KOMPOZYTY ALUMINIUM - CZĄSTKI CERAMICZNE SiC TECHNOLOGIA WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW KSZTAŁTOWYCH

Transkrypt

1 Sołidification of Metais and Alloys Knepnięcie Metali i Stopów PL ISSN KOMPOZYTY ALUMINIUM - CZĄSTKI CERAMICZNE SiC TECHNOLOGIA WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW KSZTAŁTOWYCH JÓZEF GA WROŃSK!, MIROSŁA W CHOLEW A JAN SZAJNAR Politechnika Śląska, Gliwice W artykule przedstawiono niektóre problemy_ związane z wytwarzaniem kompozytów kształtowych aluminium - cząstki ceramiczne na przykładzie kompozytu A1Mg2 - SiC. W technologii wytwarzania wykorzystano aktywator powierzchni węglika krzemu oraz dwa stopnie mieszania: mechaniczne - mieszadłem w piecu do topienia osnowy kompozytu z materiałem zbrojącym oraz mieszanie w formie odlewniczej za pomocą wirującego rewersyjnego pola magnetycznego (WRPM). Wspomaganie mieszania w formie WRPM pozwala na otrzymanie każdego kształtu kompozytowego wyrobu odlewanego, co przedstawiono na przykładzie o kształcie krzyżowym, gdzie ruch wirowy ciekłego kompozytu w ramionach krzyża jest utrudniony, a mimo tego jednorodność rozłożenia cząstek SiC jest dobra. Wprowadzenie Kompozyty stopy aluminium - cząstki ceramiczne stanowią materiały konstrukcyjne o szerokim wachlarzu zastosowań, np. na elementy odporne na zużycie ścierne, na elementy ślizgowe, a także na elementy odlewane z następną przeróbką plastyczną [4]. Osnowa tych kompozytów może być oparta na typowych stopach odlewniczych, np. siluminach, bądź też stopach aluminium do przeróbki plastycznej (stopy PA). Stopy do przeróbki plastycznej, np. stop PA2N (AlMg2), charakteryzują się niekorzystnymi własnościami technologicznymi odlewniczymi (niska lejność, znaczny skurcz), ale zawartość magnezu powoduje zwiększenie zwilżalności cząstek ceramicznych przez ciekłą osnowę,

2 128 J. Gawroński. M. Cholewa, J. Szajnar głównie dzięki dużemu powinowactwu chemicznemu Mg do SiC, a także dzięki aktywacji powierzchniowej SiC przez Mg. Dlatego projektowanie kompozytów typu stopy aluminium obrabiane plastycznie - cząstki ceramiczne (SiC) jest cełowe nie tylko ze względu na własności osnowy (dobre własności nechaniczne, wysoka odporność korozyjna, dobra spawalność, podatność do głębokiego tłoczenia), ale również ze względu na otrzymywane w kompozycie wysokie własności odporności na zużycie ścierne [2]. W ten sposób kompozyt uzyskuje kompleks własności niemożliwych do osiągnięcia tradycyjnymi technologiami, np. poprzez obróbkę cieplną. Badania własne Badania własne kompozytu A1Mg2 - SiC realizowano wg zakresu przedstawionego w tabeli l. Tabela 1. Zakres badań kompozytu A1Mg2 - SiC Zmienność czynników technologicznych Własn ości mechaniczne kompozytu - temperatura osnowy - wytrzymałość na śc i s k a nie -il ość SiC -tward ość - ziarnistość SiC -udarno ść - ilo ść substancji powierzchniowo-czynnej - zużycie śc ierne W tabeli 2 zestawiono zakres zmian czynników technologicznych wytwarzania kompozytu. Tabela 2. Zakres zmienności czynników technologicznych przy wytwarzaniu kompozytu Nr próbki i.% T, C Z. J.!m Uwagi o o 720 o z polem ma)!netycznvm Ol o 740 o bez pola ma)!netyczne,l!o l l 740 ~ 40 z polem magnetycznym ~ 40 jw. 3 l iw iw. 5 l iw iw ~ 40 jw iw iw.!o jw. II iw. M róż n a iw. i - ilość SiC. T- temperatura mieszania i zalewania. Z- ziarnistość SiC. M - mieszanina różnych zi a rni stośc i SiC.

3 Kompozy ty aluminium Opis przebiegu badań własnych Stop osnowy kompozytu A1Mg2 topiono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości sto s ując dla tej grupy stopów żużle ochronne (Pokal 6) i rafinujące (Raf"glin). Mieszanie CZ<tstek ceramicznych z osnową w piecu w temperaturze przegrzania stopu AlMg2 (tabela 2) wykonywano za pomocą mieszadła ramkowego, z prędkością wirowania 1000 obr/min (etap I - do wprowadzenia i "pogrążenia" cząstek) oraz z prędkością wirowania 250 obr/min (etap II - po "pogrążeniu" cząstek). Łączny czas mieszania kompozytu w piecu wynosił ok. 3 minut. oś symetrii zgodna z osią WRPM l. 1~ 1-1 Rys. l. Postać geometryczna kornpozytu kształtowego typu "'X" i "T" Cz<tstki SiC o żądanej ziarnistości aktywowano termicznie w temperaturze l200 C, studzono, a następnie pokrywano (zanurzeniowo) substancją powierzchniowo czynną, b ędącą roztworem wodnym tlenków boru i sodu. Środek powierzchniowo czynny przygotowano jako 4% roztwór wodny tlenków boru i sodu. Kompozyt odlewano do form skorupowych o kształcie wnęki jak przedstawiono na rysunku l. Formę skorupową ustawiono na stanowisku do odlewania w wirującym rewersyjnym polu magnetycznym (WRPM) i zalewano kompozytem, stosując stałą indukcję pola B = SOm T (rys. 2). Technologia wytwarzania kompozytów kształtowych przez wspomaganie mieszania w formie jest oryginalnym rozwiązaniem Instytutu Odlewnictwa Politechniki Śląskiej [5]. Kompozyty po wystygnięciu w formie 3 do temperatury otoczenia poddawano obróbce mechanicznej (cięcie na zgłady, toczenie próbek). Schemat pobierania próbek kompozytu do badań przedstawiono na rysunku 3.

4 ł _ 130 J. Gaw roński, M. Cholewa, J. Szajnar..' '",,.l,!.:_ > U.._ '. 7 3 o_ ;.- 4 Rys. 2. Schemat stanowiska do wytwarzania kompozytu kształtowego: l - piec indukcyj ny, 2 - zasobnik Si C, 3 - forma odl ewni cza z wnęką w kształcie krzyża, 4 - induktor WRPM odpad ~ próbki Rm K CU 11 l l 1/ l l ~/ l TT - TT l l 1., l l l... na zgtad / /.lsl. 125.l -r--- - Rys. 3. Miejsca pobierania próbek z kompozytu kształto weg o l...,o mn OdQGd

5 Kompozyty aluminium Wyniki badań mikroskopowych, mechaniemych i zużycia Celem sprawdzenia rozłożenia i zwilżania cząstek SiC przez osnowę do badań mikroskopowych wybrano próbki O i Ol -jako wzorcowe, bez cząstek ceramicznych, odlewane w polu i bez pola magnetycznego, oraz próbki 3, 4 i 7 -jako kompozyty o zmiennej ilości cząstek ceramicznych, zmiennej wielkości tych cząstek oraz o zmiennej temperaturze zalewania. -,..~~, ";,,... _.j - ~ ~~... ~-i.. ~ l '..,.,..,... ~ ł ~ r. l fll"l i ~.r - l! t:,',.. ' ' l :... l f. ~.... '.. ' '. ~- ;. f ' ". {.,. }~ ---~<. ~...:~,.:~::. :rt..,, ~ ~ " :{ ~,,;' ' -... i ' :...., : 'f:.ji'v..; :-_ ~. :. - ~~.- :.. :.: _.'!J :. ł. ł ~. :~:-: : " ~.,.,. ~...:._..., ~....,,.}... _~t... ; '.:, ;;:~.. l..... : ~,t..._.,.,. J... ( : -' -....,...s, ~ -..,. l '.,.-~... ~. : ~... '..' ~<.'~ -~.>. :.:_.... :..' "(.f., ' ' ~""-iio l..,,, --~. :' > ~ ~~fi;l{: ;'t, :; ~ ~ Rys. 4. Struktura stopu PA2N - odlew kształtowy krzyżowy nie poddany oddziaływaniu pola magnetycznego; pow. 20x 'f,_.,. " Rys. 5. Struktura stopu PA2N - odlew kształtowy krzyżowy poddany oddziaływaniu pola magnetycznego, widoczne rozdrobnienie struktury; pow. 20x Na rysunkach 4, 5, 6 i 7 przedstawiono mikrostruktury kompozytów. Obserwuje się doskonałą zwilżalność węglika krzemu przez osnowę stopu AIMg2. Ilość substancji powierzchniowo czynnej jest nieco zawyżona, co widać na niektórych zgładach nie tylko

6 132.!. Gawroński. M. Cholewa..!. Szajnar w bezpośredniej bliskości SiC, ale również w osnowie kompozytu. Ma. to niewcttpliwy wpływ na własności mechaniczne kompozytów kształtowych. Na rysunku 8 pokazano rozłożenie cząstek dyspersyjnych węglika krzemu w kształtowym odlewie krzyżowym - w ramionach krzyża i w jego osi centralnej, zgodnej z osią wirowania pola magnetycznego. Celem tych badań było potwierdzenie znanego już wcześniej faktu [l] skutecznego mieszania ciekłego metalu w formie przez wirujące rewersyjne pole magnetyczne zarówno we wnęce formy poza osią wirowania - w oddalonych od osi ściankach odlewu, jak i w samej osi wirowania pola magnetycznego zgodnej z osią centralną odlewu. Rys. 6. Struktura kompozytu PA2N-SiC. odlew kształtowy krzyżowy. widoczne dobre zwilżanie węglika krzemu przez os n owę: pc"v. 120x.. Rys. 7. Struktura kompozytu PA2N-SiC. dane jak na rys. 6. Pokazano inne rozwi nięcie powierzchni brzegowej SiC: pow. 40x Fakt ten ma kapitalne znaczenie w procesie wytwarzania odlewów kształtowych bryłruni obrotowymi. h~;:dctcych nie

7 Kompozyrv aluminium '\.-- - f- - ~.... Rys. 8. Przekrój w płaszczyźnie poziomej kompozytu kształtowego (w połow ie wysokości ) z zaznaczonymi miejscami pobrania zg ł adu metalograficznego. Widoczne równomierne rozłożenie SiC

8 134 J. Gawroń.ski, M. Cholewa. J. Szajnar Potwierdzeniem korzystnego rozłożenia SiC w odlewie są również pomiary twardości (rys. 9) i pomiary odporności na ścieranie wykonane na maszynie Skoda Savine (rys. 10) ' ' + 3 FF F:> FI Miejsce 4 6 HB--t /250/ łB * 2 : Miejsce-+---ł---t ~ HB /30 HB,, = 38.4 Rys. 9. Rozkład twardości w kompozylach kszt a łtowyc h (odlew typu "X" i "T') 3 -. ~~ H, ')1 2 Miejsce n /0 próbka ' 2 Mi!'jsce próbka 5 1~1~,:5--1 R,, = pomictry 2 i 3 dwukrotne pomiary 1 pojedyncze R, RK- wskaźnik odporności na zużycie 1 /mrn 3 bez SiC i z dodatkiem SiC (kornpozyt) Rys. 10. Pomiar odporności na ścieranie w przekroju poziomym kompozytu krzyżo weg o

9 Kompozy tv aluminium Wspomaganie mieszania zasadniczego w piecu bądź w tyglu (kadzi) odbywające się w formie, a więc w przestrzeni gdzie ustaje ruch wymuszony ciekłej suspensji osnowa kornpozytu - dodatek dyspersyjny, pozwala zwłaszcza w grubszych śc iankach kompozytu k sz tałtowego korzystnie i jednorodnie rozłożyć dyspersyjne cząstki umacniające osnowę, nawet przy stosunkowo wysokiej temperaturze zalewania sprzyjającej segregacji. Mieszanie w formie nie dopuszcza zatem do segregacji nawet bardzo dobrze zwilżonych przez osnowę cząstek SiC. Zjawisko takie potwierdzono w przypadku innych kompozytów: aluminiurn- Cgrafit, aluminiurn - SiC, aluminium- węgliki tytanu itp. Przedstawiony w tabeli 2 plan badań został zrealizowany przy niewielkiej ilości wprowadzonego do osnowy dodatku dyspersyjnego SiC, nie przekraczającego 3%. Nie jest to ani granica możliwości opracowanej technologii, ani też ostrożność związana z obawą wystąpienia segregacji SiC. Wcześniejsze badania sprawdzające, w których ilość SiC wynosiła nawet 10%, pozwoliły uzyskać wysoką jednorodność rozłożenia cząstek dyspersyjnych. Jednak obróbka mechaniczna kompozytów, zwłaszcza cięcie, jest niemal niemożliwe już powy żej 3-4% SiC. Tak więc wzrost ilości dodatku dyspersyjnego do lo% SiC jest możliwy tylko w przypadku dalszej przeróbki plastycznej wyrobu kompozytowego, która powoduje usunięcie porowatości kompozytu i uporządkowanie zbrojenia [2]. Wnioski i spostrzeżenia l) Badania wstępne i zasadnicze potwierdziły przydatność środka powierzchniowo czynnego, jakim są tl enki boru i sodu.do aktywacji powierzchniowej cząstek SiC, co ułatwia ich zwilżalność przez osnowę metalową kornpozytu kształtowego. Wysoka przydatność środka powierzchniowo czynnego sprawdziła się również w badaniach kornpozytu AlSi-Cgratit [3]. 2) Wytwarzanie kornpozytów kształtowych, a więc kornpozytów zbliżonych kształtem do kształtów odlewów uż y tkowych jest możliwe dzięki mieszaniu osnowy z cząstkami dyspersyjnymi w sposób klasyczny - mieszadłami - przed wlaniem do formy, jak i mieszaniu w formie za pomocą pola magnetycznego. 3) Własno śc i mechaniczne- zwłaszcza twardość kornpozytu nie różni się wiele od twardo śc i osnowy bez cząs tek SiC, gdyż mała ilość dodatku dyspersyjnego powoduje, że w czasie badań twardości kulka pomiarowa "wciska" cząstki dyspersyjne w głąb miękkiej osnowy. 4) Badania odporności na zużycie wskazują, że nieznaczny tylko wzrost ilości SiC od warto ś ci l % do 3% powoduje niemal dwukrotny wzrost odporności na zużycie kompozytu, co sugeruje, ż e ze wzrostem ilości węglika krzemu odporność na zużycie można regulować praktycznie w szerokich granicach.

10 136 J. Gawroński, M. Cholewa, J. Szajnar Literatura l. J. GAWROŃSKI, J. SZAJNAR: Post. Techno!. Masz. 1987, 3-4, J. ŚLEDZIONA : Mat. I Pol. Konf. nt.metalowe rnteriały kompozytowe. Kraków J. GA WROŃSKI, M. CHOLEW A: Mat. I Pol. Konf. nt.metalowe B.S. MAlMUDAR I IN.: Mater. Sci. Eng. 1984, 68, M. CHOLEWA, J. GAWROŃ SKI: Patent Nr , Summary ALUMINIUM COMPOSITES- SiC CERAMI C PARTICLES PRODUCTION TECHNOLOGY OF SHAPE COMPOSITES In a paper some problems concerning section aluminium-ceramie particles composites production are discussed in a case AlMg2-SiC. Silieon carbide surface activator has been used in production tcchnology and two stages of stirring: first mechanic stage with an agitator inside a furnace for melting composites base with reinforcing materiał, and second inside a casting mould by means of reverse rotaring magnetic field.