Wytrzyma³oœæ na œciskanie kompozytów AlSi11/beton z polimerem siarkowym

Transkrypt

1 174 Miros³aw CHOLEWA, Dawid SCELINA, Anna DULÊBA Miros³aw CHOLEWA, Dawid SCELINA, Anna DULÊBA Politechnika Œl¹ska, Wydzia³ Mechaniczny Technologiczny, Katedra Odlewnictwa; ul. Towarowa 7, Gliwice Wytrzyma³oœæ na œciskanie kompozytów AlSi11/beton z polimerem siarkowym Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badañ wytrzyma³oœciowych na œciskanie. Celem badañ by³o okreœlenie wp³ywu zastosowanego polimeru siarkowego jako wype³niacza aluminiowego odlewu szkieletowego na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe otrzymanego kompozytu AlSi11/beton z polimerem siarkowym. W ramach pracy wykonano badania wytrzyma³oœciowe otrzymanych materia³ów. COMPRESSIVE STRENGTH TESTING OF AlSi11/ SULFUR POLYMER CONCRETE Summary: In this paper the results of compressive strength testing were shown. The aim of this study was to determine the effect of the sulfur polymer applied as a filler of the aluminum skeletal casting on the mechanical properties of the resulted AlSi11/sulfur polymer composites. In this work a number of the mechanical tests, of the obtained materials were done. 1. Wstêp Praca jest wynikiem przegl¹du dostêpnej literatury [1-10] oraz badañ w³asnych autorów pracy. W pracy zaprezentowano oryginaln¹ grupê materia³ów porowatych o komórkach otwartych zwanych odlewami szkieletowymi, których proces wytwarzania pozwala na uzyskanie równomiernej projektowalnej makro struktury oraz jednakowych w³aœciwoœci w ca³ym wytwarzanym detalu. Wspó³czeœnie wysoko obci¹ one konstrukcje tworzy siê na bazie monolitycznych, z materia³ów, takich jak: eliwo, stal, beton, co wp³ywa na znaczn¹ masê produkowanych maszyn i urz¹dzeñ. Celowe jest, wiêc d¹ enie do obni enia masy konstrukcji, z czym powinno wi¹zaæ siê zwiêkszenie ich w³asnoœci eksploatacyjnych. Ponadto konstrukcje powinny charakteryzowaæ siê du ¹ wytrzyma³oœci¹ postaciow¹ oraz wysok¹ trwa³oœci¹ i niezawodnoœci¹. Istotny wp³yw na obni enie masy konstrukcji ma optymalny dobór kszta³tów oraz zastosowanie odpowiednich materia³ów na poszczególne czêœci sk³adowe konstrukcji, zatem szczególnego znaczenia nabiera wytrzyma³oœæ postaciowa. W ostatnich latach nast¹pi³ rozwój konstrukcji o w³asnoœciach materia³owych charakteryzuj¹cych siê niemonolityczn¹ struktur¹. Przyk³adem mog¹ byæ m.in. metalowe materia³y porowate o strukturze komórkowej, posiadaj¹ce odpowiednio dobran¹ kombinacje w³asnoœci fizycznych i mechanicznych m.in.: wysok¹ sztywnoœæ, zdolnoœæ do adsorpcji energii uderzenia i ma³¹ masê, t³umienie wstrz¹sów, wibracji oraz dÿwiêków. Wyroby z tych materia³ów znalaz³y zastosowanie g³ównie w przemyœle budowlanym, motoryzacyjnym, oraz lotniczym. Odlewy szkieletowe s¹ now¹ i szybko rozwijaj¹c¹ siê grup¹ materia³ów in ynierskich. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na tego rodzaju materia³y pojawiaj¹ siê nowe metody ich wytwarzania oraz coraz to nowsze jakoœciowo komponenty tworz¹ce wype³nienie metalowego szkieletu, w efekcie, czego uzyskuje siê kompozyt. W pracy przedstawiono mo liwoœæ zastosowania polimerowego betonu opartego na siarce, jako materia³u wype³niaj¹cego aluminiowy szkielet. Zastosowanie wype³nienia szkieletów aluminiowych polimerowym betonem przeprowadzono w celu zwiêkszenia w³asnoœci mechanicznych szkieletów z mo liwoœci¹ stosowania tych materia³ów kompozytowych w przysz³oœci na konstrukcyjne elementy noœne. Siarkobeton jest tworzywem powsta³ym w wyniku mieszania polimeru siarkowego z kruszywem. Firma MARBET WIL Sp. z o.o. przetwarza siarkê odpadow¹ pochodz¹c¹ z instalacji odsiarczania ropy naftowej i gazu ziemnego (instalacji Clausa) na polimer siarki o nazwie handlowej SULCEM. Proces technologiczny unieszkodliwiania odpadów prowadzony jest wed³ug opatentowanej technologii, w specjalnie zaprojektowanym mieszalniku. Uzyskany w ten sposób materia³ z powodzeniem mo e konkurowaæ, a nawet zastêpowaæ, elementy wykonane z betonu na bazie cementu portlandzkiego. Tak zwany siarkobeton jest bardzo dobrym materia³em budowlanym, z uwagi na swoje w³asnoœci wytrzyma³oœciowe, a przede wszystkim bardzo dobr¹ odpornoœæ na agresywne chemicznie œrodowiska. Z siarkobetonu mo na wykonywaæ zarówno elementy noœne konstrukcji urz¹dzeñ, jak równie instalacje w przemyœle chemicznym, zbiorniki do sk³adowania odpadów silnie toksycznych, elementy rur do transportu ciek³ych mediów, nawierzchnie dróg o bardzo du ej eksploatacji, ³awy fundamentowe. Siarkobeton jest przyk³adem idealnego zastosowania i wykorzystania siarki, pochodz¹cej g³ównie z rafinacji ropy naftowej, jak równie ze spalania œmieci, czy odsiarczania gazów, czyli wszêdzie tam gdzie siarka stanowi efekt uboczny procesu. G³ównym celem pracy by³a okreœlenie w³asnoœci wytrzyma³oœciowych otrzymanych kompozytów szkieletowych z zastosowaniem siarkobetonu jako materia³u wype³niaj¹cego metalowy szkielet. 2. Metodyka badañ doœwiadczalnych Do wykonania rdzeni próbnych odlewów szkieletowych zastosowano materia³ glinokrzemianowy. W rdzeniu odtworzono kana³y o przekroju ko³owym uk³adaj¹ce siê w przestrzenn¹, prostopad³¹ sieæ. Œrednice kana³ów wynosi³y 5 mm. Kana³y rdzenia tworz¹ce ³¹czni-

2 Wytrzyma³oœæ na œciskanie kompozytów AlSi11/beton z polimerem siarkowym 175 Rys. 1. Komórka odlewu: a) budowa 8 komórek odlewu, b) postaæ geometryczna wêz³a szkieletu, c) charakterystyczne wymiary pojedynczej szeœciennej komórki rdzenia Tabela 1. Sk³ad chemiczny odlewniczego stopu aluminium AlSi11 wg PN EN-1706:2001 Sk³ad chemiczny [%] Si Fe Mg Mn Cu Zn Ti Al 10,0 11,8 0,15 0,45 0,10 0,03 0,07 0,15 reszta ki szkieletu odpowiada³y krawêdziom szeœcianu o d³ugoœci 15 mm, co pokazano na rysunku 1. Do wykonania próbnych odlewów szkieletowych u yto odlewniczego stopu aluminium z krzemem AlSi11. Stop ten, ze wzglêdu na bardzo dobr¹ lejnoœæ zalecany jest do stosowania na odlewy o skomplikowanych kszta³tach. Sk³ad chemiczny stopu przedstawiono w tabeli 1. Parametry technologiczne wykonania próbnych odlewów szkieletowych przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Parametry technologiczne wykonania próbnych odlewów szkieletowych Parametry technologiczne Nr odlewu szkieletowego AlSi11 1 AlSi11 2 Wymiary odlewu [mm] Gruboœæ œcian zewnêtrznych 6 [mm] Wysokoœæ uk³adu wlewowego 300 [mm] Temperatura formy 333 [K] 293 [K] Temperatura zalewania 1013 [K] 983 [K] Jako materia³ wype³niaj¹cy aluminiowy szkielet zastosowano polimerowy beton SULBET (Rys.2), powsta³y na bazie spoiwa SULCEM (polimer siarkowy) z kruszywem naturalnych lub sztucznych. Wype³niacz ten jest materia³em termoplastycznym, nadaj¹cym siê w 100 % do recyklingu i wtórnego wykorzystania. 3. Wyniki badañ wytrzyma³oœciowych Przeprowadzono badania wytrzyma³oœci na œciskanie aluminiowych odlewów szkieletowych oraz kompozytów AlSi11/polimer siarkowy. Badania zosta³y przeprowadzone na zmodernizowanej uniwersalnej maszynie wytrzyma³oœciowej VEB WERKSTOFFPRÜFFMASCHI- NEN LEIBZIG o maksymalnej sile 100 kn wyposa onej w p³yty naciskowe. Prawid³owe ustawienie próbki miêdzy p³ytami dociskowymi pokazano na rysunku 3. Oœ próbki pokrywa³a siê z osi¹ obci¹ enia. Do statycznej próby œciskania u yto próbki szeœcienne: z aluminiowego odlewu szkieletowego o wymiarach mm rysunek 2.1, z betonu polimerowego, z kompozytu AlSi11/ SULBET. Badania zosta³y przeprowadzone dla 2 rodzajów aluminiowych odlewów szkieletowych (tabela 2). Próbki zosta- ³y odlane i wyciête do odpowiednich wymiarów. Próby œciskania przeprowadzono dla 6 próbek z AlSi11 1 (3 próbki H, 3 próbki V) oraz 6 próbek z AlSi11 2 (3 próbki Rys. 2. Proces wytwarzania kompozytu szkieletowego: 1 szkielet aluminiowy, 2 polimer siarkowy, 3 kompozyt AlSi11/polimer siarkowy

3 176 Miros³aw CHOLEWA, Dawid SCELINA, Anna DULÊBA Na rysunku 5 przedstawiono zestawienie uzyskanych wyników wytrzyma³oœci na œciskanie dla wszystkich badanych próbek. Zaobserwowano znaczne zwiêkszenie wytrzyma³oœci na œciskanie kompozytowych próbek AlSi11/SULBET w porównaniu do próbek bez wype³nienia, jak równie do samego materia³u wype³niaj¹cego. Najwy sz¹ wartoœæ wytrzyma³oœci na œciskanie (50 MPa) uzyskano dla odlewu kompozytowego AlSi11-1/SUL- BET. Podczas prób zarejestrowano zale noœæ si³y œciskaj¹cej P [kn] w funkcji wyd³u enia bezwzglêdnego L [mm] wybrane wykresy przedstawiono na rysunku Podsumowanie i wnioski Rys. 3. Ustawienie próbki w maszynie wytrzyma³oœciowej: 1 próbka, 2 p³yta dociskowa dolna, 3 p³yta dociskowa górna, 4 przegub kulisty H, 3 próbki V), gdzie oznaczenie V i H oznacza sposób ustawienia próbki w maszynie wytrzyma³oœciowej (H pionowo do uk³adu zalewania, V poziomo do uk³adu zalewania). Na rysunku 4 przedstawiono zestawienie wyników próbek podanych próbie œciskania. Okreœlono maksymaln¹ wartoœæ R c dla ka dej z próbek. Przeprowadzone badania maj¹ charakter podstawowy i rozpoznawczy oraz nie daj¹ mo liwoœci w pe³ni wyjaœnienia przyczyn i mechanizmu zarejestrowanych zale noœci. Podane wyniki z próby wytrzyma³oœciowej mog³y ulec zani eniu, gdy w niektórych próbkach, zauwa ono wady m.in. niespawy (Rys.7a). W miejscu niespawu dochodzi³o do szybszego zmniejszenia wytrzyma³oœci próbki. Znacz¹cy wp³yw na próbê wytrzyma³oœci mia³o równie przenikanie siê walców w miejscu ³¹cznika. Je eli walce nie przenika³y siê w osi wytrzyma³oœæ zmniejsza³a siê, gdy si³a obci¹ aj¹ca nie dzia³a³a równo na szkielet rysunek 7b. Problemem podczas przeprowadzania próby by³o równie okreœlenie po³o enia szkieletu aluminiowego w Rys. 4. Zestawienie wyników prób œciskania dla odlewów: a) AlSi11 1, b) AlSi11 2 Rys. 5. Œrednie zestawienie wyników próby œciskania

4 Wytrzyma³oœæ na œciskanie kompozytów AlSi11/beton z polimerem siarkowym 177 a) b) c) Rys. 6. Wykresy zale noœci si³y od wyd³u enia oraz naprê enia od wyd³u enia wzglêdnego próbek: a) AlSi11-2, b) polimer siarkowy, c) AlSi11-1/polimer siarkowy polimerze siarkowym (podczas odcinania naddatku polimeru siarkowego z próbki, trudno by³o wyznaczyæ umiejscowienie szkieletu i wyciêcie go w idealnym po³o- eniu prostopad³ym do powierzchni polimeru siarkowego). Z powy szych problemów wynikaj¹cych z przygotowania próbek wynika wniosek, e wytrzyma³oœæ kompozytu mo e jeszcze wzrosn¹æ. W efekcie przeprowadzonych badañ ustalono, e otrzymane kompozyty AlSi11/polimer siarkowy odzna- Rys. 7. Wady w otrzymanych odlewach kompozytowych AlSi11/polimer siarkowy: a) niespaw, b) nie osiowe przenikanie siê walców w miejscu ³¹cznika

5 178 Miros³aw CHOLEWA, Dawid SCELINA, Anna DULÊBA czaj¹ siê wiêksz¹ wytrzyma³oœci¹, ni ka dy z komponentów u yty osobno. Na podstawie uzyskanych wykresów dla próbek z samego wype³niacza oraz próbek kompozytowych mo na zauwa yæ liniow¹ zale noœæ si³y od wyd³u enia oraz naprê enia œciskaj¹cego od wyd³u enia wzglêdnego, a do momentu zniszczenia. W przypadku próbek z samego wype³niacza pod dzia³aniem maksymalnej si³y próbka ulega³a pêkaniu kruchemu, natomiast dla próbek kompozytowych, szkielet aluminiowy ogranicza³ kruche pêkanie betonu. Wraz ze wzrostem wytrzyma³oœci doraÿnej nastêpuje wzrost o ok. 30 % odkszta³cenia, przy którym próbka ulega zniszczeniu. Pozytywnym aspektem wykorzystania kompozytów z polimeru siarkowego, jest redukcja toksycznych odpadów w procesie rafinacji ropy naftowej, jak równie zastosowanie odpadów ze spalania utylizacyjnego i wiele innych gdzie produktem koñcowym jest siarka. Bibliografia: 1. Cholewa M., Dziuba Ka³u a M., Closed aluminum skeleton casting, Archives of Foundry Engineering 2008, vol. 8, Special Issue 1, p Dziuba Ka³u a M., Cholewa M., Structure of closed aluminium skeleton casting, Slévárenství 2008, No.3-4, p. 201 (in English), 45 th Foundry Days and 5 th International PhD Foundry Conference, p. 27 and on the CD supplement of Conference Proceedings. 3. Cholewa M., Dziuba Ka³u a M., Structural analysis of aluminum skeleton castings, Archives of Foundry Engineering 2008, vol. 8, No. 3, p Lortz M., Cholewa M., Dziuba Ka³u a M., Metody wykonania rdzeni odlewu szkieletowego, Prace Studenckich Kó³ Naukowych, Gliwice 2008, zeszyt nr 16, s Lortz M., Cholewa M., Dziuba Ka³u a M., Metody wytwarzania i w³aœciwoœci strukturalne odlewów szkieletowych AlSi11, Prace Studenckich Kó³ Naukowych, Gliwice 2008, zeszyt nr 16, s Cholewa M., Dziuba Ka³u a M., Microstructure quantitative analysis of aluminium skeleton castings, Archives of Foundry Engineering 2008, vol. 8, No. 4, p Kuœ M., Rogal S., Zastosowanie przemys³owe siarkobetonu, Magazyn Autostrady, 2004 nr.3, str Zastosowanie przemys³owe siarkobetonu opracowanie firmy: SOFREM sp. z o.o, Katowice, ul. Obroki K. Bobrowska-Krajewska, M. Dojka, Centrum badawczo-wdro eniowe SOFREM. 10. Frañski R.J., Tworzywa siarkobetonowe. Materia³y budowlane, 1999 nr.6, str