46/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Ro 006, Roczni 6, Nr 18 (1/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006, Volume 6, N o 18 (1/) PAN Katoice PL ISSN 164-508 ZWILŻALNOŚĆ I INFILTRACJA ELEMENTÓW ZBROJĄCYCH W ODLEWNICZYCH KOMPOZYTACH Z OSNOWĄ METALICZNĄ A. PATEJUK, M. GABRYLEWSKI Politechnia Białostoca, ul. Wiejsa 45C, Białysto Polsa STRESZCZENIE Technologiczne problemy ziązane z ytarzaniem materiałó ompozytoych z osnoą metaloą zbrojoną łónami ęgloymi zostały przedstaione szerzej pracy [1]. Niniejszy artyuł zaiera analizę zjais toarzyszących zilżaniu uładzie materiał osnoy ompozytu elementy zbrojące. Key ords: ettability, carbon fibres, composite material 1. WSTĘP Przy ytarzaniu materiałó ompozytoych metodą odleniczą, między ciełym materiałem osnoy a trudnotopliymi łónami poinno ystąpić zjaiso zilżania. Dane literaturoe [1, ] sazują, że dla uzysania dobrego połączenia pomiędzy osnoą a zbrojeniem ięszości materiałó ompozytoych, niezbędne jest zapenienie ąta zilżalności poniżej 108 0 rys 1a [, 4]. Analiza yresó (rys. 1b) sazuje, że ytrzymałość połączenia metaliczna osnoa-zbrojenie, przy ątach zilżalności poniżej 108 0 utrzymuje się na stałym poziomie. Delannay F. i inni [5] sazuje, że łaściość ta jest bezpośrednio ziązana z fizycznymi i chemicznymi łaściościami arst poierzchnioych omponentó chili torzenia granicy fazoej materiału ompozytoego. Przy czym tym przypadu ustabilizoanie się poziomu ytrzymałości połączenia, przy zilżaniu poniżej ąta zilżania 108 0, spoodoane jest zeraniem ciągłości odpychającej ujemnej chmury eletronoej metalu z ujemną poierzchnioą arstą anionoą fazy zbrojącej. 91
a b Rys. 1. Kąt zilżania [, ]; a pły temperatury, b pły na ytrzymałość połączenia Fig. 1. Angle of ettability [, ]; a - influence of temperature, b - influence on endurance of connection. INFILTRACJA ELEMENTÓW ZBROJENIA PRZEZ CIEKŁĄ OSNOWĘ METALICZNĄ Przy ytarzaniu ompozytó z osnoą metaloą zbrojonych łónami czy cząstami, z uagi na prostotę, bardzo dogodne są metody odleania. Waruniem otrzymania dobrego ompozytu jest zajście procesu infiltracji, tzn. niania ciełej osnoy metalicznej między elementy zbrojące. Wproadzenie ciełego metalu między te elementy jest procesem złożonym, zależnym od szeregu czynnió, z tórych najbardziej istotnym jest ciśnienie enątrz ciełego metalu. Ściślej rzecz biorąc o infiltracji ciełej metalicznej osnoy między elementy zbrojenia decyduje różnica ciśnień, spoodoana siłami apilarnymi, na froncie ciełego metalu. Od tej różnicy ciśnień zależy czy infiltracja będzie samorzutna (uład zilżający), czy też będzie ymagać zastosoania zenętrznego ciśnienia na cieły metal (uład nie zilżający). W ięszości przypadó metal nie zilża materiału zbrojenia i trzeba stosoać dodatoe ciśnienie na cieły metal (odleanie pod ciśnieniem). Oszacoanie różnicy ciśnień na froncie ciełego metalu jest bardzo istotne z puntu idzenia potrzeb inżynierii materiałoej. Wyrażenia opisujące ich artość bazują na rónaniu Young-Kelvina: p cg K cosθ (1) gdzie: p - różnica ciśnień na froncie ciełej osnoy, cg - napięcie poierzchnioe na granicy cieły metal - gaz (zamiast atmosfery gazoej między elementami zbrojącymi może być rónież jaaś ciecz), K - rzyizna poierzchni rozdziału ciecz - gaz, θ - ąt zilżania. Zyle K jest nieznane. Załada się ziązu z tym geometryczny rozład łóien (np. siata adratoa, hesagonalna) i szacuje rzyiznę anałó między 9
łónami. Infiltracja łóien zachodzić może przy istnieniu różnicy ciśnień na froncie ciełego metalu (pomija się siły tarcia i siły graitacji). Tylo odpoiednia artość tej różnicy między stanem początoym (cieły metal i łóno otoczone najczęściej przez atmosferę gazoą) i ońcoym (ompozyt) z energetycznego puntu idzenia pooduje zmianę granicy rozdziału łóno-gaz na granicę rozdziału łóno - cieły metal. Energia L tego procesu na jednostę objętości metalu ynosi [6]: L ( - ) S () gdzie: S - poierzchnia elementó zbrojących na jednostę objętości metalu osnoy. Energia ta jest róna pracy jaą yonuje przemieszczający się cieły metal zięszając objętość o V przy ciśnieniu p. Praca ta jest róna L p V, a przy jednostoej objętości V 1 ynosi L p., co pozala yrażenie (7) przeształcić zależność: p ( - ) S () Samorzutne zilżanie zachodzi jeśli artości L i p są ujemne (uład zilżający), iedy. Wartości S zależą od ształtu elementó zbrojących i ich udziału objętościoego. Jeśli elementami zbrojącymi są łóna o średnicy d i udziale objętościoym V, artość S oreśla się na podstaie rys.. a b Rys.. Rozmieszczenie łóien ompozycie: a- hemat, b uzysane badaniach Fig.. The distribution of fibres in composite: a- heme, b - in experiment Poierzchnia łóien π d h n, gdzie: n - ilość łóien ompozycie. Objętość osnoy objętość ompozytu minus objętość łóien. Jeśli oznaczy się V jao objętość ompozytu to: 9
S hn V hn 4 4 hn d V hn 1 hn 4 4 1 V 1 d 4V ( 1 V ) (4) gdzie: V - udział objętościoy łóien V hn 4 V Ciśnienie p na froncie ciełego metalu dla tego przypadu będzie yrażone zależnością: 4V p (5) d 1 V ( ) ( ) Ja idać z poyższej zależności, przy stałej artości różnicy napięć ) poierzchnioych ( ciśnienie panujące na froncie ciełej osnoy rośnie ze zrostem udziału objętościoego łóien V (rys. a) a maleje ze zrostem średnicy łóien d (rys.b). Rys.. Wpły udziału objętościoego łóien (a) i ich średnicy (b) na ciśnienie na froncie ciełej fazy osnoy Fig.. Influence of volumetric part of fibres (a) and their diameter (b) on pressure on front of liquid phaze of matrix Jeśli elementami zbrojącymi ompozytu są cząsti sferyczne (uleczi) o średnicy d i udziale objętościoym V to artości S oblicza się z zależności yproadzonych ja niżej: 94
S Poierzchnia cząste n; gdzie: n - ilość cząste Objętość osnoy V n ; gdzie: V - objętość ompozytu 6 n n 6 6V 1 d 1 V V n d 1 6 V n 1 V 6 n 6 ( ) (6) gdzie: V - udział objętościoy ulistych cząste V π d n 6 V Ciśnienie p na froncie ciełego metalu dla tego przypadu będzie oreślone zależnością (7): 6V p d ( ) ( 1 V Ta ja przypadu łóien, ciśnienie na froncie ciełej osnoy będzie rosło ze zrostem udziału objętościoego cząste ulistych i malało ze zrostem ich średnicy. Wartość członu ( - ), jeśli znane jest cg, szacuje się z pracy adhezji L a : ) L a cg + (8) lub jeśli uład jest niezilżalny - z ąta ontatu osnoy z elementem zbrojącym θ - zależność (9) [7]: cos θ. PODSUMOWANIE cg lub cg (7) cos θ Ciśnienie na froncie ciełego metalu zmienia się tracie procesu infiltracji. W uładach zilżających ( ), metal będzie najpier ciągany do przestrzeni o dużym S (ąsie anały) a później do przestrzeni gdzie siły ciągające będą mniejsze tj. o małym S (szeroie anały). Ponieaż S maleje z czasem to ciśnienie p (tóre jest ujemne) zrasta z czasem. Natomiast uładach nie zilżających ( ) artość S rośnie z czasem i metal będzie płynął szeroimi anałami a tylo ostatnim momencie będzie proadzany do ąsich anałó między elementami zbrojącymi. Ciśnienie p, tóre jest dodatnie (gdyż energię trzeba dostarczyć) tym przypadu rośnie z czasem. Posługując się zorami (5) czy (7) należy brać pod uagę następujące zjaisa [6]: 95 (9)
1. W tracie infiltracji osnoa często porya się ziązami chemicznymi taimi ja tleni, azoti itp. Szczególnie jest to istotne przy dużym poinoactie metalu osnoy do gazó poietrza.. Jeśli cieły metal yołuje reację na granicy z łónem (czy innym elementem zbrojącym) to należy proadzić zmiany artościach i.. Jeżeli poierzchnia łóna nie jest głada to dodatoo należy proadzić spółczynni f 1 jao mnożni dla S. LITERATURA 1] Pateju A.: Wpły parametró technologicznych na łaściości ompozytu typu Al.-WW. III Seminarium Kompozyty `98. Warszaa (1998), 14-1. [] Tressler R.: Poierchnosti razdieła mietaliczesich ompozitach. Mir. Mosa 1978. [] Buat A., Rutosi W.: Teoretyczne podstay procesu spieania. Wyd. Śląs. Katoice 197. [4] Hyla I., Śleziona J., Myalsi J.: Technologia ytarzania i łaściości ybranych stopó aluminium zbrojonych cząstami ceramicznymi. Inżynieria Materiałoa 6 (199) 180 184. [5] Laurent V., Chatain D., Eustathopouls N.: Wettability for SiC by Al and Al-Si Alloys. J. of Mat. Science. (1987) 44. [6] A. Mortensen, J.A. Cornie: On the infiltration of Metal Matrix Composites. Metallurgical Transactions A, Volume 18A, June 1987. [7] Gabrylesi M., Pateju A.: Zjaisa zilżania i infiltracji procesie ytarzania ompozytó z osnoą metaliczną. Aparatura Badacza i Dydatyczna. T.X. Nr 4 (005) 0-09. THE PHENOMENON OF WETTABILLITY AND INFILTRATION IN METAL MATRIX COMPOSITES PRODUCING ABSTRACT Some of the problems connected ith producing metal matrix composites reinforced ith carbon fibres, has been shon in this or. Our article contens the analysis of phenomenons connecting ith ettability of configuration beteen matrix composite and reinforcement elements. Recenzoał: Prof. Jan Pini 96