36/12 Solidification ofmetals and Alloys, No. J Krząlllięcie Merali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN- Oddział Katcnlice PL ISSN

Transkrypt

1 36/12 Solidification ofmetals and Alloys, No. J Krząlllięcie Merali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN- Oddział Katcnlice PL ISSN WPL YW CZASU I TEMPERA TURY MIESZANIA KOMPOZVTÓW AK7- SiC NA ROZKŁAD CZĄSTEK W OSNOWIE SRASZCZYŃSKI Janusz. ZYSKA Andrzej Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa ul.armii Krajowej 19, Częstochowa Streszczenie W artykule przedstawiono laytycmą ocenę dotychczasowych badań w zakresie niektórych etapów technologii kompozytów metalowych z cząstkami oraz badania wstępne wpływu czasu i temperatury mieszania na rozkład cząstek w kompozycie AK.7-SiC. Wyniki badań wykazały konieczność kontynuacji szczegółowych badań oraz trudności w ocenie tego wpływu. Abstract Th.e paper presents a critical discussion of previous investigations in the area of particle-reinforced composites which have dealt with some technological stages of metal composites production. Th.is is followed by presenting of initial examination of the influence of the mixing time and temperatuce on the distribution of particles in the AK.7-SiC composite. Results encourage to undertake furtber and more detailed investigations, however difficułties in assessing of that influence bas also been encountered. Wprowadzenie Wytwarzanie i zastosowanie kompozytów metalowych z cząstkami ceramicznymi uwarunkowane jest - jak wiadomo - wiejoma c.zynnikami wśród których najważniejsze to wprowadzanie cząstek do ciekłego metalu, równomierne ich rozprowadzenie w objętości stopu i połączenie cząstek z osnową. Najpopularniejszym sposobem wytwarzania tych cząstek w odlewnictwie jest mieszanie ciekłego stopu z cząstkami ceramicznymi, co powoduje wytworzenie

2 98 zawiesiny cząstek, a następnie jej wprowadzenie do formy i krzepnięcie. Przejście cząstek przez powierzchnię cieczy było już analizowane przez wielu autorów, między innymi [I-5] przy pomocy bilansu sił termodynamicznych, hydrodynamicznych, turbule~ji. zwilżalności, heterogeniczności cząstek itp. Prace te jednak nie do końca wyjaśniają problem. Na przejście cząstek przez powierzchnię cieczy mają wpływ także czynniki na ogół mało doceniane, m.in. czas mieszania, parametty pracy mieszadeł i ich kształt, atmosfera pieca, temperatura cieczy i cząstek ich kształt i wielkość itp. Stabilność zawiesiny cząstek po procesie mieszania, a więc już po wlaniu do formy, ale jeszcze przed procesem krzepnięcia to kolejny problem jeszcze do końca nie wyjaśniony. Stosuje się przecież różne temperatury zalewania do form o różnej szybkości chłodzenia (grafitowe, piaskowe, metalowe), różny jest więc czas J;>rzetrzymywania zawiesiny w stanie ciekłym. Stabilność zawiesiny, zgodnie z pracą Sleziony [4], zależy od udziału objętościowego cząstek według zależności : (l) gdzie: V P - udział objętościowy cząstek, rp - czynnik kształtu cząstek, e - kąt zwilżania Występujący w tej zależności kąt e nie jest jednak stały i zależy od czasu oddziaływania cieczy z cząstka, zarówno przy zwilżaniu fizycznym (adhezyjnym) [5]: jak i chemicznym [6]: gdzie: Fd(t)- tzw. siła napędowa zwilżania, a- napięcie powierzchniowe (indeksy s, v, l - cząstka ceramiczna, para-gaz, ciecz), e - kąt zwilżania fizycznego, ep. - kąt zwilżania na produktach reakcji. Wymieniony czas oddziaływania cieczy na cząstkę obejmuje czas mieszania (zmienny) i czas przebywania zawiesiny po mieszaniu do chwili rozpoczęcia procesu krzepnięcia (też zmienny- zależy od różnych temperatur zalewania do różnych form) Stabilność zawiesiny zależy także, co nie zawsze się uwzględnia, od jej lepkości zgodnie z równaniem [8]: gdzie: llt - lepkość kompozytu, tto - lepkość ciekłego stopu. V P - udział objętościowy cząstek (2) (3) (4)

3 Wymienione zależności kąta 9 i stabilności zawiesiny od czasu należy jeszcze uzupełnić o temperaturę mieszania i zalewania zawiesiny do formy. Temperatura oddziaływuje przede wszystkim na aktywność składników stopu, przeważnie modyfikowanego składnikami powierzchniowo aktywnymi. Pierwiastki te (np. Mg), wprowadzane do osnowy kompozytu (np. AISi) celem poprawy zwilżalności ceramiki (np. SiC), zmieniają napięcie powierzchniowe i aktywność powierzchniową zgodnie z izotermą napięcia powierzchniowego [9]: (5) 99 gdzie: a,, a2 - napięcie powierzchniowe stopu podstawowego i modyfikowanego, a2, a2 a - aktywności modyfikatora w objętości stopu i na jego powierzchni, 8o2 - powierzchnia molowa modyfikatora. Rozpatrując zagadnienie wpływu temperatury i czasu mieszania należy także uwzględnić wpływ pary i gazów zarówno nad powierzchnią cieczy jak i w jej objętości. Cząstki przechodzące przez powierzchnię cieczy w wyniku mieszania mogą być w mniejszym lub większym stopniu otoczone pęcherzykami gazu lub przyłączone do niego. Różna temperatura i różna intensywność mieszania oraz czas tego mieszania mogą powodować różny stopień zagazowania stopu, co prowadzi do zmiany kontaktu cząstek z cieczą ( <J 9 t) i z gazem ( asv, G tv). Przedstawiony w zarysie problem wytwarzania kompozytów metal-ceramika (cząstki) wykazuje brak możliwości, w chwili obecnej, przedstawi~e uniwersalnej metody określenia wpływu czasu i temperatury mieszania zawiesiny na rozkład cząstek w kompozycie. Opisywane w literaturze różne technologie i różne wielkości dla różnych kompozytów z cząstkami nie dają podstaw do określenia a priori czasu i temperatury mieszania dla danego kompozytu. Powody te były przyczyną wstępnego badania problemu na przykładzie kompozytu AK7-SiC. Badania własne Kompozyt wykonano ze stopu AK7 o składzie : Si-6,77; Mg-0,33; Mn-0,37; Fe-0,60; Zn-0,10; Cu-0,15; Ti-0,01 %. Do roztopionego siluminu wprowadzano w atmosferze argonu węglik krzemu (SiC) w zaprawie Mg. Zawartość Mg w kompozycie wynosiła - l%. Przyjęty do badań silmnin podeutektycmy miał umożliwić ewentualnąreakcję [10]: 4Al+3SiC-+3Si+ALtC3 (6) Reakcja ta, degradacji SiC, przebiega tym intensywniej im mniejsza jest zawartość krzemu w stopie. Rozwój tej reakcji zależy także od temperatury i czasu kontaktu cząstek SiC z ciekłym siluminem, co nie jest bez maczeoia dla tych badań. Dodatek Mg miał natomiast ułatwić zwilżanie cząstek SiC, gdyż zgodnie z obliczeniami [II] energia powierzchniowa przy 993K wynosi: Al.-700mN/m, Mg-559mN/m, silumin AIS i+ 3%Mg- 620mN/m. Prosta ekstrapolacja wykazuje, że wprowadzenie do siluminu l% Mg powinno obniżyć energię powierzchniową z 700 do 658 mn/m.

4 100 Kompozyt wytwarzano metodą mechaniemego mieszania (1200obr/min) po czym odlewano wałki o średnicy + 400mm do kokili podgrzanej do temp. 250 C. Badania wpływu temperatury i czasu mieszania na rozłożenie cząstek w osnowie przeprowadzono na zgładach nietrawionych przy pomocy komputerowego analizatora obrazu Magiscan. Wyniki badań przedstawia tablica l, w której trzy ostatnie kolumny oznaczają: Tablical. Wyniki badań rozłożenia cząstek SiC w osnowie AISi7 przeprowadzone na komputerowym anali7.atorze obrazu Numer Temperatura Czas Udział Błąd WNR kompozytu mieszania mieszania objętościowy względny J (LL) [C] [s] Vv[%) g(ll) [%] AK7-SiC ,53 1,154 5,174._AK7-S ić l AK7-SiC ,299 AK7-SiC AK7-SiC l AK7-SiC ,109 LL; V v = LL =T, 4 - długość linii zajętych przez cząstki, L - całkowita długość linii WNR - współczynnik niejednorodności rozłożenia cząstek Współczynnik niejednorodności rozłożenia (WNR) cząstek SiC w matrycy A1Si7Mg oszacowano na podstawie zależności: gdzie S (LL) = y~lll_ 1000/o LL g(l) _ L---. ta,a l.jd t l - współczynnik ufuości S(LL) - odchylenie standartowe n - liczba stopni swobody dla rozkładu normalnego Zestawienie graficzne wyników przedstawia rys. l, a obrazy mikroskopowe poszczególnych kompozytów na zgładach nietrawionych przy powiększeniu 25x zamieszczono na rys. 2-7.

5 łoi WNRl%) Czs mieszania [s) Temp. mieszania ~ Rys. l. Zależność współczynnika niejednorodności rozłożenia cząstek od czasu i temperatury mieszania

6 102 Podsumowanie Przedstawione wyniki badań o ograniczonym zakresie (badania wstępne) wykazują, że przedstawiony na wstępie problem jest istotny i złożony. Statystyczny rozkład wydzieleń wykazuje, że temperatwa i czas mieszania mogą oddziaływać na równomiemość rozkładu cząstek w osnowie, chociaż w tych badaniach zmiany nie są znaczące (tab.l). Dalsze badania należy prowadzić w szerszym zakresie czasów mieszania. Kolejny problem to wpływ temperatury i czasu mieszania na porowatość kompozytu. Widoczne na mikrofotografiach pocy wymagają ich analizy zarówno pod względem ich ilości, wielkości jak i rozkładu w poszczególnych próbkach, co jest obecnie badane. Problem ten jest dla technologii kompozytów nie mniej istotny jak rozkład cząstek. Istotnym jest również wpływ ilości cząstek na ich rozkład przy określonej temperaturze i czasie mieszania Wstępne nasze badania wykazały tu wyraźne różnice dla całego zakresu temperatur i czasów mieszania co przedstawia cys. 8. '

7 ~ 25 e:. a:: 20 2 == o %SiC Rys. 8. Uśrednione wyniki badań współczynników niejednorodności rozłożenia cząstek WNR dla różnych zawartości SiC w kompozycie Przedstawione badania wstępne były prowadzone przy stałych obrotach mieszadła Wymaga więc wyjaśnienia w dalszych badaniach wpływ liczby obrotów mieszadła i ich kształtu na rozkład cząstek i porowatości dla różnych temperatur i czasów mieszania. Wydaje się, że szczegółowe dalsze badania przedstawionego problemu mogą ułatwić technologię kompozytów i pozwolą zmniejszyć niektóre dotychczasowe trudności. Literatura: [l] Asthana R- Scripta Metalurg. et Materials, 29,1993, [2] Szweycer M. - Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, wyd. Inst. Odlew., Kraków [3] Śleziona J. - Kształtowanie właściwości kompozytów stop Al-cząstki ceramiczne wytwarzanych metodami odlewniczymi, Zeszyt Nauk. P. Śl., Z. 47, [4) Śleziona J. - Wpływ zwilżania na zjawiska segregacji zbrojenia w odlewanych kompozytach Al-cząstki ceramiczne. III Konf.,,Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych", Poznań-Kołobrzeg, 1996, s [5) Russet K. C., Cornie J. A., Oh S-Y - "lnterface in MMC", Symp. AIME, New Orlean, 1986, s. 61. (6) Laudry K., Rado C., Eustathopoulos N. - Metali. Mater. Trans. A, 27A, 1996, [7) Espie L., Drevet B., Eustathopoulos N.- Metali. Mater. Trans. A, 25A, 1994, 599 [8] Stręk F.- Mieszaniny i mieszalniki, WNT, W-wa, 1984 [9) Konopka Z. - Izoterma napięcia powierzchniowego stopów dwuskładnikowych, Symp.,.Krzepnięcie metali i stopów" Rzeszów, marzec, [lo) Gowri B., Bouchard M. - Metall. Mater. Trans. A, 26A, 1995, [11] Lament V. Rado C., Eustathopoulos N. - Mat. Sc. Eng., A205, 1996, l.