ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA KOMPOZYTÓW NA OSNOWIE STOPU AlSi13Cu2 WYTWARZANYCH METODĄ SQUEEZE CASTING

Transkrypt

1 25/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA KOMPOZYTÓW NA OSNOWIE STOPU AlSi13Cu2 WYTWARZANYCH METODĄ SQUEEZE CASTING Z. KONOPKA 1, M. CISOWSKA 2, A.ZYSKA 3, A. BOBER 4, S. NOCUŃ 5 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań rozszerzalności cieplnej kompozytów na osnowie stopu AlSi13Cu2 zbrojonych krótkimi włóknami węglowymi z pokryciem Ni i bez pokrycia wytworzonych metodą sqeeze casting. Zmiany długości próbki w funkcji temperatury rejestrowano za pomocą dylatometru optycznego. Na podstawie krzywych dylatometrycznych określono wpływ włókien na współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej podczas cyklu nagrzewania i chłodzenia.. Key words: composites, aluminium alloys, sqeeze casting, short fibres 1. WSTĘP Metale i ich stopy zmieniają swoje wymiary wraz ze zmianą temperatury. Zmiany wymiarów są niepożądane, ponieważ mogą być przyczyną powstawania naprężeń wewnętrznych a nawet zniszczenia materiału. Rozszerzalność cieplną kompozytów zbrojonych cząstkami czy też włóknami wyrażoną przez współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej można obliczyć z wielu zależności teoretycznych. Jednak są one prawdziwe tylko dla określonych założeń dotyczących kształtu faz zbrojących i rodzaju ich połączenia z osnową [1, 2]. Materiały kompozytowe mają tę 1 dr hab.inż. Prof. P. Cz., konopka@mim.pcz.czest.pl 2 mgr inż., cis@mim.pcz.czest.pl 3 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 4 mgr inż., bober@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż., nocun@mim.pcz.czest.pl

2 211 przewagę nad innymi materiałami, że komponowanie różnych składników daje szerokie możliwości sterowania właściwościami w tym także rozszerzalnością cieplną [3]. Właściwości kompozytów zbrojonych cząstkami istotnie zależą od rozmieszczenia cząstek w objętości osnowy. Szeroka grupa kompozytów ze zbrojeniem rozmieszczonym przypadkowo w objętości wykazuje stosunkowo niskie własności właśnie ze względu na nierównomierność rozmieszczenia tych faz w objętości osnowy [4]. Kompozyty wytwarzane są z reguły metodami odlewniczymi, wśród których największe perspektywy rozwoju mają: odlewane ciśnieniowe i squeeze casting. 2. METODYKA BADAŃ W badaniach podjęto próbę oceny rozszerzalności cieplnej kompozytów wykonanych metodą prasowania w stanie ciekło-stałym (metoda squeeze casting). W tym celu zaprojektowano i wykonano stempel i formę do prasowania próbek w kształcie prostopadłościanu o wymiarach 200mmx100mmx25mm. Wykonano kompozyty na osnowie stopu AlSi13Cu2 zbrojone ciętymi włóknami węglowymi. Do ciekłego stopu AlSi13Cu2 wprowadzono 5%, 10%, 15% objętościowo włókien węglowych (WW). Zastosowano cięte włókna WW o długości 5mm i średnicy 8 m pokryte warstwą niklu o grubości 0,25 m, która ułatwia zwilżanie włókien ciekłym stopem, oraz cięte włókna WW o długości 5mm i tej samej średnicy bez pokrycia. Suspensję kompozytowa przygotowano metoda mieszania ciekłego stopu osnowy z zadanym udziałem objętościowym włókien węglowych. Mieszanie wykonano przy następujących parametrach: czas mieszania 300s i prędkość mieszania mieszadła śmigłowego 10 s -1. Prasowanie odlewów kompozytowych wykonano na prasie hydraulicznej przy następujących parametrach: ciśnienie prasowania 100 MPa, temperatura formy C, czas działania 2 min. Z odlewów kompozytowych wykonano zgłady metalograficzne w celu obserwacji rozmieszczenia włókien węglowych w objętości osnowy. Pomiary rozszerzalności wykonano metodą dylatometryczną w procesie nagrzewania i studzenia w zakresie temperatury C, walcowych próbek o średnicy 3mm i długości 30mm wyciętych z odlewu kompozytowego. W czasie pomiaru rejestrowano w przedziałach temperatury ΔT=50 0 C bezwzględne i względne zmiany długości pomiarowej próbki, na podstawie których obliczono chwilowe wartości współczynników rozszerzalności liniowej. Wartości współczynników liniowej rozszerzalności cieplnej zostały określone ze wzoru: gdzie: T T l 0 l T (1) -współczynnik rozszerzalności liniowej, l - wydłużenie bezwzględne, l 0 -długość początkowa próbki, T różnica temperatury.

3 Wsp. rozszerzalności cieplnej *10-5, 1/K WYNIKI BADAŃ I ANALIZA Wartości współczynnika rozszerzalności liniowej kompozytów zbrojonych włóknem węglowym z pokryciem Ni i bez pokrycia przedstawia tabela 1. Tabela 1. Współczynniki rozszerzalności liniowej badanych kompozytów Table 1. Values of the coefficient of linear thermal expansion for the examined composites Kompozyt Nagrzewanie, 10-5 [1/K] Chłodzenie, 10-5 [1/K] 5% 10% 15% 5% 10% 15% AlSi13Cu2 - WW Ni prasowany 2,38 2,29 2,22 2,44 2,40 2,42 AlSi13Cu2 - WW prasowany 2,40 2,32 2,24 2,47 2,41 2,40 Graficzny obraz współczynników rozszerzalności cieplnej badanych materiałów dla nagrzewania i chłodzenia przedstawiają rysunki 1 i AlSi13Cu2-WW Ni 2-AlSi13Cu2-WW Udział objętościowy WW, % Rys. 1. Współczynnik rozszerzalności kompozytów dla nagrzewania Fig. 1. The coefficient of linear expansion of composites for heating

4 Wsp. rozszerzalności cieplnej *10-5, 1/K AlSi13Cu2-WW Ni 2-AlSi13Cu2-WW Udział objętościowy WW, % Rys. 2. Współczynnik rozszerzalności kompozytów dla chłodzenia Fig. 2. The coefficient of linear expansion of composites for cooling Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono wyniki badań rozszerzalności cieplnej badanych kompozytów. Wykresy te uwidaczniają poprawę własności cieplnych kompozytów w porównaniu ze stopem osnowy bez względu na rodzaj włókien użyty do badań. Kompozyty te cechują się niższymi wartościami współczynnika. Sugeruje to możliwość tworzenia stosunkowo silnego połączenia cząstek z osnową. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe mikrostruktury badanych materiałów. Kompozyty cechują się jednorodnym rozmieszczeniem włókien w osnowie i to zarówno włókna bez pokrycia jak i włókna z pokryciem. Potwierdza to efektywność mieszania i prawidłowy dobór parametrów procesu. Wypełnianie formy w czasie prasowania zachowuje jednorodność rozmieszczenia cząstek w osnowie co pozwala stwierdzić, że technologia sqeeze casting tego typu kompozytów jest wyjątkowo odpowiednia dla wytwarzania odlewów kompozytowych.

5 214 a) b) Rys. 3. Mikrostruktura odlewów kompozytowych: : a) AlSi13Cu2-WW, b) AlSi13Cu2-WW N Fig. 3. Microstructures of the composite castings : a) AlSi13Cu2-WW, b) AlSi13Cu2-WW N 4. WNIOSKI Badania rozszerzalności cieplnej wykazały, że zbrojenie w postaci włókien węglowych z pokryciem Ni jak i bez pokrycia daje pozytywne rezultaty przejawiające się zmniejszeniem współczynnika rozszerzalności cieplnej kompozytów. Dla kompozytów zawierających zbrojenie w postaci włókien węglowych pokrytych warstwą Ni stwierdzono niższe wartości współczynnika, co sugeruje wzrost siły połączenia składników w tym kompozycie w porównaniu z kompozytami zawierającymi włókna bez pokrycia. Zmniejszenie współczynnika rozszerzalności cieplnej powoduje stabilizację wymiarowa odlewów co jest istotnym czynnikiem w przypadku kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi ze względu na szczególna przydatność tych materiałów do pracy w podwyższonych temperaturach. LITERATURA [1] Śleziona J.: Kształtowanie własności kompozytów stop Al-cząstki ceramiczne wytworzonych metodami odlewniczymi, Gliwice 1994, [2] Richardson M.O.W. Polymer Enginieering Composites, Applied Science Publishers Ltd. London, wydawnictwo rosyjskie, Chimia, Moskva [3] Konopka Z., Cisowska M.: Rozszerzalność cieplna kompozytów na osnowie stopu AlMg10 z cząstkami SiC i C gr, Kompozyty, rocznik 2, nr 3, 2002, [4] J.Sobczak: Metalowe materiały kompozytowe. Stan aktualny i perspektywy rozwoju, 1999,

6 215 THERMAL EXPANSION OF AlSi13Cu2 MATRIX COMPOSITES PRODUCED BY SQUEEZE CASTING METHOD SUMMARY The paper presents the results of the thermal expansion examinations performed for AlSi13Cu2 matrix composites reinforced with short carbon fibers with and without Ni coating, produced by means of the squeeze casting method. The changes of the specimen length have been registered by means of the optical dilatometer. The influence of the fiber reinforcement on the coefficient of the linear thermal expansion during the heating-cooling cycle has been determined on the basis of the dilatometric curves. Recenzował Prof. Józef Śleziona