- 97- KOMPOZYTY AISi-Pb Soliditication ofmetals and Atloys, No. 28, 1996 Krz epm ęcie Metali 1 Stopów, Nr 28. 1996 PAN- O ddzia ł Katowice: PL. ISSN 0208-9386 KONOPKA Zbigniew SRASZCZYŃSKI Janusz Katedra Odlewnictwa Folitechnika Częstochowska al. Armii Krajowej 19 42-200 CZĘSTOCHOWA, POLSKA STRESZCZENIE Kompozyty otrzymywano ze stopu AI9Si w stanie ciekło-stałym, do którego wprowadzano proszek ołow iu (2 do 10%). Otrzymywanie tych kompozytów dokonywano przy pomocy mieszania składników mie szadłem mechanicznym. Obserwacje makro- i mikrostruktury ujawniły regularny rozkład cząstek Pb w o bjęto śc i kompozytu bez sedymentacji. Wszystkie wyniki badań trybologicznych kompozytów wykazują obniże nie zużycia śc iern eg o i współczynnika tarcia suchego w porównaniu do wyników tych włas n ośc i dla stopu podłoża A!Si. Można twierdzi ć, że kompozyty na bazie stopu aluminium z cząstkami ołowiu wykazują zad awa lający opór na ścieranie i dobre własności ślizgowe. Przypuszcza się, że będą one dobrym materiałem na łożyska ślizgowe przy obciążeniach niezbyt wysokich. ABSTRACI T he AK9 matrix composites containing from 2 to l O% vol. lead particles were manufactured by stirring method. Lead powder was incorporated into liquid-solid matrix during mechanical stirring. Observations of macro and microstructure obtained composites show the regular and uniform distribution of lead particles in composite volume without any sedimentation. Ali results of composite tribological tests show decreasing the abrasive wear and coefficient of dry fiction in comparison with matrix alloy properties. It can be find that aluminium alloy matrix composites with lead particles show satisfactory wear resistance and good sliding properties. These composites are supposed to be good bearing material working at the not very high load. 1. WSTĘP Kompozyty na bazie stopów aluminium z cząstkami ołowiu są do dzisiaj materiałem mało znanym. Mogą one znaleźć zastosowanie jako dobry materiał do pracy w warunkach tarcia. "Miękkie" cząstki ołowiu w otoczeniu twardego podłoża stopu aluminium spełniają rolę smaru, co czyni te kompozyty dobrym m ateriałem na łożyska ślizgowe. Co więcej, wysoka przewo dność cieplna, mała rozszerzalność cieplna i mała gęstość podłoża suge rują też dobre własności trybologiczne kompozytów A!Si-Pb. Podczas krystalizacji statycznej kompozytów aluminium-ołów powstaje segregacja grawitacyjna ołowiu spowodowana brakiem rozpuszczalności ołowiu w aluminium. Niedogodności tej można uniknąć poprzez dużą dysp ersję cząstek ołowiu podczas krystalizacji ultraszybkiej lub przez wytworzenie emulsji AI-Pb pod działaniem mechanicznego mieszania.
- 98- W metodzie krystalizacji ultraszybkiej (metoda "melt spinning") uzyskuje s ię cienką folię kompozytu na podłożu (podkładce) np. Cu, co daje połączenie kohezyjne obydwu tych składników. Metoda wytwarzania emulsji daje możliwość wytwarzania odlewów kompozytowych, np. łożys k. Obydwie metody technologii kompozytów A!Si-Pb nie są drogie i mogą być stosowane do produkcji różnych elementów maszyn i urządzeń. 2. BADANIA 2.1. Wytwarzanie kompozytów AISi-Pb W technologii kompozytów stosowano metodę mieszania mechanicznego stopu podstawowego Al9Si (matrycy) w stanie ciekło-stałym, do którego dodawano proszek ołowiu w ilości : 2-1 O% objętościowych. Proszek ołowiu segregowano przy pomocy analizy sitowej, co dało możliwość kontroli wielkości cząstek ołowiu w emulsji kompozytowej (5 40 J.lm.). Podczas mieszania temperatura podłoża (matrycy) kompozytu była stalą i gwarantowala stan ciekło-stały. Mieszanie dokonywano mieszadłem turbinowym przy prędkości obrotowej 400 obr./min. Po 2 minutach mieszania pozostawiono emulsję aż do całkowitego skrzepnięcia. Ta metoda technologiczna daje możliwości wprowadzania 1 równomiernego rozmieszczenia cząstek ołowiu w objętości kompozytu. Nie obserwuje się ciężkich cząstek ołowiu, co jest charakterystyczne dla tych układów. Segregacji grawitacyjnej zapobiega tak że du ża l epkość podłoża kompozytu w stanie ciek ł o -stał ym. Technologia ta posiada ponadto dwie zalety Po pierwsze istnieje możliwość kontroli składu chemicznego przez dobór równocze ś nie ud zia łu objętościowego cząstek ołowi u jak i ich wielkości bez zjawiska koalescencji. Po drugie mieszanie i krzepnięcie kompozytu w stanie cieklo-stałym poprawia znacznie strukturę podłoża co się uwidacznia brakiem struktury dendrytycznej 1 tworzeniem ziarn globularnych. 2.2. Badanie własności trybologicznych Próbki do badań trybologicznych wykonano z wlewków kompozytu. Badania te obejmowa ł y pomiary zużyc ia ściernego i współczynnika tarcia na sucho, które wykonano na TRYBOMETRZE T -05, na którym prostopadłościenne próbki kompozytu był y poddane ścieran iu przez przeciwpróbkę stalową. Między próbką i przeciwprób ką istniał styk liniowy i rejestracja automatyczna s iły tarcia poprzez czujnik tensometryczny Pomiary tarcia dokonywano pod obciążeniem 50 N na drodze 231 O m i przy szybkości poślizg u 0,5 m/s. Całkow ita droga była dzielona na sekcje, co pozwalało określić kinetykę ścierania kompozytu. Wszystkie pomiary dokonano w warunkach tarcia suchego. Zużycie ścierne tych kompozytów i stopu podłoża okreś lano metodą wagową po każdym odcinku drogi tarcia i dla 5 próbek. 2.3. Wyniki Rys l przedstawia obraz makrostruktury kompozytu l 0% Pb Rys 2 i 3 wykazują porównawczo mikrostruktury podłoża (AI9Si) i kompozytu z cząstkami równomiernie rozmieszczonymi w objętoś ci wlewka. Wyniki te potwierdzają przy datność metody mieszania w stanie cieklo-stałym do wytwarzania kompozytów AlSi-Pb i nasze wcześniejsze przypuszczenia. Stop podłoża (rys. 2) wykazuje charakterystyczną strukturę dendrytyczną, podczas gdy w kompozycie (rys. 3) widoczne są ziarna globularne roztworu stalego a i zanik całkowity struktury dendrytycznej. Rys 4 przedstawia wykresy zużycia śc iernego tych kompozytów. Obserwuj e się zmniejszenie zużycia ściernego kompozytów ze wzrostem udziału
- 99- objętościowego cząstek ołowiu. W porównaniu do stopu podłoża zużycie ścierne jest mniejsze w kompozycie. Podczas okresu docierania (droga tarcia 330 m) różnica tego ścierania Jest jeszcze nieznaczna, lecz w miarę rozwoju procesu ścierania (droga 23 l O m) zużycie kompozytu jest coraz mniejsze i odpowiada 75% ścierania stopu podłoża Powyżej l 0% obj. Pb występuje dużo mniejsze obniżenie ścierania. Współczynnik tarcia tych kompozytów obniża s ię znacznie ze wzrostem udziału objętościowego cząstek ołowiu 1 daje wartość dwa razy mniejszą w stosunku do stopu podłoża przy zawartości Pb = lo% (rys. 5). Tak mała wartość współczynnika tarcia(- O, l) świadczy o doskonałych własnościach ś lizgowych, porównywalnym ze ścieraniem grafitu na stali Można wnioskować, że dalszy wzrost udziału objętościowego ołowiu powyżej l 0% nie zmniejszy już wyraźnie wartości współczynnika tarcia, podobnie jak zuż ycia ściernego. Obserwacje kompozytu po ście raniu (rys 6) potwierdzają wstępną hipotezę o cząstkach ołowiu speł niając yc h rolę smaru w procesie tarcia., ---~.. ~ '. :a,; '"' ".\ :..... --. ~...li. :... Rys. l. Makrofotografia kompozytu Al9Si z l O% obj. Pb. Cząstki ołowiu od l 00 ~Lm do 160~Lm. Fig l. Macrophotograph ofthe AK9-10% vol Pb. Particie size from l 00 ~Lm do 160 ~Lm.
- 100- Rys. 2. Mikrostruktura podłoża (Al9Si) kompozytu. Fig. 2. Microstructure ofthe composite matrix (AK9) Rys. 3. Mikrostruktura kompozytu (10% obj. Pb), cząstki ołowiu ~ 40 11m Fig. 3. Microstructure o f the composite (l 0% vol. Pb ), particie size ~ 40 11m
-!Ol - Z użycie S<:iemc [mg[!! ()() --, 3 00 ; :'! 00 J 99() rn \(Jl)! 330 m o Q ł) 6 00 l o 00 (J{){) ~ 00!i Q(J %obj. Pb Rys. 4. Zużycie śc ierne kompozytu w zależności od udziału obję t ościowego cząstek Pb (s 40 ~lm). Fig 4. Composite abrasive wear (S 40 ~lm. ). Wspólczymtik tarcia 0 20! i o 1s T.-\1-: 9 o 15 o l 3 o 10 l l 0.08 ~ l 0.05-1 l 0.03 l ODO --4--------,--------,--------r--------,-------, 0.00 2.00 4 00 %obj. Pb 6 00 8.00 10.00 Rys. S. Współczynnik tarcia kompozytu w zależności od udziału objętościowego cząstek Pb (s 40 J..lm.). Fig. S. Composite coefficient offiction (:s; 40 J..lm.).
- 102- a) b) Rys. 6. Fraktografia kompozytów po ścieraniu. Fig. 6. Composite fractography after grinding. 2.4. Wnioski - Kompozyty A19Si-Pb mogą b yć otrzymywane metodą mieszania i krzepnięcia w stanie ciekło - stałym. Wzrost udziału objętościowego ołowiu aż do l 0% obj. w kompozycie powoduje znaczne obniże nie zużycia ściernego i współczynnika tarcia. Mały współczynnik tarcia tych kompozytów (l 0% obj. Pb) wykazuje możliwość ich zastosowania jako dobrego materiału na łożyska ś li zgowe pod stosunkowo małym obciążeniem.