31/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE KOMPOZYTÓW AlSi13Cu2- WŁÓKNA WĘGLOWE WYTWARZANYCH METODĄ ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO Z. KONOPKA 1, A. ZYSKA 2, M. CISOWSKA 3 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań własności mechanicznych kompozytów na osnowie stopu AlSi13Cu2 z ciętymi włóknami węglowymi z pokryciem Ni i z włóknami bez pokrycia. Próbki do badań zostały wytworzono metodą odlewania ciśnieniowego. Zaobserwowano wzrost modułu E ze wzrostem udziału włókien w kompozycie oraz pozytywne oddziaływanie pokrycia niklowego na właściwości R m i R 02. Key words: composites, aluminium alloys 1. WSTĘP Ze względu na słabe zwilżanie włókien węglowych ciekłym stopem osnowy bardzo często stosuje się zabiegi ułatwiające zwilżanie, a polegające przede wszystkim na pokrywaniu włókien warstwami metalowymi czy modyfikacji stopu osnowy [1,2]. Są to jednak zabiegi kosztowne, dlatego też należy dążyć do poszukiwań tańszych i prostszych metod wytwarzania tego typu materiałów. Zastosowanie technologii odlewania ciśnieniowego do wytworzenia odlewów kompozytowych daje pozytywne rezultaty, ponieważ wymuszone wypełnianie wnęki formy ułatwia równomierne rozmieszczenie włókien w osnowie i nie wymaga wysokiej lejności stopu [3], co umożliwia wytworzenie kompozytów o dużych udziałach fazy zbrojącej. 1 dr hab.inż. prof. P. Cz., konopka@mim.pcz.czest.pl 2 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 3 mgr inż., cis@mim.pcz.czest.pl
238 2. METODYKA BADAŃ Do badań właściwości mechanicznych wykonano próbki metodą odlewania ciśnieniowego. W tym celu zaprojektowano i wykonano formę ciśnieniową. Do badań wybrano stop osnowy Al13SiCu2, a jako zbrojenie włókna węglowe z grupy HTA pokryte warstwą Ni o grubości 0,25 m, oraz włókna węglowe bez pokrycia. Długość włókien wynosiła 5 mm, natomiast udział objętościowy włókien wynosił 5, 10 i 15% dla włókien pokrytych Ni, oraz 2.5, 7.5 i 12.5% dla włókien bez pokrycia. Suspensję kompozytową wytworzono mieszając mechanicznie ciekły stop osnowy z równoczesnym wprowadzaniem włókien o zadanym udziale objętościowym. Mieszanie suspensji wykonano przy następujących parametrach: czas mieszania 300s, prędkość kątowa mieszania mieszadła śmigłowego 10 s -1. Odlewy próbek wytrzymałościowych wykonano na maszynie ciśnieniowej zimnokomorowej, poziomej o sile zwarcia 160 T przy prędkości wtrysku suspensji 60 m/s i grubości wlewu 1 mm. Takie optymalne parametry wtrysku gwarantujące równomierne rozmieszczenie włókien w osnowie ustalono na podstawie badań wypełniania formy suspensją kompozytową. W jednym wtrysku wykonywano cztery odlewy próbek wytrzymałościowych. Badania właściwości mechanicznych kompozytów wykonane na odlewach obejmowały pomiary: umownej granicy plastyczności R 02, wytrzymałości na rozciąganie R m, modułu sprężystości E, i wydłużenia względnego A C. Wszystkie wskaźniki mechaniczne zostały określone w próbie rozciągania wykonanej zgodnie z normą PN-91/H-04310. Pomiary wykonano na zrywarce Zwick 1488 sterowanej komputerowo przy następujących parametrach: naprężenie wstępne - l MPa, prędkość zrywania 7 mm/min, maksymalna siła zrywająca - 10 kn. W trakcie próby rozciągania rejestrowano wartość siły zrywającej P wraz z pomiarem wydłużenia l. W wyniku sprzężenia tych dwóch pomiarów z uwzględnieniem przekrojów próbek uzyskano wykresy wytrzymałościowe naprężenie w funkcji wydłużenia. Na podstawie danych z testu rozciągania wyznaczono charakterystyczne wielości R 02, R m, A C oraz moduł sprężystości E. 3. WYNIKI BADAŃ I ANALIZA Przykładowy wykres rozciągania przedstawiono na rysunku 1. Na rysunku 2 przedstawiono przykładową mikrostrukturę kompozytu zawierającego 10% włókien węglowych. Badania wykonano dla każdego rodzaju kompozytu i porównawczo dla stopu osnowy. Wyniki badań zamieszczono w tabeli 1, a graficznie przestawiono na rysunkach 3 i 4.
239 Rys. 1. Wykres rozciągania kompozytu wytworzonego metodą odlewania ciśnieniowego Fig. 1. Tensile test diagram of pressure die cast composite Rys. 2. Struktura kompozytu AlSi13Cu2 10% WW Ni wytworzonego metodą odlewania ciśnieniowego pow. 100x Fig. 2. Structure of composite AlSi13Cu2 10% WW Ni fabricated by pressure die casting, mag.100x
240 Ocena mikrostruktury badanych kompozytów pokazuje jednoznacznie, że technologia odlewania ciśnieniowego daje pozytywne rezultaty wytwarzania kompozytów z włóknem krótkim. Równomierne rozmieszczenie włókien potwierdza wysoką efektywność mieszania i prawidłowy dobór parametrów procesu odlewania. Tabela 1. Wyniki badań mechanicznych kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi Table 1. Mechanical properties of composites with carbon fibre Badany materiał R m E R 02 Ac AlSi13Cu2 237 80 199 0,58 AlSi13Cu2-5%WW AlSi13Cu2-10%WW AlSi13Cu2-15%WW AlSi13Cu2 2,5%WW AlSi13Cu2 7,5%WW AlSi13Cu2 12,5%WW Włókna pokryte Ni 241 111 210 0,71 241 129 207 0,41 236 142 205 0,61 Włókna bez pokrycia 230 192 96 0,42 221 180 112 0,51 208 161 129 0,68 Z przeprowadzonych badań wynika jednoznacznie, że technologia odlewania ciśnieniowego daje pozytywne rezultaty wytwarzania kompozytów z włóknem krótkim. W kompozytach z włóknami węglowymi pokrytymi warstwą niklu obserwuje się wysokie właściwości mechaniczne porównywalne z właściwościami osnowy. Na uwagę zasługuje wyraźny wzrost modułu E ze wzrostem udziału objętoś ciowego włókien w kompozycie. Sugeruje to możliwość tworzenia stosunkowo silnego połączenia włókien z osnową. W kompozytach z włóknami bez pokrycia niklowego właściwości mechaniczne niestety spadają. Wyjątek stanowi moduł sprężystości, który rośnie. Właściwości plastyczne są na niskim poziomie ale nie odbiegają wartościami od własności osnowy i są charakterystyczne dla stopów odlewniczych AlSi.
R 02, R m, MPa E, GPa R 02, R m, MPa E, GPa 241 260 160 250 240 R m E 140 230 120 220 210 R 02 100 200 190 80 180 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Udział objętościowy WW, % Rys.3. Własności mechaniczne kompozytów odlewanych ciśnieniowo z włóknami węglowymi pokrytymi Ni Fig. 3. Mechanical properties of pressure die cast composites with Ni coated carbon fibres 60 260 160 240 R m E 140 220 120 200 R 02 100 180 160 80 140 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Udział objętościowy WW, % Rys.4.Własności mechaniczne kompozytów odlewanych ciśnieniowo z włóknami węglowymi bez pokrycia Fig. 4.Mechanical properties of pressure die cast composites with carbon fibres without coating 60
242 LITERATURA [1] Asthana R.: Stability of heterogenous particles st fluid interfaces in composite slurries, Scripta Metallurgica Materialia, vol. 29, 1993, pp. 1261-1266, [2] Konopka Z.: Pressure die cast fibre reinforced AlSi alloy matrix composites, The European Conference on Advanced Materials and Processes EUROMAT 95, pp.667-670 [3] Konopka Z., Cisowska M.: Własności mechaniczne kompozytu na osnowie stopu AK9 z cząstkami grafitu naturalnego i syntetycznego, Archiwum Odlewnictwa, rocznik 3, nr 9, s. 299-304 MECHANICAL PROPERTIES OF THE AlSi13Cu2 ALLOY MATRIX COMPOSITES WITH CARBON FIBRE FABRICATED BY PRESSURE DIE CASTING METHOD SUMMARY Mechanical properties of the AlSi13Cu2 alloy matrix composites with chopped Ni coated carbon fibre and without eny coating were examined. Composites castings were fabricated by pressure die casting of composite suspension prepared by stirring method. Very good distribution of carbon fibres in composite matrix was observed. Increasing of the Young modulus of examined composites with volume fraction of carbon fibres increasing was observed. Positive influence of Ni coating on mechanical properties of composites was shown. Recenzował Prof. Józef Śleziona