Alumiinimatriisikomposiittien muovattavuus

BENGT WIIK

ALUMIINIMATRIISIKOMPOS IITTIEN MUOVATTAVUUS

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 3.12.1991.

i

Työn valvoja Antti Korhonen Professori

Työn ohjaajat Antero Jokinen Diplomi-insinööri Seppo Kivivuori Tekniikan tohtori

Alumiinimatriisikomposiittien muovattavuus

Päivämäärä: 3. 12.1991 Sivumäärä: 87

Osasto: Professuuri: Mak-65

Prosessi- ja materiaalitekniikan osasto Materiaalien muokkaus ja lämpökäsittely Työn valvoja:

Professori Antti Korhonen Työn ohjaaja:

DI Antero Jokinen ja TkT Seppo Kivivuori

Työssä tutkittiin epäjatkuvia lujitteita sisältävien alumiinimatriisikomposiittien muovattavuutta sekä huoneenlämpötilassa että korotetuissa lämpötiloissa.

Työn kirjallisessa osassa esitettiin muovattavuuden mittausmenetelmiä, katko- kuiduilla tai partikkeleilla lujitettujen alumiinikomposiittien aineosia ja yleisimpiä valmistusmenetelmiä sekä alumiinikomposiittien muovattavuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi tarkasteltiin komposiittien pursotukseen ja takomiseen liittyviä erityispiirteitä.

Kokeellisessa osassa tutkittiin partikkelilujitettujen alumiiniseosten muovattavuutta yksiaksiaalisten veto- ja kuumavetokokeiden sekä tasopintojen välisten tyssäys- kokeiden avulla. Lisäksi suoritettiin kovuuskokeita ja mikrorakennetutkimuksia.

Koemateriaaleina olivat jauhemetallurgisesti valmistettu AA6061-20til.% SiCp-F komposiitti ja valetusta aihiosta pursotettu AA6061-15til.% ALOßp-F komposiitti.

Vertalumateriaalina oli jauhemetallurgisesti valmistettu lujittamaton AA6061-F seos.

Kokeet osoittivat, että lujitteiden lisääminen AA6061 -seokseen lisää materiaalin lujuus- ja kovuusarvoja samalla kun sen sitkeys- ja muovattavuusominaisuudet heikentyvät merkittävästi. Lämpötilan nostaminen parantaa sekä lujittamattoman että lujitettujen koemateriaalien muovattavuutta alentamalla muodonmuutoslujuutta ja nostamalla sitkeyttä.

Koetulosten ja kiijallisuuden perusteella on pääteltävissä, että komposiiteille sopivat parhaiten sellaiset massiivimuovausmenetelmät, joissa hydrostaattinen puristus toteutuu mahdollisimman hyvin; esimerkiksi pursotus ja muottitaonta.

Koska komposiittien muovattavuus huoneenlämpötilassa on hyvin rajallinen tulisi niiden muovaus suorittaa ensisijaisesti korkeissa lämpötiloissa, jolloin myös muo­

vaamisessa tarvittava voimantarve on pienempi.

metallurgian laboratoriossa sekä Teknillisen korkeakoulun (TKK) materiaali- ja kalliotekniikan laitoksen materiaalien muokkauksen ja lämpökäsittelyn laboratoriossa vuosien 1990 ja 1991 välisenä aikana.

Työn valvojana on toiminut professori Antti Korhonen ja työn ohjaajina DI Antero Jokinen ja TkT Seppo Kivivuori. Lisäksi DI Jouko Virta on osallistunut työni ohjaukseen. Heitä kiitän lukuisista hyvistä neuvoista ja arvokkaasta opastuksesta sekä työtäni kohtaan osoittamasta mielenkiinnosta.

Helsingissä 3.12.1991

Bengt Wiik

2. MUOVATTAVUUDEN KOKEELLINEN MITTAAMINEN 3

2.1 Vetokoe 3

2.1.1 Murtovenymä ja murtokurouma 3

2.1.2 Muokkauslujittuminen 4

2.2 Tyssäyskoe 5

2.2.1 Peruskäsitteitä 6

2.2.2 Kudon tyssäyskoe 7

2.2.3 Tyssäyskokeen murtumatyypit 8

3. ALUMIINIMATRIISIKOMPOSIITTIEN AINEOSAT JA 10

YLEISIMMÄT VALMISTUSMENETELMÄT

3.1 Aineosat Ю

3.1.1 Epäjatkuvat lujitteet 10

3.1.2 Alumiiniseokset 13

3.2 Valmistusmenetelmät 14

3.2.1 Jauhemetallurgiset menetelmät 14

3.2.2 Osprey-menetelmä 16

3.2.3 Valumenetelmät 17

4. ALUMIINIKOMPOSIITTIEN MUOVATTAVUUTEEN 20

VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ

4.1 Metallurgiset tekijät 20

4.1.1 Lujitteen määrä 20

4.1.2 Lujitteen jakauma 22

4.1.3 Lujitteen koko 22

4.1.4 Matriisin seostus 23

4.1.5 Matriisin lämpökäsittely tila 24

4.1.6 Edeltävä muokkaus 25

4.2 Muovausolosuhteet 27

4.2.1 Lämpötila 27

4.2.2 Muodonmuutosnopeus 31

4.2.3 Jännitystila 35

MUOVAUSMENETELMÄT

5.1 Kuumapursotus 39

5.1.1 Pursotusmenetelmät 41

5.1.2 Alumiinimatriisikomposiittien pursotus 44

5.2 Takominen 49

5.2.1 Takomismenetelmät 49

5.2.2 Alumiinimatriisikomposiittien taonta 50

6. KOEMATERIAAUT JA VALMISTUSMENETELMÄT 51

6.1 Materiaalit 31

6.2 Jauhemetallurgisten koemateriaalien valmistaminen 52

7. KOKEELLISET TUTKIMUSMENETELMÄT 54

7.1 Veto- ja kuumavetokokeet 54

7.2 Tyssäyskokeet 35

7.3 Kovuuskokeet 35

7.4 Mikrorakennetutkimus 35

8. KOETULOKSET 56

8.1 Veto- ja kuumavetokokeet 56

8.2 Tyssäyskokeet 60

8.3 Kovuuskokeet 68

8.4 Mikrorakennetutkimus 68

9. TULOSTEN TARKASTELU 79

9.1 Vetokokeet huoneenlämpötilassa 79

9.1.1 Myötö- j a murtolujuus 7 9

9.1.2 Murtovenymä ja murtokurouma 80

9.1.3 Muokkauslujittuminen 80

9.2 Kuumavetokokeet 81

9.2.1 Myötö- ja murtolujuus 81

9.2.2 Murtovenymä ja murtokurouma 82

9.4 Veto-ja tyssäyskokeiden vertailu 85

10. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET 86

LÄHDELUETTELO

1. JOHDANTO

Metallimatriisikomposiitit ovat kuiduilla tai partikkeleilla lujitettuja metalliseoksia, joilla on mahdollista saavuttaa ainutlaatuiset ominaisuudet ja ominaisuusyhdistelmät tavanomaisiin monoliittisiin materiaaleihin verrattuna. Komposiiteissa yhdistyvät mm. keveys, lujuus, jäykkyys ja kulumiskestävyys toisiinsa. Lisäksi usein vaadittavaa korkealämpötilalujuutta voidaan parantaa. Fysikaaliset ominaisuudet, kuten lämmön- ja sähkönjohtokyky sekä lämpölaajeneminen, ovat myös räätälöitävissä kuhunkin käyttötarkoitukseen sopivaksi /1, 2/.

Yleisimmät matriisimetallit ovat alumiini, magnesium ja titaani, joista alumiini on ehdottomasti suosituin. Kuparia, lyijyä, terästä ja superseosta käytetään vähemmän.

Lujitteet ovat yleensä hyvin lujia ja jäykkiä keraameja, joko jatkuvina kuituina, katkokuituina, erilliskideneulasina eli viskereinä tai partikkeleina, mutta myös esim.

teräslankaa ja lasia käytetään. Tyypillisimmät lujitemateriaalit ovat piikarbidi, alumiinioksidi, boorikarbidi ja hiili. Lujitteiden, erityisesti kuitujen koko vaihtelee laajalti. Halkaisijat ovat välillä 0,1 |im - 5 mm, ja pituudet vaihtelevat n. 20 [im:stä aina jatkuviin kuituihin asti /1, 2/.

Jatkuvakuituisten komposiittien lujuusominaisuudet ovat yleisesti ottaen paremmat kuin katkokuituisten tai partikkeleilla lujitettujen. Jälkimmäisten etuna ovat kuitenkin halvempi hinta, isotrooppisemmat ominaisuudet ja jälkimuokkaus- mahdollisuus /3,4/. Parhaimpana teollisuussovelluksiin pidetään 10-20 tilavuus-%

lujitepartikkeleita, kuten SiC:a tai А120з:а sisältävää alumiiniseosta /5/.

Lisättäessä kovia lujitteita alumiiniseoksiin, niiden työstettävyys vaikeutuu merkittävästi. Tämän takia komposiittien muodonantoon on kiinnitettävä erityistä huomiota, jotta tuotteiden valmistus olisi kannattavaa. Katkokuiduilla tai partikke­

leilla lujitettujen komposiittien kohdalla erilaiset muovausmenetelmät, erityisesti takominen ja punottaminen, ovat valamisen ohella yleisesti käytettyjä tuotteiden valmistusmenetelmiä. Muovausmenetelmiä käytettäessä tuotteisiin saadaan mahdol­

lisimman hyvät materiaaliominaisuudet /6/.

Muovauksen aikana ovat materiaalin rakenne, paikalliset jännitykset, venymät, venymänopeudet ja lämpötilat keskenään vuorovaikutuksessa määräten materiaalin muovattavuuden. Materiaalin muovattavuus on melko epämääräinen käsite, joka voidaan parhaiten määritellä materiaalin kyvyksi kestää plastista deformaatiota

halkeilematta ja murtumatta. Ts. materiaali kestää muovauksen monimutkaiseksi tuotteeksi turmeltumatta /7/.

Tämän työn tarkoituksena on partikkeliluj kettujen alumiinimatriisikomposiittien muovattavuuden selvittäminen. Työn kirjallisessa osassa esitetään katkokuiduilla tai partikkeleilla lujitettujen alumiinikomposiittien tyypillisimmät aineosat ja yleisimmät valmistusmenetelmät sekä tutkitaan komposiittien muovattavuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi tarkastellaan komposiittien pursotukseen ja takomiseen liittyviä erityispiirteitä. Kokeellisessa osassa tutkitaan partikkelilujitettujen AA6061 seosten muovattavuutta eri lämpötiloissa ja verrataan sitä vastaavaavaan lujittamattomaan seokseen. Muovattavuuden arvionnissa käytetään veto- ja tyssäyskokeista saatavia muovattavuusparametrej ä.

2. MUOVATTAVUUDEN KOKEELLINEN MITTAAMINEN

Koska materiaalit muovautuvat eri muovausprosesseissa toisistaan poikkeavin tavoin, ei materiaalin muovattavuudelle ole löydetty yksikäsitteistä määritelmää ja määritystapaa . Laajassa mielessä materiaalin hyvällä muovattavuudella tarkoitetaan tuotteen valmistuksen kaikinpuolista onnistumista. Tällöin huomioon otettavia seikkoja ovat voimantarve, työkalujen kuluminen, muotintäyttökyky ja materiaalin murtuminen. Useimmiten muovattavuutta tutkitaan suppeammassa merkityksessä ainoastaan tuotemateriaalin kestävyyden kannalta, jolloin muovattavuutta rajoittavana tekijänä on murtuman syntyminen /7/.

Materiaalin muovattavuuden mittaukseen on kehitetty useita koemenetelmiä.

Tällaisia ovat mm - vetokokeet

- tyssäys 1. puristuskokeet - taivutuskokeet ja

- kiertokokeet

Koska kirjallisuudessa on esitetty perusteellisia yhteenvetoja muovattavuuden tutki­

musmenetelmistä /8, 9/, seuraavassa rajoitutaan vain kahteen ensiksi mainittuun, joita myös tässä työssä käytetään.

2.1 Vetokoe

Yksiaksiaalinen vetokoe on tärkein ja eniten käytetty materiaalin kestävyyttä vedenalaisessa kuormituksessa testaava tutkimusmenetelmä. Muovattavuuden kannalta tärkeimpiä ja yleisimpiä vetokokeella määritettäviä suureita/ominaisuuksia ovat muun muassa murtovenymä, murtokurouma ja muokkauslujittuminen.

2.1.1 Murtovenymä j a murtokurouma

Materiaalin sitkeyttä ja muodonmuutoskykyä kuvaavat suureet murtovenymä (A) ja murtokurouma (Z) määritetään seuraavasti:

A __ Lu - Lq

L0 x 100 % ja (1)

Г-, So-Su

s x 100 % , (2)

joissa Lo on koesauvan mittapituus ennen vetokoetta, Lu mittapituus sauvan katkettua, S0 koesauvan poikkipinta-ala ennen vetokoetta ja Su sauvan pienin poikkipinta-ala sauvan katkettua.

Mitä suurempia ovat murtovenymän ja murtokurouman arvot, sitä sitkeämmästä materiaalista on kysymys ja sitä paremmin materiaali tavallisesti kestää muovauksen halutun muotoiseksi tuotteeksi.

2.1.2 Muokkauslujittuminen

Materiaalien muokkauslujittumisen kuvaaminen matemaattisilla yhtälöillä on tärkeää mm. muovausprosessin voimantarpeen arvioimisessa. Koska koko jännitys- venymäriippuvuutta voidaan kuvata muutamilla parametreillä, voidaan materiaalien muokkauslujittumiskykyä helposti verrata keskenään /10/.

Metallien jännitys-venymäriippuvuuden kuvaamiseen kylmämuovausolosuhteissa on kehitetty useita kokemusperäisiä yhtälöitä, joista neljä tavallisinta ovat /10/

a = Ki eni (Hollomon), (3)

a = K2 ( e+£o )nz (Swift), (4)

a = a0 + h Em (Ludwig) ja (5)

a = В - ( В - А ) exp ( -пз e) (Voce). (6)

Yhtälöissä aja e ovat todellinen jännitys ja venymä. Muut parametrit ovat materiaali- ja käsittelykohtaisia vakioita.

Karkenemattomien kylmämuokattujen alumiiniseosten vetokäyriä voidaan parhaiten kuvata Swiftin yhtälöllä ja pehmeäksihehkutettujen alumiiniseosten (sekä karkene- vien että karkenemattomien) vetokäyriä Hollomonin yhtälöllä /11,12/. Lloydin /13/

mukaan Hollomonin yhtälö soveltuu myös erittäin hyvin kuvaamaan piikarbidi-

partikkeleilla lujitettujen AA6061 komposiittien jännitys-venymäkäyriä, kun todelli­

nen venymä on suurempi kuin 0,005.

Vaikka Hollomonin yhtälön muokkauslujittumiseksponentti ni (merkitään tavalli­

sesti n:llä) ei aina kuvaakaan vetokäyrää kovin tarkasti, on siitä silti muodostunut tärkein materiaalin venytettävyyttä kuvaava parametri. Mitä suurempi on n-arvo sitä paremmin materiaali vastustaa paikallista kuroutumista ja sitä enemmän materiaalia voidaan venyttää. Muokkauslujittumiseksponentti voidaan määrittää joko insta- bilisuuspisteen (da/de = a) avulla tai ns. logaritmi-menetelmällä /14/. Näistä logaritmi-menetelmä (kuva 1) on yleisempi ja tarkempi, koska siinä käytetään määrittämiseen useita venymä-jännitys arvopareja. Samalla voidaan myös testata, onko Hollomonin yhtälö hyvä approksimaatio vetokäyrälle.

P Ind

Kuva 4. Muokkauslujittumiseksponentin (n-arvon) määrää­

minen vetokäyrästä.

Fig. 4. Determination of the strain-hardening exponent, n, from a tensile curve.

Kuva 1. Hollomonin yhtälön muokkauslujittumiseksponentin määrittäminen logaritmi-menetelmällä vetokäyrästä /14/.

2.2 Tyssäyskoe

Massiivimuovauksessa, kuten takomisessa, tyssäyksessä ja pursotuksessa, muodonmuutos aikaansaadaan pääasiassa puristavan voiman avulla. Tästä ilmeisesti johtuu, että vetokokeen muovattavuusparametrien avulla ei aina pystytä ennustamaan materiaalin kestävyyttä em. tapauksissa. Kudo /15, 16/ on ensimmäisenä ehdottanut muovattavuuden määrittämistä tyssäyskokeen avulla.

Tyssäyskokeen onkin todettu antavan hyvän arvion muovattavuudesta massiivi-

muovauksessa /17/. Parametrina on yleensä käytetty ns. kriittistä korkeus- reduktiota, joka on reduktioarvo murtumishetkellä.

2.1.1 Peruskäsitteitä

Eri materiaalien suhteellista tyssättävyyttä verrataan keskenään käyttäen murtuneista tyssäysnäytteistä laskettua kriittistä korkeusreduktiota /16/

rc = ho_Jlcx ioo% , (7)

ho

jossa h0 on näytteen korkeus ennen tyssäystä ja hc näytteen korkeus murtumisen jälkeen.

Käyttämällä vähintään kuutta tyssäysnäytettä voidaan materiaalin kriittiseksi reduktioksi määrätä se reduktio, jolla suhteellinen murtumien lukumäärä Ncf ylittää 50 % kaikista koesarjan aikana havaituista murtumista N /18,19/. Tällöin on

Ncf = 100 Nc N

(8)

jossa Nc on koesarjan aikana muodostuvien murtumien kumulatiivinen lukumäärä.

Туssäysnäytteiden epähomogeenisuus voidaan määritellä minimi ja maksimi halkaisijoiden suhteellisen erotuksen avulla /16/

dmax ~ dmin (9)

dmax

Pituussuuntaan lovetun näytteen avauma on /16/

bmax ~ b0 (10)

b0

jossa bQ on loven avauma ennen tyssäystä ja bmax loven avauma tyssäyksen jälkeen.

2.2.2 Kudon tyssäyskoe

Yleisin tyssättävyyden tutkimusmenetelmä on professori Kudon johdolla kehitetty tyssäyskoe, missä sylinterimäistä koenäytettä tyssätään tasopintojen välissä/15, 16, 20, 21/. Vaikka menetelmä onkin alunperin kehitetty lähinnä materiaalien kylmätyssättävyyden arvioimiseen, on sitä viime aikoina käytetty yhä enenevässä määrin myös monien materiaalien kuumamuovattavuuden selvittämiseen /22, 23/.

Tyssättävien näytteiden mitoitus on esitetty kuvassa 2. Kokeissa voidaan käyttää sekä sileitä että pituussuuntaan lovettuja näytteitä. Lovetun näytteen etuna on, että murtuma syntyy suhteellisen alhaisella reduktiolla ennalta määrätyssä paikassa (loven pohjassa). Tämä helpottaa toisaalta sitkeiden materiaalien testausta, toisaalta murtuman toteamista.

Työkaluina käytetään yleensä tartuntakitkan aikaansaavia uritettuja puristuspintoja (kuva 3) /16, 20-23/. Haluttaessa muunlaiset kitkaolosuhteet käytetään sileitä puristuspintoja joko kuivina tai voideltuina /15/.

Fig. 1 Shape and dimensions of the specimens

a) smooth specimens; b) longitudinally grooved specimens Ausschnitt = section

Kuva 2. Loveamattomien ja pituussuuntaan lovettujen näytteiden mitat Kudon tyssäyskokeessa /21/.

A I В

Fig 2 Standard compression plattens geometry

Kuva 3. Tartuntakitkan aikaansaavat uritetut puristustyökalut /20/.

Koska tyssäysnopeuden vaikutus kriittiseen korkeusreduktioon on todettu vähäi­

seksi, saa tyssäysnopeus vaihdella välillä 0Д...1 mm/s. Näytteen murtumista tutkitaan tyssäämällä kappale ensin yhtäjaksoisesti noin 75 %: iin odotettavissa olevasta kriittisestä korkeusreduktiosta. Tämän jälkeen tyssääminen tapahtuu asteittain 1,5...2,5 %: n välein kriittiseen reduktioon asti. Tyssäysten välillä näytteen pinta tarkastetaan mahdollisten murtumien löytämiseksi. Samalla mitataan näytteen korkeus ja halkaisija sekä lovetusta näytteestä loven levenemä. Näytteen katsotaan murtuneen, kun ensimmäinen (tai ensimmäiset) mikrohalkeama(t) (kooltaan vähintäin 0,5...1,0 mm) havaitaan paljain silmin tai lievästi suurentavaa suurennuslasia käyttäen /16,20,21/

2.2.3 Туssäyskokeen murtumatyypit

Kriittisen korkeusreduktion lisäksi tulee tyssäyskokeessa myös huomioida näytteissä esiintyvät murtumatyypit. Kudo et ai. /15/ ja Kobayashi /24/ ovat tyssäyskokeissaan havainneet kaksi eri murtumatyyppiä: pitkittäismurtuman (longitudinal cracking) ja viistomurtuman (oblique cracking) (kuva 4).

Pitkittäismurtuman todettiin syntyvän silloin, kun aksiaalisuuntainen jännitys tyssäysnäytteen pinnan voimakkaan kaareutumisen vuoksi on positiivinen (oz > 0).

Viistomurtuman todettiin puolestaan syntyvän silloin, kun aksiaalisuuntainen jännitys on negatiivinen (oz < 0). Myöhemmin ovat Kivivuori ja Sulonen /25/ vielä havainneet kolmannen murtumatyypin (kuva 5), jota he kutsuvat kaksoisviisto- murtumaksi (double oblique cracking). He ovat myös havainneet, että murtuminen tapahtuu kaikilla tyypeillä negatiivisellä aksiaalisella jännityksellä. Tämä poikkesi aikaisemmista tuloksista.

Fracture surface

Fig. 7. Schematic representation offract ure surface of speci­

men in upsetting test.

(a) Oblique crack.

(5) Longitudinal crack.

Kuva 4. Tasopintojen välisessä tyssäyksessä havaitut murtumatyypit ja jännitystilat näytteen murtuessa Kudon mukaan /15/.

a) viistomurtuma ja b) pitkittäismurtuma.

Fig. 11. Schematically represented cracking modes and stress states at fracture observed in pres­

ent work.

a) Longitudinal cracking.

b) Oblique cracking.

c) Double oblique cracking.

Kuva 5. Tasopintojen välisessä tyssäyksessä havaitut murtumatyypit ja jännitystilat näytteen murtuessa Kivivuoren ja Sulosen mukaan /25/.

a) pitkittäinen murtuma, b) viistomurtuma ja c) kaksoisviistomurtuma.

з. ALUMIINIMATRIISIKOMPOSIITOEN AINEOSAT JA VALMISTUS­

MENETELMÄT

Tässä kappaleessa esitetään epäjatkuvia lujitteita sisältävien alumiinimatriisi- komposiittien aineosat ja yleisimmät valmistusmenetelmät.

3.1 Aineosat

Rakenteellisesti alumiinimatriisikomposiitit koostuvat alumiinisesta perusaineesta eli matriisista ja siihen lisätystä lujite- tai täytemateriaalista. Materiaaleja yhdistämällä pyritään saavuttamaan tiettyjä ainutlaatuisia ominaisuuksia ja/tai ominaisuusyhdistel- miä, joita ei millään yksittäisellä alumiiniseoksella voida saavuttaa.

3.1.1 Epäjatkuvat lujitteet

Epäjatkuvilla lujitteilla tarkoitetaan katkokuituja, viskereitä ja partikkeleita. Se, mitä lujitetyyppiä milloinkin käytetään, riippuu mm. valmistettavan tuotteen käyttötarkoi­

tuksesta, valmistusmenetelmästä sekä hinnasta /26/.

Katkokuidut

Alumiinimatriisikomposiiteissä käytettävät katkokuidut ovat tavallisesti alumiini- oksidi (AI2O3) - tai aloksi-silika (AI2O3-SÍO2) - pohjaisia materiaaleja. Kummatkin lujiteryhmät on alunperin kehitetty korkean lämpötilan eristemateriaaleiksi /2, 27, 28/. Lujitteiden halkaisijat ovat tyypillisesti 1-10 |am pituuden vaihdellessa muutamasta kymmenestä mikrometristä aina 250 mm:iin saakka /26, 28/. Kuidut valmistetaan pääasiallisesti sulakehräämällä (melt spinning) tai ns. sooli- geelimenetelmällä /28/.

Katkokuitulujitteiden eduiksi voidaan lukea suhteellisen edullinen hinta sekä hyvä saatavuus. Haittapuolena on kuitenkin muihin lujitemuotoihin verrattuna heikot mekaaniset ominaisuudet (taulukko 1) /2, 27/.

Viskerit

Viskerit ovat oleellisesti virheettömiä erilliskidekuituja. Niiden halkaisija on 0.1-10 (im ja pituus yleensä 10 -80 (im. Merkille pantavaa viskerien yhteydessä on niiden erittäin suuri lujuus, joka voi olla jopa 10-kertainen verrattuna samasta materiaalista valmistettuun kuituun /29, 30/.

Viskereitä on valmistettu hyvin monesta materiaalista (yli 100). Esimerkkinä mainittakoon rauta, kupari, grafiitti, boorikarbidi, berylliumoksidi, alumiinioksidi, piikarbidi (SiC) ja piinitridi (SÍ3N4) /29/. Alumiinimatriisikomposiittien lujittami­

sessa on eri viskerimateriaaleista tutkittu lähinnä vain kahta viimeksi mainittua materiaalia /4/.

Viskerien hinta on muihin lujitemuotoihin verrattuna melko korkea. Niiden erittäin pieni koko tekee niiden käsittelyn ja komposiittien valmistuksen hyvin hankalaksi lähinnä terveysriskien vuoksi /26, 27/.

Partikkelit

Partikkelilujitteet ovat muodoltaan lähinnä tasa-aksiaalisia rakeita. Partikkeli- lujitteiden koko ja niiden välinen etäisyys partikkelikomposiiteissa ovat suuruusluokkaa 1 (im tai enemmän. Juuri tähän mittasuhteeseen perustuen voidaan partikkelilujitetut komposiitit ja erkaumalujitetut metalliseokset erottaa toisistaan;

viimeksi mainituissa erkaumien koko ja niiden välinen etäisyys ovat suuruusluokkaa 0.01-0.1 (im/30/.

Yleisimmät alumiinimatriisikomposiiteissa käytettävät partikkelilujitteet ovat piikarbidi (SiC), alumiinioksidi (AI2O3), boorikarbidi (B4C), titaanikarbidi (TiC) ja titaaniboridi (ТШ2) /4, 31, 32/. Nämä ovat erittäin lujia ja kovia keraameja ja niitä on saatavilla suhteellisen edulliseen hintaan mm. perinteisestä hionta-aine teollisuu­

desta.

Alumiinin voidaan lisätä myös verrattain pehmeitä aineita kuten grafiittia ja kiillettä.

Tällöin on kuitenkin parempi puhua täyte- kuin lujitemateriaaleista, sillä kyseiset aineet toimivat kuten onkalot ja heikentävät näin matriisiseoksen lujuus­

ominaisuuksia. Pehmeitä täyte- tai lisäaineita sisältäviä komposiitteja käytetään mm.

erilaisissa tribologisissa sovelluksissa, joissa hyvät voitelu-, kitka- ja vaimennus- kykyominaisuudet ovat korkeita lujuusarvoja tärkeämmät /33/.

Taulukko1.Yleisimpiäalumiinimatriisikomposiiteissakäytettäviäkatkokuitu-,viskeri-

ja

<D

T3

JS53 ^oo

ci

Ci

(N m

сл oo m сл Cl сл

(N 04 (N

ro ro ro

s ь

•o j*

:ed CiE o

►3

VO VO

rt' O;

rt ^VO

VO rt rt O-"

OO 04 OO

cd O Oo

04

Oo o oo

VO

oo o

o

VOoo

o 0 rt g

00 o- Ó

O сл

oo o

rt

oo 40vo oro

oo roЛ

voo o

vo o o

40 O rt Г"

ОО

r- О О о О 0 О

00 00 OO (N сл

00 xt сл On Xt сл Xt

xt

C/N ^

>. E

<L> o

5 "Sb H ' ■

ro ro"

rt ro"

roO;

04"

o_

ro

O'On 04

ro ro

04 >—i OO 04 04 04 r—< 04 -—I I VO On VO ro ro CO ^ 04" rt" rt

vo vo

0 VO О

хГсл NO ^{0 0}Xt ⁰⁴"

ó О ril сл

1 vo xt ₀" r-H ₀"

® §

O _!< m

rt ^

O3 s

Uá Ui i4 Ы ^{CL, Оц Он Ph СЦ}

S

?

O_(N en 9.

Ig p §1 ^.fi 1 1 äi|i il il f oi Jo

fea fea Sa Sb 3 aa ab a a

Г 1 C4!

^ y g

PQ H H Muoto:K= katkokuituW= viskeriP= partikkeli

3.1.2 Alumiiniseokset

Komposiittisovellutuksiin on pääasiassa käytetty tavanomaisia lxxx, 2xxx, 5xxx, 6xxx ja 7^XXX-sarjan seoksia, ts. kaupallisesti puhtaita alumiineja sekä seoksia, joiden pääseosaineena on kupari, magnesium, magnesium sekä pii tai sinkki (taulukko 2). Suurimman tutkimustyön ja käytön kohteena ovat tähän mennessä olleet seokset AA2014, AA2024, AA2219, AA6061, AA7075, AA7090 sekä АА7091/34/.

Taulukko 2. Muokattavien alumiiniseosten Aluminium Associationin mukainen merkintäj äijestelmä /11/.

Merkintä, numerosarja

Seoksen alumiinipitoisuus tai pääseosaineet

1XXX AI vähintään 99 %

2XXX Kupari

3XXX Mangaani

4XXX Pii

5XXX Magnesium

6XXX Magnesium ja pii

7XXX Sinkki

8XXX Muut

Viime aikoina on yhä enenevästi tutkittu myös Al-Li seoksiin pohjautuvia komposiitteja, sillä nämä seokset mahdollistavat korkeamman ominaisjäykkyyden pienemmillä lujitepitoisuuksilla /35, 36/. Jokainen alumiiniin lisätty painoprosentti litiumia nostaa nimittäin materiaalin kimmomodulia n. 6% ja laskee tiheyttä n. 3%

aina 4%:n litium pitoisuuteen asti /11/.

Ensimmäinen ja tiettävästi ainoa kaupallisesti saatavilla oleva erityisesti komposiitti- sovelluksiin valmistettu matriisiseos on Advanced Composite Materials Corpora­

tionin (ACMC) kehittämä 24E-seos (nimellisseostus 3,6 % Cu, 1,3 % Mg), jolle Aluminium Association on antanut standarditunnuksen AA2009 /37/.

3.2 V almistusmenetelmät

Katkokuiduilla, viskereillä tai partikkeleilla lujitetut alumiinimatriisikomposiitit valmistetaan pääasiassa jauhemetallurgisilla menetelmillä, valamalla tai ns. Osprey- menetelmällä /5/.

3.2.1 Jauhemetallurgiset menetelmät

Jauhemetallurgisessa valmistuksessa lujitteet sekoitetaan metallijauheeseen ja näin saatu jauheseos kiinteytetään puristamalla tai muokkaamalla, kuva 6. Alumiim- matriisikomposiittien valmistuksessa muokkaus on välttämätön alumiinipartikke- lien pinnalla olevan stabiilin oksidikerroksen rikkomiseksi /5/.

Kapselointi ja kaasunpoisto

Sekoitus

Alipainekuuma- puristus

Katkokuitu- whiskeri- tai partikkelilujite

Kylmäpuristus Kapselointi ja

kaasunpoisto Alumiinijauhe

(alkuaine tai seosjauhe)

Kapselointi ja

kaasunpoisto CIP ja kaasun­

poisto

Kuumapuristus Kuumapuisotus Kuumapuisotus

Muokkaus ( Kuumapursotus, takominen tai valssaus )

Kuva 6. Alumiinimatriisikomposiittien jauhemetallurgisia valmistusmenetelmiä.

Jauheiden sekoitus voidaan suorittaa tavanomaisilla märkä- tai kuivasekoitusmene- telmillä tai mekaanisena seostuksena (mechanical alloying) korkeaenergisessä kuulilla varustetussa atriittorissa /5, 38/. Mekaaninen seostus varmistaa komposiitin homogenisuuden ja lujiteen kiinnittymisen matriisiin sekä mahdollistaa alkuaine- jauheiden käytön. Prosessi soveltuu etenkin partikkelilujitettujen seosten valmistukseen /5/.

Jauheen kiinteyttämiseen aihioksi tai puolivalmisteeksi kuuluu tavallisesti kolme vaihetta: esikiinteyttäminen kylmänä, kaasunpoisto ja kiinteyttäminen kuumana lopulliseen tai lähes lopulliseen tiheyteen /38/. Esikiinteyttäminen tehdään yleensä kylmäpuristamalla, isostaattisesti kylmäpuristamalla (cold isostatic pressing, CIP) tai pelkästään pakkaamalla jauhe metallikapseliin (tiheys n. 50-80% teoreettisesta tiheydestä) /38, 39/. Kaasunpoisto suoritetaan alipaineessa tai suojakaasussa korotetussa lämpötilassa ja siinä poistetaan kosteus ym. kaasuuntuvat aineet, jotka myöhemmissä prosessivaiheissa (esim. kuumamuokkaus tai lämpökäsittely) saattaisivat muodostaa huokosia tuotteeseen /38, 39/. Kiinteyttäminen lopulliseen tai lähes lopulliseen tiheyteen voidaan tehdä useilla menetelmillä: kuumapuristuksella, alipainekuumapuristuksella (vacuum hot pressing, VHP), kuumapursotuksella tai isostaattisella kuumapuristuksella (hot isostatic pressing, HIP) /38-40/. Näistä kuumapursotus on ehkä eniten käytetty menetelmä alumiini)auheiden ja -kompo­

siittien kiinteyttämisessä. Pursotukseen liittyvän voimakkaan deformaation ansiosta jauhepartikkelien päällä oleva oksidikerros rikkoutuu tehokkaasti jolloin valmistetun komposiittiaihion/puolivalmisteen ominaisuudet muodostuvat hyviksi /39/. Kuuma- puristetut, alipainekuumapuristetut tai HIP - käsitellyt komposiittiaihiot vaativat vielä jonkin primäärisen muokkausoperaation (kuumapursotus, takominen tai valssaus) ennenkuin komposiitin parhaat ominaisuudet saavutetaan /38/.

Jauhemetallurgisten menetelmien eduiksi voidaan lukea suhteellisen alhaiset valmistuslämpötilat, hyvällä sekoituksella saavutettava tasainen lujitejakauma ja mahdollisuus valmistaa komposiittimateriaaleja hyvin laajalla lujitepitoisuusalueella /26, 41/. Merkittävimmät haitat ovat menetelmien monivaiheisuus ja kalleus sekä valmistettavien aihioiden/tuotteiden verrattain pieni koko.

3.2.2 Osprey-menetelmä

Osprey-menetelmässä (kuva 7) inertissä kaasussa atomisoituun sulapisarasuihkuun injektoidaan partikkelilujitteet, jolloin muodostuu homogeeninen suotautumaköyhä komposiittiseos /1, 27, 36/. Seos jähmettyy sopivasti valitulle alustalle ja lopputu­

loksena on nopeasti jähmettynyt tanko, putki tai levy alustan muodostaja liikkeestä riippuen (kuva 8). Menetelmä mahdollistaa hienon raekoon ja laajan seosaine- valikoiman kuten tavanomaiset jauhemetallurgiset menetelmät. Siinä vältytään jauheiden luokitukselta ja käsittelyltä, mutta toisaalta se vaatii kalliin atomisointi- laitteiston. Osprey-prosessilla voidaan valmistaa 95-98% tiheyden omaavia aihioita, jotka on pursotettava, taottava tai valssattava lopulliseen muotoon ja tiheyteen.

Prosessiin soveltuvat ainoastaan partikkelilujitteet. Partikkelien injektointi vaatii suurta tarkkuutta, jotta lujitteiden jakautuminen matriisiin olisi tasainen.

Uuni

• fsicl nqf

SiC injektomu^L^ ^tomisoija Sulapisaroista «Г _______

jähmettynyt J aihio

Ulostulokaasut

Ylijäämäjauhe

Kuva 7. Kaaviollinen esitys Osprey-prosessista /1/.

/ - -

to t» Ownöer Ош and Convactiv« Cooing From The Top Sur«** o« The

nouttng Mrxm For The

ttoi/Ktin d Trino

SUBonery or Tryetiting s^xtrmto For BM Mn««ckn

Schematic diagram of different collector plate geometries [4].

Fig. 2

Kuva 8. Osprey-menetelmässä käytettyjä alustoja eri aihioita varten /27/.

3.2.3 Valumenetelmät

Valaminen on monipuolisin ja usein myös taloudellisin menetelmä valmistaa komposiitteja. Valamalla voidaan valmistaa uudelleen sulatettavia komposiitti- harkkoja, jatkomuokattavia aihioita sekä mittatarkkoja, lähellä lopullista muotoa (near net shape) olevia valukappaleita. Lujitteet voidaan jakaa tasaisesti tai tietyissä menetelmissä keskittää haluttuun osaan valukappaletta /5/.

Sulapuristusvalu

Sulapuristusvalu (squeeze casting) on menetelmä, jossa muotissa oleva sula jähmettyy ulkoisen paineen alaisuudessa /42-45/. Jähmettyvään sulaan kohdistuva 30-200 MPa:n suuruinen paine aikaansaa hienojakoisen ja tiiviin valurakenteen.

Komposiitteja valettaessa lujitteet sekoitetaan sulaan ennen valua tai vaihtoehtoisesti muottiin asetetaan huokoinen lujiteaihio (kuva 9), johon sula imeytyy puristuksen

aikana. Mikäli paine on riittävä, ei imuhuokosia tai muita epäjatkuvuuskohtia esiinny ja materiaalien välinen kostutus muodostuu hyväksi. Suuren paineen edesauttaman nopean jähmettymisen ansiosta suotautuminen on vähäistä ja matriisin rakenne hienojakoinen. Menetelmällä ei kyetä valmistamaan monimutkaisia valukappaleita. Myös kappaleiden koot jäävät pieniksi, koska vaadittavat paineet ovat suuria.

Puristusvalamalla on valmistettu sekä jatkomuokattavia aihioita että valmiita valukappaleita /4, 31/. Taloudellisimmaksi on osoittautunut osittain tai kokonaan lujitetun komposiitin valaminen mahdollisimman lähelle lopullista muotoa.

Painin

Ulostyönnin

(a) ^(b)

Kuva 9. Sulapuristusvalu lujiteaihiota käyttäen, (a) ennen valua, (b) valun jälkeen paineen vaikuttaessa /45/.

Compocasting

Compocasting on kehitetty rheocasting-menetelmästä /44, 45/. Compocasting- menetelmässä lujitteet lisätään puuroalueella olevaan, osittain jähmettyneseen metalliseokseen, jota samanaikaisesti sekoitetaan voimakkaasti. Sekoitus helpottaa lujitteen ja sulan välistä kostutusta ja saa aikaan edullisen dendriittömän rakenteen.

Lujitteet eivät saostu tai vaahdotu, koska osittain jähmettynyt sula vaikeuttaa niiden liikkumista seoksessa.

Sekoituksen jälkeen voidaan seos joko valaa aihioksi tai siirtää esimerkiksi painevalukoneen sylinteriin, pursotuspataan tai takomuottiin edelleen kappaleeksi valettavaksi (thixocasting), pudotettavaksi (thixoextrusion) tai taottavaksi (thixo- forging) /44, 46/. Dendriitön puuroalueella oleva seos on luonteeltaan tikso- trooppinen, ts. sen viskositeetti riippuu siihen kohdistuvasta sekoitusvoimasta ja sekoitusajasta. Välittömästi sekoituksen jälkeen viskositeetti nousee voimakkaasti ja seosta voidaan käsitellä kuin pehmeää kiinteää kappaletta. Sekoitusta uudelleen jatkettaessa tai kohdistettaessa seokseen jokin muu riittävä rakennetta rikkova voima, esim. painevalukoneen männän isku, viskositeetti jälleen laskee ja seos käyttäytyy kuin neste.

Compocasting-menetelmän vaikeutena on varsinkin suurten sulamäärien lämpötilan hallinta ja sekoittunen kuluminen. Lisäksi menetelmä sopii vain laajan puuroalueen omaaville seoksille /4, 45/. Katkokuitu- ja viskerilujitteita käytettäessä tapahtuu prosessin aikana usein ominaisuuksien kannalta haitallista lujitteiden rikkoutumista /31, 42/. Tämä aiheutuu sekä sekoittimen että osittain jähmeän metallin jauhavasta vaikutuksesta. Parhaimpaan tulokseen päästään partikkelilujitteilla /42/.

Sulasekoitus

Halvin menetelmä valmistaa komposiitteja on sekoittaa lujitteet mekaanisesti sulaan.

Vaikeutena on kuitenkin saada tasainen lujitejakauma ja riittävä kostutus, sillä sulat alumiiniseokset kostuttavat huonosti useimpia keraameja. Lisäksi voi lujitteiden ja sulan välillä tapahtua haitallisia rajapintareaktioita sulasekoitusprosesseissa vallitsevien korkeiden lämpötilojen ja suhteellisen pitkien pitoaikojen vuoksi /4/.

Riittävän sidoksen aikaansaamiseksi voidaan materiaalien välistä kostutusta keinotekoisesti lisätä pinnoittamalla lujitteet, lämpökäsittelemällä ne tai lisäämällä sulaan sen pintajännitystä alentavia seosaineita (esim. magnesium ja/tai kalsium Al- SiC seoksessa) /43, 47/.

4. ALUMUNIKOMPOSIITTIEN MUOVATTAVUUTEEN VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ

Metallisten materiaalien muovattavuus riippuu metallurgisista tekijöistä ja ulkoisista prosessiolosuhteista /48/.

Materiaalit, joilla on alhainen muodonmuutoslujuus (myötölujuus) ja suuri muodon- muutoskyky ovat parhaiten muovattavia /48, 49/. Alhainen muodonmuutoslujuus on tärkeä ominaisuus, sillä se vaikuttaa muovausprosessin voimantarpeeseen ja työkalujen kestoikään kaikissa muovausmenetelmissä. Työkappaleen murtumisen ja halkeamisen estämiseksi on puolestaan materiaalin muodonmuutoskyvyn ylitettävä tietty muovausmenetelmästä riippuva kynnysarvo. Muodonmuutoskykyä kuvaavina suureina on käytetty mm. murtovenymää, murtokuroumaa, n-arvoa sekä tyssäys- tai puristuskokeilla määritettyä korkeusreduktion arvoa murtumishetkellä.

4.1 Metallurgiset tekijät

Alumiinimatriisikomposiittien ominaisuuksiin ja muovattavuuteen keskeisesti vaikuttavia metallurgisia tekijöitä ovat lujitteen määrä, koko, muoto ja jakautuminen, matriisin seostus sekä matriisin mikrorakenne, johon voidaan tehokkaasti vaikuttaa lämpökäsittelyllä ja/tai varsinaista muovausta edeltävällä esimuokkauksella.

4.1.1 Lujitteen määrä

Alumiiniseosten myötö- ja murtolujuudet kasvavat yleensä lujitepitoisuuden mukana /31, 50-52/. Suurin keskimääräinen kasvu saavutetaan alhaisen ja kohtalaisen lujuuden omaavissa alumiiniseoksissa. Erittäin lujissa seoksissa on huoneen­

lämpötilassa mitattujen myötö- ja murtolujuuksien kasvu tyypillisesti vähäistä (taulukko 3).

Taulukko 3. SiC partikkeleita 20til.% sisältävien Al-komposiittien ja vastaavien lujittamattomien matriisiseosten tyypillisiä lujuusominaisuuksia/50/.

TABLE 1 Typical properties of 20tv SiC composites and their matrix alloys.

Material 0.2* Proof stress UTS Ductility

(MPa) (MPa) *

Al-1100 35 90 35

Al-1100 ♦ SiC 90 180 10-15

Al-6061 IT6I 275 310 12

Ai—6061 (T6I + Sic 400 500 5-6

Al-2024 (T6) 395 495 10

At-2024 (Тб) ♦ Sic 400 520 3-4

Al-7075 (Тб) 500 570 12

Al-7075 (Тб) + Sic 450 550 3-4

Ai-8090 (Тб) 480 530 6

Ai-8090 (Тб) + Sic 500 530 2-3

Lujitepitoisuuden vaikutus komposiittien sitkeysominaisuuksiin on selvä ja yksiselitteinen: sitkeys laskee lujitepitoisuuden kasvaessa. Kuvassa 10 on esitetty lujitepitoisuuden vaikutus vetokokeella määritettyyn sitkeyteen (todelliseen murtovenymään) /31/. Vastaavanlainen riippuvuus on saatu myös tasomuodon- muutostilaisen murtumissitkeyden (Kic) ja lujitepitoisuuden /53, 54/ sekä elastis- plastisen murtumissitkeyden (Jic) ja lujitepitoisuuden /55/ välille.

O 150

O 2014 tASC О 1*и* Á,?0$ .7014

Д *►- Al, О,. 2014 V 1»и» AijOj.2014

о 2024 »ASt ф iaí„*A«70 J ,2024

■ 1А|»жА1,0 1.2024 A Sk«A|,0 ,.2024

▼ 1 „ж Al,О,. 2024

С DCLSON AO BALDWIN

О 125

О 100

0 075

0 050

VOLUME FRACTION.у

Fig. 10. Ductility versus volume fraction of А1гО, particles for different aluminum alloy composites.4*

Kuva 10. AI2O3 partikkelipitoisuuden vaikutus AA2014 ja AA2024 pohjaisten komposiittien todelliseen murtovenymään /31/.

Lloyd /13/ on tutkinut SiC-partikkelipitoisuuden ja vanhennusajan vaikutusta seoksen AA6061 muokkauslujittumiseksponentin arvoon. Kuvasta 11 havaitaan, että materiaalin muokkauslujittumiseksponentti pienenee voimakkasti partikkeli- määrän ja vanhennusajan (matriisin lujuustason) kasvaessa.

-o- 6061 6061 -10%SiC 6061 - 20% SiC

16 24 Aging Time (hours)

Fig. 5. Variation of the work hardening index, n, with ageing time.

Kuva 11. Vanhennusajan vaikutus alumiiniseoksen AA6061 sekä alumiinikompo- siittien AA6061-10til.% SiCp ja AA6061-20til.% SiCp muokkaus­

lujittumiseksponentin n arvoon /13/.

4.1.2 Lujitteen jakauma

Epätasainen lujitejakauma heikentää komposiitin sitkeysominaisuuksia, sillä se johtaa alueisiin, joilla on suuri paikallinen lujitepitoisuus ja siitä johtuva suurentunut murtumisherkkyys /50, 56/. Komposiiteilla suoritetut kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että epähomogeenisen lujitejakauman todennäköisyys kasvaa lujitepitoi- suuden ja lujitteiden pituus-halkaisijasuhteen kasvaessa ja lujitekoon pienentyessä /40, 56, 57/.

4.1.3 Lujitteen koko

Pienempien partikkeleiden on todettu nostavan komposiittien myötö- ja murto- lujuuksia enemmän kuin suurten /58, 59/. Arsenaultin et ai. /58/ mukaan tämä

johtuu ennenkaikkea siitä, että pienemmät partikkelit synnyttävät rakenteeseen suuremman dislokaatiotiheyden ja hienomman sellikoon (kuva 12).

PARTICLE DIAMETER (D) цт

Fig. 1. The change in the yield stress as a function of SiC particulate size. The matrix is a 1100A1 alloy. The com­

posite is in the annealed condition.

20V% StG? /1100 AI

■ DISLOCATION DENSITY

• SUBGRAIN SIZE 1.5 -

4 £

PARTICLE SIZE (D) pm

Fig. 6. The change in dislocation density as a function of particulate size.

(a) (b)

Kuva 12. Partikkelikoon vaikutus pehmeäksihehkutetun AA1100-20til.% SiC komposiitin a) myötölujuuteen b) dislokaatiotiheyteen ja sellikokoon /58/.

Partikkelikoolla ei ole havaittu olevan merkittävää vaikutusta alumiinimatriisi- komposiittien murtumissitkeyteen /53/ sen paremmin kuin murtovenymään ja murtokuroumaan /58/ partikkelikoon ollessa alle 20 Jim. Tätä huomattavasti suurempien lujitteiden (> 100 [im) on sensijaan todettu heikentävän materiaalien sitkeysominaisuuksia /53, 60/.

4.1.4 Matriisin seostus

Alumiiniseosten muovattavuus vaikeutuu yleensä seostuksen kasvaessa. Seosaineet kohottavat alumiinin muodonmuutoslujuutta ja muokkausvoiman tarvetta sekä edesauttavat murtuman syntymistä. Eniten muodonmuutoslujuutta nostavat suuren jähmeäliukoisuuden alumiiniin omaavat seosaineet kuten kupari, magnesium ja pii.

Alhaisen liukoisuuden omaavien seosaineiden kuten kromin, mangaanin, titaanin ja zirkonin vaikutus on vähäisempi. Riittävän suurissa määrissä ne voivat kuitenkin muodostaa metallien välisiä yhdisteitä suurina erkaumina edistäen näin murtuman syntymistä/12/.

Kuvassa 13 on esitetty seostuksen vaikutus alumiinin suhteelliseen taottavuuteen ilmaistuna muodonmuutoksen suumutena käytettyä energiamäärää kohden. Samasta kuvasta selviää myös kunkin seoksen sopivin taontalämpötila.

Forging temperature, eF 700 750 800 850 900

Alloy 6061

2014 7010, 7075,

7049, 7050

Forging temperature, °C

Fig. 2 Forgeobility and forging temperatures of various aluminum alloys

Kuva 13. Alumiiniseosten suhteellinen taottavuus /9/.

4.1.5 Matriisin lämpökäsittelyillä

Muokattavat alumiiniseokset ja komposiitit, joiden seosainepitoisuudet ovat suuret, homogenisoidaan usein ennen kuumamuovausta. Homogenisointihehkutus tasoittaa rakenteessa varsinkin valun jäljiltä jääneitä konsentraatioeroja ja parantaa kuuma- muovattavuutta /12, 40/. Huolellisesti suoritetun homogenisointihehkutuksen on lisäksi havaittu parantavan komposiittien mekaanisia ominaisuuksia sekä helpottavan mm. karkenevien seosten liuotushehkutusta /40/.

Alumiiniseokset kylmämuovataan tavallisesti pehmeäksihehkutetussa tilassa. Jotkut karkenevat alumiiniseokset soveltuvat varsin hyvin kylmämuovaukseen välittömästi lioutuskäsittelyn jälkeen, sillä erkautuskarkeneminen tapahtuu huoneenlämpötilassa hitaasti. Keinovanhennetun materiaalin kylmämuovattavuus on hyvin rajoitettu /11, 12/.

4.1.6 Edeltävä muokkaus

Useimmat komposiittiaihiot esimuokataan ennen varsinaista tuotteeksi tapahtuvaa muovausta (esim. takomista) /40/. Esimuokkauksen päätarkoituksena on parantaa toisaalta komposiittimateriaalin muovattavuutta ja toisaalta valmiin tuotteen mekaanisia ominaisuuksia.

Dutta et ai. /61/ tutkivat kuumamuokkauksen vaikutusta sulasekoitusmenetelmällä valmistetun AA5083-10til.% SiCp komposiitin mikrorakenteeseen ja ominai­

suuksiin (kuva 14). He havaitsivat, että komposiitin sitkeys kasvaa huomattavasti kuumamuokkausasteen kasvaessa lujuusominaisuuksien pysyessä lähes muuttu­

mattomina. Parantuneen sitkeyden katsottiin johtuvan matriisissa olevien huokosten sulkeutumisesta, matriisin hienontuneesta raerakenteestä sekä lujitepartikkelien tasaisemmasta jakautumisesta.

% Total Hot Reduction

20

15

10

5

"О

C

о

Figure 9 : Yield strength (YS), ultimate tensile strength (UTS) and percent elongation to failure as a function of percent hot-work.

kuva 14. Kuumamuokkausasteen vaikutus AA5083-10til.% SiCp komposiitin myötölujuuteen (YS), murtolujuuteen (UTS) ja murtovenymään /61/.

McDanels /52/ saavutti korkeampia murtovenymän arvoja voimakkaasti kuumamuo- katuissa jauhemetallurgisissa Al-SiC komposiiteissa verrattuna kirjallisuudessa esiintyviin arvoihin vähemmän kuumamuokatuille komposiiteille. Tämän hän arveli johtuvan voimakkaammin muokattujen komposiittien pienemmästä huokoisuu­

desta, tasaisemmasta lujitejakaumasta ja matriisissa olevien nauhamaisten sulkeumien tehokkaammasta hajoamisesta muokkauksessa.

H arri gan et al. /62/ käyttivät kuumamuokkausta hyväksi parantaessaan jauhe- metallurgisten AA6061-SiCp komposiittien partikkelijakaumaa, murtolujuutta ja murtovenymää. Kuumavalssauksen todettiin parantavan sitkeyttä reduktioasteen ollessa noin 64 % ja sitä suurempi kun taas lujuusominaisuuksien parannus kävi ilmeiseksi vasta 80 % tai tätä suuremmilla reduktioasteilla.

Kuumapursottamalla valmistettaville jauhemetallurgisille alumiini- ja alumiinikom- posiittiaihioille suositellaan vähintään 10:1 suuruisia pursotussuhteita riittävän muovattavuuden ja hyvien mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi /23, 40/

Tätä pienempien pursotussuhteiden käyttö ei riko tarpeeksi tehokkaasti jauheiden päällä olevaa oksidikerrosta eikä riitä murskaamaan ja hajauttamaan komposiiti- aihioissa olevia lujiterykelmiä. Parhaimmat ja tasaisimmat ominaisuudet saavutetaan käyttämällä vähintään 30-40:1 pursotussuhteita, mutta tämä rajoittaa pursotteiden poikkileikkauksen kokoa ja vaatii lisäksi tehokkaan puristimen. Taulukossa 4 on esitetty pursotussuhteen vaikutus jauhemetallurgisten Al-Si-X seosten kriittiseen korkeusreduktioon 450°C: n koelämpötilassa.

Taulukko 4. Seostuksen ja pursotussuhteen vaikutus jauhemetallurgisten Al-Si-X seosten kriittiseen reduktioon lämpötilassa 450°C /23/.

Table 3 Results of the upsetting test_______________ ________

Sample Sample name Atomizing Extrusion Maximum reduction

Na ГПаср PaS ratio X ______

No. (Base metal) gas ratio Z

1 12Si (2014) air 13 77 (74-79)

2 20Si (2014) air 13 63 (62-64)

3 12Si-5Fe(2014) air 13 59 (58-59)

4 20Si-5Fe(2014) air 13 48 (44-50)

5 20Si-5Fe air 13 60 (58-61)

6 20Si-8Fe(2014) air 13 40 (38-44)

7 20Si-5Fe-2Ni air 13 70 (69-72)

8 20Si-5Fe-2Ni argon 13 71 (70-72)

9 20Si-5Fe-2Ni nitrogen 13 71 (70-73)

10 20Si-5Fe-2Ni air 2 60 (57-61)

11 20Si-5Fe-2Ni air 8 69 (67-71)

12 20Si-5Fe-2Ni air 26 74 (72-75)

13 20Si-5Fe-2Ni air 41 75 (72-76)

4.2 Muovausolosuhteet

Materiaalin muovattavuuteen olennaisesti vaikuttavia prosessimuuttujia ovat lämpötila, muodonmuutosnopeus, jännitystila ja voiteluolosuhteet.

4.2.1 Lämpötila

Alumiinikomposiittien myötö- ja murtolujuudet laskevat yleensä lämpötilan noustessa, vaikkakaan lasku ei yleensä ole yhtä nopeaa kuin lujittamattomilla matriisiseoksilla (kuvat 15 ja 16) /31, 51, 63/. Nopein lasku tapahtuu tyypillisesti lämpötila-alueella 200 - 300 °C, minkä jälkeen lujuuden lasku yleensä tasaantuu samalla kun materiaalin muokkauslujittumisnopeus pienenee (kuva 17)/31, 51, 64/.

Noin 500 °C: n lämpötilassa saattaa komposiitin muodonmuutoslujuus laskea matriisiseosta alhaisemmaksi samalla kun sen muodonmuutosnopeusherkkyys (strain rate sensitivity) kasvaa. Tämän on katsottu johtuvan hienorakeisen komposiitin alkavasta raerajaliukumisesta /65/.

SiC/AI

AI CONTROL

0 IOO 200 300 400

TEMPERATURE (C)

[i-~

Kuva 15. Lämpötilan vaikutus myötölujuuteen sekä seoksessa AA2024-F että AA2024-F - pohjaisessa matriisissa, missä on 21 til.% SiC-viskereitä /63/.

600 -

SiC/AI

500 -

Al CONTROL

400 - ы 300 - 200 ^-

100 -

100 200

TEMPERATURE (C)

pig. 5 - Ultimate tensile strength as a function of temperature for the SiC/AI composite and for the 2024 A1 control. (1 MPa - 0.145 ksi.)

Kuva 16. Lämpötilan vaikutus murtolujuuteen sekä seoksessa AA2024-F että AA2024-F - pohjaisessa matriisissa, missä on 21 til.% SiC-viskereitä /63/.

Uelfor»

T*mp#filur#*(C)

Fig. 1. Work hardening and uniform elongation for 2S composite. (E = 5x10 s ⁾

Kuva 17. Lämpötilan vaikutus AA1200-15til.% SiCp komposiitin muokkaus- lujittumisnopeuteen ja tasavenymään muodonmuutosnopeudella è = 5xl0"2 s'1 /64/.

Alumiinikomposiittien tasavenymän on todettu laskevan lämpötilan ylittäessä muutoslämpötilan 200 - 300 °C (kuva 17) /64/, mutta koska kuroutuminen samalla yleensä voimistuu /52, 63/, kokonaisvenymä (= tasavenymä + paikallisen kurouman venymä) tavallisesti lisääntyy (kuva 18). Noin 500 °C :ssa ja tätä suuremmissa lämpötiloissa komposiitin sitkeys tavallisesti laskee matriisiseoksen alkavan sulamisen ja rakeiden läpi etenevän murtumisen seurauksena /65, 66/.

6e'

AI CONTROL

S'C/AI

r---- NO NECKING

OO 200 30

TEMPERATURE (C)

. plastic fracture strains plotted on a logarithmic scale versus for the S1C/A1 composite and for the 2024 Л1 control.

Kuva 18. Lämpötilan vaikutus murtovenymään sekä seoksessa AA2024 että AA2024-pohjaisessa matriisissa, missä on 21 til.% SiC:a /63/.

Humphreysin /50/ mukaan voidaan edellä esitettyjen kokeellisten havaintojen perusteella alumiinikomposiitten deformaatiokäyttäytymisessä todeta kolme selvästi erottuvaa lämpötila-aluetta:

T< 200 - 300 °C Suuri muokkauslujittuminen, korkea muodonmuutoslujuus, alhainen sitkeys (muovattavuus)

T> 200 - 300 °C Pieni muokkauslujittumisnopeus, parantunut sitkeys (muo­

vattavuus)

T> 500°C Heikentynyt sitkeys (muovattavuus), suuri muodonmuutos- lujuusherkkyys, raerajoihin liittyvä murtuminen.

Kanetake /22/ tutki lämpötilan vaikutusta sintratun sekä sintratun ja pursotetun (pursotuslämpötila 200 tai 450 °C, pursotussuhde 6:1) Al-seoksen (99,5 %) ja partikkelilujitettujen Al-10til.% AI2O3 komposiittien kriittiseen korkeusreduktioon (kuva 19).

Extruded Slnt-

Vf« O % ---- O

Upsetting Temperature /°С

Fig.9 Critical reduction in height in upsetting at various tem­

peratures.

Kuva 19. Lämpötilan vaikutus sintrattujen sekä sintrattujen ja pursotettujen Al- seosten ja Al-10til.% AI2O3 komposiittien kriittiseen korkeusreduktioon tyssäyksessä /22/.

Lujittamattomien seosten kriittinen reduktio vaihtelee valmistusprosessin mukaan.

Pelkästään sintrattujen seosten kriittinen reduktio kasvaa lämpötilan suuretessa.

Lämpötilassa 200 °C pursotetuilla seoksilla on heikoin tyssättävyys, vaikka myös niiden reduktio kasvaa lämpötilan kasvaessa. Syynä materiaalien heikompaan tyssättävyyteen on alhaisesta pursotuslämpötilasta johtuva muokkauslujittuminen.

Lämpötilassa 450 °C pursotetuilla seoksilla on paras tyssättävyys huoneen- ja 200

°C: en lämpötilassa, mutta 450 °C:en lämpötilassa todettiin tyssättävyys heikommaksi kuin pelkästään sintrattujen materiaalien.

Komposiittien tyssättävyys paranee lämpötilan noustessa. Tosin niiden kriittinen korkeusreduktio on aina noin 30 - 40 % alhaisempi kuin lujittamattomien seosten.

Komposiittien tapauksessa ei materiaalien valmistusmenetelmällä näytä olevan suu­

rempaa vaikutusta tyssäysominaisuuksiin, joskin 450 °C:ssa pursotetulla materiaa-

lilla on hieman suurempi kriittisen korkeusreduktion arvo huoneenlämpötilassa.

Kanetaken /22/ mukaan tämä viittaa siihen, että komposiittien tyssättävyyttä kontrol­

loivat pääasiassa lujitteen määrä ja tyssäyslämpötila, eikä valmistuksen yhteydessä mahdollisesti tapahtuvalla muokkauslujittumisella juurikaan ole merkitystä.

Suzuki et ai. /67/ sekä Fujita et ai. /68/ tutkivat sulapuristusvalettujen AA6061- 20til.% SiCw - ja AA2024-20til.% SiCw komposiittien muovattavuutta lämpötila- alueella 300 - 500 °C (kuva 20). Tutkimustulosten mukaan voidaan AA6061- pohjainen komposiitti tyssätä murtumatta noin 60 % korkeusreduktioon lämpötila- alueella 400 - 500 °C. AA2024-pohjainen komposiitti voidaan puolestaan tyssätä noin 50 % reduktioon lämpötila-alueella 400 - 450 °C. Lämpötila-alueella 450 - 500

°C havaittu muovattavuuden lasku johtuu matriisiseoksen alkavasta sulamisesta /67/.

20%SiCw./2024 O • as east Д A as homonized 20%SiCw./606 I

O • as east

д A as homonized

n 500 O 500 -

o ô À

450 -

0/ é

E 400 -

no cracks, no cracks

with cracks with cracks

Reduction Reduction

(a) 20ZSÍCW./6061. (b) 2<ttSiCv./2024

Fig.4-4 Formability of squeeze case billet.

kuva 20. Sulapuristusvalettujen AA6061-20til.% SiCw ja AA2024-20til.% SiCw komposiittien muovattavuus lämpötila-alueella 300 - 500 °C /68/.

4.2.2 Muodonmuutosnopeus

Alumiiniseosten ja komposiittien muodonmuutoslujuus kasvaa yleensä muodon­

muutosnopeuden lisääntyessä (kuvat 21 ja 22) /12, 66, 69-72/. Kylmämuovauk- sessa on nopeuden vaikutus yleensä varsin vähäinen, mutta muodonmuutos­

nopeuden vaikutus kasvaa kuumamuovauksessa, jolloin muokkausvoiman tarve kasvaa selvästi nopeuden kasvaessa.

e = 0.4 д T = 400'C

Strain rate, s

Fig. 3. Strain rate influence on flow stress.

Kuva 21. Muodonmuutosnopeuden vaikutus pursotustilaisen AA6061 seoksen muodonmuutoslujuuteen, kun todellinen venymä e = 0,4 /69/.

STRAIN RATE (/SEC.)

Figure 3b - Effect of Strain Rate on Flow Stress at 0.45 Strain for As-Cast 20 vol % SiC Particle-Reinforced 6061 Aluminum Composite

Kuva 22. Muodonmuutosnopeuden vaikutus valutilaisen AA6061-20til.% SiCp komposiitin muodonmuutoslujuuteen, kun todellinen venymä ë = 0,45 /70/.

Vakiolämpötilassa suoritetussa kuumamuovauksessa voidaan lujuuden (a) riippu­

vuutta muodonmuutosnopeudesta (è) kuvata konstitutiivisella yhtälöllä

o = Kèm , (H)

jossa K on vakio ja m on muodonmuutosnopeuseksponentti. Muodonmuutosno- peuseksponentti on muodonmuutosnopeusriippuvuuden mitta. Sen arvo on logarit­

miseen koordinaatistoon piirretyn yhtälön (11) kuvaajien kulmakerroin (kts. kuvat 21 ja 22). Mitä suurempi m-arvo sitä enemmän materiaalin lujuus riippuu muodon­

muutosnopeudesta ja sitä paremmin materiaali vastustaa paikallisen kurouman syntyä /73/.

Alumiinikomposiittien m-arvot ovat yleensä alle 0,2 (taulukko 5), jotka vastaavat 1 ujittamattomien alumiiniseosten m-arvoja /66, 70, 71/. Tarkasti määrätyissä olosuhteissa voi joillakin komposiiteilla kuitenkin m-arvo olla suurempi kuin 0,3 , jolloin niiden superplastinen muovaus käy mahdolliseksi /74-76/.

Taulukko 5. Valutilaisten AA6061-10til.% SiCp ja AA6061-20til.% SiCp komposiittien m-arvoja lämpötila-alueella 300-550°C /70/.

Table 1 - Strain Rate Sensitivity for As-Cast SiC Particle-Reinforced

6061 Aluminum Composites

Temperature 10 voi % 20 voi % C

300 0.06 0.06

350 0.08 0.09

400 0.10 0.11

450 0.13 0.13

500 0.16 0.15

550 0.17 0.17

Muodonmuutosnopeuden vaikutuksesta sitkeyteen on vaikea tehdä mitään yleispäteviä johtopäätöksiä, sillä sitkeyteen vaikuttavat muodonmuutosnopeuden lisäksi myös itse muovattavan materiaalin ominaisuudet sekä muovauslämpötila.

Kuvassa 23 on esitetty jauhemetallurgisesti valmistetun seoksen AA6061 kuumakiertokokeella määritetty sitkeys lämpötilan funktiona eri muodonmuutos­

nopeuksilla. Kuvasta nähdään, että suurin sitkeys saavutetaan tietyllä muodon­

muutosnopeus-lämpötila yhdistelmällä (è = 0,5 s-1, T = 400 °C ). Lisäksi nähdään,

että vakiomuokkausnopeudella lämpötilan nosto parantaa sitkeyttä tiettyyn pisteeseen asti, jonka jälkeen sitkeys jälleen laskee. Kuvasta 23 nähdään edelleen, että muovausnopeuden kasvaessa sitkeys nousee ja venymähuiput siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin /69/.

n à - 0.005 s

* ¿ = 0.05 s

200 250 300 350 400 450 500 550

Temperature. * C

Fig. 8. Temperature and atrain rate influence on ductility.

Kuva 23. Muodonmuutosnopeuden vaikutus jauhemetallurgisen seoksen AA6061 sitkeyteen lämpötilan funktiona /69/.

Pickens et ai. /66/ tutkivat kuumakiertokoetta käyttäen muodonmuutosnopeuden vaikutusta AA6061-20til.% SiCw ja AA7090-20til.% SiCw komposiittien sekä vastaavien lujittamattomien alumiiniseosten sitkeyteen vakiolämpötilassa 427 °C.

Kuvasta 24a nähdään, että molempien komposiittien sitkeys kasvaa muodon­

muutosnopeusalueella 0,001 - 0,1 s'T Tätä suuremmilla muovausnopeuksilla kääntyy AA7090-pohjaisen komposiitin sitkeys verrattain selvään laskuun AA6061- pohjaisen komposiitin sitkeyden pysyessä lähes muuttumattomana aina muovaus- nopeuteen è= 10 s-1 asti.

Tarkasteltaessa lujittamattomien seosten käyttäytymistä havaitaan seoksen AA7090 sitkeyden laskevan monotonisesti muodonmuutosnopeuden kasvaessa, kunnes se nopeudella 0,1 s"1 saavuttaa verrattain vakiintuneen arvon (kuva 24a).

Lujittamattomalla AA6061-seoksella havaitaan puolestaan muita koemateriaaleja selvästi suurempi venymähuippu muodonmuutosnopeudella 0,1 s"1 (kuva 24b).

EQUIVALENT TENSILE STRAIN RATE (s I

Deformation Temperature =

TOOK (800°F)

Deformation Temperature =

7090*?0 vol.% SiC 700K (800 F)

Fig. 13— Dramatic differences in behavior of strain-lofailure « strain rate plots for the four alloys. Note the much greater e, for 6061 (*) than for the other alloys (a).

Kuva 24. Muodonmuutosnopeuden vaikutus a) AA6061-20til.% SiCw ja AA7090- 20til.% SiCw komposiittien sekä seoksen AA7090 ja b) seoksen AA6061 sitkeyteen lämpötilassa 427 °C /66/.

4.2.3 Jännitystila

Merkittävä muovattavuuteen vaikuttava tekijä on muovausjännitysten vaikutustapa.

Muovauksen yhteydessä syntyvät murtumat liittyvät tavallisesti veto- ja leikkausjännityksiin. Tämän vuoksi on huonon muovattavuuden omaavia materi­

aaleja muovattaessa menetelmä suunniteltava niin, että niitä pinnan osia, joihin normaalitapauksessa vaikuttaa veto- tai leikkausjännitys, tuetaan ulkopuolisella puristuksella /48/.

Käyttämällä riittävän suurta ulkoista hydrostaattista painetta voidaan verrattain hauraitakin aineita muovata plastisesti. Hydrostaattinen paine ehkäisee nimittäin tehokkaasti materiaalivikojen ydintymistä ja laajenemista ja parantaa näin esimerkiksi alumiinikomposiittien sitkeyttä (kuva 25) /77-79/. Ulkoisen hydrostaattisen paineen edullista vaikutusta käytetään hyväksi mm.

hydrostaattisessa pursotuksessa, jossa materiaali pursotetaan nestepaineen avulla matalapainekammioon /73/. Hydrostaattisen paineen edullinen vaikutus voidaan saavuttaa myös ilman korkeapainelaitteistoja tukemalla hauras aine helposti muovattavasta metallista tehdyllä kuorella. Viimeksi mainittua menetelmää ovat käyttäneet hyväkseen M ah ajan et ai. /80/, jotka takoi vat ja valssasivat Al-SiCp komposiitteja lujittamattomasta Al-seoksesta valmistetun renkaan sisällä. Puristavan renkaan ansiosta kyettiin aikaisemmin vaikeuksia tuottanut voimakas reunahalkeilu lähes kokonaan eliminoimaan.

20H AI . 20% SiC ( T6 condition )

Pressure (MPa)

Fig. 3. Influence of hydrostatic pressure on the fracture strain of the particulate-reinforced composite.

Kuva 25. Ulkoisen hydrostaattisen paineen vaikutus AA2014-20til.% SiC-Тб komposiitin sitkeyteen (todelliseen murtovenymään) /77/.

4.2.4 Kitka

Muovattavan kappaleen ja työkalujen välissä vaikuttava kitka on tekijä, joka käytännön muovausprosesseissa on aina otettava huomioon. Kitka vaikuttaa materiaalin virtaamiseen, työkalujen kulumiseen, tuotteen pinnanlaatun ja muovaus- voiman taipeeseen. Voitelun ja työkalun pinnanlaadun ja/tai pintamateriaalin kautta voidaan vaikuttaa kitkan suuruuteen. Yleensä pyritään mahdollisimman pieneen kitkaan, jolloin muovausvoimantarve ja työkalujen kuluminen pienenevät sekä yleensä myös materiaalin virtaus kappaleessa tasoittuu /8,48,49/.

Kitkan luonteesta johtuen siitä saatu tieto on enemmän kokeellista kuin matemaattis- analyyttistä. Kuitenkin muovausvoimien määrittämistä ja eri voiteluaineiden lajitte­

lua varten on välttämätöntä käsitellä kitkaa myös kvantitatiivisesti, esim. kitka- kertoimen tai kitkavakion avulla /48/.

Kitkan aiheuttama leikkausjännitys т määritetään tavallisesti joko kokeellisen kitkakertoimen ц (0 < |i < 0.577) ja lasketun normaalipaineen p avulla

T = |i p

tai

kitkavakion m (0 < m < 1) ja materiaalin leikkauslujuuden k (a/3) avulla

T = m k. (^)

Kun normaalipaine p on niin pieni, että ц p < т esimerkiksi levyjen muovaus- prosesseissa käytetään kitkalaskelmissa ensinnä esitettyä kaavaa. Massiivisissa muovausprosesseisssa yleensä toimii jälkimmäinen, normaalipaineesta riippumaton kaava/48, 81/.

Seuraavassa on joitakin kitkavakion arvojen suuruusluokkia /48/ :

- m = 0,05 - 0,15 käytettäessä fosfaatti-saippua- tai öljyvoiteluaineita mm. teräksen, kuparin tai alumiinin kylmämuovauksessa.

- m = 0,2 - 0,4, kun käytetään grafiitti-öljy (vesi)-sekoitteita voiteluaineena mm.

teräksen, kuparin tai alumiinin kuumamuovauksessa.

- m = 0,1 - 0,3, kun käytetään lasisulaa voiteluaineena mm. titaanin tai kuumalujien seosten kuumamuovauksessa.

- m = 0,7 - 1,0, kun ei käytetä voiteluainetta, esimerkiksi levyjen tai laattojen kuumavalssauksessa tai alumiiniseosten kuumapursotuksessa.

Kitkakerroin tai kitkavakio voidaan luotettavasti ja verrattain yksinkertaisesti määrittää rengaskokeella muovausprosessia jäljittävissä olosuhteissa /48, 49, 81/.

Siinä muovattavasta materiaalista valmistettu rengas, jonka uiko- ja sisähalkai- sijoiden sekä korkeuden suhde toisiinsa on 6:3:2, tyssätään määrättyyn reduktioon (yleensä 40...60%). Tyssäyksen jälkeen mitataan renkaan sisähalkaisijan suhteellinen muutos ja verrataan sitä kuvan 26 mukaisiin käyrästöihin. Käyrästöltä voidaan suoraan lukea kitkakertoimen arvo.

m = 1.0

Reduction in height irA » Original dimensions

- of specimen:

OD = 3/4 in.

ID = 3/8 in.

~ Height = 1/4 in.

E 20

-0.055

-0.02

Reduction in height (%)

FIGURE 4.18 Charts to determine friction in ring compression tests, (a) Coefficient of friction /t. (b) Friction factor m. Friction is determined from these charts, from the percent reduction in height and by measuring the percent change in the internal diameter of the specimen after compression.

Kuva 26. Sisähalkaisijan suhteellinen muutos reduktion ja a) kitkakertoimen suhteen sekä reduktion ja b) kitkavakion suhteen käytettäessä rengas- näytettä kitkan määrittämisessä /49/.