JACEK JACKOWSKI * ROLA NAPIĘĆ MIĘDZYFAZOWYCH W RECYKLINU METALOWYCH TWORZYW KOMPOZYTOWYCH Z NASYCANYM ZBROJENIEM Recykling odlewów kompozytowych polega na rozdzieleniu składników materiału kompozytowego. Charakter materiału kompozytowego (kompozyt zawiesinowy lub z nasycanym zbrojeniem) decyduje o metodzie recyklingu. Recykling odlewów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem sprowadza się do usunięcia roztopionej osnowy kompozytowej z kapilar kształtki zbrojącej odlew. W praktyce, proces ten może zachodzić samorzutnie ale może mieć miejsce tylko w sprzyjających warunkach określonych odpowiednimi wartościami napięć międzyfazowych w układzie. Układ taki stanowią: materiał zbrojenia ciekła osnowa metalowa ośrodek, którym może być faza gazowa lub ciekła. Dokonane obliczenia zmian energii powierzchniowej zachodzące w rozpatrywanych układach pozwoliły na określenie warunków limitujących przebieg procesu. Wyniki obliczeń zostały zweryfikowane w doświadczeniach z użyciem mediów modelowych. Słowa kluczowe: kompozyty, recykling, napięcia międzyfazowe 1. WSTĘP Recykling odlewów kompozytowych polega na rozdzieleniu składników tworzywa kompozytowego [1]. W przypadku odlewów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem, sprowadza się do usunięcia roztopionej osnowy metalowej z porów kształtki zbrojenia [5]. Czynniki wpływające na wypływanie osnowy z kapilar zbrojenia, intensywność i efektywność tego procesu są zróżnicowane, czego dowodzą wyniki przeprowadzonych doświadczeń. Pozwoliły one wnioskować, że bardzo istotną rolę odgrywają napięcia międzyfazowe występujące w układzie: materiał zbrojenia ciekła osnowa metalowa ośrodek [2,3,4]. To spowodowało potrzebę przeanalizowania relacji między wartościami napięć międzyfazowych występujących w tych układach. Ponieważ badania układów rzeczywistych (materiał zbrojenia, ciekły metal, ośrodek) są trudne a bezpośrednia ich obserwacja nie zawsze jest możliwa (wysoka temperatura, nieprzeźroczystość i reaktywność ośrodka itp.) * dr hab. inż. Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań
postanowiono przeprowadzić analizę zjawisk kapilarnych i jej weryfikację wykorzystując badania modelowe. 2. WPROWADZENIE Schemat układu w momencie wypełniania pojedynczej kapilary zbrojenia metalem przedstawia rys. 1a. Zła zwilżalność materiału zbrojenia (Z) przez ciekłą osnowę (M), sprawia że wypełnienie kapilary jest możliwe tylko w przypadku istnienia ciśnienia wymuszającego ruch metalu w kapilarze. Konieczność jego stosowania wynika z kierunku działania ciśnienia kapilarnego i dodatnich wartości zmian energii powierzchniowej w układzie (wypełnianej kapilarze). Ujemne wartości tych zmian wynikające z wypływania metalu z kapilary, mogą powodować samoczynne jego wypływanie, ale tylko w przypadku istnienia układu zgodnego ze schematem rys. 1a, a więc np. zaniku ciśnienia wymuszającego nasycanie przed zakrzepnięciem metalu. W warunkach recyklingu materiału kompozytowego (metalowego z nasycanym zbrojeniem) w atmosferze gazu() układ jest odmienny. Stan po roztopieniu osnowy kompozytu przedstawia schemat na rys. 1b. Ruch ciekłego metalu w przedstawionej kapilarze jest niemożliwy z powodu równowagi wartości ciśnienia kapilarnego po obu stronach słupa metalu oraz dodatnich wartości zmian energii powierzchniowej układu w przypadku gdyby ruch ten nastąpił w kierunku powodującym wypływanie roztopionego metalu z kapilary. a) b) Rys.1. Schemat układu kompozytowego: a w momencie jego tworzenia, oraz, b jego recyklingu w atmosferze gazu Fig. 1. Schematic of the composite system: a in the time of its creation, and b in the time of its recycling in gaseous atmosphere Przedstawione schematy dotyczą układów trójfazowych: stała faza zbrojenia ciekła osnowa metalowa faza gazowa. Stan ten sprawia konieczność poszukiwania ośrodków pozwalających na samoczynne wypływanie roztopionej
osnowy z kapilar zbrojenia kompozytu a tym samym na recykling tworzywa kompozytowego. 3. NAPIĘCIA MIĘDZYFAZOWE I RUCH CIECZY W KAPILARACH Analizę zjawisk kapilarnych przeprowadzono w oparciu o schemat prostej walcowej kapilary wypełnionej dwoma niemieszającymi się i nie reagującymi z sobą cieczami. Jedną z cieczy stanowi roztopiona osnowa metalowa (M), drugą inna ciecz, trwała w temperaturze ciekłej osnowy np. roztopiona sól, zwana ośrodkiem (O). Cechą cieczy ośrodka jest dobra zwilżalność materiału zbrojenia kompozytu. Na rys. 2 przedstawione są schematy analizowanych układów. eometria kapilary i właściwości cieczy sprawiają, że równowaga ciśnienia kapilarnego p KM i p KO utrzymuje obie krople w bezruchu (rys. 2a). Połączenie się kropli przy zachowaniu powierzchni międzyfazowej sprawia, że równowaga podwójnej kropli (rys.2b) zależy od wartości i kierunku działania ciśnienia p KM, p KO oraz ciśnienia p KM-O, będącego skutkiem napięcia międzyfazowego określanego mianem napięcia adhezji [8,9]. Od bilansu tych wartości zależy ruch i jego kierunek lub bezruch układu. Wartości ciśnienia p KM, p KO i p KM-O można obliczyć wg schematu przedstawionego na rys. 2c. a) b) c) Rys.2. Schemat kropli dwóch różnych cieczy: a- źle i dobrze zwilżających materiał kapilary, b połączonych obu kropli w jednej kapilarze, c rozkładu napięć międzyfazowych Fig. 2. Schematic of equilibrium of two drops of non-mixing and non-reacting liquids: a the ones poorly and readily wetting the capillary material; b connected drops; c distribution of interfacial tension values
Równowagę dwóch połączonych adhezyjnie kropli cieczy określa zależność wyliczona w oparciu o schemat rys. 2c: σ M cos θ = σ cos θ σ cos θ (1) O MZ O M w której: σ - wartość napięcia międzyfazowego θ - wartość kąta zwilżania, przy indeksach: M-O ciekły metal osnowy ciekły ośrodek M- ciekły metal osnowy gaz O- ciekły ośrodek gaz MZ O MZ - zbrojenia przez ciekły metal osnowy w ciekłym ośrodku O MZ - zbrojenia przez ciekły metal osnowy w atmosferze gazu OZ - zbrojenia przez ciekły ośrodek w atmosferze gazu Warunkiem recyklingu, czyli wypływania z kapilar zbrojenia roztopionej osnowy metalowej w obecności ciekłego ośrodka jest naruszenie równowagi frontu jakim jest powierzchnia adhezji obu faz ciekłych. Równowagę tą ilustruje schemat na rys.3, oraz zależność: OZ Rys.3. Równowaga powierzchni adhezji dwóch faz ciekłych w kapilarze Fig. 3. Equilibrium of adhesion surfaces of two liquid phases in the capillary σ θ = σ σ (2) M O cos MZ Z O Z M O Łatwo wykazać, że zależności (1) i (2) są równoważne, zatem warunkiem ruchu powierzchni kontaktu roztopionej osnowy metalowej oraz ciekłego ośrodka w kapilarach zbrojenia materiału kompozytowego jest naruszenie równości określonej zależnością (1).
4. WARUNEK SAMOCZYNNEO PROCESU Ruch frontu obu cieczy w kapilarze, może oznaczać wnikanie jednej i wypychanie drugiej lub odwrotnie. Recykling metalowego materiału kompozytowego z nasycanym zbrojeniem może mieć miejsce tylko wtedy, gdy proces będzie gwarantował wypływanie roztopionej osnowy z kapilar. Wykonane zostały obliczenia zmian energii powierzchniowej układu związanej z wypychaniem ciekłego metalu z kapilary przez ciekły ośrodek. Na rys. 4 przedstawiony jest schemat będący podstawą dokonanych obliczeń. Rys.4. Schemat do obliczeń zmian energii powierzchniowej towarzyszącej procesowi recyklingu Fig. 4. Schematic used for calculation of the changes in surface energy values accompanying the recycling process Obliczenia wykazały, że samoczynny przebieg procesu wypływania roztopionej osnowy z kapilar do ośrodka, będzie miał miejsce wtedy, gdy zachowana zostanie nierówność: σ cosθ MZ σo cosθ OZ + σm O 0 (3) M < przy oznaczeniach podanych wcześniej przy opisie zależności (1). Już pobieżna ocena wskazuje, że zachowanie tej nierówności jest możliwe, bowiem θ > 90 θ < 90 a nieznana wartość σ M-O nie musi przekraczać sumy MZ, OZ wartości pozostałych czynników wyrażenia (3). Przedstawiona hipoteza wymaga weryfikacji.
5. BADANIA WERYFIKUJĄCE Idea zamierzonych badań polegała na obserwacji zachowania się układów złożonych z próbek porowatego materiału nasycanego cieczą w innej cieczy przy braku zjawisk fizycznych (rozpuszczanie) i reakcji chemicznych między tymi cieczami oraz przy znajomości właściwości powierzchniowych tworzonych i obserwowanych układów. Znajomość parametrów układów (wymienionych w zależności (3)), i wyniki obserwacji winny pozwolić na weryfikację postawionej hipotezy. Do badań użyte zostały próbki porowatych materiałów stosowanych do wytwarzania kształtek zbrojenia odlewów kompozytowych. Materiały te wytworzone z krótkich włókien glinokrzemianowych (o nazwie handlowej SIBRAL) i grafitowych, posiadały porowatość przekraczającą 80%, a przygotowane z nich próbki miały postać prostopadłościanów o objętości ok. 2 cm 3. Jako ciecze modelowe użyte zostały woda destylowana oraz heksan, kwas oleinowy i benzen. W każdym z badanych układów modelowych była zawsze woda oraz jedna z pozostałych wymienionych cieczy. Sporządzano zmienne układy tzn. np. raz metalem była woda a ośrodkiem np. heksan, w innym odwrotnie, metalem był heksan a ośrodkiem woda. Każde z doświadczeń polegało na zanurzeniu próbki materiału zbrojenia nasyconego jedną cieczą w drugiej cieczy i obserwowaniu efektów. Konieczną znajomość parametrów powierzchniowych układów (wymienionych w zal. (3)) zapewniły studia literaturowe [6,7], uzupełnione wynikami badań własnych. Zestawione są one w tablicy I. W tablicy II zestawione są wyniki wykonanych prób. Tablica I Zebrane właściwości powierzchniowe badanych układów wykorzystane do obliczeń wg [6,7] Specification of surface properties of considered systems used for calculation purposes, according to [6,7] Napięcia międzyfazowe σ [mn/m] Kąty zwilżania w powietrzu θ [ ] woda/powietrze - 72 sibralu wodą - 28 heksan/powietrze -18 grafitu wodą - 86 kwas oleinowy/pow. -35 sibralu heksanem - 0 benzen/powietrze- 34 grafitu heksanem - 0 woda/heksan - 30 sibralu kw. oleinowym - 5 woda/kw. oleinowy - 13 grafitu kw. oleinowym - 10 woda/benzen - 25 sibralu benzenem - 0 grafitu benzenem - 0
Efekty doświadczeń modelowych Results of model experiments Tablica II Lp. Układ Wartość Efekt zbrojenie metal ośrodek nierówności (3) 1. SIBRAL woda heksan 64-18+30=76>0 heksan nie wypycha wody 2. SIBRAL heksan woda 18-64+30=-16<0 woda wypycha heksan 3. SIBRAL woda kwas oleinowy 64-35+13=42>0 kwas nie wypycha wody 4. SIBRAL kwas oleinowy woda 35-64+13=-16<0 woda wypycha kwas 5. SIBRAL woda benzen 64-34+25=55>0 benzen nie wypycha wody 6. SIBRAL benzen woda 34-64+25=-5<0 woda wypycha benzen 7. RAFIT woda heksan 2-18+30=14>0 heksan wypycha wodę!!! 8. RAFIT heksan woda 18-2+30=46>0 woda nie wypycha heksanu 9. RAFIT woda kwas oleinowy 2-34+13=-19<0 kwas oleinowy wypycha wodę 10. RAFIT kwas oleinowy woda 34-2+13=45>0 woda nie wypycha kwasu 11. RAFIT woda benzen 2-34+25=-7<0 benzen wypycha wodę 12. RAFIT benzen woda 34-2+25=57>0 woda nie wypycha benzenu 6. PODSUMOWANIE Przeprowadzone doświadczenia potwierdzają wnioski wynikające z dokonanych rozważań i poprawność opracowanej zależności. Jeden przypadek (Lp.7) z przedstawionych w tablicy II stanowi wyjątek. Przyczyna jego powstania jest nieznana i pozostaje w sferze domysłów. Analiza nierówności (3) odniesiona do realnych warunków recyklingu metalowych materiałów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem pozwala na określenie czynników sprzyjających procesowi. Są nimi: 1) Zdecydowanie zła zwilżalność materiału zbrojenia przez ciekłą osnowę oraz duża wartość napięcia powierzchniowego osnowy. Ujemna wartość pierwszego członu nierówności (3) będzie tym większa, im przy stałej wartości napięcia powierzchniowego ciekłej osnowy metalowej σ M- wartość kąta zwilżania materiału zbrojenia przez ciekłą osnowę θ M-Z/ będzie bliższa wartości 180.
2) Zdecydowanie dobra zwilżalność materiału zbrojenia przez ciekły ośrodek, w którym odbywa się recykling. Lewa strona nierówności (3) będzie tym bardziej zdecydowanie mniejsza od zera, im napięcie powierzchniowe ośrodka σ O-Z/ będzie wyższe a jego zdolności zwilżające materiał zbrojenia będą lepsze (θ 0 ). 3) Obecność zawsze dodatniej wartości σ M-O w nierówności (3), co oznacza, że czynnikiem sprzyjającym wypływaniu metalowej osnowy z kapilar zbrojenia w otoczeniu ośrodka jest jak najniższa wartość napięcia międzyfazowego (napięcia adhezji) na granicy obu faz ciekłych. 7. WNIOSKI 1. Przeprowadzone rozważania i wyniki dokonanych doświadczeń, dowodzą istotnej roli napięć międzyfazowych w układach występujących w procesach recyklingu metalowych tworzyw kompozytowych z nasycanym zbrojeniem a także wskazują na możliwość projektowania warunków ich przeprowadzania w oparciu o znajomość właściwości powierzchniowych ciekłej osnowy metalowej oraz ośrodka odniesionych do atmosfery gazowej. 2. Istnieje konieczność wykonania podobnych badań w warunkach realnego procesu recyklingu odlewów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem, 3. Dla wykonania tych badań i oceny ich wyników konieczna jest znajomość właściwości powierzchniowych układów występujących w procesach recyklingu co stwarza potrzebę kompletowania bazy danych a także prowadzenia badań celem jej wzbogacania. 4. Należy zwrócić uwagę na inne czynniki mogące wpływać na proces recyklingu a nie związane z właściwościami powierzchniowymi układów np. dotyczące geometrii porów nasycanego zbrojenia. LITERATURA [1] Jackowski J., Nagolska D., Szweycer M.: Problems of recycling of metal-matrix composite. Archiwum Technologii Maszyn I Automatyzacji, vol. 20, Poznań 2000, str. 73-81 [2] Nagolska D., Szweycer M.: Analiza mechanizmu recyklingu metalowych kompozytów nasycanych. Kompozyty (Composites), nr 1/2001, str. 35-37 [3] Nagolska D., Szweycer M.: Kinetyka recyklingu odlewów z nasycanych kompozytów metalowych. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 22, Poznań 2002, str. 109-115 [4] Nagolska D., Szweycer M.: Dobór ośrodka do recyklingu odlewów z metalowych kompozytów nasycanych. Kompozyty (Composites), nr 6/2003, str. 101-105 [5] Nagolska D., Szweycer M., Szymański P.: Recykling odlewów z kompozytów o osnowie ze stopu AlSi11 zbrojonego włóknem węglowym. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 24, Poznań 2004, str. 173-180 [6] Niżenko W.J., Fłok L.T. : Powierchnostnoje natjażenija żidkich metałłow i spławow. Sprawocznik. Metałłurgia, Moskwa 1981
[7] Poradnik fizyko-chemiczny, WNT, Warszawa 1974 [8] Praca zbiorowa. Teoria procesów technologicznych w odlewnictwie metali. WNT, Warszawa 1965 [9] Praca zbiorowa: Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1966 Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: THE ROLE OF INTERFACIAL TENSION IN RECYCLIN OF METAL COMPOSITE MATERIALS WITH SATURATED REINFORCEMENT S u m m a r y Recycling of composite castings consists in division of the composite material components. The type of the composite material (a suspended or saturated reinforcement composite) determine the recycling method. Recycling of composite castings with saturated reinforcement consists in removing the melted composite matrix from the capillaries of the casting reinforcing profile. In practice, the process may occur spontaneously but only provided that the conditions determined by interfacial tension values of the system are advantageous. The system is composed of the reinforcement material the liquid metal matrix and the environment. The gas or liquid phase may serve as the environment. Calculation of the changes in surface energy values undergoing in considered systems enabled determining the conditions limiting the course of the process. Results of the calculation were experimentally verified with the use of model media. Key words: composites, recycling, interfacial tension Praca została wykonana częściowo w ramach grantu PBZ-KBN-114/T08/2004