WADY ZBROJENIA W ODLEWANYCH METALOWYCH MATERIAŁACH KOMPOZYTOWYCH

Transkrypt

1 54/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN WADY ZBROJENIA W ODLEWANYCH METALOWYCH MATERIAŁACH KOMPOZYTOWYCH K. GAWDZIŃSKA 1, A. JANAS 2, B. GŁOWACKI 3 1,3 Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Nauk Podstawowych Technicznych, ul. Podgórna 51/53, Szczecin 2 Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie, Wydział Odlewnictwa ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W odlewach z kompozytów metalowych występują wady. W prezentowanej pracy dokonano przeglądu wad zbrojenia jakie występują w odlewanych kompozytach metalowych. Przedstawiono wady zbrojenia występujące w kompozytach in situ oraz ex situ (zawiesinowych i wytwarzanych przez nasycanie zbrojenia metalem osnowy). Artykuł stanowi fragment pracy nad klasyfikacją wszystkich wad występujących w tych materiałach. Key words: metal matrix composites, castings, defects 1. WSTĘP W odlewach z kompozytów metalowych, podobnie jak w odlewach z innych materiałów występują wady. W literaturze polskiej jak i światowej rzadko można spotkać opisy tych nieprawidłowości [1,3,7] lub sformułowania, które jednoznacznie określają wadę lub wskazują jej typ i przynależność do danej grupy. Spowodowane jest to brakiem jakichkolwiek norm opisujących wady w odlewach z metalowych kompozytów. Brak jest też jakiejkolwiek systematyki (oprócz prób podjętych [3,5,6]) dotyczącej opisanego problemu. 1 dr inż kasiag@am.szczecin.pl 2 dr ajanas@galaxy.uci.agh.edu.pl 3 mgr inż. bglowackit@op.pl 345

2 Wzorując się na Polskiej Normie PN-85/H (próbując stworzyć klasyfikację wad odlewów z metalowych materiałów kompozytowych kompatybilną z klasyfikacją wad odlewów z materiałów klasycznych) wyodrębniono w kompozytach następujące grupy wad: wady zbrojenia, wady osnowy, wady połączenia osnowy ze zbrojeniem i porowatość [3,5,6,9]. Celem niniejszego referatu jest przedstawienie wad zbrojenia jakie występują w odlewach z metalowych materiałów kompozytowych. Jest to ważny problem ponieważ faza zbrojąca w sposób istotny determinuje właściwości złożonego materiału kompozytu. Faza zbrojąca w tych materiałach (wytwarzanych metodami in situ jak i ex situ) powinna być równomiernie rozłożona w całej objętości odlewu, a wymiary i kształt zbrojenia powinien być możliwie jednolity [10]. Nieprawidłowe, niewłaściwe jej rozłożenie lub niejednorodny kształt i wymiary mogą w znacznej mierze przyczynić się do dyskwalifikacji wyrobu lub wpływać na właściwości eksploatacyjne wytworzonych z tych elementów materiałów. Przedstawione na rys 1. metalowe materiały kompozytowe o różnej geometrii fazy zbrojącej (tablica 1), na badanym obszarze, które poddano próbie ścierania i stwierdzono, bardzo duże różnice pomiędzy badanymi materiałami (krzywa 2, 3, 4-rys.1) w procesie ścierania. Tablica 1. Materiały kompozytowe wykorzystane w badaniach zużycia ciernego [4] Table 1. Composite material used In frictional wear investigations [4] Materiał Udział L.p. Postać zbrojenia zbrojenia osnowy zbrojenia [%] 1 AlSi9 SiC cząstki 20 µm 20 2 AlSi11 Al2O3*SiO2 włókna krótkie nieuporządkowane, SIBRAL 3-30 µm 14 3 AlSi11 Al2O3*SiO2 włókna krótkie nieuporządkowane, SAFIL 5 µm 15 4 AlSi11 węgiel włókna krótkie nieuporządkowane µm 12 1,8 1, ,4 1,2 Zużycie [g] 1 0,8 0,6 1 0,4 2 0, Czas [min] Rys. 1. Zużycie próbek w funkcji czasu [4] Fig. 1. Wear of samples in time s function [4] 346

3 2. ODLEWANE METALOWE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE W technologii z ciekłą osnową wyróżnia się dwie zasadniczo różniące się metody wytwarzania kompozytów: [7,10] 1. Metody bezpośrednie, w których powstają tzw. kompozyty in situ. Faza zbrojąca w odlewach z tych kompozytów powstaje w czasie procesu metalurgicznego albo w czasie kontrolowanego i kierunkowego procesu krystalizacji stopu najczęściej eutektycznego. Zbrojenie tu może mieć różny kształt i wielkość [2]. Mogą stanowić je tzw. kryształy nitkowe o średnicy kilku mikrometrów, które charakteryzują się bardzo wysokimi wskaźnikami wytrzymałościowymi lub fazy wydzielone o innym kształcie, np. cząstki tlenków lub faz międzymetalicznych. 2. Metody pośrednie, zwane metodami ex-situ. Odlewy otrzymuje się dwoma metodami. Pierwszy sposób polega na zmieszaniu ciekłej osnowy, będącej najczęściej stopem technicznym, ze stałym zbrojeniem (kompozyty zawiesinowe). Zbrojenie ma postać cząstek o ziarnistości od kilku do kilkuset mikrometrów lub włókien o średnicy 0,02 0,04 mm i długości 0,5 2,0 mm. Jego koncentracja w osnowie sięga około 30% [8,10]. Drugi sposób to wprowadzenie ciekłego metalu osnowy w pory kształtki zbrojącej, zwanej preformą (kompozyty z nasycanym zbrojenie). Kompozyt ten powstaje na ogół w procesie ciśnieniowego nasycania, przy czym przebieg procesu nasycania zależy od właściwości powierzchniowych składników kompozytu [10]. Z powyższego wynika, że charakter zbrojenia jest zróżnicowany w zależności od rodzaju kompozytu. 3. WADY ZBROJENIA W KOMPOZYTACH IN SITU W kompozytach in situ faza zbrojąca tworzy się, albo na skutek reakcji zachodzących w czasie topienia metalu albo podczas jego krystalizacji. Faza zbrojąca wydziela się bezpośrednio z osnowy, gdzie jest w zasadzie zapewnione dobre połączenie składników. Z mechanizmu tworzenia się wydzieleń wynika, że ma ono charakter adhezyjny i powinno być pozbawione wad. Jednak podczas procesu wytwarzania metodą SHS stwierdzono, że występują poważne nieprawidłowości w rozkładzie wydzieleń fazy zbrojącej (rys 1 a., b.) oraz zaobserwowano różny kształt tej fazy(rys 1 c., d.). Wobec tego, jako wada zbrojenia może występować zarówno niejednorodność kształtów i wymiarów faz zbrojących jak i niejednorodność ich rozkładu. 4. WADY ZBROJENIA W KOMPOZYTACH EX SITU W dotychczasowych badaniach [3,6,8,9] wyodrębniono szereg grup wad zbrojenia właściwych dla kompozytów zawiesinowych oraz dla kompozytów z nasycanym zbrojeniem. 347

4 a) b) c) d) Rys. 2. Niejednorodność rozkładu fazy zbrojącej w kompozytach in situ: a) kompozyt Ni 3 Al/TiC mikroskopia świetlna pow x 500, b) kompozyt Ni 3 Al/WC mikroskopia świetlna pow x 100. Niejednorodność kształtów i wymiarów struktury zbrojenia w kompozytach in situ, c) kompozyt Ni 3 Al/ZrC mikroskopia świetlna pow x 100,d) kompozyt Al/TiC mikroskopia świetlna pow x 500 Fig. 2. Heterogeneity of reinforcement distribution in in situ composites a. Ni 3 Al/TiC light microscopy magnification x 500, b. Ni 3 Al/WC light microscopy magnification x 100. Heterogeneity of shapes and dimensions of the reinforcement structure in in situ composites c. Ni 3 Al/ZrC composite, light microscopy magnification x 100, d. Al/TiC composite, light microscopy magnification x Wady zbrojenia w kompozytach zawiesinowych Podobne wady mogą występować w kompozycie zawiesinowym, przy czym niejednorodność rozkładu cząstek zbrojących powstaje albo w związku z sedymentacją lub z segregacją dendrytyczną. Obydwie te wady przedstawiono na rys. 3. Szczególnym typem wady rozkładu fazy zbrojącej kompozytów zawiesinowych są aglomeraty [1] przedstawione na rys. 4. Aglomeraty pierwotne powstają jako skupisko cząstek podczas ich wprowadzania do ciekłej osnowy, wtórne wskutek adsorpcji cząstek na powierzchni pęcherza. 348

5 a) b) Rys. 3. Kompozyt zawiesinowy SiC stop AlSi7Mg (pow. 50 ): a) sedymentacja cząstek [9], b) segregacja dendrytyczna Fig. 3. Suspension composite SiC an AlSi7Mg alloy (magn. 50 ): a) sedimentation of particles [9], b) dendritic segregation a) b) Rys. 4. Kompozyt zawiesinowy SiC stop AlSi7Mg (pow. 50 ): a) aglomerat pierwotny, b) wtórny [9]. Fig. 4. Suspension composite SiC an AlSi7Mg alloy (magn. 50 ): a) initial agglomerate, b) secondary agglomerate [9] Wady zbrojenia w kompozytach z nasycanym zbrojeniem W przypadku kompozytów wytwarzanych przez nasycanie, określenie kształtów i wymiarów elementów zbrojenia może być dokonane jedynie w ścisłym powiązaniu z jego typem. Można tu wymienić trzy grupy zbrojenia: Grupa 1 zaliczamy do niej: włókna krótkie, filce, włókna długie. Podstawową cechą tych elementów jest średnica włókna i zmienność ich długości, a także kształt określający np. czy włókna są proste czy nie. Ilustruje to rys. 5. Grupa 2 to zbrojenie w postaci przędzy lub tkaniny. Charakterystycznym elementem jest tu, obok charakterystyki elementów prostych, opis struktury złożonej zawierającej powtarzalność elementów prostych lub ich jednorodne rozłożenie. Są to takie cechy, jak ilość włókien przędzy, stopień jej skręcenia, cechy tkaniny. Grupa 3 struktury szkieletowe spienione lub spiekane. W pierwszym przypadku cechą zbrojenia są kształt i wymiary włókien, a w drugim kształt i wymiary ziaren. 349

6 Każdy z wymienionych rodzajów zbrojenia cechuje mniejsza lub większa niejednorodność. Uważamy ją za wadę wtedy, gdy przekroczy granice tolerancji określoną w wymaganiach technicznych stawianych odlewowi. Niejednorodność rozkładu elementów zbrojenia. Wadę tę również (j.w.) należy rozpatrywać w ścisłym powiązaniu z określonym typem elementów struktury zbrojenia. I tak, w przypadku: Grupy 1 wadami są: brak wymaganych odległości, sklejenie pomiędzy elementami zbrojenia (rys. 6). Grupy 2 wadami są: niejednorodna gęstość ułożenia zbrojenia w przestrzeni odlewu. Grupy 3 wadami są: niewłaściwe odległości pomiędzy elementami zbrojenia. Rys. 5. Rys. 6. Rys. 5. Niejednorodność kształtów i wymiarów elementów zbrojenia Fig. 5. Inhomogeneous shapes and dimensions of the elements reinforcement Rys. 6. Niejednorodność rozkładu elementów zbrojenia w odlewie, zbrojenie borowe-włókno długie, osnowa- aluminium (mikroskopia elektronowa pow. jak na rys) Fig. 6. Heterogeneity of reinforcement distribution in a casting, long fibre boron reinforcement, aluminium matrix (electron microscopy, magnification as shown in the figure) Rys. 7. Ciała obce w strukturze zbrojenia; zanieczyszczenie sferyczne (skład chemiczny Al, Si, Sr, Fe) w kompozycie: włókno glinokrzemianowe osnowa AlSi11; (mikroskopia elektronowa skaningowa, pow. jak na rysunkach) Fig. 7. A strange bodies in the reinforcement structure; spherical contamination (chemical composition Al, Si, Sr, Fe) in composite: AlSi fibre AlSi11 matrix; (scanning electron microscopy, magnification as shown in the figure) 350

7 Z procesem wytwarzania związana jest też najczęściej obecność ciał obcych zbrojeniu. Wada ta charakteryzuje się wyraźnie widocznymi wtrąceniami, różniącymi się składem chemicznym lub kształtem od elementów struktury kompozytu (w skali makro lub mikroskopowej) rys. 7. W czasie wytwarzania fazy zbrojącej może ona uzyskać nieprawidłowe kształty lub wymiary. Może zostać również zdeformowana podczas montażu w formie lub podczas procesu nasycania metalem osnowy co przedstawiono na rys. 8 i 9. Rys. 8. Rys. 9. Rys. 8. Kompozyt: prasowane krótkie włókna glinokrzemianowe stop AlSi11,deformacja zbrojenia Fig. 8. Composite: short pressed aluminosilicate fibres AlSi11 alloy, deformation of the reinforcement Rys. 9. Kompozyt: prasowane krótkie włókna glinokrzemianowe stop AlSi11, pęknięcia włókien zbrojenia (mikroskopia elektronowa skaningowa, pow. jak na rysunkach). Fig. 9. Composite: short pressed aluminosilicate fibres AlSi11 alloy, reinforcement fibres broken (scanning electron microscopy, magnification as shown in the figure) PODSUMOWANIE Wady zbrojenia występujące w odlewach z metalowych kompozytów in-situ i exsitu przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2. Wady zbrojenia w odlewanych metalowych materiałach kompozytowych Table 2. Defect in reinforcement in metal casting made of composite materials RODZAJ KOMPOZYTU ex-situ niejednorodność kształtów i wymiarów elementów zbrojenia Niejednorodność rozkładu elementów zbrojenia WADY ZBROJENIA ciała obce w zbrojeniu deformacje struktury zbrojącej pęknięcia struktury zbrojącej aglomeraty segregacja dendrytyczna in situ + + +/ /- - zawiesinowe nasycane /

8 LITERATURA [1] Braszczyńska-Malik K., Pędzich Z., Pietrzak K., Rosłaniec Z., Sterzyński T., Szweycer M., Problemy terminologii w kompozytach i wyrobach kompozytowych, Kompozyty [2] Fraś E., Janas A., Kurtyka., Wierzbiński S., Wytwarzanie kompozytów na osnowie fazy międzymetalicznej NiAl,wzmocnionych cząstami TiC I TIB, Inżynieria Materiałowa,Wyd.NOT SIGMA, Nr.1,rok XXV styczeń-luty [3] Gawdzińska K., Analiza i klasyfikacja wad struktury odlewów z metalowych kompozytów nasycanych, rozprawa doktorska, Szczecin 2002, (niepublikowana). [4] Grabian J., Gawdzińska K., Głowacki B., Właściwości tribologiczne odlewanych kompozytów metalowych o zróżnicowanej budowie zbrojenia, Komisja Budowy Maszyn PAN Odział w Poznaniu, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Poznań [5] Gawdzińska K., Maliński M., Study of Reinforcement Elements Distribution Exemplified by Composite with AlSi11 Matrix and Carbon Reinforcement, Metallurgy, vol. 44 (2005) 1, str [6] Gawdzińska K., Grabian J. Jackowski J., Propozycja klasyfikacji wad odlewów z metalowych kompozytów nasycanych, Kompozyty 2000, Jaszowiec [7] Sobczak J.,Sobczak N.,Wojciechowski A., Pietrzak K., Rudnok D., Atlas kompozyów metalowych, Instytut Transportu Samochdowego Warszawa [8] Szweycer M., Jackowski J., Zjawiska powierzchniowe a wady struktury metalowych kompozytów zawiesinowych, III Konferencja Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań-Kołobrzeg [9] Szweycer M., Gawdzińska K., Jackowski J., Wady odlewów z kompozytów metalowych a klasyfikacja wad odlewów z klasycznych tworzyw, Materiały Konferencyjne Szklarska Poręba [10] Śleziona J., Podstawy technologii kompozytów, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice SUMMARY DEFECTS IN REINFORCEMENT IN METAL CASTINGS MADE OF COMPOSITE MATERIALS Defects have been found in composite metal castings. The paper provides a review of reinforcement defects in composite metal castings. The paper presents two types of defects in situ and ex situ (suspension and manufactured because of reinforcement saturation with matrix metal). The article is a part of a larger study on classifying all defects in such materials. Recenzował: Prof. Janusz Grabian 352