KRYSTALIZACJA KOMPOZYTÓW ALUMINIOWYCH

Transkrypt

1 9/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN KRYSTALIZACJA KOMPOZYTÓW ALUMINIOWYCH M. DUDYK 1, K. KOSIBÓR 2 Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Zakład Technologii Bezwiórowych ul. Willowa 2, Bielsko Biała STRESZCZENIE W artykule przedstawiono zapisy graficzne procesów krystalizacji kompozytów aluminiowych AlSi6Cu4 (AK64), AlSi9Mg (AK9) i siluminu okołoeutektycznego AlSi11 (AK11). Jako cząstkę zbrojącą użyto proszek Al 2 O 3 w ilości 5% Al 2 O 3 do masy wsadu. Na otrzymanych zapisach graficznych w postaci krzywych termicznych t = f( ) i dt/d = f( ) oraz krzywych elektrycznych = f( ) i d /d = f( ) otrzymanych jednoczesną metodą ATD AED określono wykrystalizowane fazy. Na podstawie otrzymanych wyników z procesów krystalizacji i badań metalograficznych stwierdzono, że wprowadzona cząstka zbrojąca Al 2 O 3 spowodowała modyfikację eutektyki + Si i skróciła czas krystalizacji kompozytu w porównaniu ze stopem wyjściowym katalityczny wpływ cząstki zbrojącej. Odpowiednia analiza wartości liczbowych w charakterystycznych punktach T określonych na krzywych termicznych t = f( ) i punktach P określonych na krzywych elektrycznych = f( ) pozwoli na dokładny opis kinetyki krystalizacji otrzymanych kompozytów aluminiowych. Key words: alloys of aluminum, composites 1. WSTĘP Kompozyty aluminiowe należą do materiałów konstrukcyjnych o interesujących właściwościach technologicznych, mechanicznych i użytkowych [1, 3, 7]. Jednocześnie 1 dr inż., 2 mgr inż.

2 kompozyty te charakteryzują się prostymi metodami wytwarzania oraz umożliwiają otrzymywanie odlewów klasycznymi lub specjalnymi metodami odlewania. Kompozyty aluminiowe charakteryzują się stosunkowo małą gęstością, wysokim współczynnikiem tarcia i dość znaczną odpornością na zużycie ścierne. Cząstki zbrojące stanowiące wzmocnienie kompozytu o osnowie aluminiowej, to głównie SiC, Al 2 O 3, TiC i coraz częściej stosowany TiB 2 [1, 2]. Liczne prace teoretyczne i aplikacyjne [4, 5, 6] dotyczące kompozytów odlewanych stanowią szeroki obraz wiedzy związany z tym zagadnieniem. W pracach tych przedstawiono szereg różnych problemów związanych między innymi z technologią otrzymywania kompozytów, budową strukturalną, właściwościami technologicznymi i mechanicznymi oraz ich recyklingiem. Dla tak obszernej problematyki badawczej, dotyczącej materiałów kompozytowych, postanowiono przeprowadzić przyczynkowe badania dotyczące procesów krystalizacji. Badania te dotyczą charakterystyki procesów krystalizacji kompozytów aluminiowych określonej metodą ATD AED. 2. METODYKA BADAŃ I WYNIKI W dostępnej literaturze naukowej [8, 9] wykazano, że pomimo stosowania różnych metod wprowadzania cząstki zbrojącej Al 2 O 3 do ciekłego stopu, napotyka się na duże trudności ze zwilżalnością cząstki ceramicznej i z jej równomiernym rozkładem w całej objętości odlewanego stopu (kompozytu). Wprowadzenie do ciekłego stopu odpowiednich składników stopowych magnezu lub miedzi bardzo znacząco poprawia zwilżalność cząstki zbrojącej (Al 2 O 3 ), poprzez zmniejszenie napięcia powierzchniowego kąpieli metalowej. Uwzględniając wymienione stwierdzenia literaturowe [8, 9] postanowiono sporządzić kompozyty aluminiowe z cząstką zbrojącą Al 2 O 3 na osnowie siluminów zawierających dodatki stopowe: - miedź w siluminie AlSi6Cu4 (AK64), - magnez w siluminie AlSi9Mg (AK9). Dla porównania zmian w kinetyce krzepnięcia i krystalizacji wymienionych kompozytów sporządzono dodatkowo kompozyt na osnowie siluminu okołoeutektycznego, bez dodatków stopowych magnezu lub miedzi. Sporządzenie kompozytów aluminiowych dla przeprowadzenia odpowiednich badań wykonano na opracowanym i skonstruowanym stanowisku do topienia siluminów (osnowy) i wprowadzeniu (mieszanie mechaniczne) cząstek zbrojących (Al 2 O 3 ). Cząstki zbrojące w postaci proszku CTC20 firmy ALCOA i Ferro Term w Łodzi, dodano do osnowy (AK64, AK9, AK11) w ilości 5% masy wsadu. W ten sposób otrzymane kompozyty aluminiowe ( suspensje ) poddano analizie ATD AED [10]. Na kolejnych rysunkach 1 3 przedstawiono zapisy graficzne krzywych krystalizacji termicznych t = f( ) i dt/d = f( ) i elektrycznych = f( ) i d /d = f( )

3 wykonane jednoczesną metodą ATD AED dla badanych stopów i kompozytów aluminiowych. a) b) Rys. 1. Krzywe krystalizacji oraz określone charakterystyczne punkty T1 T4 i P1 P4 a silumin AK64, b kompozyt (AK64 + 5% Al ) Fig. 1. Crystallisation curves and particular characteristic points T1 T4 and P1 P4 a alloy AK64, b composit ( AK64 + 5% Al )

4 Rys. 2. Krzywe krystalizacji oraz określone charakterystyczne punkty T1 T4 i P1 P4 a silumin AK9, b kompozyt (AK9 + 5% Al ) Fig. 2. Crystallisation curves and particular characteristic points T1 T4 and P1 P4 a alloy AK9, b composit ( AK9 + 5% Al )

5 Rys. 3. Krzywe krystalizacji oraz określone charakterystyczne punkty T1 T4 i P1 P4 a silumin AK11, b kompozyt aluminiowy (AK11 + 5% Al ) Fig. 3. Crystallisation curves and particular characteristic points T1 T4 and P1 P4 a alloy AK11, b composit ( AK11 + 5% Al ) Wyniki badań metalograficznych dla stopów i kompozytów aluminiowych przedstawiono na rysunkach 4 i 5.

6 a) b) Rys. 4. Mikrostruktury otrzymane w świetle spolaryzowanym: a stopak9, b kompozyt (AK9+5% Al 2 O 3 ). Widoczne jasne globalne wydzielenia cząstki Al 2 O 3. Fig. 4. Microstructures received in polarized light: a alloyak9, b composit (AK9+5% Al 2 O 3 ). Visible bright total exhalations of small part Al 2 O 3. a) b) c) d)

7 e) f) Rys. 5. Mikrostruktury stopów i kompozytów aluminiowych: a silumin AK64, b kompozyt AK64 + 5% Al 2 O 3, c silumin AK9, d kompozyt AK9 + 5% Al 2 O 3, e silumin AK11, f kompozyt AK11+ 5% Al 2 O 3. Fig. 5. Microstructures alloys and aluminium composites: a alloy AK64, b composit AK64 + 5% Al 2 O 3, c alloy AK9, d composit AK9 + 5% Al 2 O 3, e alloy AK11 f composit AK11 + 5% Al 2 O PODSUMOWANIE Podczas wprowadzania (mieszanie mechaniczne) cząstek zbrojących Al 2 O 3 do osnowy (siluminy AK64 i AK9) stwierdzono korzystny wpływ składników stopowych miedzi lub magnezu na proces otrzymywania kompozytów aluminiowych. W czasie sporządzania kompozytu na bazie siluminu dwuskładnikowego AK11 ze względu na małą zwilżalność cząstek zbrojących otrzymano znaczne ilości żużla. Otrzymane zapisy graficzne przebiegu procesów krystalizacji badanych stopów i kompozytów rys. 1 3, wykazują duże różnice zarówno w kształcie, jak również i w wielkościach otrzymanych pików dla osnowy (siluminu wyjściowego) i kompozytu (osnowa + cząstka zbrojąca). Wprowadzenie do osnowy (AK64, AK9, AK11) cząstek zbrojących (Al 2 O 3 ) spowodowało skrócenie czasu krystalizacji otrzymanego kompozytu w porównaniu ze stopem wyjściowym (siluminem). Nastąpiła modyfikacja krzemu eutektycznego zawartego w osnowie kompozytu (rys. 4, 5). Modyfikujący wpływ cząstki zbrojącej uwidocznił się dla kompozytów AK9 + 5% Al 2 O 3 i AK11 + 5% Al 2 O 3 obniżeniem temperatury krystalizacji (punkty T): fazy, eutektyki + Si, faz wtórnych (np. AlSiFeMg chińskie pismo ), w porównaniu ze stopami (osnową) AK9 i AK11. Dla kompozytu AK9 + 5% Al 2 O 3 nastąpił wzrost przewodności elektrycznej właściwej (punkty P): fazy, eutektyki + Si, fazy wtórnej PA i punktu końca krystalizacji P4. Różnice te przedstawiają wartości liczbowe w charakterystycznych punkach T i P dla osnowy i kompozytu zamieszczone w tabelkach (rys. 2, 3). Przedstawione mikrostruktury otrzymanych kompozytów ilustrują kształty i rozmieszczenie cząstek zbrojących w osnowie rys. 4.

8 Ogólnie można stwierdzić, że zarejestrowane przebiegi krzywych krystalizacji t = f( ) i dt/d = f( ) oraz = f( ) i d /d = f( ) wykazują katalityczny wpływ cząstek zbrojących na szybkość procesu krystalizacji kompozytów aluminiowych. Analiza wartości liczbowych w charakterystycznych punktach T na krzywych termicznych t = f( ) i punktach P na krzywych elektrycznych = f( ) pozwoli odpowiednio scharakteryzować morfologię krystalizacji kompozytów aluminiowych. LITERATURA [1] E. Fraś, A. Janas, A. Kolbus: Odlewany kompozyt aluminiowy in situ umacniany cząstkami borku tytanu. Kompozyty. Rocznik 1 Nr 1/2001. Wyd. Politechniki Częstochowskiej [2] A. Grosz Dolata, J. Wieczorek, M. Dyzia, J. Śleziana: Struktura kompozytowych odlewów otrzymywanych odśrodkowo. Kompozyty. Rocznik 1 Nr 2/2001. Wyd. Politechniki Częstochowskiej [3] A. Kurzera, J. W. Kaczmar, A. Janus: Rozszerzalność cieplna materiałów kompozytowych na osnowie Al w podwyższonych temperaturach. Kompozyty. Rocznik 1 Nr 1/2001. Wyd. Politechniki Częstochowskiej [4] J. Śleziana: Kształtowanie właściwości kompozytów stop Al cząstki ceramiczne wytwarzanych metodami odlewniczymi. Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej. Hutnictwo 47. Gliwice 1994 [5] A. Wojciechowski, J. Sobczyk: Badanie odporności na zużycie aluminiowych materiałów kompozytowych przeznaczonych na tarcze hamulcowe. Kompozyty. Rocznik 1 Nr 2/2001. Wyd. Politechniki Częstochowskiej [6] J. Braszczyński, S. Tomczyński, A. Zyska: Badanie mechanizmu zużycia ściernego kompozytów z cząstkami SiC i C gr. Krzepnięcie Metali i Stopów Z. 33. PAN Katowice 1997 [7] K. Pietrzak, D. Rudnik, A. Wojciechowski, P. Lasota, J. Sobczak: Relacje w układzie struktura właściwości materiałów kompozytowych. Kompozyty. Rocznik 1 Nr 2/2001. Wyd. Politechniki Częstochowskiej [8] J. Braszczyński, S. Szumera: Kompozyty Al Al 2 O 3 otrzymywane metodą utleniania wewnętrznego ciekłego stopu. Krzepnięcie Metali i Stopów Z. 11. PAN Katowice 1987 [9] E. M. Sokolowskaja, W. M. Guziej: Fizikochimija kompozicionnych materialow. Izd. Moskowskogo Uniwesitieta. Moskwa 1978 [10] M. Dudyk, P. Wasilewski, T. Ciućka, J. Pezda: Simultanemis recording of crystalization process of aluminium alloys with ATD and AED methods. Archives of Metallurgy vol. 43, 4/1998. PAN Warszawa Kraków

9 CRYSTALLIZATION ALUMINUM COMPOSITES SUMMARY In the paper graphic recordings of processes of crystallization aluminium composites AlSi6Cu4 (AK64), AlSi9Mg (AK9) and AlSi11 (AK11) have been presented. Powder Al 2 O 3 I nquantities 5% Al 2 O 3 added to masses of batch was used as reinforced small parts. On the received graphic recordings in form of thermal curves t = f( ) and dt/d = f( ) and electric curves = f( ) and d /d = f( ) obtained with simultaneous method ATD AED qualified crystallized phases have been determined. Based on the received results from processes of crystallization and metalographic researches it has been ascertained, that introduced reinforced small part Al 2 O 3 caused modification of eutectic + Si and shortened time of crystallization composites in comparison with basic alloy katalytic influence of reinforced small part. Suitable analysis of numerical value in characteristic points T definited on termal curves t = f( ) and points P definite on electric curves = f( ) allows us for exact description of kinetics of crystallization of received aluminium composites. Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski