nitriding of aluminium alloy

8th International Tribology Conference, 8. - 10. Oktober 2003., Belgrade, Serbia 105

PULSE PLASMA NITRIDING OF ALUMINIUM ALLOY EXTRUSION DIES

Veljko ZLATANOVI, Batalab, Beograd

Milorad ILI, Tehnomarket, Panevo Miodrag ZLATANOVI, Elekrotehniki fakultet u Beogradu

S u m m a r y The service life of aluminium alloy extrusion dies was investigated by field testing in production equipment. Two types opf die bearing surface treatment were applied: conventional plasma nitriding and pulse plasma nitriding. In the laboratory experiments the ability of pulse plasma to enter deeply into small openings of complicated geometry was investigated. It was found that the inner bearing surface can successfull. be nitrided by applying a pulse plasma with 57 s on period and 3s off period. The dies made of steel grade H13 were plasma nitrided in conventional and pulse plasma equipment and the number of extrusions of aluminium alloy AA 6063 profiles was used as the tool operation criterion. After testing period, the conventionally plasma treated dies were subjected to pulse plasma nitriding. The number of extrusions between two subsequent nitriding was found to be 1.9 3.9 times larger in case of pulse plasma compared to conventional plasma treatment.

Keywords: pulse plasma nitriding, extrusion dies,tool wear, tool life 1. UVOD

ipke razliitih profila, cevi, ice i drugi proizvodi izraeni od aluminijumskih legura iroko se primenjuju u industriji i graevinarstvu. U poreenju sa elikom, proizvodnja aluminijuma neprekidno se poveava. Legure aluminijuma su idealne za obradu izvlaenjem zahvaljujui njiho-voj niskoj tvrdoi i plastinosti na povienoj temperaturi. Graevinska stolarija izraena od legura aluminijuma ima superiorne karakteristike u odnosu na klasinu zasnovanu na preradi drveta, a dizajn fasada u savremenoj arhitekturi iroko koristi kombinaciju aluminijumskih profila i stakla, uz mogunost integrisanja urbane solarne arhitek-ture. U postupku ekstruzije, valjkasti blokovi legure aluminijuma zagrevaju se do temperature pogodne za izvlaenje profila i hidraulinom presom istiskuju kroz otvore alata oblikovane na osnovu zahteva za dobijanje odreenog Al profila. Istisnuta legura se izvlai odreenom silom kako bi se postigao pravolinijski oblik profila. Tokom

ekstruzije, radne povrine alata izraenog od elika izloene su intenzivnom adhezivnom, abrazivnom i termikom habanju, kao i dejstvu korozije u kontaktu sa zagrejanim aluminijumom. Alat se pre poetka rada zagreva na temperaturu od 300-5000C, dok temperatura legure, prethodno predgrejane u komori, tokom izvlaenja poraste u izvesnoj meri usled trenja i moe, zavisno od primenjenog postupka, dostii maksimalnu vrednost od 500-6200C. Za ekstruziju se koriste prese i od nekoliko tona, tako da je karakteristien pritisak u alatu oko 200 bar. Alat za ekstruziju mora posedovati dobra mehanika svojstva na povienoj temperaturi, kao i otpornost na koroziju, na termiki zamor i na abrazivno, athezivno, termiko, hemijsko i difuzino habanje.

Alati za ekstruziju najee se izrauju od elika AISI H13 (JUS .4753) i u praksi se ne koriste bez povrinske obrade u cilju dobijanja zahtevanih tribolokih osobina. Najee zastupljene metode obrade radnih povrina alata su nitriranje i depozicija zatitnih prevlaka, kao i


kombinacija ova dva postupka. Od postupaka nitriranja najvie se primenjuju nitriranje u sonom kupatilu i gasno nitriranje poto oba postupka omoguuju obradu uskih procepa (otvora) irine manje od 1 mm. Ree korienje sonih kupatila uslovljeno je ekolokim a ne tehnolokim razlozima. Jednu varijantu gasnog nitriranja specijalno namenjenu obradi alata za ekstruziju aluminijumskih legura razvila je firma Nitrex [1]. U novije vreme sa uspehom se primenjuju postupak nitriranja impulsnom plazmom [2], plazma oksidacija [3], depozicija tvrdih prevlaka [4,5] i takozvani duplex postupak [6,7].

U radu su prikazani rezultati eksploatacionih ispitivanja postojanosti nekih vrsta alata za ekstruziju aluminijumskih legura obraenih postupkom impulsnog plazma nitriranja i izvreno je poreenje sa alatima nitriranim klasinim postupkom u plazmi.

2. IMPULSNO PLAZMA NITRIRANJE

Jedan od savremenih naina formiranja nitriranog sloja na povrini materijala sa sadrajem gvoa je uspostavljanje tinjavog pranjenja (plazme) oko radnog komada koji predstavlja katodu gasnog pranjenja. Primenjen jednosmerni napon izmeu katode (uzorak) i anode (zid vakuum komore) moe biti kontinualan ili u impulsima ija se frekvencija kree u opsegu od 1 Hz do 500 kHz. Zbog mogunosti precizne kontrole povrinskih struktura i ekoloke prihvatljivosti, plazma nitriranje postepeno zamenjuje nitriranje u drugim aktivnim sredinama.

Plazma postupci nisu pogodni za obradu otvora malih prenika i uskih procepa kompleksne prostorne geometrije kao to su alati za izvlaenje profila od aluminijumskih legura. Pri obradi ovakvih delova moe doi do efekta uplje katode i lokalnog pregrevanja alata, kao i do slabog prodiranja plazme u procepe koje je potrebno nitrirati. Impulsna plazma znatno dublje prodire u male otvore i smanjuje verovatnou pojave efekta uplje katode u poreenju sa klasinim postupkom nitriranja u vremenski kontinualnoj plazmi [2].

2.1 Eksperiment obrade uskih otvora

Ureaj za plazma nitriranje u impulsnoj plazmi korien za eksperimente u ovom radu prikazan je u radovima [2,8]. Obrada alata klasinim plazma postupkom vrena je u industrijskom ureaju sa tinjavim pranjenjem koji kao radnu atmosferu koristi amonijak umesto smee gasova i kod koga nije mogua promene frekvencije plazma generatora. Oba ureaja su sa hladnim zidovima, odnosno vri se vodeno hlaenje zida vakuum komore. Uzorci su izraeni od elika za topli rad .4751 koji sadri manje legirajuih elemenata od elika korienog za izradu alata, ali zadovoljava uslove ispitivanja sposobnosti prodiranja tinjavog pranjenja u uske otvore. Na slici 1. prikazana je geometrija uzorka koji je sluio za ispitivanje sposobnosti prodiranja plazme u uske procepe u impulsnom reimu rada. Otvor je izabran tako da odgovara prosenoj geometriji procepa matirica alata za ekstruziju legura Al, a u eksperimentima su korieni uzorci sa dubinom kanala 8 mm i 12 mm. Obrada uzorka prve grupe vrena je pri standardnim parametrima procesa i pri frekvenciji tinjavog pranjenja od 16,7 kHz. Ova frekvencija izabrana je uz pretpostavku da dubina prodiranja plazme u uske procepe raste sa porastom frekvencije. Plazma je periodino uspostavljana i gaena pri emu je vreme trajanja napajanja plazme iznosilo on=57 s, a vreme trajanja pauze off=3 s.

Sl. 1 Geometrija uzorka za ispitivanja dubine

prodiranja nitriranog sloja

Tabela 1. Raspodela metalografske debljine zone difuzije d po dubini kanala (procepa) l

l [mm] 0 3.5 5.2 6.2 7 8 d [m] 78 67 56 45 29 16

Napomena: Na sredini dna kanala debljina nitrirane zone na osnovu mikrotvrdoe je ddif =38 m


Posle obrade u plazmi uzorci su preseeni po vertikalnoj osi u ravni normalnoj na ravan procepa radi posmatranja raspodele nitriranog sloja po dubini proreza. Nakon zatapanja i poliranja, debljina sloja na razliitim dubinama u procepu uzoraka odreivana je metalografski razvijanjem strukture nagrizanjem u 3% nitalu. Merenjem dubinskog toka mikrotvrdoe vreno je poreenje stvarne debljine sloja i vrednosti dobijene na osnovu metalografskih ispitivanja.

Na uzorku sa oznakom 4751/M38, pri vrhu ka-nala debljina zone difuzije iznosila je ddif =76 m, a debljina bele zone db =7 m, dok su pri dnu kanala izmerene vrednosti: ddif =31 m, db =7 m.

U istoj ari obraen je i uzorak od materijala priblinog sastava kao elik .4753 i oznaen oznakom 4751/M38-U. Raspodela metalograf-ske dubine nitriranog sloja na ovom uzorku merena po dubini otvora uzdu vertikalne ose uzorka data je u Tabeli 1. Iz tabele 1 se vidi da debljina difuzione zone relativno brzo opada idui od povrine kanala ka njegovoj dubini, ali se i metalografskom analizom, bez merenja dubinskog toka tvrdoe, moe konstatovati postojanje nitriranog sloja na dnu kanala. Metalografska debljina nitriranog sloja odreivanja je merenjem rastojanja od povrine poprenog preseka do dubine na kojoj je vidljivo nagrizanje strukture veeg intenziteta usled postojanja mehanikog napona u zoni difuzije. Ova debljina je manja od debljine odreene na osnovu snimanja dubinskog toka mikrotvrdoe.

Sl. 2 Struktura sloja na preseku uzorka 4751/M40-

U. Nital 3% Radi postizanja vee dubine zone difuzije

neophodne za primenu na alatima produeno je vreme nitriranja. Na slici 2 prikazan je izgled poprenog preseka nitrirane zone na povrini uzorka 4751/M40-U obraenog na ovaj nain. Jasno se uoava zona jedinjenja na povrini i zona difuzije ispod nje. Deljina zona difuzije iznosi ddif =150 m, dok je debljina bele zone db =15 m.

Merena je raspodela mikrotvrdoe u funkciji rastojanja od povrine poprenog preseka uzorka (dubinski tok) na razliitim mestima u kanalu i prikazana je na slici 3.

0 200 400

400

800

1200

na povr { i ni uzor k a ^ .4751/V40-U

HV0.05

HV 0

.05

Dubina [m] a)

0 100 200 300 400 500 600 700

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

sredina kanala na dubini od 4 mmuzorak ^ .4751/V40-U

HV0.05

HV 0

.05

Dubina [m] b)

0 300 600

500

1000

1500

sredina kanala na dubini od 2 mmuzorak ^ .4751/V40-U

HV0.05

HV 0

.05

Dubina [m] c)

0 200 400 600

400

800

1200sredina kanala na dubini od 6 mmuzorak ^ .4751/V40-U

HV0.05

HV 0

.05

Dubina [m] d)

Sl.3 Raspodela dubinskog toka mikrotvrdoe unutar kanala uzorka: a) na ulazu kanala b) na rastojanju 2 mm od gornje povrine uzorka c) na

rastojanju 4 mm d) na rastojanju 6 mm


Sl. 4. ematski prikaz ureaja za ekstruziju

Merenja pokazuju da impulsna plazma izvrsno

prodire u kanal i da se sa uspehom moe primeniti za obradu alata za ekstruziju aluminijuma sa procepima razliitih oblika i dimenzija.

Vaan zakljuak je da takozvano gusto pranjenje ne dovodi do lokalnog pregrevanja materijala alata i do izmene dubinskog toka mikrotvrdoe i tvrdoe osnovnog materijala.

3. EKSPLOATACIONA ISPITIVANJA

Ispitivanje postojanosti alata za ekstruziju legura aluminijuma u laboratorijskim uslovima zahteva konstruisanje ureaja koji to realnije simulira uslove u proizvodnji. U novije vreme realizovana su eksperimentalna postrojenja koja sa dosta uspeha predviaju ponaanje alata u eksploataciji [9], meutim, provera uoenih zakonitosti zahteva eksploataciona ispitivanja u proizvodnim uslovima.

Ispitivanje postojanosti alata za ekstruziju obraenih nitriranjem u impulsnoj plazmi vreno je u proizvodnom pogonu Tehnomarketa na ureaju iji je ematski prikaz dat na slici 4.

Za ispitivanje je odabrana grupa od 7 alata konstruisanih iz dva dela (trn i matrica), osim jednog koji je imao samo matricu. Pojedini alati su prethodno bili nitrirani klasinim plazma postupkom i za njih su postojali podaci o postojanosti. Na slici 5 prikazana su u preseku dva od odabranih profila koji su izvlaeni tokom eksploatacionih ispitivanja alata. Oba profila zahtevaju dvodelne alate koji se sastoje iz trna i matrice. Profil oznaen kao U1P1a ima debljinu zida od 1,2 mm, dok se kod profila TMF 2 debljina zida na pojedinim mestima razlikuje. Slika 6 je fotografija matrice alata za profil U1P1a, dok se trn postavlja u deo veeg otvora. Prikazani alat ima dve ile, odnosno omoguuje jednovremeno izvla-

enje dva profila. Kao oznaka alata usvojena je oznaka profila ijem izvlaenju su namenjeni.

Da bi se izbegla mogua pojava efekta uplje katode i lokalno pregrevanja alata, pre obrade u impulsnoj plazmi izvrena je selekcija alata po delovima, odnosno svih 13 delova (est dvodelnih alata i jedna matrica) podeljeno je u 3 grupe prema obliku radnih povrina, odnosno prema irini i dubini procepa.

a)

b)

Sl. 5 presek profila a) U1P1a i b) TMF 2


Grubo posmatrano, matrice i trnovi su obra-ivani u razliitim arama, s tim to je matrica profila U2P2 morala biti obraena samostalno u zasebnoj ari. Parametri procesa su odabrani u cilju dobijanja povrinskih slojeva maksimalne ilavosti. Posle ienja i odmaivanja alati su predgrevani u zatitnoj atmosferi u vakuumu kako bi se obezbedila maksimalna homogenost tempe-rature u ari. Osim prilikom obrade matrice U2P2, posle dostizanja radnih uslova, temperatura alata odravana je samo pomou jonskog bombar-dovanja. Hlaenje alata do temperature od 800C vreno je na snienom pritisku u zatitnoj atmosferi.

Za ekstruziju je koriena legura AlMgSi0.5 (AA 6063) sastava 0.20 - 0.60 Si; Max 0.35 Fe; 0.45 - 0.90 Mg. Legura za izvlaenje i alati predgrevaju se u posebnoj komori. Alati se najee predgrevaju na temperaturu od 4700C, dok se trupci legure zagrevaju na oko 4900C. U postrojenju se koristi zagrevanje pomou gasa. Usled trenja u alatu tokom ekstruzije, temperatura profila na izlazu iz alata je izmeu 5000C i 5100C.

Brzina ekstruzije zavisi od profila koji se izvlai, a moe se u manjim granicama menjati i za razliita izvlaenja istog profila. Tokom ispitivanja alata nitriranih u impulsnoj plazmi brzina izvlaenja se kretala u opsegu od 10-15 m/min. Rezultati ispitivanja postojanosti alata u eksploatacionim uslovima dati su u tabeli 2. Za meru postojanosti alata izmeu dva uzastopna nitriranja uzet je broj ekstruzija to je, pomnoeno sa duinom jedne ekstruzije od 36 m, ekvivalentno duini proizvedenog profila. Ocenu kada je alate potrebno korigovati i poslati na ponovno nitriranje davali su korektori alata na osnovu dugogodinjeg iskustva. Svi alati su jo u radu, a prikazani rezultati odnose se na istraivanja zakljuno sa slanjem na ponovno nitriranje posle prve obrade u impulsnoj plazmi. Od etiri do sada ispitana alata, tri su pre obrade impulsnom plazmom vie puta nitrirani klasinim plazma postupkom. Uporedna analiza (kolona 6 tabele 2) pokazuje da je postojanost impulsno nitriranih alata 1,9 do 3,87 puta vea od postojanosti postignute klasinim plazma nitriranjem.

Tabela 2. Postojanost alata nitriranih klasinom i impulsnom plazmom

klasian plazma postupak 1. oznaka alata 2.

broj nitriranja

3. broj ekstruzija

4. prosek ekstruzija

5. impulsna plazma

broj ekstruzija

6.faktor postojanosti

5/4

K2040 2 112 56 136 2.43 K4040 3 135 45 174 3.87 U1P1A 6 397 66 125 1.92 TMF2.1 118

Sl. 6. Matrica alata za profil U1P1a

Odreivanje kriterijuma postojanosti alata u eksploatacionim uslovima predstavlja problem. Naime, kao tehnoloki kriterijum moe se izabrati pojava riseva na vidljivoj povrini profila ili

gubitak mere u smislu poveanje debljine zida izvan dozvoljenih tolerancija. U praksi se oteene povrine alata koriguju i ponovo nitriraju, tako da se jedan alat moe nitrirati i do 10 puta pre izlaska iz tolerancije. Meutim, alat se najee skida kada se zavri izvlaenje naruenih koliina profila i tom prilikom se vri kontrola i korekcija radnih povrina i donosi odluka o ponovnom slanju na nitriranje. Ovo znai da greka u odreivanju postojanosti na osnovu broja ekstruzija izmeu dva nitriranja moe biti i 20 ekstruzija (720 m profila).

Ukupan vek trajanja alata za ekstruziju kree se u opsegu od 20 km do 100 km izvuenih profila, odnosno uz predpostavku da se alat tokom eksploatacije 10 puta nitrira, 50 do 250 ekstruzija po jednom nitriranju. Iz tabele proizilazi da su oba postupka omoguila postojanost alata u granicama navedenim u literaturi, s tim to je klasinim nitriranjem postignuta postojanost na donjoj gra-


nici opsega, a impulsnim blie gornjoj granici. Razlog superiornog ponaanja alata obraenih u impulsnoj plazmi nije bilo mogue izuavati jer uzorci obraeni klasinim postupkom nisu bili dostupni.

a)

b)

Sl. 7. Habanje a) trna i b) matrice alata U1P1a

Na slici 7a prikazan je izgled radne povrine trna alata U1P1a pre korekcije i slanja na naredno nitriranje. Alat je obradio oko tri tone profila izmeu dva nitriranja. Na sredini radne povrine primeuju se tragovi habanja koji po obliku odgovaraju mehanizmu habanja ranije opisanom u literaturi. [4]. Na radnoj povrini matrice tragovi habanja oznaeni strelicom (sl. 7 b) takoe se formiraju na sredini radne zone po dubini proreza. Dubina kratera, po priblinoj proceni, iznosi izmeu 20 i 60 m. Na ulaznom i izlaznom delu radne povrine ne zapaa se odnoenje materijala alata. Ovo sugerie mehanizam habanja iniciran termikim i mehanikim zamorom usled nepre-kidnog periodinog zaustavljanja i zapoinjanja procesa ekstruzije pri ubacivanju novog bloka legure. Tipian period rada sveden na 60 s bio bi 45 s ekstruzije i 15 s prekida. Moe se na osnovu traga habanja pretpostaviti da i u sluaju impul-snog plazma nitriranja osnovni mehanizam habanja

predstavlja formiranje krtog intermetalnog jedinje-nja Fe-Mg-Al-O na povrini alata i njegovo odno-enje usled termikog i mehanikog zamora. Potvr-da ove pretpostavke zahteva detaljniju analizu alata posle zavretka radnog veka.

4. ZAKLJUAK

Na osnovu merenja dubinskog toka tvrdoe na razliitim poprenim presecima proreza na uzorku elika za topli rad nitriranom u impulsnoj plazmi utvreno je da impulsna plazma prodire u dubinu proreza ija dimenzija odgovara konfi-guraciji otvora alata za ekstruziju legura alumi-nijuma. Uporedna ispitivanja postojanosti alata obraenih klasinim i impulsnim postupkom plazma nitriranja pokazala su da obrada impul-snom plazmom poveava postojanost alata 1.9 do 3.9 puta. Dalja istraivanja neophodna su za izuavanje eventualnih razlika u mehanizmu habanja alata obraenih navedenim postupcima.

ZAHVALNICA

Istraivanja su delimino finansirana od strane Minstarstva za nauku i tehnologije Srbije, projekat MIS 3.02.0174.B.

LITERATURA

[1] Nitrex communicator, Newsletter 21, (May 2002)

[2] M. Zlatanovi, Proceedings. of 7th Yugoslav Tribology Conf. YUTRIB01, p 7-39-7-44 (2001)

[3] M.Zlatanovi, N.Popovi, .Bogdanov, S.Zlatanovi, Surface & Coatings Tech. Vol 174-175C pp 1220-1224 (2003)

[4] T.Bjork, R.Westengard, S.Hogemark, Wear, Vol. 249 pp 3165-323 (2001)

[5] O.Shigeo, I.-Hideki, patent JP9174145 (1997) Japan

[6] M. Zlatanovi, Surface. and Coating. Techn. Vol 48 p 19 (1991)

[7] P.Panjan, P.Cvahte, M.ekada, B.Navinek, I.Urankar, Vacuum. Vol 61 pp 241-244 (2001)

[8] M. Zlatanovi, I. Popovi, A. Zlatanovi, SPIG02 pp 254-257 (2002)

[9] T.Bjork, M.Berger, R.Westengard, S. Hoge/mark, J.Bergstrom, Surface & Coatings Tech. Vol 146-147 pp 33-41 (2001)

nitriding of aluminium alloy

Documents