OBJĘTOŚCIOWY UDZIAŁ METALU OSNOWY W KOMPOZYTACH Z NASYCANYM ZBROJENIEM A EFEKTYWNOŚĆ PROCESU RECYKLINGU

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 DOROTA NAGOLSKA * OBJĘTOŚCIOWY UDZIAŁ METALU OSNOWY W KOMPOZYTACH Z NASYCANYM ZBROJENIEM A EFEKTYWNOŚĆ PROCESU RECYKLINGU Mimo identycznego składu chemicznego i właściwości powierzchniowych układu recyklingowego proces recyklingu kompozytów metalowych z nasycanym zbrojeniem cechuje zróżnicowana efektywność. Podczas badań zauważono, iż czynnikiem mogącym decydować o zróżnicowanych skutkach recyklingu może być porowatość zbrojenia, a w szczególności stosunek objętości metalu osnowy do objętości całego kompozytu. Aby określić wpływ porowatości kształtki zbrojącej na uzysk metalu, porównano wyniki prób recyklingu kompozytów mających zbliżone właściwości powierzchniowe, ale zbrojonych kształtkami o zróżnicowanej budowie i porowatości. Wyniki tych badań potwierdziły wpływ porowatości zbrojenia na uzysk metalu. Pozwoliły również na wyznaczenie zależności między uzyskiem metalu osnowy a porowatością zbrojenia. W toku badań stwierdzono również, iż mimo zastosowania ośrodków recyklingowych zapewniających korzystne warunki przebiegu w zbrojeniach pozostaje pewna stała objętość metalu, która się nie zmienia bez względu na ich rodzaj. Dotychczas nie udało się określić jednoznacznej przyczyny tego zjawiska. Słowa kluczowe: kompozyty metalowe, recykling, porowatość 1. WPROWADZENIE Prowadzone w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Poznańskiej badania wykazały, że odlewy kompozytowe z nasycanym zbrojeniem cechuje zróżnicowana podatność na proces odzyskiwania ciekłej osnowy z porów nasyconego zbrojenia [6, 7, 9]. Badania te wykazały również, że na podstawie podobieństwa struktury wynikającego z metody wytwarzania zbrojenia nie można stwierdzić, iż dany rodzaj kompozytu nie będzie możliwy do recyklingu metodą samoistnego wypływania metalu z porów zbrojenia [5]. Analiza parametrów struktury kompozytów zbrojonych kształtkami spiekanymi i zbrojeniami wykonanymi z krótkich włókien prasowanych wskazuje, że jednym z decydujących parametrów może być porowatość zbrojenia. W niniejszym artykule przedstawiono wstępną * Dr inż. Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej.

2 120 D. Nagolska analizę związku porowatości zbrojenia ze skutecznością procesu recyklingu materiału kompozytowego. 2. ODZYSKIWANIE OSNOWY KOMPOZYTOWEJ W grupie kompozytów poddanych analizie znalazły się wszystkie badane dotychczas przez autorkę odlewy kompozytowe z nasycanym zbrojeniem. Osnowę tych kompozytów stanowiły różne metale i stopy techniczne: stop aluminium EN AC-AlSi12(b), stop ołowiu z antymonem OT7, niskotopliwy stop Wooda oraz antymon Sb. Kompozyty te charakteryzują się znanymi właściwościami powierzchniowymi komponentów oraz zróżnicowaną porowatością zbrojenia, która w poszczególnych przypadkach wynosi [8]: 87% dla kształtek wykonanych z prasowanych krótkich włókien glinokrzemianowych (dane producenta), 95% dla kształtek wykonanych z prasowanych krótkich włókien grafitowych [9], 70% dla kształtek spiekanych z materiału glinokrzemianowego (dane producenta), 22% dla kształtek spiekanych z materiału grafitowego [9]. Struktury zbrojeń tych kompozytów przedstawiono na rys. 1. Wszystkie próbki poddano recyklingowi metodą samoistnego wypływania metalu z porów zbrojenia. Badanie prowadzono, umieszczając próbki w rozgrzanym do odpowiedniej temperatury ośrodku: powietrzu, oleju lub stopionej mieszance solnej, zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2. Po upływie założonego czasu próbki wyjmowano i po ostudzeniu poddawano niezbędnym pomiarom. Za miarę efektywności procesu recyklingu przyjęto stosunek masy lub objętości wytopionego metalu do masy lub objętości metalu pierwotnie zawartego w materiale kompozytowym: mmw Vmw U = 100 lub U = 100 [%], (1) m V m gdzie: m mw masa metalu uzyskana w trakcie próby [g], m m masa metalu znajdująca się w próbce kompozytowej przed poddaniem jej procesowi wytapiania [g], V mw objętość metalu uzyskana w trakcie próby [cm 3 ], V m objętość metalu znajdująca się w próbce kompozytowej przed poddaniem jej procesowi wytapiania [cm 3 ]. Uśrednione wyniki przeprowadzonych prób zamieszczono w tablicy 1. m

3 Objętościowy udział metalu osnowy w kompozytach z nasycanym zbrojeniem... a) b) c) d) 121 Rys. 1. Struktury zbrojenia badanych kompozytów: a) prasowane krótkie włókno glinokrzemianowe, b) prasowane krótkie włókno grafitowe, c) spiek glinokrzemianowy, d) spiek grafitowy Fig. 1. Reinforcement structures of investigated composites: a) pressed short aluminosilicate fibre; b) pressed short graphite fibre; c) sintered aluminosilicate; d) sintered graphite

4 122 D. Nagolska a) b) Rys. 2. Schemat zawieszenia próbki w procesie recyklingu: a) w atmosferze powietrza, b) w stopionej mieszance solnej [5] Fig. 2. Diagram of sample suspension in the recycling process a) in the air atmosphere; b) in melted salt mixture [5] Tablica 1 Zestawienie średnich wartości uzysku metalu z recyklingu kompozytów metalowych z nasycanym zbrojeniem [5, 9] Specification of average metal yield values obtained during recycling of metal composites with saturated reinforcement [5, 9] Zbrojenie Osnowa Ośrodek θ Ζ Μ/Ο [ ] U śr [%] Włókno glinokrzemianowe stop EN AC-AlSi12(b) powietrze Włókno glinokrzemianowe stop EN AC-AlSi12(b) 50%NaCl+50%KCl ,07 Włókno glinokrzemianowe stop OT7 powietrze ,75 Włókno glinokrzemianowe stop OT7 50%NaCl+50%KCl ,15 Włókno glinokrzemianowe stop Wooda powietrze Włókno glinokrzemianowe stop Wooda olej ,00 Włókno grafitowe stop EN AC-AlSi12(b) powietrze 145 0,67 Włókno grafitowe stop EN AC-AlSi12(b) 50%NaCl+50%KCl ,00 Włókno grafitowe stop EN AC-AlSi12(b) POKAL ,94 Włókno grafitowe stop OT7 powietrze ,95 Włókno grafitowe stop OT7 50%NaCl+50%KCl ,26 Włókno grafitowe stop OT7 POKAL ,48 Spiek glinokrzemianowy stop EN AC-AlSi12(b) powietrze 136 4,38 Spiek glinokrzemianowy stop EN AC-AlSi12(b) 50%NaCl+50%KCl ,19 Spiek glinokrzemianowy stop OT7 powietrze ,04 Spiek glinokrzemianowy stop OT7 50%NaCl+50%KCl ,16 Spiek grafitowy stop OT7 powietrze 128 9,13 Spiek grafitowy stop OT7 50%NaCl+50%KCl ,32 Spiek grafitowy stop OT7 POKAL ,99 Spiek grafitowy Sb powietrze 144 0,55 Spiek grafitowy Sb 50%NaCl+50%KCl 152 8,56 Spiek grafitowy Sb POKAL ,66 θ Ζ Μ/Ο kąt zwilżania na granicy zbrojenie Z metal osnowy M w ośrodku O.

5 Objętościowy udział metalu osnowy w kompozytach z nasycanym zbrojeniem ANALIZA EFEKTYWNOŚCI PROCESU RECYKLINGU Przy prawidłowym prowadzeniu procesu nasycania zbrojenia porowatość uzyskanych odlewów jest minimalna [6, 7, 8, 9], a objętość metalu zawarta w próbce odlewu V m jest pochodną porowatości zbrojenia. W przybliżeniu możemy wyliczyć ją ze wzoru: V m = V P /100 [cm 3 ], (2) p gdzie: V p objętość całej próbki [cm 3 ], P porowatość zbrojenia [%]. W odniesieniu do kompozytów poddanych recyklingowi w warunkach wskazujących na możliwość otrzymania znacznego uzysku postanowiono sprawdzić, czy istnieje zależność między stosunkiem objętości metalu osnowy w próbce V m do objętości całej próbki V p a uzyskiem metalu osnowy U (rys. 3) oraz czy istnieje zależność między pozostającym w próbce metalem a uzyskiem U (rys. 4). Objętość metalu pozostającą w próbce po zabiegu recyklingu opisano procentowym udziałem w stosunku do objętości całej próbki. Rys. 3. Zależność uzysku metalu osnowy U od stosunku objętości metalu zawartego w próbce przed recyklingiem V m do objętości całej próbki V p Fig. 3. Dependence of matrix metal yield U on the ratio of sample metal volume before recycling V m to total sample volume V p

6 124 D. Nagolska Rys. 4. Stosunek objętości metalu osnowy pozostałego w próbce po recyklingu (V m V mw ) do objętości całej próbki V p w zależności od uzysku metalu osnowy U Fig. 4. The ratio of the volume of the matrix metal remaining in the sample after recycling (V m V mw ) to total sample volume V p with regard to the matrix metal yield U 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW Dane przedstawione na wykresie rys. 3 pozwoliły określić stwierdzoną zależność między porowatością materiału zbrojenia kompozytowego a uzyskiem metalu osnowy. Jest ona opisana równaniem: U = 32,695 ln P 53,984 [%]. (3) Na podstawie tej zależności można stwierdzić, że im więcej (w stosunku do całej objętości próbki) metalu osnowy znajduje się w nasyconym odlewie kompozytowym, tym proces recyklingu jest efektywniejszy. Potwierdza to dodatkowo wykres na rys. 4, na którym wyraźnie widać, że objętość metalu pozostająca w próbce w stosunku do całej objętości próbki oscyluje wokół stałej wartości 7,74% objętości początkowej odlewu. Zatem w próbkach, w których objętość metalu będzie wynosiła 20% objętości całej próbki, nie należy się spodziewać uzysku metalu osnowy większego niż 60%, natomiast w próbkach, w których objętość metalu osnowy będzie dochodziła do 90%, uzysk taki może wynieść nawet ponad 90%.

7 Objętościowy udział metalu osnowy w kompozytach z nasycanym zbrojeniem Przyczyn takiego stanu rzeczy można upatrywać w pewnej niezmiennej ilości kapilar, z których samoistne wypływanie metalu nigdy nie będzie możliwe. Może to być skutkiem reakcji chemicznych w układzie recyklingowym bądź istnienia barier fizycznych na granicy metal osnowy zbrojenie. Mimo iż dobierając materiały kompozytowe, starano się wybrać takie, których osnowy nie reagują z nasycanym zbrojeniem, jednoznaczne stwierdzenie, która z wymienionych przyczyn jest odpowiedzialna za zaistniały stan rzeczy, nie jest możliwe na tym etapie badań i wymaga dalszych, bardziej szczegółowych dociekań. 5. WNIOSKI 1. Przeprowadzona analiza wykazała, że porowatość zbrojenia jest jednym z czynników determinujących otrzymanie określonego uzysku metalu osnowy. Wynika to z faktu, że objętość metalu pozostająca w próbce po recyklingu w stosunku do objętości całej próbki jest wielkością stałą. 2. Mimo identycznych pod względem chemicznym składników kompozytów oraz identycznych warunków recyklingu istnieją znaczne różnice w uzysku metalu związane z różną strukturą zbrojenia i różnym stosunkiem objętościowym poszczególnych składników kompozytu. 3. Na obecnym etapie badań nie można jednoznacznie określić przyczyny pozostawania metalu osnowy w odlewach po recyklingu. Głównych czynników takiego stanu rzeczy należy jednak upatrywać w specyficznej budowie zbrojenia oraz zjawiskach fizycznych na granicy metal osnowy zbrojenie kompozytu. LITERATURA [1] Aboulfatah M., Danis M., Lacoste E., Mobility of Molten Metal Through a Fibfous Preform During MMC Processing, Journal of Materials Synthesis and Processing, 1997, vol. 5, no. 6, s [2] Lacoste E., Aboulfatah M., Danis M., Girot F., Numerical simulation of the infiltration of fibrous preforme by a pure metal, Metalurgical Transactions, 1993, vol. 24A, s [3] Mantaux O., Danis M., Lacoste E., Repartition des microporosites dans un composite, Fonderie-Fondeur d Aujoud hui, 2000, No. 192, s [4] Michaud V., Mortensen A., Infiltration processing of fibre reinforced composites: governing phenomena, Composites, 2001, part A 32, s [5] Nagolska D., Recykling odlewów kompozytowych zbrojonych spiekiem glinokrzemianowym, Kompozyty, 2008 (przyjęte do druku). [6] Nagolska D., Recykling odlewów z metalowych kompozytów nasycanych, praca doktorska, Politechniki Poznańskiej, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania 2002 (maszynopis). [7] Nagolska D., Szweycer M., Jackowski J., Analysis of recycling mechanism of saturated metal composities, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2001, vol. 21, nr 1 spec., s

8 126 D. Nagolska [8] Nagolska D., Szymański P., Pędzich Z., Rola parametrów struktury kształtki zbrojącej w procesie recyklingu metalowych kompozytów z nasycanym zbrojeniem, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2001, vol. 26, nr 1, s [9] Sprawozdanie z grantu pt. Recykling odlewów z kompozytów metalowych zawiesinowych i z nasycanym zbrojeniem, grant nr 3T08B (niepublikowane). Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Janusz Grabian VOLUMETRIC SHARE OF MATRIX METAL AS A FACTOR OF RECYCLING EFFECTIVENESS OF METAL COMPOSITES WITH SATURATED REINFORCEMENT S u m m a r y Metal composites with saturated reinforcement, in spite of identical chemical compositions and surface properties of the recycling system, are characterized by various effectiveness of their recycling. The research allowed to find out that porosity of the reinforcement or, particularly, the ratio of the matrix metal volume to total composite volume, may be decisive for so different recycling results. In order to determine the effect of porosity of the reinforcement profile on metal yield the results of recycling trials of the composites have been compared, that had similar surface properties but their reinforcing profiles were characterized by different structures and porosities. Results of the research confirmed the effect of porosity on metal yield. It also enabled defining the relationship between the yield and reinforcement porosity. It was found during the study that, in spite of the use of the means ensuring advantageous surface conditions of the system during the recycling, a certain metal quantity remains in the reinforcement, not subject to changes irrespective of the type of the means. Present stage of the research gives no explanation of the reasons of the phenomenon. Key words: metal composites, recycling, porosity