BADANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH NA OSNOWIE ALUMINIUM ZBROJONYCH CZĄSTKAMI SiO 2

Transkrypt

1 7/2 Archives of Foundry, Year 21, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 21, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN BADANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH NA OSNOWIE ALUMINIUM ZBROJONYCH CZĄSTKAMI SiO 2 A. PATEJUK 1, T. DUREJKO 2 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. Kaliskiego 11A/24/B -98 Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu temperatury zalewania na właściwości materiału kompozytowego na osnowie aluminium zbrojonego cząstkami SiO 2. Stwierdzono, że badany materiał kompozytowy charakteryzujący się porównywalnymi właściwościami plastycznymi i odpornością na zużycie, wykazuje zróżnicowaną wielkość wytrzymałości na rozciąganie, uzależnioną w pierwszym rzędzie od rodzaju zastosowanego zbrojenia oraz od jego udziału. Key words: wear resistance, composite, tensile strength 1. WSTĘP W ostatnich latach obserwuje się znaczne zintensyfikowanie zastosowań materiałów kompozytowych w przemyśle. Postęp ten wymuszają wciąż rosnące wymagania użytkowników dotyczące potrzeby aplikacji coraz to doskonalszych jakościowo materiałów kompozytowych. Szczególne znaczenie ma w tym zakresie grupa materiałów kompozytowych wytwarzana na osnowie metalicznej wzmacniane włóknami lub cząstkami [1]. Szczególną grupę materiałów inżynierskich, nad którymi już od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania w wielu wiodących ośrodkach naukowych na całym świecie, stanowią materiały kompozytowe na osnowie stopów lekkich zbrojone cząstkami. Prace te dotyczą głównie problemu, praktycznego wykonania w warunkach przemysłowych materiałów kompozytowych charakteryzujących się powtarzalności właściwości. Sygnalizowane trudności wynikają z faktu, iż właściwości materiałów kompozytowych 1 dr inż. bystry@wme.wat.pl 2 mgr inż. bystry@wme.wat.pl

2 nie są prostą sumą właściwości komponentów. Stąd też projektowanie i wytwarzanie tych materiałów wymaga solidnych podstaw naukowych, wysokich umiejętności inżynierskich i bardzo starannej realizacji procesu technologicznego wytwarzania [2]. Korzyści wynikające z zastosowania materiałów kompozytowych w technice są bezdyskusyjne. Jako największy obszar potencjalnego zwiększenia zastosowania materiałów kompozytowych wskazuje się przemysł motoryzacyjny. Udowodnionym jest, że np. dla samochodu o masie 15 kg, zmniejszenie jego masy o 3 kg, prowadzi do oszczędności paliwa o około 3% [3]. Powszechnie uważa się, że przy pełnym zachowaniu funkcjonalności pojazdu samochodowego produkowanego seryjnie, udział materiałów kompozytowych powinien wynosić 3-4%. Drugim ważnym aspektem wskazującym na coraz szersze stosowanie materiałów kompozytowych w konstrukcjach inżynierskich to możliwość zmniejszenia liczby elementów. Nowoczesne materiały kompozytowe pozwalają ponadto zrealizować bardzo wygórowane wymagania, np. w zakresie specyficznych właściwości. Przykładowo można wykonać kabinę pasażerską tak, że będzie ona stanowić rodzaj skrzynki bezpieczeństwa, natomiast reszta nadwozia ma pochłonąć energię zderzenia [4]. Wykorzystanie materiałów kompozytowych w konstrukcji w prostej aplikacji prowadzi najczęściej poza zmniejszeniem jej masy do jednoczesnego zwiększenia odporności korozyjnej konstrukcji. W obliczu niezaprzeczalnych korzyści wynikających z coraz szerszego stosowania materiałów kompozytowych, istnieje potrzeba ciągłego unowocześniania technologii materiałów już wytwarzanych jak również projektowanie nowych materiałów kompozytowych o coraz lepszych cechach jakościowych. Parametry jakościowe charakteryzujące dany materiał kompozytowy użyty w konstrukcji inżynierskiej, muszą być tak dobrane aby uwzględniały główne funkcje jakie spełnia dana konstrukcja (poszczególne elementy tej konstrukcji) [5]. W wielu przypadkach jednym z najważniejszych kryterium decydującym o możliwości wykorzystania danego materiału kompozytowego w konstrukcji, jest możliwość uzyskania wysokich właściwości wytrzymałościowych (wytrzymałości na rozciąganie), przy jednoczesnym zachowaniu dobrej odporności na ścieranie. Powyższe stało się główną przesłanką przeprowadzenia badań zamieszczonych w niniejszej pracy. 2. WYNIKI BADAŃ Próbki materiału kompozytowego wykonane zostały metodą odlewania. Jako materiał osnowy zastosowano aluminium (o czystości 99,999Al). Natomiast zbrojenie stanowiły cząstki piasku kwarcowego (o czystości przemysłowej) oraz cząstki szkła kwarcowego (SiO 2 ). Aluminium topiono w tyglu umieszczonym w piecu wgłębnym bez stosowania atmosfery ochronnej. Wprowadzenie piasku kwarcowego do ciekłego aluminium dokonywano w temperaturach 7 C, 8 C, 9 C. Do ciekłego metalu zostały wprowadzone cząstki SiO 2, w ilości 5%, 15% i 25% udziału objętościowego. Zawiesinę w stanie ciekło - stałym (stałe cząstkami SiO 2 w ciekłym aluminium) mieszano mechanicznie ( obr/min) przez 2, 5, 8 minut. Następnie uzyskaną

3 mieszaninę zalewano do formy piaskowej. Dla każdego wariantu (tabela 1) odlano po trzy próbki w postaci pręta, o wymiarach: 8x8 mm. Tabela 1. Warianty próbek użytych w badaniach Table 1. Types of samples used in the research Rodzaj zbrojenia Udział zbrojenia, % Temperatura zalewania, C Czas mieszania, min Oznaczenie próbek 7 8 /7/8 Bez zbrojenia 8 5 /8/5 9 2 /9/2 2 C(5/15/25)/7/2 7 5 C(5/15/25)/7/5 8 C(5/15/25)/7/8 2 C(5/15/25)/8/2 Cząstki szkła 5/15/ C(5/15/25)/8/5 kwarcowego 8 C(5/15/25)/8/8 2 C(5/15/25)/9/2 9 5 C(5/15/25)/9/5 8 C(5/15/25)/9/8 2 P(5/15/25)/7/2 7 5 P(5/15/25)/7/5 8 P(5/15/25)/7/8 Piasek kwarcowy 5/15/ P(5/15/25)/8/2 5 P(5/15/25)/8/5 8 P(5/15/25)/8/8 2 P(5/15/25)/9/2 5 P(5/15/25)/9/5 8 P(5/15/25)/9/8 W celu potwierdzenia zgodności materiałów użytych do wytworzenia materiału kompozytowego na wstępie badań eksperymentalnych przeprowadzono analizę składu chemicznego poszczególnych faz składowych tego materiału kompozytowego. Badania przeprowadzone na mikroskopie elektronowym Philips XL-3 LaB6, wyposażonym w przystawkę EDAX. Przeprowadzone badania potwierdziły zgodność składu głównych składników fazowych komponentów z założonymi Następnym etapem badań było ustalenie poziomu odporności wykonanych próbek na zużycie cierne w czasie minimum trzech cykli (1 cykl 1 m). Badania zostały wykonane z wykorzystaniem przeciwpróbki wykonanej z stali 55 (o twardości 5 HRC). Uzyskane wyniki badań wykazały, że wszystkie próbki materiału kompozytowego charakteryzują się dobrymi właściwościami ściernymi. Zgodnie z przewidywaniami ustalono, że wraz ze wzrostem udziału zbrojenia w materiale kompozytowym odnotowano wzrost odporność na zużycie Przy tym należy zaznaczyć,

4 Zużycie, l/cykl że większymi przyrostami odporności na zużycie charakteryzują się materiały kompozytowe charakteryzujące się mniejszymi ilościami fazy zbrojącej rys Piasek kwarcowy Cząstki SiO Udział zbrojenia, % Rys. 1. Odporność na zużycie kompozytu Fig. 1. Wear resistant of composite W kolejnym etapie przeprowadzono badania właściwości mechanicznych. W tym celu wykonano próbki okrągłe o średnicy 5 mm. Badania wytrzymałości doraźnej przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron typu 851 Plus. W trakcie badań prowadzono ciągłą komputerową rejestrację wyników. Uzyskane wyniki badań wskazują na stosunkowo niewielki wpływ czasu mieszania na wytrzymałość doraźną. Zaobserwowano jedynie nieznaczną tendencję poprawy właściwości mechanicznych wraz ze wzrostem czasu mieszania (wartość wzrostu mieści się w przedziale rozrzutu wyników pomiaru). Natomiast największy wpływ na właściwości wytrzymałościowe wywiera zarówno ilość jak i rodzaj użytego zbrojenia rys. 2. Przy czym, niezależnie od rodzaju użytego zbrojenia, odnotowuje się znaczny spadek plastyczności (A 5 ) wraz ze wzrostem jego udziału rys. 2b, d. Należy przy tym stwierdzić, że w przypadku właściwości plastycznych nie stwierdzono istotnych różnic wynikających z rodzaju zastosowanego materiału zbrojącego W kolejnym etapie wykonano badania metalograficzne oraz mikroanalizę składu chemicznego w mikroobszarach. Obserwacje przeprowadzone na mikroskopie elektronowym Philips XL-3 LaB6. Zgłady metalograficzne wykonano sposobem tradycyjnym, szlifując na papierach ściernych o zmniejszającej się granulacji, a następnie polerując z wykorzystaniem zawiesiny diamentowej o granulacji 3 μm i l μm. Obserwacje mikroskopowe wykazały, że wykonane metodą odlewania próbki materiału kompozytowego charakteryzują się dwufazową budową. Cząstki fazy zbrojącej, zarówno piasku kwarcowego jak i cząstek szkła kwarcowego, posiadają zróżnicowaną wielkość od kilku do kilkuset mikrometrów (rys. 3a). Połączenie tych cząstek z osnową jest typu adhezyjnego. Potwierdzeniem powyższego stwierdzenia są wyniki mikroanalizy liniowej wykonane na granicy rozdziału faz badanych materiałów kompozytowych. Analizując granice rozdziału faz nie odnotowano symptomów dyfuzji stężeniowej składników fazowych jednej fazy do fazy sąsiedniej. Przykładowy wygląd

5 Wytrzymałość RM, MPa Wydłużenie, % Wytrzymałość Rm, MPa Wydłużenie, % mikrostruktury materiałów kompozytowych będących przedmiotem badań, przedstawiono na rys. 3. a c % Al. 95% Al. 85% Al. 75% Al Temperatura zalewania, C 1% Al. 95% Al. 85% Al. 75% Al. b d 1% Al. 95% Al. 85% Al. 75% Al Temperatura zalewania, C 1% Al. 95% Al. 85% Al. 75% Al Temperatura zalewania, C Temperatura zalewania, C Rys. 2. Wpływ temperatury zalewania na właściwości kompozytu: a wytrzymałość doraźna R m (zbrojenie piasek kwarcowy), b wydłużenie (zbrojenie piasek kwarcowy), c wytrzymałość doraźna R m (zbrojenie cząstki szklane), d - wydłużenie (zbrojenie cząstki szklane) Fig. 2 The influence of filling temperature on composition properties: a UTS (reinforcement - quartz sand), b elongation (reinforcement - quartz sand), c UTS (reinforcement - glass particles), d elongation (reinforcement glass particles)

6 a b c Rys. 3. Mikrostruktura próbek materiału kompozytowego (oznaczenie próbek w tabeli 1): a próbka C/25/7/5 (pow. 25x), b - próbka P/15/9/2 (pow. 2x), c - próbka C/15/8/8 (pow. 2x) Fig. 3. Composition material samples microstructure (samples description in Table 1): a sample C/25/7/5 (magn 25x), b sample p/15/9/2 (magn 2x), c sample C/15/8/8 (magn 2x) 3. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków końcowych: 1. Wzrost temperatury odlewania nie powoduje wyraźnych zmian właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych na osnowie aluminium zbrojonych cząstkami SiO Największy wpływ na wytrzymałość doraźną badanych materiałów kompozytowych wywiera rodzaj i ilość fazy zbrojącej. 3. Rodzaj cząstek zastosowanych jako faza zbrojąca badanych materiałów kompozytowych nie wpływa istotnie na ich właściwości plastyczne. LITERRATURA [1] J. Sobczyk, Metalowe materiały kompozytowe, Instytut Odlewnictwa, Kraków [2] A. Patejuk, M. Gabrylewski: Materiały kompozytowe stosowane w technice samochodowej. II Krajowa Kursokonferencja (1998) [3] M. Gabrylewski, A. Patejuk: Materiały kompozytowe z osnową metaliczną. Inżynieria Materiałowa 6 (1997). [4] Z. Zarański, A. Patejuk: Ocena jakości materiałów kompozytowych stosowanych w pojazdach samochodowych. IV Krajowa Kursokonferencja (1999) [5] I. Hyla Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych. PWN Warszawa 1972.

7 THE RESEARCH MADE TO MATERIALS COMPOSED WITH ALUMINUM REINFORCEMENT AND SIO 2 PARTICLES SUMMARY The work consists the result of a research concerning the influence of filling temperature on composed material strengthen by aluminium reinforced with SiO 2 particles. It is proved that a material characterised by similar technical virtues and wearing resistance gives different figures when it comes to pulling force, depends on the type of reinforcement used and its percentage in the whole composition. Recenzowali Prof. Janusz Braszczyński i Prof. Józef Gawroński