ZUŻYCIE TRYBOLOGICZNE KOMPOZYTU NA OSNOWIE ZGARU STOPU AK132 UMACNIANEGO CZĄSTKAMI SiC

Transkrypt

1 9/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN ZUŻYCIE TRYBOLOGICZNE KOMPOZYTU NA OSNOWIE ZGARU STOPU AK132 UMACNIANEGO CZĄSTKAMI SiC A. BOBER 1, Z. KONOPKA 2, A. ZYSKA 3, M. ŁĄGIEWKA 4, S. NOCUŃ 5 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki pomiarów odporności na zużycie ścierne kompozytów na osnowie zgaru stopów aluminium umacnianych cząstkami SiC. Kompozyty wytworzono metodą mechanicznego mieszania ciekło-stałego stopu osnowy z 30% udziałem cząstek i ciśnieniowego odlewania tak przygotowanej suspensji. Przeprowadzono badania własności trybologicznych przy stałej prędkości tarcia 0,1 m/s i zmiennym obciążeniu wynoszącym 100, 200, 300 i 400 N. Na podstawie wyników określono kinetykę ścierania badanego kompozytu oraz zależności między zmianą objętości próbek i stalowej przeciwpróbki. Key words: composite,ceramic particles, pressure die cast, 1. WPROWADZENIE Kompozyty na osnowie stopu aluminium umacniane włóknami lub cząstkami należą do grupy nowoczesnych materiałów charakteryzujących się lepszymi właściwościami w porównaniu z właściwościami klasycznych stopów. Badania potwierdzają, że wprowadzanie cząstek SiC do osnowy stopu aluminium prowadzi do uzyskania kompozytu o podwyższonej odporności na ścieranie i wyraźnie podnosi współczynnik tarcia [1-3]. Właściwości kompozytów zbrojonych cząstkami zależą od wielkości i ilości wprowadzanego umocnienia oraz od siły połączenia go z osnową. 1 mgr inż., bober@mim.pcz.czest.pl 2 dr hab. inż., prof. PCz., konopka@mim.pcz.czest.pl 3 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 4 dr inż., cis@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż., snocun@mim.pcz.czest.pl

2 72 Bardzo silny wpływ na właściwości kompozytów wywiera stopień równomierności rozmieszczenie cząstek w osnowie. Własności mechaniczne kompozytów polepszają się wraz ze zmniejszaniem wielkości cząstek, co wynika ze znanego mechanizmu umacniania cząstkami. Nie obserwuje się takiej zależności dla innych właściwości jak np. trybologicznych [4]. Zastosowanie zgaru stopu Al jako osnowy umacnianej cząstkami SiC realizuje koncepcję połączenia poprawy właściwości materiałów z możliwością zagospodarowania odpadów produkcyjnych. Przeprowadzone badania potwierdzają, z jednej strony, możliwości odlewania takich kompozytów, z drugiej zaś gwarantują wytworzenie kompozytu wykazującego dobre własności trybologiczne, który znajduje zastosowanie między innymi w odlewnictwie jako ścierniwo do czyszczenia odlewów [5]. 2. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ Badania zużycia trybologicznego przeprowadzono na kompozycie z osnową zgaru stopu aluminium z cząstkami SiC. Zgar na osnowę pobrano z pieców topialnych w odlewni ciśnieniowej stopów aluminium. Otrzymany w ten sposób materiał zawierał przeważającą ilość tlenków aluminium i zanieczyszczeń (ok.90%), a pozostałą część stanowił ciekły stopu aluminium. Do ciekło-stałej osnowy wprowadzono 30% objętościowo cząstek SiC. Odlewy kompozytów wykonano metodą odlewania ciśnieniowego na zimnokomorowej, poziomej maszynie ciśnieniowej. Z odlewów wycięto próbki do badań trybologicznych i oceny struktury. Badania tarcia kompozytów zbrojonych cząstkami wykonano na tribometrze z liniową makrogeometrią styku próbki i przeciwpróbki. Walcowa przeciwpróbka o średnicy φ35mm wykonana ze stali narzędziowej NC10 o twardości HRC ślizgała się na próbce o wymiarach 15x10x6mm. Pomiary tarcia wykonano bez smarowania. Badania wykonano przy ruchu ślizgowym o stałej prędkości tarcia 0,1m/s i zmiennym obciążeniu wynoszącym 100 N, 200 N, 300 N i 400 N. Czas ścierania próbek wynosił 90 minut, co dało całkowitą drogę tarcia 594 m. Badania zużycia trybologicznego kompozytów obejmowały pomiar ubytku masy próbek po każdym z 18 cykli ścierania. Dokonano również porównania zmiany objętości przeciwpróbki z objętością próbek.

3 73 Na rysunku 1 pokazano mikrostrukturę badanego kompozytu przy różnym powiększeniach. Rysunek 1a pokazuje, że rozmieszczenie wprowadzonych do kompozytu cząstek jest równomierne w całej objętości. Potwierdza to, że mechaniczne mieszanie wprowadzonych cząstek do osnowy i następnie ciśnieniowe odlanie tej suspensji umożliwia wytworzenie dobrego kompozytu. Na rysunku 1b i 1c widoczna jest mikrostruktura osnowy, której prawie cała objętość to tlenki i zanieczyszczenia widoczne na zdjęciu jako ciemne punkty. Natomiast na rysunku 1d widoczne jest dobre połączenie na granicy osnowa-cząstka, dzięki jednolitości tego połączenia, braku pęcherzy czy innych zanieczyszczeń osłabiających siłę połączenia umocnienia z osnową. a) pow x 5 b) pow x 25 c) pow x 50 d) pow x 100 Rys. 1 Mikrostruktury kompozytu AK132 SiC. Fig. 1. Microstructure of composite AK132 SiC. Uzyskane wyniki badań pozwoliły na określenie kinetyki ścierania badanego kompozytu. Zużycie trybologiczne w odniesieniu do drogi tarcia przedstawia rysunek 2. Widoczny jest charakterystyczny przebieg zużycia trybologicznego. We wstępnej fazie tak zwanego docierania próbki następuje wzrost zużycia a następnie ustala się on na stałym poziomie. Zaobserwować można również, że po przekroczeniu tego pierwszego etapu zużycie trybologiczne próbek przy obciążeniach 100, 200, 300 N utrzymuje się na podobnym poziomie, co może świadczyć o dobrej zdolności kompozytu do regeneracji warstwy granicznej przy różnych obciążeniach. Natomiast dla obciążenia 400 N

4 74 widoczne jest znaczne zwiększenie zużycia co może świadczyć o tym, że badany materiał nie powinien pracować przy tak dużych obciążeniach N 200N 300N 400N m *10-3 [g] L [m] Rys. 2 Kinetyka ścierania kompozytu AK132 SiC. Fig. 2. Kinetics of wear of composite AK132 SiC. Nagłe ubytki masy podczas badań widoczne na wykresie 2 jako liczne charakterystyczne piki nastąpiły w skutek odrywania się cząstek z próbki podczas badań. Zjawisko to zaobserwować można również na rysunku 3, który przedstawia ślady tarcia na próbkach. Widoczne tam mikroskrawania na powierzchni próbek potwierdzają występowanie podczas badań mechanizmu skrawania. Jest on wynikiem odrywania się twardych cząstek z próbek, przez co następuje ich skrawanie. Widoczna jest również różnica intensywności i szerokości śladu skrawania powierzchni próbek przy różnych obciążeniach. 100N 200N 300N 400N Rys. 3 Ślad tarcia próbek AK132- SiC przy różnym obciążeniu. Fig. 3. Trail of friction of sample AK132 - SiC at different load values.

5 75 Wyznaczone zmiany objętości próbek i przeciwpróbki zostały zobrazowane na rysunku 4. Widoczne dość duże zmiany objętości przeciwpróbki w stosunku do zmiany objętości próbki świadczyć mogą o tym, że kompozyt na osnowie zgaru aluminium wykazuje mniejsze zużycie trybologiczne niż użyta do badań przeciwpróbka. Taki wynik jest powodem do dalszych badań w celu dopasowania optymalnej pary trącej próbka (AK132+SiC) przeciwpróbka (NC10) V [cm 3 ] P[N] Rys. 4. Zależność między zmianą objętości próbek i przeciwpróbki a naciskiem. Fig. 4. The dependence between volume changes of samples and counter-piece but load values. 3. PODSUMOWANIE We wszystkich badanych próbkach zaobserwowano stabilizację zużycia po przekroczeniu niewielkiej drogi docierania wynoszącej 300 m. Dla badanego kompozytu przy obciążeniu 400 N obserwuje się znaczne odstępstwo od pozostałych wyników, co sugeruje, iż to obciążenie nie powinno być stosowane dla tego materiału. Zmiany objętości próbek i przeciwpróbki świadczą o tym, że przy większym obciążeniu intensywniejszemu zużyciu podlega przede wszystkim przeciwpróbka. Świadczyć to może o tym, że badany kompozyt może dawać dobre wyniki jako materiał ścierający w czyszczarkach. Natomiast obserwacje makroskopowe powierzchni próbek świadczą o występowaniu mechanizmu skrawania przez przeciwpróbkę, co może być zjawiskiem nie korzystnym. Wyniki te jednak wymagają dalszych badań własności trybologicznych takiego kompozytu.

6 76 LITERATURA [1] M. Hebda, A. Wachal : Trybologia, Warszawa 1980 [2] I. Hyla, J. Śleziona : Ścieralność kompozytu AlSi11-Al. 2 O 3 (SiC), Inżynieria Materiałowa, Rok XII [3] M. Hutchings : Tribological properties of metal matrix composites, Materials Science and Technology, June 1994 Vol.10, page [4] J. Sobczak : Metalowe materiały kompozytowe. Stan aktualny i perspektywy rozwoju, 1999 [5] Z. Konopka : Composite Chips Production and Properties for Wibratory and Surface Finishing, Metal Matrix Composites and Metallic Foams, Euromat 99 Vol.5 SUMMARY TRIBOLOGICAL WEAR OF Al DROSS MATRIX COMPOSITE REINFORCED WITH SiC PARTICLES The work presents measurement results concerning the wear resistance of composites with Al dross matrix reinforced with SiC particles. Composites were produced by mechanical mixing of liquid matrix with 30% addition of SiC particles and pressure casting of such prepared suspension. The tribological properties were examined at constant sliding speed of 0,1 m/s and various load values equal to 100, 200, 300, and 400 N, subsequently. On that basis the kinetics of wear of the examined composites and the dependence between volume changes of samples and the steel counter-piece were determined. Recenzował Prof. Mirosław Cholewa