A. PATEJUK 1 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. S. Kaliskiego 2, Warszawa

Transkrypt

1 56/4 Archives of Foundry, Year 22, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 22, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW CIŚNIENIA SPIEKANIA NA WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTU Z OSNOWĄ ALUMINIOWĄ ZBROJONEGO CZĄSTKAMI Al 2 O 3 A. PATEJUK 1 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. S. Kaliskiego 2, -98 Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu ciśnienia spiekania na właściwości materiału kompozytowego na osnowie aluminium zbrojonego cząstkami Al 2 O 3 Stwierdzono, że wytworzony materiał kompozytowy, w obrębie badanych grup technologicznych, charakteryzuje się porównywalnymi właściwościami plastycznymi. Wykazuje natomiast zróżnicowaną wielkość wytrzymałości na ściskanie, uzależnioną w pierwszym rzędzie od ilości zastosowanego zbrojenia oraz temperatury i ciśnienia spiekania. Odnotowano również wzrost twardości uzyskanych materiałów kompozytowych, postępujący wraz ze wzrostem ilości fazy zbrojącej, temperatury i ciśnienia spiekania. Key words: Al/Al 2 O 3 composite, sintering pressure 1. WSTĘP Grupą tworzyw konstrukcyjnych, nad którymi już od kilkudziesięciu lat prowadzone są zintensyfikowane badania w wielu wiodących ośrodkach naukowych na całym świecie, stanowią materiały kompozytowe na osnowie stopów lekkich zbrojone cząstkami. Prace te koncentrują się głównie nad problem, praktycznego wykonania w warunkach przemysłowych tej grupy materiałów kompozytowych. Największe trudności aplikacyjne wynikają z możliwości uzyskania powtarzalności właściwości. Wynika to z faktu, iż właściwości materiałów kompozytowych nie są prostą sumą właściwości komponentów. Dlatego też projektowanie i wytwarzanie tej grupy 1 dr inż., alekpate@poczta.onet.pl

2 421 materiałów wymaga solidnych podstaw naukowych, wysokich umiejętności inżynierskich i bardzo starannej realizacji procesu technologicznego [1, 2]. Potrzeba stosowania w coraz szerszym stopniu materiałów kompozytowych w technice jest bezdyskusyjna. Jednym z największych obszarów potencjalnego zastosowania tych materiałów jest przemysł motoryzacyjny. Chociażby z uwagi na fakt, że dla samochodu o masie 15 kg, zmniejszenie jego masy o 3 kg, prowadzi do oszczędności paliwa o około 3% [3]. Kolejnym ważnym aspektem wskazującym na potrzebę coraz szerszego stosowanie materiałów kompozytowych w konstrukcjach inżynierskich, to możliwość zmniejszenia liczby elementów. Przykładowo, dzisiejszy poziom technologiczny wytwarzania materiałów kompozytowych umożliwia wykonanie np. kabiny pasażerskiej tak, że będzie ona stanowiła tylko jeden element. Spełniając dodatkowo większe wymagania w zakresie bezpieczeństwa biernego samochodu, gdyż może ona stanowić rodzaj skrzynki bezpieczeństwa, natomiast reszta nadwozia ma zadanie pochłaniania energii zderzenia [4]. 2. WYNIKI BADAŃ Dotychczasowe badania właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami Al 2 O 3 wykazały [5], że ich właściwości wzrastają wraz ze wzrostem siły prasowania. W związku z powyższym w niniejszej pracy postanowiono przeanalizować zakres wpływu wzrostu siły prasowania na podwyższenie wybranych właściwości kompozytu o osnowie aluminiowej zbrojonego cząstkami Al 2 O 3. Próbki do badań wykonane zostały metodą prasowania w podwyższonej temperaturze. Jako materiał osnowy zastosowano proszek aluminiowy o granulacji 8-1 µm. Zbrojenie natomiast stanowiły cząstki Al 2 O 3 o wielkości 2-6 µm, na powierzchni, których ukonstytuowana została powłoka niklowa, o grubości około 2 µm. Przed procesem spiekania cząstki ceramiczne były dodane w odpowiedniej proporcji do proszku aluminium i wymieszane mechanicznie. Następnie wymieszane proszki wsypywano do przygotowanych matryc i umieszczane w piecyku stanowiącym integralną część specjalnie w tym celu wykonanego stanowiska. Parametry pracy stanowiska pozwalały na płynną regulację siły nacisku do 1 kn. Natomiast zastosowany piecyk pozwalał na płynną regulację temperatury spiekania do 9 C. Podczas realizacji procesu spiekania dokonywano ciągłej kontroli temperatury matrycy (w bezpośrednim sąsiedztwie spiekanej próbki). Proces spiekania prowadzono bez stosowania atmosfery ochronnej. Dla każdego wariantu (tabela 1) wykonano minimum po trzy próbki w postaci pręta, o średnicy φ 8 i długości 1-15 mm. Czas spiekania próbek dla wszystkich wariantów był jednakowy i wynosił 15 minut. Obserwacje mikroskopowe wykonanych metodą spiekania próbek materiału kompozytowego wykazały, że poddany badaniom kompozyt charakteryzuje się wielofazową budową. Z uwagi na występowanie powłoki niklowej o grubości kilku mikrometrów na cząstkach zbrojących, połączenie tych cząstek z osnową jest typu dyfuzyjno-adhezyjnego. Potwierdzeniem powyższego stwierdzenia, są wyniki badań

3 422 (mikroanalizy liniowej wykonanej na granicy rozdziału faz) wytworzonych metodą prasowania w temperaturze z zakresu C rys. 1. Tabela 1. Warianty próbek użytych w badaniach Table 1. Different types of specimens used in the investigations Udział zbrojenia, % Ciśnienie prasowania MPa Temperatura spiekania, C Oznaczenie próbek 59 1/4/59 lub 2/4/ /4/62 lub 2/4/ /4/65 lub 2/4/ /4/67 lub 2/4/ /8/59 lub 2/8/59 I wariant 1 % /8/62 lub 2/8/62 lub 65 1/8/65 lub 2/8/65 II wariant 2 % 67 1/8/67 lub 2/8/ /12/59 lub 2/12/ /12/62 lub 2/12/ /12/65 lub 2/12/ /12/67 lub 2/12/67 a miejsce przeprowadzenia analizy liniowej b Ilość zliczeń O Al N um µm Rys. 1. Materiał kompozytowy - próbka 1/12/59 (oznaczenie próbek w tabeli 1); a mikrostruktura, b rentgenowska mikroanaliza liniowa EDS Fig. 1. Composite material - specimen no 1/12/59 (designation of specimens is shown in tab. 1); a microstructure, b EDS linear analysis W kolejnym etapie przeprowadzono badania wybranych właściwości mechanicznych. Uzyskane wyniki badań wskazują na istotny wpływ wielkości ciśnienia

4 423 prasowania stosowanego podczas spiekania próbek materiału kompozytowego na wytrzymałość na ściskanie wytwarzanych próbek materiału kompozytowego - rys. 2. Przy czym należy stwierdzić, że wzrost ciśnienia prasowania powyżej 8 MPa nie powoduje znaczącej poprawy właściwości mechanicznych, a w przypadku próbek spiekanych z 2% ilością zbrojenia zaobserwowano nawet nieznaczne pogorszenie niektórych parametrów właściwości mechanicznych przy prasowaniu w temperaturze powyżej 65 C z siłą 12 MPa rys. 2c. Przyczyną takiego zachowania się próbek a b Wytrzymałość na ściskanie, MPa C 62 C 65 C 67 C d Odkształcenie, % C 62 C 65 C 67 C c Wytrzymałość na ściskanie, MPa C 62 C 65 C 67 C Rys. 2. Wpływ ciśnienia i temperatury spiekania na właściwości kompozytu: a wytrzymałość na ściskanie (ilości zbrojenia 1%), b odkształcenie (ilości zbrojenia 1%), c wytrzymałość na ściskanie (ilości zbrojenia 2%), d - odkształcenie (ilości zbrojenia 2%) Fig. 2 The influence of sintering pressure and temperature on the properties composite; a compression strength (volume fraction of reinforcement 1%), b strain (volume fraction of reinforcement 1%), c compression strength (volume fraction of reinforcement 2%), d strain (volume fraction of reinforcement 2%) Odkształcenie, % d C 62 C 65 C 67 C

5 424 materiału kompozytowego należy najprawdopodobniej wiązać z pojawieniem się pęknięć w objętości fazy zbrojącej cząstek Al 2 O 3. Stosunkowo duży wpływ na właściwości wytrzymałościowe wywiera również ilość użytego zbrojenia oraz wielkość temperatury spiekania próbek materiału kompozytowego. Dotyczy to w szczególności poziomu uzyskiwanych maksymalnych naprężeń niszczących, przy których następowała utrata sprężystości próbki, co objawiało się widocznymi pęknięciami próbki i zagięciem krzywej ściskania. Analiza wyników właściwości plastycznych badanych próbek materiałów kompozytowych wykazała, że zarówno ciśnienie spiekania jak i ilość użytego zbrojenia (w przedziale 1-2%) ma stosunkowo niewielki wpływ rys. 2b, d. Natomiast największy wpływ na wielkość właściwości plastycznych badanego materiału kompozytowego wywiera temperatura spiekania. Mianowicie odnotowuje widoczną tendencję wzrostu plastyczności próbek materiału kompozytowego wraz ze wzrostem temperatury spiekania. Przeprowadzone pomiary twardości (metodą Vickersa) otrzymanych próbek materiału kompozytowego wykazały, że najwyższą twardością (niezależnie od analizowanego zakresu temperatury spiekania) charakteryzują się próbki spiekane przy ciśnieniu 12 MPa (rys. 3). Należy ponadto zauważyć, że zwiększenie ilości zbrojenia prowadzi w konsekwencji również do zwiększenia wartości twardości badanych próbek. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę również na fakt, iż im wyższą zastosowano temperaturę spiekani, tym różnica pomiędzy poszczególnymi poziomami twardości próbek materiału kompozytowego (spiekanych w tej samej temperaturze) stawała się coraz większa. a b 59 C 62 C 65 C 67 C 59 C 62 C 65 C 67 C Twardość HV Twardość HV Ciśnienie 4 spiekania, 8 MPa 12 Ciśnienie 4 spiekania, 8 MPa 12 Rys. 3. Wpływ ciśnienia i temperatury spiekania ilości zbrojenia na twardość materiału kompozytowego: a ilość zbrojenia 1%, b ilość zbrojenia 2% Fig. 3. The influence of sintering pressure, and temperature, and volume fraction on the hardness of composite: a - volume fraction 1%, b - volume fraction 2%

6 WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków końcowych: 1. Zarówno parametry procesu spiekania jak i ilość fazy zbrojącej powodują wyraźne zmiany właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych na osnowie aluminium zbrojonych cząstkami Al 2 O Wzrost ciśnienia spiekania (do 12 MPa) w większości przypadków powoduje wzrost wytrzymałość na ściskanie badanych materiałów kompozytowych. 3. Wraz ze wzrostem ciśnienia spiekania, ilości fazy zbrojącej i temperatury spiekania badanych materiałów kompozytowych stwierdza się wzrost ich twardości. LITERATURA [1] J. Sobczak, W. Królikowski: Współczesne tendencje praktycznego zastosowania kompozytów metalowych. VI Seminarium KOMPOZYTY 22, Jaszowiec. 22. [2] A. Patejuk, M. Gabrylewski: Materiały kompozytowe stosowane w technice samochodowej. II Krajowa Kursokonferencja (1998) [3] M. Gabrylewski, A. Patejuk: Materiały kompozytowe z osnową metaliczną. Inżynieria Materiałowa 6 (1997). [4] Z. Zarański, A. Patejuk: Ocena jakości materiałów kompozytowych stosowanych w pojazdach samochodowych. IV Krajowa Kursokonferencja (1999) [5] A. Patejuk: Wpływ powłoki niklowej cząstek Al 2 O 3 na właściwości materiału kompozytowego o osnowie aluminiowej. VI Seminarium KOMPOZYTY 22, Jaszowiec. 22. THE INFLUENCE OF SINTERING PRESSURE ON THE PROPERTIES OF AL/ Al 2 O 3 COMPOSITE SUMMARY The influence sintering pressure on the properties of Al/Al 2 O 3 composite is shown. It was found that investigated composite material is characterised by similes ductility on the other hand, compressive strength is depended on sintering pressure and temperature. Hardness increased with increasing of reinforcement fraction, and sintering pressure and temperature. Recenzował Prof. Józef Gawroński