ZASTOSOWANIE SPECJALNYCH METOD ODLEWANIA DO WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW METALOWYCH

Transkrypt

1 19/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 40 PAN Katowice PL ISSN ZASTOSOWANIE SPECJALNYCH METOD ODLEWANIA DO WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW METALOWYCH MITKO Marian, TOMCZYŃSKI Szczepan Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej ul. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W referacie przedstawiono zastosowanie metod odlewania odśrodkowego oraz prasowania w stanie ciekło - stałym do wytwarzania kompozytów typu stop odlewniczy - cząstki stałe. Metodami tymi wytworzono kompozyty na bazie stopów Al zbrojonych cząstkami C grafit oraz SiC. Przydatność zaprezentowanych metod oceniono na podstawie badań strukturalnych, ze szczególnym uwzględnieniem rozkładu cząstek w osnowie stopów, oraz wstępnych badań własności otrzymanych kompozytów. 1. Wprowadzenie Tradycyjne metody odlewania grawitacyjnego kompozytów metalowych z cząstkami umożliwiają wprowadzenie tylko ograniczonej ilości cząstek (5-10% obj.) ze względu na obniżenie lejności [1,2]. W referacie przedstawiono możliwości zastosowania specjalnych technologii odlewania do uzyskania kompozytów o zwiększonej zawartości cząstek w całym odlewnie, bądź w określonych jego strefach. Jako osnowę do badań wytypowano stop AlCu4 modyfikowany dodatkiem 1% Mg w celu poprawienia zwilżalności powierzchni cząstek ciekłą osnową. Do ciekłej osnowy wprowadzano cząstki grafitu lub węglika krzemu o wielkości µm, dające w efekcie kompozyty odporne na ścieranie do różnych zastosowań. Kompozyty na bazie stopów aluminium zbrojone cząstkami grafitu dają materiał o dobrych własnościach trybologicznych, a szczególnie ślizgowych w warunkach tarcia suchego. Stosując mieszanie mechaniczne cząstek grafitu ze stopem w zakresie jego temperatur likwidusu i solidusu, gdy lepkość metalu jest duża, a następnie prasowanie w formie metalowej pozwala na wprowadzenie i równomierne rozmieszczenie znacznych ilości cząstek grafitu w osnowie metalowej kompozytu.

2 166 Metoda ta pozwala na uzyskiwanie kompozytów o wysokim udziale cząstek zbrojących w całej objętości odlewu [3,4]. Odlewanie odśrodkowe daje możliwość uzyskiwania odlewów kompozytowych zbrojonych strefowo (powierzchniowo) z zachowaniem wysokich właściwości mechanicznych stopu osnowy, stanowiącego podstawową masę odlewu. W przypadku wprowadzania twardych cząstek SiC uzyskuje się tworzywo odporne na ścieranie i dużym współczynniku tarcia [5]. Na podstawie przeprowadzanych wcześniej badań nad kompozytami odlewanymi zbrojonymi cząstkami niemetalicznymi [1,4], można stwierdzić, iż w zdecydowanej większości tych tworzyw wprowadzenie cząstek powoduje wzrost określonych właściwości użytkowych, wiąże się to jednak przeważnie z obniżeniem właściwości mechanicznych, a w szczególności plastyczności i udarności. Ogranicza to znacznie zakres zastosowania tego typu kompozytów. Metody zbrojenia strefowego umożliwiają uzyskanie wysokich właściwości użytkowych na wybranych powierzchniach odlewu. 2. Otrzymywanie kompozytów Stop aluminium topiono w piecu tyglowym pod żużlem ochronnym. Po przegrzaniu do temperatury 750 o C pobierano 1,5 kg ciekłego metalu i przelewano do tygla pieca podgrzewczego (rys.1), gdzie pod osłoną argonu utrzymywano zadaną temperaturę. Następnie dodawano cząstki stałe i mieszano mechanicznie. Rys. 1. Schemat stanowiska do podgrzewania i mieszania metalu z cząstkami stałymi. (1- obudowa pieca, 2- warstwa izolacyjna z perlitu, 3- elementy grzewcze w osłonach stalowych, 4- cegła szamotowa, 5- tygiel ze stali żaroodpornej 1H18N9T, 6- tygiel ceramiczny, 7- ekran z polerowanej stalowej blachy żaroodpornej, 8- termoelementy płaszczowe Ni-CrNi, 9- pokrywa pieca, 10- prowadnica, 11- ramię, 12- napęd mieszadła, 13- mieszadło, 14- szafa sterująca, 15- podpory pieca) W przypadku grafitu dodawano 0,21 kg cząstek, co odpowiadało 16% udziałowi objętościowemu w kompozycie. Cząstki grafitu wcześniej były wyżarzane przez 30 minut w temperaturze 900 o C. Stop aluminium będący w stanie ciekło-stałym (temperatura o C) mieszano mechanicznie przez 6 minut z cząstkami grafitu. Mieszaninę wprowadzano do formy

3 167 metalowej (rys.2) o temperaturze 200 o C umieszczonej w prasie hydraulicznej PHM- 250c i poddano naciskowi 300 MP przez okres 30 sekund. Otrzymane próbki miały kształt krążków o wymiarach φ65x30 mm. Rys.2. Schemat stanowiska do prasowania próbek z kompozytów w formie metalowej. (1- płyta górna formy, 2- grzałka górnej formy, 3- stempel, 4- gniazdo formy, 5- płyta dolna formy, 6- grzałka dolnej formy, 7- wypychacze, 8- belki wypychaczy, 9- płyta wypychaczy, 10- płyta nośna formy, 11- wkładki, 12- płyta górna prasy, 13- płyta dolna prasy, 14- kolumny prasy). Cząstki SiC przy odlewaniu odśrodkowym wprowadzano w ilości 10% wargowych. Stop przegrzewano do temperatury 700 C mieszano przy pomocy mieszadła mechanicznego [5] przez czas 120 s i zalewano do kokili zamontowanej w urządzeniu do odlewania odśrodkowego. Do badań wykorzystano zaprojektowane i wykonane w Katedrze Odlewnictwa stanowisko do odlewania odśrodkowego z pionową osią wirowania o zmiennej, regulowanej płynnie prędkości obrotowej, przedstawione na rysunku 3. Konstrukcja stanowiska pozwalała na stosowanie form metalowych w szerokim zakresie wymiarów. Podstawowym elementem prezentowanego stanowiska jest silnik prądu stałego (6) z podmagnesowaniem magnesem stałym o mocy 0,9 kw o liniowej charakterystyce n = f(u), zasilany ze stabilizowanego zasilacza napięciowego. Silnik napędzał stolik montażowy (5), na którym zamontowano wirującą formę aluminiową (2), pozwalającą na uzyskanie odlewów o maksymalnych wymiarach 120 x 30 mm. Odlewy kompozytowe odlewane odśrodkowo uzyskiwano przy stosowaniu następujących parametrów: stała masa próbki 250 g, pozwalająca na uzyskanie odlewów cylindrycznych o grubości ścianki 10 mm, stała temperatura zalewanego stopu C, stały czas wirowania s. zmienna prędkość obrotowa formy: 400; 550; 700; 850; 1000; 1250 i 1500 min -1, zmienna temperatura formy: 20; 160; 260 C. Dolny zakres prędkości obrotowej formy dobrano doświadczalnie - jest to najmniejsza prędkość, przy której powierzchnia wewnętrzna próbki zbliżona jest jeszcze do walcowej (przy mniejszych prędkościach obserwowano wyraźnie

4 168 powierzchnię paraboliczną). Temperaturę formy regulowano przez zalewanie kolejnych prób w stałych odstępach czasowych. Rys. 3. Schemat stanowiska do odlewania odśrodkowego: 1 - tuleja grafitowa 2 - forma metalowa 3 - kołek centrujący 4 - tuleja montażowa 5 - obrotowy stolik montażowy 6 - silnik prądu stałego 7 - zaciskowe elementy mocowania formy 8 - osłona z blachy stalowej 9 - konstrukcja nośna z kątowników 3. Metodyka i wyniki badań Badania struktury otrzymanych kompozytów obejmowały mikroskopię optyczną (mikroskop optyczny EPIPHOT firmy Nikon), mikroskopię ilościową (komputerowy analizator obrazu MAGISCAN) oraz mikroskopię przełomów (mikroskop skaningowy Joel JSM 5400). Badania próbek uzyskanych przez prasowanie w stanie ciekło-stałym prowadzono na zgładach wykonanych w płaszczyźnie osiowej dokonując pomiaru udziału powierzchniowego cząstek grafitu na powierzchni zgładu. Na każdej próbce przeprowadzono dziesięć pomiarów w miejscach równomiernie rozłożonych na zgładzie. Całkowite pole obserwacji na jednej próbce wynosiło 57,5 mm 2 zgładu metalograficznego. Średni udział objętościowy cząstek na zgładzie wynosił 14,1%, co daje ok. 88% efektywność wprowadzania cząstek grafitu. Obserwacja zgładów prowadzona przy powiększeniach od 20 do 500 wykazała, że osnowa kompozytu składa się z kryształów fazy α, eutektyki oraz wymieszanych z nimi cząstek grafitu (rys.4). Przy większych powiększeniach widać, że poszczególne cząstki grafitu są rozdzielone osnową metalową (rys.4b). Obserwację przełomów kompozytów przeprowadzono na przy powiększeniach od 75x do 1500x w celu określenia charakteru przełomu, rozmieszczenia cząstek grafitu w kompozycie oraz ocenę połączenia pojedynczych cząstek z osnową. Przykładowe zdjęcia przełomów badanych kompozytów pokazano na rysunku 4. a)

5 169 b) Rys.4. Struktura kompozytu AlCu4Mg - grafit syntetyczny, trawiono 2% HF a)

6 170 b) c) Rys.5. Mikrostruktura przełomu kompozytu AlCu4Mg - grafit syntetyczny. a) pow. 75x b) pow. 350x c) pow. 1500x

7 171 Na zdjęciach przedstawiających większy obszar przełomu kompozytu (rys. 5a) widać rozłożenie cząstek grafitu wokół globularnych wydzieleń osnowy (fazy α), krzepnącej w pierwszej kolejności. Przełomy przez osnowę można sklasyfikować jako mieszane, gdyż widoczne są krótkie płaszczyzny łupliwości i drobne paraboliczne dołki przełomu ciągliwego (rys.5b). Przy dużych powiększeniach (rys.5c) widoczne jest szczelne przyleganie cząstek grafitu do osnowy oraz odsłonięta od góry bryła grafitu syntetycznego. Pierwszym kryterium oceny próbek uzyskanych przez odlewanie odśrodkowe była jakość powierzchni zewnętrznej. Na podstawie obserwacji wizualnych stwierdzono, że dobrą jakość powierzchni zewnętrznej (gładka, bez śladów zanieczyszczeń i zakrzepłych strumieni metalu) uzyskano przy zalewaniu badanego kompozytu do formy wirującej z prędkością 1000 min -1 bez względu na jej temperaturę przed zalaniem. Przy mniejszych prędkościach obrotowych formy zadowalającą jakość powierzchni uzyskano przy obrotach 850 min -1, ale tylko przy zalewaniu do formy o temperaturze 260 C. Wszystkie pozostałe próbki uzyskane przy mniejszych obrotach i niższej temperaturze formy charakteryzowały się wyraźnymi nierównościami, chropowatością powierzchni oraz śladami płynięcia metalu. W związku z powyższym dalsze próby prowadzono tylko przy prędkościach obrotowych formy min - 1. Badania rozkładu cząstek na przekroju próbek polegały na zliczaniu pola zajętego przez cząsteczki SiC oraz ilości cząstek w polach określonych stałym krokiem co 1 mm licząc od powierzchni zewnętrznej próbki w kierunku promieniowym do wewnątrz. Pomiary przeprowadzono na trzech próbach uzyskanych w danych warunkach, dla każdej próby w trzech przekrojach. Tak więc analizowano uśrednione wyniki z 9-ciu pomiarów. Badania wykazały, że zgodnie z prawem Stokes a duże znaczenie na rozkład cząstek w odlewie kompozytowym ma prędkość obrotowa formy, jednak w rozpatrywanym układzie badawczym wyraźnie zaznacza się większy wpływ czasu krzepnięcia odlewu w kokili wyrażony temperaturą formy. Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono przykładowe rozkłady cząstek na przekroju próbki w zależności od prędkości obrotowej oraz temperatury formy, natomiast na rysunkach 8 i 9 przykładowe makrografie próbek w badanej płaszczyźnie przekroju.

8 172 Zaw. SiC Odległość od czoła próbki, [mm] Rys. 6. Rozkład SiC na przekroju próbki przy różnych obrotach formy temperatura formy C Zaw. SiC, % Odległość od czoła próbki, [mm] Rys. 7. Rozkład SiC na przekroju próbki przy różnych temperaturach formy obroty formy min -1

9 173 Rys. 8. Makrostruktura przekroju próbki uzyskanej przy prędkości obrotowej 1000 min -1 i temperaturze formy 260 C Rys. 9. Makrostruktura przekroju próbki uzyskanej przy prędkości obrotowej 1500 min -1 i temperaturze formy 260 C Wyraźny wpływ prędkości obrotowej formy obserwuje się do wartości 1250 min -1 (rys.6), dalsze podwyższanie obrotów nie powoduje istotnych zmian rozkładu cząstek. Znacznie silniej wpływa tutaj temperatura formy (rys.7), której podwyższenie powoduje zwiększenie czasu krzepnięcia odlewu, oraz zmniejszenie lepkości stopu. Oba te parametry wpływają silnie na kinetykę przemieszczania się cząstek w ośrodku lepkim. Badania własności otrzymanych kompozytów zarówno przez prasowanie jak i odlewanie odśrodkowe obejmowały pomiar twardości HB, oraz badania trybologiczne (zużycie ścierne oraz współczynnik tarcia). Ze względu na specyfikę próbek badanie twardości Brinella przeprowadzono stosując kulkę o dużej średnicy (10 mm) i obciążenie 2500 N przez 30 sekund. W celach porównawczych przeprowadzono badania osnowy metalowej bez dodatku cząstek. Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli 1. Własności trybologiczne badano na testerze trybologicznym T-05 produkcji Międzyresortowego Centrum Badania Majątku Trwałego w Radomiu. Metoda badawcza polegała na ścieraniu próbki prostopadłościennej na przeciwpróbce, którą stanowiła rolka ze stali NC10 (58-62 HRC) o średnicy 35 mm. Badania prowadzono przy nacisku na próbkę 50N, prędkości obrotowej przeciwpróbki 300 min -1, określając całkowity ubytek masy próbki na całkowitej drodze tarcia 5000 m. Współczynnik tarcia określano na końcowych 200 m drogi tarcia.

10 174 Tabela 1. Wyniki badania własności uzyskanych kompozytów Tworzywo Własność Osnowa AlCu4Mg AlCu4Mg-C gr (prasowanie) AlCu4Mg-SiC (odlewanie odśrodkowe) pow. zewnętrzna pow wewnętrzna Twardość HB 73,2 59,0 76,5 104 Zużycie ścierne [g] 0,022 0,013 0,024 0,011 Wsp. tarcia 0,40 0,19 0,58 0,41 Wyniki przeprowadzonych wstępnych badań własności uzyskanych odlewów odśrodkowych prowadzą do następujących stwierdzeń: twardość odlewu na powierzchni zewnętrznej wzrasta około 40% w stosunku do twardości mierzonej na powierzchni wewnętrznej, odporność na ścieranie wzrasta na tych powierzchniach o 50%, kinematyczny współczynnik tarcia suchego zwiększa się o około 50%. W przypadku kompozytach prasowanych w stanie ciekło-stałym: twardość HB jest mniejsza o około 20% w stosunku do stopu osnowy, własności trybologiczne ulegają znacznej poprawie. Zarówno zużycie cierne, jak i wartość współczynnika tarcia zmniejszają się o około 50%. 4. Podsumowanie Technologia odlewania odśrodkowego lub prasowania kompozytu w stanie ciekłostałym umożliwia znaczne podwyższenie udziałów objętościowych cząstek zbrojących w kompozytach metalowych. Przy odlewaniu odśrodkowym uzyskuje się w odlewach strefowy wzrost udziału cząstek SiC dochodzący do 30% w obszarach przy powierzchni zewnętrznej. Mieszanie kompozytu w stanie ciekło-stałym a następnie jego prasowanie umożliwia wprowadzić znaczne ilości cząstek do całej objętości kompozytu, co jest szczególnie przydatne w przypadku cząstek o małej zwilżalności przez ciekły stop osnowy. Tak dużych udziałów cząstek w kompozytach nie można uzyskać przez klasyczne odlewanie grawitacyjne, gdyż zgodnie z literaturą i wcześniejszymi badaniami autorów [2,5,8,9] ciekły metalu z tak dużym udziałem cząstek stałych nie da się wlać do formy ze względu na małą lejność. Zastosowanie technologia odlewania odśrodkowego do wytwarzania odlewów strefowo wzbogaconych w cząstki stałe jest tym bardziej efektywne, im większe są różnice gęstości pomiędzy stopem na osnowę kompozytu a wprowadzanymi cząstkami niemetalicznymi [7]. Technologia mieszania cząstek z metalem w stanie ciekło-stałym pozwala na efektywne wprowadzenie dużej ilości cząstek w osnowie kompozytu bez konieczności stosowania specjalnych metod preparacji powierzchni tych cząstek [9].

11 175 Rozprowadzenie cząstek grafitu w całej objętości osnowy (stop Al) kompozytu oraz dobre połączenie adhezyjne cząstek grafitu z osnową metalową. Efekty te uzyskuje się w wyniku dużej lepkości stopu podczas mieszania oraz wysokim naciskom podczas prasowania, co potwierdzają także inne badania autorów [11,12]. Odlewy z warstwą kompozytową otrzymane technologią odlewania odśrodkowego mogą mieć praktyczne zastosowanie przy produkcji pierścieni i panewek odpornych na ścieranie powierzchniowe. Kompozyty uzyskane technologią mieszania i prasowania stopu z cząstkami (np. grafitu) o właściwościach ślizgowych mogą być zamiennikami stopów łożyskowych (np.: cynowo-ołowiowych, miedziowych) przeznaczonych do pracy w warunkach tarcia suchego przy mniejszych obciążeniach. LITERATURA [1] J. Braszczyński, S. Tomczyński: Kristallisation und Gefüge von gegossenen Kupfer- Graphit Verbundwerkstoffen. Giesserei- forschung, nr 3, 1988 [2] J. Braszczyński, Z. Konopka., M. Mitko, S. Tomczyński: Tribological Properties of Aluminium Alloy-Graphite Composites Cast By Various Methods. Mezinarodni vedecka konference VSB -Technicka univerzita Ostrawa. Ostrava Sbornik prednasek s [3] I.W. Gawrilin, A.W. Panfilow, W.M. Balandin: Osobiennosti zatwardiewania litych kompozicjonnych materialow sistemy Al-C gr. Lit. Proizw. nr 6, [4] M. Mitko: Aluminium Alloy Matrix Composites With Natural Graphite Particles Fabricaded By Squeeze Forming Method. CAST COMPOSITES 95. Comimission 8.1.CIATF. Zakopane 1995, Mat. Konf., s [5] S. Tomczyński: Tribological properties of the cast CuTi5-SiC composites. CAST COMPOSITES'95. Zakopane październik 1995 [6] S. Tomczyński: Production of castings with antifrictional composite inserts on working surfaces. II Cast Composites Conference 98, Polanica Zdrój , s [7] J. Braszczyński, A. Zyska, S. Tomczyński: Rozkład cząstek ceramicznych w obszarach powierzchniowych kompozytu odlewanego odśrodkowo o osi pionowej. IV Konferencja Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań - Kołobrzeg 1988, s [8] J. Braszczyński, M. Mitko, S. Tomczyński: Otrzymywanie i własności odlewanych kompozytów Cu-Ti-Pb-C gr. Krzepnięcie Metali i Stopów. Nr 11, Ossolineum [9] Chorzępa S.: Metody wytwarzania aluminiowych kompozytów odlewanych z obcą fazą dyspersyjną. Krzepnięcie Metali i Stopów. Nr 11, Ossolineum 1987, str [10] J.Gawroński, M. Cholewa: Dyspersyjny kompozyt aluminiowo-grafitowy o korzystnych własnościach trybologicznych. Materiały I Polskiej Konferencji Metalowe Materiały Kompozytowe. Instytut Odlewnictwa. Kraków, pażdziernik [11] M. Mitko: Ultrasonic Examination of Graphite Particles Distribution in AlSi - C graphite composite. II CAST COMPOSITE. Comimission. 8.1.CIATF..Polanica Zdrój. 4-6 June 1998, p [12] M. Mitko: Struktura kompozytu stop AK64 -cząstki grafitu prasowanego w stanie ciekłostałym. Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 36, PAN -Oddział Katowice, s

12 176 Recenzował Prof. dr inż. Józef Gawroński