WPŁYW PARAMETRÓW TECHNOLOGICZYCH NA WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTU TYPU Al-WW

Transkrypt

1 89/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW PARAMETRÓW TECHNOLOGICZYCH NA WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTU TYPU Al-WW A. PATEJUK 1, M. GABRYLEWSKI 2. Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45C, Białystok Polska STRESZCZENIE W artykule wskazano na najbardziej istotne parametry technologiczne dwuetapowego procesu wytwarzania materiałów kompozytowych zbrojonych włóknami ciągłymi w osnowie aluminiowej. Przedstawiono wpływ parametrów technologicznych takich jak: temperatura i czas procesu infiltracji oraz temperatura i czas procesu formowania na właściwości użytkowe badanego materiału kompozytowego. Key words: carbon fibres, composite material 1. WSTĘP Doniesienia literaturowe [1-5] wskazują jednoznacznie, że najbardziej priorytetowymi kierunkami współczesnych badań naukowych są materiały kompozytowe. Materiały te dzięki specyficznym właściwościom, charakteryzują się między innymi wysoką wytrzymałością względną i sztywnością, stanowią one na równi z intermetalami jeden z najbardziej perspektywicznych materiałów do współczesnych zastosowań w technice lotniczej i kosmicznej [6, 7]. Należy zaznaczyć, że pomimo iż materiały kompozytowe w wielu gałęziach przemysłu stosowane są od wielu lat, to jednak dynamiczny rozwój współczesnego przemysłu wymaga stosowania na elementy maszyn i narzędzi tworzyw konstrukcyjnych o zdecydowanie lepszych własnościach użytkowych niż te, które używano jeszcze kilka czy kilkanaście lat temu. Przez niektórych materiały 1 dr inż., apatejuk@pb.bialystok.pl 2 dr inż.

2 kompozytowe w szczególności o osnowie metalicznej nazywane są łącznie z grupą materiałów na bazie faz międzymetalicznych, mianem materiały nowej generacji [8]. Chodzi o to, że elementy maszyn wykonane z tych materiałów cechują się zdecydowanie lepszymi właściwościami użytkowymi: wytrzymałościowymi, wyższą odpornością na korozję, posiadają pożądane właściwości tribologiczne, wysokie własności zmęczeniowe itp. Interesującą, a zarazem niekiedy bardzo pożądaną cechą, którą posiadają niektóre materiały kompozytowe, jest zdolność do tłumienia drgań,. [9]. Z tych też względów w ostatnim okresie, zamiast materiałów tradycyjnych - metali i ich stopów, coraz częściej stosuje się w przemyśle maszynowym materiały kompozytowe rys. 1. Rys. 1. Tendencje wykorzystania materiałów inżynierskich w budowie maszyn [10]. Fig. 1. The tendencies of usage engineering materials in machine building [10]. Jednym z trudniejszych procesów wytwarzania materiałów kompozytowych jest sytuacja gdy osnową jest stop metaliczny, a zbrojeniem włókna węglowe. Z technicznego punktu widzenia podstawowym problemem przy wytwarzaniu kompozytów Al - WW jest całkowity brak zwilżalności C przez Al., aż do temperatury 1100 o C oraz fakt, że w temperaturach wyższych od 1100 o C zwilżanie realizuje się na drodze rozpuszczania C (osłabianie włókien) i tworzenia znacznych ilości węglika aluminium Al 4 C 3, który jest kruchy i nietrwały w warunkach atmosferycznych. Prowadzi to do osłabiania bądź niszczenia kompozytu [11, 12]. 2. METODYKA WYKONANIA BADAŃ W badaniach wykorzystano próbki materiału kompozytowego wykonane w procesie dwuetapowym. Pierwszy etap wytwarzania kompozytu Al-WW polegał na infiltracji włókien węglowych stopem CuSnl0Til7. Realizowano go na specjalnie zbudowanym do tego celu stanowisko badawcze (rys. 1). Zapewnia ono niezbędne warunki realizacji ciągłego procesu swobodnego nasycania wiązki włókien węglowych 262

3 ciekłymi metalicznymi kąpielami. Materiał do badań wykonano w kilku wariantach technologicznych różniących się temperaturą i czasem trwania procesu. tab. 1 Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego do realizacji swobodnego nasycania wiązki włókien węglowych ciekłymi metalami (1 - tygiel kwarcowy, 2 grafitowy koncentrator, 3 wzbudnik, 4 stożek krystalizatora, 5 zewnętrzna rura kwarcowa, 6 wewnętrzna rura kwarcowa, 7 korek z przepustami, 8 termoelement). Fig. 2. The pattern of investigation stand for free impregnation of the carbon bundle by the liquid metals (1 - quartz crucible, 2 - graphite concentrator, 3 initiation element, 4 - cone of crystalliser, 5 - external quartz pipe, 6 - internal quartz pipe, 7 - cork with sluices, 8 - thermocouple). Tabela 1. Oznaczenie wariantów technologicznych przy formowaniu kompozytu Table 1. Applied near formation sign technological variants Temperatura C C C Czas 2 2/950 2/1000 2/ /950 4/1000 4/1050 Drugi etap procesu wytwarzania materiałów kompozytowych typu Al.-WW, obejmował formowanie ostateczne. W tym etapie dokonano wymiany osnowy przejściowej na aluminiową. Osnowę tą stanowiło aluminium Al(6), tj. o czystości określonej stosunkiem procentowym jako 99,9999% oraz właściwościach podanych przez producenta: R m = 84 MPa, E = 0,07 MPa, r = 2,7 g/cm 3, T top = 660 C. Należy nadmienić, że w tym etapie procesu wytwarzania istotną rolę odgrywa jakość warstewki TiC powstałej w pierwszym etapie procesu. Ma ona za zadanie zabezpieczenia włókien węglowych przed bezpośrednim kontaktem aluminium, a tym samym uniemożliwia lub silnego ogranicza powstawanie Al 4 C 3. Jako materiał zbrojący wykorzystano włókna japońskiej firmy Tenax-J HMS Ilość elementarnych włókien, o średnicy około 6 µm (fot. 1), w pojedynczej wiązce (rovingu) wynosiła około 6000 sztuk. 263

4 Rys. 3. Widok pojedynczego włókna węglowego firmy Tenax-J. Fig. 3. The view of Tenax J carbon fibre. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Obserwacje mikroskopowe uzupełnione wynikami mikroanalizy liniowej wykazały jednoznacznie, że w otrzymanych próbkach materiału kompozytowego, w przypadku krótkich czasów formowania w temperaturze C, obserwuje się niecałkowitą zamianę osnowy przejściowej na finalną. W tych przypadkach zamianie ulega jedynie zewnętrzna strefa drutu kompozytowego, której głębokość jest zależna od czasu formowania. Również analiza rozkładów składu chemicznego, niecałkowicie wypłukanej osnowy przejściowej, wskazuje, że jest ona znacznie zubożona w tytan (1,18% wag.) w stosunku do stopu wyjściowego (17% wag). Taki wynik potwierdza, iż nastąpiła migracja atomów tytanu do włókien węglowych, na powierzchni których wytworzyła się warstwa złożona głównie z TiC. Więcej szczegółów dotyczących procesu tworzenia się strefy przejściowej oraz sposobu wyznaczania parametrów technologicznych procesu infiltracji, które w zasadniczy sposób wpływają na jej grubość, można znaleźć między innymi w publikacjach [12, 13]. Porównując wartość teoretyczną i rzeczywistą wytrzymałość na rozciąganie otrzymanego materiału kompozytowego widzimy, że w każdym z przypadków uzyskano zaledwie pewną część (średnio około 40%) wartości teoretycznej wytrzymałości na rozciąganie kompozytu. Zachodzi więc pytanie: co może być przyczyną tego, że nie można uzyskać znacznie wyższych poziomów wytrzymałości wytworzonych materiałów kompozytowych i dlaczego obserwuje się wyraźny spadek uzyskiwanych poziomów wytrzymałości teoretycznej, wraz ze wzrostem udziału włókiem ( k ) w tym materiale kompozytowym rys. 7a. Zapewne przyczyn jest wiele. Nie mniej jednak, przeprowadzona analiza zgładów mikrograficznych próbek otrzymanych materiałów kompozytowych, wskazuje, że jedną z nich, jest wpływ otoczki uformowanej w pierwszym etapie wytwarzania kompozytu Otoczka ta z jednej 264

5 strony nie dopuszcza do zetknięcia się fizycznego dwóch sąsiadujących ze sobą włókien (gdyż TiC w temperaturze około C jest w stanie stałym) z drugiej zaś strony stanowi swoisty defekt struktury. Wynika to z faktu, iż węglik ten jest bardzo kruchy, a jego wytrzymałość na rozciąganie jest niewiele wyższa od wytrzymałości aluminiowej osnowy (R zg(tic) = MPa). a b Stosunek Rm(rzecz.)/Rm(teoret.), % k=0,15 k=0,20 k=0,24 48,7 43,4 40,2 43,6 39,8 37,8 Wytrzymałość właściwaa, MPa/Mg*m k=0,15 k=0,20 k=0,24 Rys. 4. Wyniki badań wybranych materiałów (dla porównania podano wytrzymałość właściwą stali 45 i Al): a - uzyskany poziom wytrzymałości teoretycznej, b wytrzymałość właściwa. Fig. 4. The investigation results for chosen materials ( the proper endurance is given for steel grade 45 and Al stood): a - the level of theoretical endurance reached in investigations, b - the proper endurance. 4. WNIOSKI 1. Stop CuSnlOTil7, zastosowany w formie kąpieli infiltrującej, umożliwia wytworzenie wokół włókien węglowych strefy przejściowej złożonej głównie z węglika tytanu (TiC). 2. Temperatura formowania (zamiany osnowy przejściowej na finalną (aluminiową) nie powinna być niższa jak C poniżej tej temperatury nie następuje całkowita wymiana osnowy przejściowej na aluminiową, w czasie do 6 minut. 3. Podwyższenie temperatury formowania kompozytu do C powoduje zmniejszenie grubości strefy barierowej nawet o 30% (przy t = 6 minut) co jednocześnie powoduje istotny spadek wytrzymałości na rozciąganie. 4. Najlepsze rezultaty formowania próbek materiału kompozytowego typu Al-WW, uzyskano przy następujących parametrach technologicznych: czas 4 minuty, temperatura C. LITERATURA [1] Pampuch R.: Współczesne tendencje współczesnego zastosowania kompozytów metalowych, Kompozyty, Nr 3, (2002) [2] Sobczak J., Wojciechowski S.: Współczesne tendencje współczesnego zastosowania kompozytów metalowych, Kompozyty, Nr 3, (2002)

6 [3] Zarański Z., Patejuk A.: Ocena jakości materiałów kompozytowych stosowanych w pojazdach samochodowych. IV Krajowa Kursokoncerencja Technika samochodowa Mechanika-Elektronika. Rzeszów (1999), [4] Hyla I., Śleziona J., Myalski J.: Technologia wytwarzania i właściwości wybranych stopów aluminium zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Inżynieria Materiałowa 6 (1993) [5] Laurent V., Chatain D., Eustathopouls N.: Wettability for SiC by Al and Al-Si Alloys. J. of Mat. Science. 22 (1987) 244. [6] Bystrzycki J.: Niekonwencjonalne metody kształtowania struktury i właściwości stopów na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl. Wyd. BEL Studio Sp z o.o. Warszawa [7] Bystrzycki J., Bojar Z., Przetakiewicz W., Patejuk A.: Intermetale w budowie napędów lotniczych. II Sympozjum Naukowe. Dęblin (1993) [8] Varin R. A.: Structural and Funkcjonal Intermetallics-As Overview. Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe nt. Stopy na osnowie faz międzymetalicznych. Warszawa (2000) [9] Myalski J.: Wpływ wielkości i udziału zbrojenia na właściwości kompozytu AK12- węgiel szklisty. Kompozyty, Nr 10, (2004) [10] Patejuk A. Gabrylewski M.: Zastosowanie materiałów kompozytowych w konstrukcji silników spalinowych. II Sympozjum Naukowe Podwyższenie trwałości elementów silnika spalinowego. Warszawa. (2004) [11] Gabrylewski M., Patejuk A.: Problemy wytwarzania kompozytów z osnową metaliczną zbrojoną włóknami węglowymi. Aparatura Badawcza i Dydaktyczna. T. IX. Nr 3 (2004) [12] Patejuk A., Gabrylewski M.: Zwilżalność i infiltracja elementów zbrojących w odlewniczych kompozytach z osnową metaliczną. Archiwum Odlewnictwa. Nr 18 (2006) [13] Gabrylewski M., Patejuk A.: Zjawiska zwilżania i infiltracji w procesie wytwarzania kompozytów z osnową metaliczną. Aparatura Badawcza i Dydaktyczna. T.X. Nr 4 (2005) SUMMARY THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON Al-CC COMPOSITE PROPERTIES In this work it has been shown the most important technological parameters for two-stage producing process of fiber reinforced composite materials with Al matrix. It was also shown the influence of technological parameters, such as temperature, the infiltration process time and the forming time, on usage properties of composite material. Recenzował: prof. Jerzy Mutwil, prof. Jan Piwnik. 266