PRÓBY RECYKLINGU KOMPOZYTÓW Z NASYCANYM ZBROJENIEM GRAFITOWYM I OSNOWĄ ZE STOPU OT7

Transkrypt

1 KOMPOZYTY (COMPOSITES) 6(006) Dorota Nagolska, Michał Szweycer Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ul. Piotrowo 3, 6-38 Poznań PRÓBY RECYKLINGU KOMPOZYTÓW Z NASYCANYM ZBROJENIEM GRAFITOWYM I OSNOWĄ ZE STOPU OT7 Przebieg recyklingu koozytów etalowych z nasycany zbrojenie drogą rozdzielenia składników zależy iędzy innyi od właściwości owierzchniowych układu: zbrojenie - ciekła osnowa - ośrodek oraz struktury zbrojenia koozytu. W racy rzedstawiono wyniki analizy warunków wyływania ciekłego etalu osnowy z orów zbrojenia (rys. 3). Stwierdzono, iż z owodu skolikowanej budowy orów zbrojenia koozytowego wartości ciśnienia działającego na etal osnowy są zienne (rys. 4). Może to dorowadzić do lokalnego zatrzyania rocesu wyływania ciekłej osnowy ze zbrojenia koozytu (rys. 5). Mateatyczny ois geoetrii zbrojenia jest bardzo trudny, a niekiedy nawet nieożliwy, wobec tego ostanowiono ekseryentalnie zbadać rzebieg wyływania osnowy etalowej z dwóch kształtek zbrojenia wykonanych z tego saego ateriału, ale wyraźnie różniących się strukturą. Do badań wytyowano koozyt o osnowie ze stou ołowiu z antyone OT7 zbrojony kształtkai grafitowyi w ostaci sieku i rasowanych włókien (tab. i rys. 6), które różni zarówno kształt, jak i wyiary orów. Koozyty te oddano recyklingowi w dwóch ośrodkach: owietrzu i ieszance stoionych soli (tab. ). W rzyadku koozytu zbrojonego siekie grafitowy oddanego recyklingowi w owietrzu uzysk był nieznaczny, niewiele rzekraczający 5%, natoiast w ośrodku stoionych soli zaobserwowano uzysk rzędu 35%. Uzysk etalu z koozytu zbrojonego włókniną grafitową w owietrzu wynosił również niewiele (ok. 9%), natoiast w ośrodku stoionych soli wyniósł onad 90%. Uzyskane wyniki otwierdziły, iż na roces wyływania ciekłej osnowy etalowej z orów zbrojenia ają wływ właściwości owierzchniowe. Otrzyane wyniki obliczeń oraz rzerowadzone badania wskazują jednak, iż na roces recyklingu a duży wływ również struktura zbrojenia. Przy identycznych właściwościach owierzchniowych układu i różnej strukturze zbrojeniach otrzyujey bowie znaczne różnice w uzysku etalu (rys. 7). Przerowadzona analiza wskazuje, iż strukturę zbrojenia charakteryzują kąty rozwarcia kailary α oraz wartości średnic d i d, a także stosunek tych wartości. Zarezentowana w niniejszy artykule analiza jakościowa nie jest wystarczająca do określenia wływu zienności araetrów struktury na uzysk etalu. Aby ożliwe było określenie zależności uzysku etalu od tych araetrów, konieczne jest rzerowadzenie analizy ilościowej, co wszakże utrudnia lub nawet unieożliwia brak ożliwości oisu ateatycznego struktury. Wykonane doświadczenia dotyczące koozytu: sto OT7 - zbrojenie grafitowe uożliwiły jednak określenie, które z badanych zbrojeń osiada leszą strukturę z unktu widzenia recyklingu. Wynika z nich, iż araetry struktury zbrojenia w ostaci włókien są znacznie korzystniejsze niż zbrojenia w ostaci sieku. Słowa kluczowe: koozyty etalowe, recykling THE ATTEMPTS OF RECYCLING OF COMPOSITES WITH SATURATED GRAPHITE REINFORCEMENT AND AN OT7-ALLOY MATRIX Recycling of etal coosites with saturated reinforceent by searation of the coonents deends, aong others, on surface roerties of the reinforceent - liquid atrix - environent syste, and the structure of coosite reinforceent. The aer resents the results of the analysis of conditions of liquid atrix etal outflow fro the reinforceent ores (Fig. 3). It was found that due to colicated structure of the coosite reinforceent ores the values of the ressure acting on the atrix etal vary (Fig. 4). This ight be conducive to local stoage of the rocess of liquid atrix outflow fro the coosite reinforceent (Fig. 5). Matheatical descrition of the atrix geoetry is very difficult or soeties even iossible. In consequence, the course of etal atrix outflow fro two reinforceent rofiles ade of the sae aterial of clearly different structures were investigated exerientally. For the investigation uroses a coosite of the lead - antiony alloy (OT7) was selected, reinforced with grahite rofiles in the for of a sinter and ressed fibers (Table and Fig. 6), of different shaes and ore sizes. The coosites have been recycled in two surroundings: air and a ixture of olten salts (Table ). In case of the grahite sinter reinforced coosite recycled in air the yield was insignificant, barely exceeding 5 er cent. On the other hand, in the case of olten salts the yield of 35 er cent was achieved. The etal yield obtained fro a grahite fiber reinforced coosite was also sall, aounting to 9 er cent, reaching 90 er cent for the case of the environent of olten was. The results so obtained confired that the rocess of liquid etal atrix outflow fro the reinforceent ores is affected by the surface roerties. Results of the calculation and the research indicate that the recycling rocess is also highly affected by the reinforceent structure. In case of identical surface roerties of the syste and different reinforceent structures the differences in etal yield values are significant (Fig. 7). The analysis shows that the reinforceent structure is characterized by the angels of flare of the caillaries α, the diaeters d and d, and ratios of these values. The quantitative carried out in the resent aer is insufficient for uroses of deterining the effect of variability of the structure araeters on the etal yield. In order to enable deterining influence of these araeters on the etal yield a qualitative analysis ust be erfored that ay be difficult or even unfeasible because of iossibility of atheatical descrition of the structure. Nevertheless, the exerients related to the OT7 alloy - grahite reinforceent coosite enabled answering the question which of the reinforceent tyes subject to the study has better structure fro the recycling oint of view. They show that araeters of the reinforceent structure in the for of fibers are ore advantageous than for sinter reinforceent. Keywords: etal-atrix coosites, recycling dr inż., rof. dr hab. inż.

2 56 D. Nagolska, M. Szweycer WSTĘP W racach [, ] wykazano, że rzebieg recyklingu koozytów z nasycany zbrojenie drogą rozdzielenia składników zależy od wielu czynników, są nii: właściwości owierzchniowe układu: zbrojenie - - ciekła osnowa - ośrodek, na które ożna wły-wać: drogą doboru ośrodka, drogą doboru teeratury, struktura zbrojenia koozytu. W niniejszej racy ostanowiono zbadać rzebieg rocesu recyklingu koozytów z nasycany zbrojenie różniący się tylko od względe struktury. Badania koozytów o takich saych ateriałach zbrojenia i osnowy ostanowiono rzerowadzić w dwóch różnych ośrodkach. ROZWAŻANIA TEORETYCZNE Skolikowany kształt kailar wystęujących w orowaty zbrojeniu koozytu ożna scheatycznie rzedstawić w sosób okazany na rysunku. Saoczynne wyływanie osnowy ze zbrojenia nastąi rzy założeniu, że dodatni kierunek wektora ciśnienia jest rzeciwny do kierunku działania siły grawitacji, gdy = + < 0 lub < () rzy czy zgodnie z rysunkie k σ cos α = d natoiast w ierwszej fazie rocesu a w drugiej,i,ii k σ cos α = d θ () θ (3) k σ 80 = cos θ (4) d gdzie: k - wsółczynnik kształtu rzekroju szczeliny wynoszący od 4 dla rzekroju kołowego do dla szczeliny o nieograniczonej długości, α, - zawarte w granicach od 80 do 80 (α = 80 dla drugiej fazy rocesu). Z wykresów rzedstawionych na rysunku, obliczonych z zależności oraz rostej (rys. 3), wyliczonej z równań (), () i (4), wynika, że dla większości układów wystęujących odczas wyływania ciekłej osnowy z orów zbrojenia, w których kąt zwilżania θ ateriału zbrojenia rzez ciekłą osnowę w ośrodku ciekłych soli oże wynosić owyżej 70, decydujące znaczenie a drugi eta wyływania rzedstawiony na rysunku. Rys.. Zależność wartości,i i,ii dla stałych wartości k, σ, d i α od wartości kąta zwilżania θ Fig.. Deendence of the,i i,ii values on the wetting angle θ for constant values k, σ, d and α Rys.. Etay wyływania etalu z kailary zbrojenia koozytu Fig.. The stages of etal outflow fro the caillary of the coosite reinforceent Pęk krzywych, wyliczonych z tych saych równań co rosta na rysunku 3, rzedstawiony na rysunku 4 wskazuje, że w skolikowany układzie orów zbrojenia zawsze istnieją obszary, z których etal nie oże wyłynąć saoczynnie. Ma to iejsce w rzyadku wysokich kątów α i niskich wartości wsółczynnika d /d. Przyadek ten nie wystęuje jednak zbyt często,

3 Próby recyklingu koozytów z nasycany zbrojenie grafitowy i osnową ze stou OT7 57 wobec tego brak warunków wyływania osnowy oże wystęować jedynie lokalnie i ieć wływ na wartość uzysku etalu odczas recyklingu odlewów koozytowych. Rys. 3. Wartości kąta θ, owyżej których ciśnienie,ii >,I decyduje o wyływaniu etalu ze zbrojenia Fig. 3. Threshold values of the θ angle above which the ressure,ii >,I is decisive for the etal outflow fro the reinforceent Fig. 5. Deendence of the ressure on the d and d diensions Na rysunku 5 rzedstawiono zależności ciśnienia od wartości wyiarów d i d, obliczone z zależności (), () i (4) dla stałych wartości α = 0, σ = = 0,483 N/, θ = 49. Otrzyany ęk krzywych uożliwia wyznaczenie rostej dla wsółrzędnych d i d łączącej unkty, w których wartość ciśnienia = 0. Powyżej rostej wartość > 0 zate nie oże zajść wyływanie etalu osnowy z orów zbrojenia, oniżej < 0 roces ten oże zachodzić. Jak wynika z owyższych rozważań, decydujące znaczenie dla rzebiegu rocesu recyklingu zgodnie z rysunkie a chwilowa wartość kątów α, wartości d i d oraz stosunek tych wartości. W czasie recyklingu owyższe wartości ulegają nieustanny ziano, ogą one dorowadzić do lokalnego zatrzyania rocesu wyływania ciekłej osnowy ze zbrojenia koozytu. Mateatyczny ois geoetrii zbrojenia jest bardzo trudny, a niekiedy nawet nieożliwy, wobec tego ostanowiono ekseryentalnie zbadać rzebieg wyływania osnowy etalowej z dwóch kształtek zbrojących wykonanych z tego saego ateriału, ale wyraźnie różniących się strukturą. Rys. 4. Zależność wartości krytycznego kąta zwilżania θ kr od wartości kąta rozwarcia kailary α oraz stosunku d /d Fig. 4. Deendence of critical wetting angle θ kr on the angle α of flare of the caillary and the d /d ratio BADANIA EKSPERYMENTALNE Przediote badań ekseryentalnych były róbki wykonane z koozytu o osnowie ze stou ołowiu z antyone: OT7, zbrojone kształtkai grafitowyi. W badaniach wykorzystano zbrojenia grafitowe w ostaci sieku oznaczone sybole R 8500 oraz w ostaci łyty z włókniny oznaczone sybole RFA rodukowane rzez firę SGL CARBON GROUP. Charakter orowatości w badanych zbrojeniach określono etodą orozyetrii rtęciowej [3] (tab. ). Różne struktury zbrojenia rzedstawiono na rysunku 6. TABELA. Charakterystyka orowatości zbrojeń badanych koozytów TABLE. Reinforceent orosity characteristics of exained coosites Zbrojenie Porowatość % d in d ax d śr Siek grafitowy R 8500 Włóknina grafitowa RFA 4, , , , , , Rys. 5. Zależność wartości ciśnienia od wartości wyiaru d i d Sto ołowiu OT7 a zawartość 6 7% antyonu i nastęujące właściwości: gęstość stou ok. 0,05 g/c 3, teeratura solidus 5 C, teeratura liquidus C.

4 58 D. Nagolska, M. Szweycer Koozyty o osnowie ze stou OT7 zbrojone siekie grafitowy są rodukowane na skalę rzeysłową i wykorzystywane iędzy innyi do rodukcji łożysk ślizgowych do o głębinowych. Natoiast koozyt zbrojony włókne grafitowy został wykonany drogą nasycania [4, 5] w celu orównania wływu araetrów zbrojenia na roces recyklingu. Recykling rowadzono w ośrodku owietrza i stoionej ieszanki solnej w czasie 30 in i teeraturze, odowiednio, dla owietrza 400 C i soli 700 C. Za iarę skuteczności rocesu rzyjęto rocentowy stosunek asy uzyskanego etalu do jego asy zawartej w róbce (uzysk). Miały one na celu otwierdzenie wływu kształ- tu orów zbrojenia na warunki wyływania osnowy ze zbrojenia. Uzyskane wyniki rzedstawiono w tabeli. Wyniki te otwierdzają, iż właściwości owierzchniowe ają wływ na roces wyływania ciekłej osnowy etalowej z orów zbrojenia. Jednak ożna zauważyć, iż w rzyadku zbrojenia ze sieku grafitowego wyliczone ciśnienia są znacznie większe niż ciśnienia wyliczone dla włókniny grafitowej, a io to a) b) Rys. 6. Struktura zbrojenia grafitowego: a) ze sieku R 8500, b) krótkich włókien RFA Fig. 6. Structure of grahite reinforceent ade of: a) R 8500 sinter, b) short fibers RFA TABELA. Zależność wartości ciśnienia i uzysku od właściwości owierzchniowych dla stałych wartości k = 4, d = d = d śr i α = 0 TABLE. Deendence of ressure value and the yield on the surface roerties for constant values of k = 4, d = d = d śr and α = 0 Zbrojenie Metal osnowy Ośrodek Siek grafitowy R 8500 Sto OT7 owietrze 0, , ,98 5,3 Siek grafitowy R 8500 Sto OT7 ieszanka stoionych soli 0, , ,3 35,7 Włóknina grafitowa RFA Sto OT7 owietrze 0, , ,69 9, Włóknina grafitowa RFA Sto OT7 ieszanka stoionych soli 0, , ,98 9,0 σ N/ θ d śr kpa Uzysk % uzysk etalu dla tego rodzaju zbrojenia jest znacznie niejszy, wynika to z różniących się o rzędy wielkości wartości d śr. Fakt ten otwierdza wyniki rzerowadzonej analizy teoretycznej, z której wynika, iż warunki owierzchniowe są tylko jedny z czynników decydujących o rocesie saoistnego wyływania ciekłej osnowy. Na roces wyływania a bowie duży wływ struktura zbrojenia. Na rysunku 7 rzedstawiono wływ araetrów struktury zbrojenia: kąta rozwarcia kailary α i stosunku średnic kailar d i d na graniczne ciśnienie = 0. Naniesione na wykres szare ola rzedstawiają zienność średnic kailar dla obu badanych zbrojeń. Widziy, że znaczna część tych ól znajduje się owyżej granicznej wartości ciśnienia

5 Próby recyklingu koozytów z nasycany zbrojenie grafitowy i osnową ze stou OT7 59 = 0. Dla kąta rozwarcia kailary α = 90 jest to część niewielka, ale dla kąta α = 80 cała owierzchnia znajduje się nad wykrese. Ponieważ w obszarach tych warunki wyływania ciekłej osnowy z orów zbrojenia są niekorzystne, o rocesie wyływania będzie decydować ilość kailar, w których takie warunki zaistnieją. Rys. 7. Pola zienności średnic kailar od d in do d ax badanych zbrojeń oraz graniczna wartość ciśnienia = 0 w zależności od araetrów struktury: kąta rozwarcia kailary α i średnicy kailary d i d, w układzie: zbrojenie grafitowe - sto OT7 - ieszanka stoionych soli, dla którego σ = 0,483 N/, θ = 49 Fig. 7. The fields of caillary diaeter variability fro d in to d ax for exained reinforceents, and boundary ressure value = 0, in function of the structure araeters: angle of flare of the caillary α and caillary diaeters d = d, in the syste including grahite reinforceent - OT7 alloy - a ixture of olten salts, characterized with σ = N/, θ = 49º Wyniki zaieszczone w tabeli sugerują, iż io identycznych wartości właściwości owierzchniowych w rzyadku zbrojenia ze sieku grafitowego sytuacja lokalnego zatrzyania rocesu saoistnego wyływania ciekłej osnowy etalowej z orów zbrojenia uwarunkowana rzez strukturę zbrojenia oże ojawiać się znacznie częściej niż w rzyadku zbrojenia w ostaci srasowanych włókien. WNIOSKI. Przerowadzona analiza teoretyczna oraz wyniki badań otwierdzają, iż właściwości owierzchniowe ają znaczący wływ na roces wyływania ciekłej osnowy etalowej z orów zbrojenia.. Otrzyane wyniki obliczeń oraz rzerowadzone badania wskazują jednak, iż na roces recyklingu duży wływ a również struktura zbrojenia. Przy identycznych właściwościach owierzchniowych układu i różnej strukturze zbrojenia otrzyujey bowie znaczne różnice w uzysku etalu. 3. Przerowadzona analiza wskazuje, iż strukturę zbrojenia charakteryzują kąty rozwarcia kailary α oraz wartości średnic d i d, a także stosunek tych wartości. Przerowadzona w niniejszy artykule analiza jakościowa nie jest wystarczająca do określenia wływu zienności araetrów struktury na uzysk etalu. Aby ożliwe było określenie zależności uzysku etalu od tych araetrów, konieczne jest rzerowadzenie analizy ilościowej, co wszakże utrudnia lub nawet unieożliwia brak ożliwości oisu ateatycznego struktury. 4. Przerowadzone doświadczenia dotyczące koozytu: sto OT7 - zbrojenie grafitowe uożliwiły jednak określenie, które z badanych zbrojeń osiada leszą strukturę z unktu widzenia recyklingu. Wynika z nich, iż araetry struktury zbrojenia w ostaci włókien są znacznie korzystniejsze niż zbrojenia w ostaci sieku. Niniejszą racę wykonano w raach rojektu badawczego nr 3 T08 B 0 6 finansowanego rzez Koitet Badań Naukowych. LITERATURA [] Nagolska D., Recykling odlewów z etalowych koozytów nasycanych, Praca doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 00. [] Nagolska D., Szweycer M., Szczeaniak K., The Effect of Prefor Structure of a Metal Coosite Casting on its Recycling Course, Int. Conf. High Teerature Caillarity 004, San Reo. [3] Gawdzińska K., Nagolska D., Pędzich Z., Zych Ł., Mikrostruktura zbrojenia ceraicznego w różnych tyach koozytów na osnowie etalicznej, CERAMIKA/CERAMICS 005, 9, Paers of The Coission on Ceraic Science, Polish Ceraic Bulletin, Polish Acadey of Science - Kraków Division, Polish Ceraic Society. [4] Grabian J., Nasycanie zbrojenia z ceraicznych włókien nieuorządkowanych odczas wytwarzania odlewów z koozytów etalowych, seria Studia nr 35, Wyd. WSM Szczecin, Szczecin 00. [5] Clyne T.W., Manson J.F., The squeeze infiltration rocess for fabrication of etal-atrix coosites, Metall. Trans. 987, 8 A, August, Recenzent Józef Gawroński