Βελτιστοποίηση της μικροδομής ελασμάτων αλουμινίου για εφαρμογές υψηλής προστιθέμενης αξίας

Abstract

The current Doctoral Thesis deals with the evolution of the crystallographic texture during the rolling process. More specifically, it looks into the effect of the specific thermomechanical processes on the final product properties through the development of the crystallographic texture. The aim was to master the evolution of the crystallographic texture during the rolling process and to enable the set of desirable and predictable properties in the manufactured final product. Initially, non-heat-treatable aluminum alloys, namely the 3104 and 5182 Al alloys that essentially share a very large portion of the relevant market were studied. Focus was laid on their chemical composition, mainly with regard to the magnesium and manganese content as well as the effect of second phase particles on texture evolution. Furthermore, possible effects of the applicable production process such as the hot rolling mill type (Hot Tandem Mill - Hot Reversing & Coiling Mill) were thoroughly studied. Process related parameters affect the final rolling & coiling temperature influencing the developed texture. Similarly, the effects on the texture of the recovery, recrystallization and baking heat treatments were also studied. The hot rolled sheet in the case of the Hot Reversing & Coiling Mill resulted in a microstructure dominated by deformed grains, while some recrystallized ones were present, a result accompanied by a correspondingly strong deformation texture (β fiber). In the case of the hot rolled sheet produced by Hot Tandem Mill, the microstructure was largely recrystallized and equiaxed with a predominant recrystallization texture (Cube, Cube-RD). This difference resulted in the final product produced with Hot Tandem Mill showing better anisotropic behavior (Z = 2.66) compared to the hot band produced with Hot Reversing & Coiling Mill (Z = 2.98). Towards that direction, samples with different cold rolling reduction percentages were studied, in relation to plastic deformation as well as the effect of axial loading on grain orientation. It should be noted that the aforementioned examinations were conducted using EBSD analysis for which an appropriate methodology was developed. In particular, the possible nucleation points of new grains in the microstructure were identified along with the relevant adjacent grain orientations, that would significantly affect the orientation of new nuclei. As such the effects of cold rolling reduction percentage and the subsequent heat treatment stages were studied and considered in relation to the observed type and quantities of the desirable crystallographic components. Based on the aforementioned findings an experimental cold rolling process was designed and implemented for the production of a product containing an optimal amount of rolling and recrystallization texture components that would result in the desirable mechanical properties for the given application. The hot band produced by the Hot Tandem Mill was selected as the starting sheet for the further study. This enables for even better anisotropy after the proper design and control of the texture. The rolling parameter that was decided to be modified was the reduction rate. In addition, the final stage of the recovery annealing was altered mainly by avoiding the final annealing stage. The final sheet acquired better properties than have been achieved with the previous production process steps. Significant differences were observed between the samples of the different cold-rolled designs, both industrial and experimental, in terms of the evolution of the microstructure and the crystallographic texture, but also in relation to the mechanical properties and anisotropy of the final product. The main influencing parameter was the end roll temperature. The crystallographic texture was fully controlled. The texture obtained the lowest possible anisotropy (Z=1.68). At the same time, using the developed methodology as a reverse engineering process, we confirmed the ability to identify the critical noticeable differences in the texture of semi-finished and/or finished products. This methodology allows to draw important conclusions just by analyzing the texture revealing information about the product’s critical production stages. Additionally, knowing these texture details one can predict the behavior of the material in the further forming steps (e.g. deep drawing) . Thus, not only can the desired texture can be produced but also the production conditions (in terms of critical parameters) of an unknown semi-finished or finished product can be assessed.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην σε βάθος ανάλυση καθώς και στον έλεγχο της εξέλιξης του κρυσταλλογραφικού ιστού κατά την θερμομηχανική κατεργασία διαμόρφωσης ελασμάτων αλουμινίου για εφαρμογές υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως τα υλικά για τη βιομηχανία συσκευασίας τροφίμων. Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν ο έλεγχος της θερμομηχανικής κατεργασίας μορφοποίησης μέσω της κατανόησης της εξέλιξης του ιστού. Αυτό επετεύχθη, καθώς από τα συμπεράσματα της επίδρασης της εκάστοτε κρίσιμης παραμέτρου (χημεία, θερμοκρασία, παραμόρφωση) στον ιστό και την ανάπτυξη μεθοδολογίας πρόβλεψης του ιστού, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε σε πιλοτικό έλαστρο, ελεγχόμενη έλαση, που οδήγησε στον σχηματισμό τελικού προϊόντος με 8 λοβούς (ελάχιστη-ιδανική για τη συσκευαστική βιομηχανία ανισοτροπία). Πιο αναλυτικά, προκειμένου να επιτευχθεί η βαθιά κατανόηση και η τροποποίηση του υπάρχοντος σχεδιασμού αναλύθηκαν μία προς μία οι κρίσιμες παράμετροι για την εξέλιξη του ιστού κατά τα θερμομηχανικά στάδια της διαδικασίας μορφοποίησης του αλουμινίου σε φύλλο. Αναφορικά με την επίδραση της χημικής σύστασης, η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει την επίδραση των α) διαφορετικών ποσοστών μαγνησίου και μαγγανίου μελετώντας και συγκρίνοντας μη-θερμικώς κατεργάσιμα κράματα αλουμινίου (3104, 5182), τα οποία κατέχουν και το μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς προϊόντων συσκευασίας και β) διαφορετικών μεγεθών ευτερογενών φάσεων. Ως προς την επίδραση της θερμοκρασίας, έγινε ανάλυση δειγμάτων α) διαφορετικής θερμοκρασίας περάτωσης και τύλιξης με τη χρήση διαφορετικών τύπων ελάστρων σε θερμό έλαστρο αντίρροπης κίνησης (Hot Reversing&Coiling Mill) και σε συστοιχία ελάστρων συνεχούς ροής (Hot Tandem Mill) και δειγμάτων τα οποία είχαν υποστεί β) θερμικές κατεργασίες ανακρυστάλλωσης, αποκατάστασης και βαφής. Ως κρίσιμες παράμετροι νοούνται, επίσης, ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η παραμόρφωση, η εισαγωγή ενέργειας και η επίδραση της στα επόμενα στάδια. Ως εκ τούτου μελετήθηκαν αναλόγως η επίδραση α) διαφορετικού ποσοστού παραμόρφωσης και β) μονοαξονικής φόρτισης. Όλες οι παραπάνω παράμετροι μελετήθηκαν διεξοδικά σε επίπεδο μικροδομής, μηχανικών ιδιοτήτων και κρυσταλλογραφικού ιστού.Η διεξοδική αυτή μελέτη βοήθησε στην ανάπτυξη και θεμελίωση μίας μεθοδολογίας για τον εντοπισμό και τον συσχετισμό των πιθανών θέσεων δημιουργίας πυρήνων με την εξέλιξη του προσανατολισμού τους. Η κατανόηση των παραμέτρων, που επιδρούν στην εξέλιξη του κρυσταλλογραφικού ιστού, οδήγησαν στον σχεδιασμό και στην υλοποίηση σε πειραματικό έλαστρο ενός νέου, βελτιωμένου σχεδίου ψυχρής έλασης, βάσει του οποίου κατέστη εφικτή η παραγωγή τελικού προϊόντος με τον ιδανικό συνδυασμό δομής-ιδιοτήτων (ιδανικές αναλογίες κρυσταλλογραφικών συστατικών και εξέλιξης κρυσταλλογραφικού ιστού, που οδηγούν σε βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες) για τη δεδομένη εφαρμογή. Αξιόλογες διαφορές παρατηρήθηκαν ανάμεσα στα δείγματα των διαφορετικών σχεδίων ψυχρής έλασης, δηλαδή των δύο βιομηχανικών και του πειραματικού,αναφορικά με την εξέλιξη της μικροδομής και του κρυσταλλογραφικού ιστού, σε συνάρτηση με τις μηχανικές ιδιότητες και την ανισοτροπία του υλικού. Κύριο αίτιο των διαφορών αποτέλεσε η τελική θερμοκρασία εξόδου των θερμών ελάστρων που οφείλεται στον διαφορετικό τρόπο λειτουργίας αυτών. Το φύλλο θερμής έλασης στην περίπτωση του Hot Reversing & Coiling Mill οδήγησε σε μία μικροδομή αποτελούμενη κυρίως από παραμορφωμένους κόκκους, και σε μικρότερη έκταση από ορισμένους ανακρυσταλλωμένους, αποτέλεσμα που συνοδεύονταν από ανάλογα ισχυρό ιστό παραμόρφωσης (β ίνα). Στην περίπτωση του φύλλου θερμής έλασης, το οποίο παράχθηκε με Hot Tandem Mill, η μικροδομή ήταν κατά μεγάλο ποσοστό ανακρυσταλλωμένη και ισοαξονική, με κυρίαρχο τον ιστό της ανακρυστάλλωσης (Cube, Cube-RD fiber). Αυτή η διαφορά είχε ως αποτέλεσμα το τελικό προϊόν που παράχθηκε με Hot Tandem Mill να παρουσιάζει καλύτερη ανισοτροπική συμπεριφορά (Ζ =2,66) σε σχέση με το έλασμα που παράχθηκε με Hot Reversing & Coiling Mill (Ζ=2,98). Ήδη με βάση αυτή τη διακριτοποίηση, επιλέχθηκε ως εναρκτήριο φύλλο θερμής έλασης εκείνο που παράχθηκε με τη διάταξη Hot Tandem Mill, το οποίο δίνει τη δυνατότητα για ακόμη καλύτερη ανισοτροπία κατόπιν του κατάλληλου σχεδιασμού κι ελέγχου του ιστού. Το στάδιο λοιπόν, το οποίο αποφασίστηκε να τροποποιηθεί, ήταν αυτό του του ποσοστού υποβιβασμού και το τελικό στάδιο της ανόπτησης αποκατάστασης. Με την τροποποίηση των ποσοστών, αλλά και την παράληψη του τελικού σταδίου ανόπτησης, το τελικό έλασμα απέκτησε ιδιότητες βέλτιστες, και σημαντικά πιο ελκυστικές απ’ ότι έχουν επιτευχθεί με τη δεδομένη παραγωγική διαδικασία (Ζ=2,2). Ο ιστός ελέγχθηκε, ενώ ταυτόχρονα επιβεβαιώθηκε ο έλεγχός του με την αντίστροφή διαδικασία καθορίζοντας σημαντικές διαφορές σε ημί-τελικά και τελικά προϊόντα, τα οποία αποκαλύπτουν πληροφορίες για τα κρίσιμα παραγωγικά τους στάδια. Έτσι, όχι μόνο μπορεί να αναπτυχθεί ο επιθυμητός ιστός, αλλά μπορεί να εκτιμηθούν και οι εφαρμοστέες παραγωγικές συνθήκες (ως προς τις κρίσιμες παραμέτρους) ενός άγνωστου ημί-τελικού ή τελικού προϊόντος. Δηλαδή, όπως είναι γνωστό, ο κρυσταλλογραφικός ιστός αποτελεί μια στατιστική πληροφορία, της οποίας η αποκωδικοποίηση αποκαλύπτει πληροφορίες για τη θερμομηχανική προϊστορία του τελικού προϊόντος. Έχοντας κατακτήσει τη γνώση της εξέλιξης του ιστού, μεμονωμένα και συνδυαστικά από την επίδραση όλων των κρίσιμων παραμέτρων, ακόμη και με την μελέτη ενός τελικού προϊόντος, παρουσιάζεται στη παρούσα μελέτη η μεθοδολογία για την διεξαγωγή τόσο του θερμοκρασιακού εύρους της θερμοκρασίας περάτωσης της θερμής έλασης, αλλά και το εύρος των ποσοστών υποβιβασμού που έλαβαν χώρα. Συνοπτικά, η καινοτομία της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής έγκειται στον έλεγχο του κρυσταλλογραφικού ιστού μέσω του κατάλληλου σχεδίου διαμόρφωσης, καθώς και στη θέσπιση της απαραίτητης μεθοδολογίας για τον σχεδιασμό των βημάτων διαμόρφωσης και για την αξιολόγηση του κρυσταλλογραφικού ιστού με στόχο την ιδανική συμπεριφορά του υλικού στην εκάστοτε εφαρμογή και χρήση του.