitettujen seosten pursotukseen suositellaan pienikulmaisten kartiomatriisien tai ns. virtaviivaisten (streamlined) matriisien (kuva 33 b) käyttöä, jolloin kuitujen katkeaminen jää mahdollisimman vähäiseksi samalla kun saavutetaan ominaisuuksien kannalta edullisin kuitujen suuntautuneisuus /85, 90, 95/.
— Shear Surface
Dead Metal Zone
Deforming
Shear Die (a) Stream Lined Surface
Product
Stream Lined Die (b)
Figure 6 Comparison of (a) shear and (b) streamline flow extrusion die configurations.
Kuva 33. Leikkaukseen perustuva suorakulmainen pursotusmatriisi (a) ja virtavii
vainen pursotusmatriisi (b) .Virtaviivaisessa matriisissa ei ole kuolleen metallin vyöhykettä ja materiaalin virtaus on siinä laminaarista /95/.
Tavanomaisista, esimerkiksi typetetystä työkaluteräksestä H13 valmistettujen matriisien on havaittu soveltuvan huonosti alumiinikomposiittien pursotukseen, sillä komposiiteissa olevat kovat lujitteet kuluttavat tällaisen matriisin nopeasti käyttökelvottomaksi /88, 89, 91/. Parempaan ja taloudellisempaan tulokseen päästään käyttämällä kovametallista (WC-Co tai TiC-Co), TiC:a sisältävästä teräskomposiitista (esim. Ferro-Titanit, Ferro-TiC) tai korkeaseosteisista jauhemetallurgisista työkalumateriaaleista valmistettuja pursotusmatriiseja. Myös tavanomaisesta työkaluteräksestä valmistettu pursotusmatriisi, jossa on CVD- tekniikalla aikaansaatu kova kulutusta kestävä TiC/TiN pinnoite, sopii komposiiteille /89, 91/. Kuvassa 34 on esitetty suositeltavia pursotustyökalu- materiaaleja ja niiden arvioituja kestoikää eri profiilimuodoille.
Shapes Materials Die Life (feet)
• O
1. Tool Steels (PM)
2. Cermets • bonded carbides
• steel matrix composites 3. Tool Steels • CVD TiC/TiN
2,000-4.000 30,000 10,000 500
X
1. Tool Steels (PM)
2. Tool Steels • CVD TiC/TiN
2,000-4,000 500
Fig. 9 - Applicability of die materials to various shapes with estimated die life extruded feet as determined by wear.
Kuva 34. Työkalumateriaalien soveltuvuus erilaisille profiileille ja niistä valmistettujen pursotusmatriisien arvioitu kestävyys /89/.
Voitelu
Partikkelilujitetut alumiiniseokset pursotetaan tavallisesti ilman voitelua kuten vastaavat lujittamattomat seoksetkin /88, 89,91/. Viskeri tai katkokuitukomposiitit vaativat sensijaan yleensä jonkin voiteluaineen (esim. grafiitti) pintavaurioiden estämiseksi /85, 94/.
5.2 Takominen
Takominen on metallien plastista muovausta ennalta määrättyyn muotoon tai kokoon yleensä kuumamuovauksena joko iskujen tai puristuksen avulla.
Takomisen tavoitteena on antaa kappaleelle tietyt mitat ja muoto sekä parantaa materiaalin sisäistä rakennetta.
5.2.1 T akomismenetelmät
Takomismenetelmät voidaan jakaa vapaataontaan ja muotti taontaan. Molempia menetelmiä käytetään sekä primäärisen kiderakenteen muokkaamiseen että valmiin kappaleen tuottamiseen.
Vapaataontaa sovelletaan kappaleitten valmistukseen silloin, kun mittavaatimukset ovat väljähköt ja tuotteita valmistetaan korkeintaan muutamia kappaleita. Lisäksi sitä voidaan käyttää muotti taonnan esivaiheena, jolloin muottitaonta yksinkertaistuu ja materiaalia säästyy.
Vapaataonta ei aseta mitään esteitä kappaleen leviämiselle sivusuunnassa. Kappa
letta kääntelemällä ja työvälineitä käyttämällä saadaan aikaan toivottu muoto.
Kappaletta käsitellään usein iskuin ja puristuksin eri puolilta. Vapaataontaan saattaa kuulua monia työvaiheita, kuten taivutus, vääntö, reiän lyönti, halkaisu, katkaisu, venytys ja tyssäys eli kappaleen lyhentäminen ja leventäminen.
Muotti taonnassa kappaleen tuleva muoto on määrätty etukäteen. Kuumamuovaus- lämpötilaan kuumennettu aihio isketään tai puristetaan kahden muotin , ylä- ja alamuotin, välissä muotoonsa. Muottien vastakkaisiin tasoihin on jyrsitty halutun takeen muotoa vastaavat kuviot. Jos yksi ontelo ei riitä muovaamaan aihiota valmiiksi kappaleeksi, on valmistettava monikaiverrusmuotti, jossa lähtöaihio muovataan välimuotojen avulla lopulliseksi tuotteeksi.
5.2.2 Alumiinikomposiittien taontaprosessi
Viskeri ja partikkelilujitetut alumiinikomposiitit taotaan lähes poikkeuksetta muotti- taontana, jolloin kappale on joka puolelta tuettu eikä suuria vetojännityksiä pääse muodostumaan /72, 94/. Taonta-aihioiksi sopivat parhaiten aikaisemmin muokatut, esimerkiksi kuumapursotetut muotovalmisteet /40, 72/. Tyypillisiä alumiinikompo- siiteista takomalla valmistettuja tuotteita ovat mm. kiertokanget, männät ym.
muodoltaan epäsäännölliset kappaleet.
Alumiinikomposiittien kuumataonta voidaan periaatteessa suorittaa samoilla koneilla ja laitteilla kuin vastaavat lujittamattomat matriisiseokset. Suurten ja monimuotoisten kappaleiden takomiseen suositellaan käytettäväksi hydraulisia puristimia, jolloin muottien voitelu on helppoa ja puristusnopeus tarkoin hallittavissa toivotun muodonmuutosnopeuden aikaansaamiseksi /94/. Esimerkkinä AA2014-15til.%
AI2O3 ja AA2219-15til.% AI2O3 komposiittien sopivaksi aihiolämpötilaksi on kiijallisuudessa esitetty 440±15° C ja muottilämpötilaksi 420±15° C, kun taonta suoritetaan hydraulisella puristimella /72/.
Kun kappaleen vaatimat kokonaisreduktiot ovat verrattain pieniä, voidaan muovaus suorittaa myös mekaanisilla puristimilla. Tällöin on kuitenkin kiinnitettävä suurta huomiota työkappaleen muodonmuutosnopeuden ja lämpötilan hallintaan, jotta komposiittimateriaalin alkavalta sulamiselta ja murtumiselta vältyttäisiin /94/.
Kirjallisuudessa on esitetty AA2014-15til.% AI2O3 ja AA2219-15til.% AI2O3 komposiittien sopivaksi aihiolämpötilaksi 420±15° C ja sopivaksi muottilämpö
tilaksi 220±15° C, kun taonta tehdään mekaanisilla puristimilla /72/.