KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 ZBIGNIEW KONOPKA, MAŁGORZATA ŁĄGIEWKA, ANDRZEJ ZYSKA ** UDARNOŚC KOMPOZYTU AK11 CZĄSTKI SiC ODLEWANEGO CIŚNIENIOWO W artykule przedstawiono wyniki badania udarności ciśnieniowych odlewów kompozytów na osnowie stopu AK11 zawierających 10 i 20% objętościowo cząstek SiC. Porównawczo wykonano również badania udarności stopu osnowy. Odlewy próbek do badań udarności wykonano metodą odlewania ciśnieniowego na maszynie poziomej zimnokomorowej przy zmiennej prędkości tłoka w fazie wtrysku i ciśnieniu doprasowania. Eksperymenty prowadzono według czynnikowego planu doświadczeń. Stwierdzono spadek udarności kompozytów w porównaniu z udarnością stopu AK11. Zaobserwowano silny wpływ parametrów odlewania na udarność kompozytów. Zwiększenie prędkości tłoka powodowało znaczny wzrost udarności kompozytów, natomiast wzrost ciśnienia doprasowania powodował zmniejszenie wartości udarności badanych materiałów, co przedstawiono w postaci modelu matematycznego. Słowa kluczowe: udarność, kompozyty, stopy aluminium, odlewanie ciśnieniowe 1. WPROWADZENIE Złe zwilżanie ceramicznych cząstek ciekłymi stopami aluminium ogranicza ich równomierne rozmieszczenie w objętości i odlewanie, co wymusza stosowanie zabiegów pomocniczych ułatwiających ten proces, polegających najczęściej na pokrywaniu cząstek warstwami metali lub na modyfikacji stopu osnowy [2, 7]. Ograniczeń tych w dużej mierze jest pozbawiona technologia ciśnieniowego odlewania kompozytów. Pozytywne rezultaty odlewania ciśnieniowego kompozytów z cząstkami wynikają z faktu wymuszonego, burzliwego wypełniania wnęki formy, co ułatwia równomierne rozmieszczenie cząstek w osnowie, a często mała lejność zawiesin kompozytowych nie ma wpływu na kształtowanie wysokiej jakości odlewu [5, 8, 11]. Innymi zaletami tej metody są bardzo szybkie stygnięcie i krzepnięcie odlewu w formie metalowej, co się przyczynia do wzrostu właściwości wytrzymałościowych odlewów i możliwości sterowania parametrami odlewania w szerokim zakresie. Prawidłowe wypełnianie wnęki Dr hab. inż. Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej. Dr inż. Praca realizowana w ramach projektu PZ-206-601/2005.
68 Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska formy i optymalne właściwości odlewu zależą głównie od regulowanej prędkości tłoka w fazie zapełniania formy metalem i ciśnienia doprasowania [4, 6]. Wada odlewów ciśnieniowych, jaką jest porowatość, została obecnie w znacznym stopniu wyeliminowana przez zastosowanie nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych form i układów zalewania [3, 9, 13]. Właściwości mechaniczne kompozytów zbrojonych cząstkami zależą od takich czynników, jak udział, wielkość i rozmieszczenie cząstek w osnowie kompozytu, właściwości powierzchni międzyfazowej osnowa zbrojenie i indywidualne właściwości składników. Cząstki duże, o wymiarze charakterystycznym powyżej kilku mikrometrów, rozmieszczone przypadkowo w objętości z reguły nie powodują umocnienia kompozytu, a ich obecność działa korzystnie na inne właściwości specjalne [1, 10, 12]. 2. METODYKA I WYNIKI BADAŃ Celem badań było określenie wpływu parametrów odlewania ciśnieniowego i udziału cząstek SiC na udarność kompozytów na osnowie stopu AK11 i porównawczo stopu osnowy. Metodą mieszania mechanicznego wytworzono zawiesiny kompozytowe zawierające 10 i 20% cząstek węglika krzemu. Zawiesiny kompozytowe odlewano ciśnieniowo na poziomej maszynie zimnokomorowej firmy Polak o sile zwarcia 1,6 MN. W jednym zapełnieniu formy wykonano 4 znormalizowane próbki do badań udarnościowych przy zmiennej prędkości tłoka w drugiej fazie w zakresie 1,2 3,5 m/s oraz ciśnieniu doprasowania w zakresie 20 40 MPa. Zastosowaną formę ciśnieniową przedstawiono w publikacji [6]. Przygotowana forma umożliwiła wykonanie jednocześnie próbek do badania udarności, właściwości wytrzymałościowych oraz lejności. Porównawczo wykonano odlewy próbek ze stopu AK11. Tłok prasujący o średnicy 40 mm w pierwszej fazie miał stałą prędkość 0,3 m/s. Suma przekrojów wlewów doprowadzających wynosiła 60 mm 2. Grubość wlewu na każdym odlewnie była stała i wynosiła 2 mm. Temperatura zalewania wynosiła 973 K. Badania odlewania ciśnieniowego wykonano według planu czynnikowego 2 3. Przyjęto następujące zmienne niezależne: udział objętościowy cząstek SiC w kompozycie, prędkość tłoka w drugiej fazie zalewania i ciśnienie doprasowania w trzeciej fazie. Pomiary parametrów wtrysku wykonano czujnikami DMC 200 firmy EMTEC. Udarność stopu AK11 i kompozytów badano na próbkach bez karbu za pomocą młota Charpy ego o masie 15 kg. Powierzchnia przekroju poprzecznego próbek o wymiarach 6,5 6,5 mm wynosiła 0,4225 cm 2. Wyniki pomiarów udarności stopu osnowy i kompozytów oraz parametry wtrysku zastosowane w doświadczeniach przedstawiono w tablicy 1.
Udarność kompozytu AK11 cząstki SiC 69 Tablica 1 Udarność oraz parametry odlewania stopu AK11 i kompozytu AK11+10% SiC Impact strength, and parameters of pressure casting of AK11 alloy and AK11+10% SiC composite Numer próby SiC [%] Prędkość [m/s] Ciśnienie [MPa] 0 0 3,5 40 1 10 1,2 20 2 10 3,5 40 3 10 1,2 40 4 10 3,5 20 5 20 1,2 20 6 20 3,5 40 7 20 1,2 40 8 20 3,5 20 Udarność [J/cm 2 ] 11,83 11,83 13,02 8,28 8,28 3,55 11,83 3,55 Średnia [J/cm 2 ] Wariancja [J/cm 2 ] 11,58 0,98 6,63 1,82 7,57 1,79 5,21 1,82 9,94 0,42 10,41 0,97 8,05 0,98 4,72 0,70 5,42 1,12
70 Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska Na podstawie uzyskanych wyników badań obliczono równanie regresji udarności kompozytów w funkcji parametrów odlewania. Równanie to dla wartości zmiennych niezależnych z istotnymi współczynnikami regresji ma następującą postać: U = 6,24 + 1,52 v 0,086 p, (1) gdzie: U udarność [J/cm 2 ], v prędkość tłoka w fazie zapełniania [m/s], p ciśnienie doprasowania [MPa]. Uzyskane wyniki i obliczenia pokazują, że udział cząstek SiC w badanych kompozytach w badanym zakresie nie wpływa na udarność tych kompozytów. Współczynnik regresji dla tej zmiennej okazał się nieistotny. Wykres tego równania przedstawiono na rys. 1. 12 11 10 9 p=10 MPa U [J/cm 2 ] 8 7 p=20 MPa 6 5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 V[m/s] Rys. 1. Zależność udarności kompozytów od parametrów odlewania Fig. 1. The dependence between the impact strength and casting parameters of composites 3. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki pokazują silny wpływ parametrów odlewania ciśnieniowego na udarność. Z równania regresji wynika silne oddziaływanie na udarność kompozytów zarówno prędkości tłoka w drugiej fazie, jak i ciśnienia dopraso-
Udarność kompozytu AK11 cząstki SiC 71 wania w trzeciej fazie. Wraz ze wzrostem prędkości tłoka w drugiej fazie zalewania udarność kompozytów rośnie, natomiast wraz ze wzrostem ciśnienia doprasowania maleje. Zbyt duże ciśnienie doprasowania wywołuje prawdopodobnie zbyt duże naprężenia w odlewie, co powodowało spadek udarności. Wpływ udziału objętościowego cząstek węglika krzemu na udarność okazał się nieistotny w badanym zakresie zmian. Poprawę udarności wraz ze zwiększeniem prędkości tłoka obserwuje się w całym zakresie zmian tego parametru. Te korzystne zmiany są wywołane prawdopodobnie zmniejszeniem porowatości odlewów wykonanych przy większej prędkości wtrysku. Wraz ze wzrostem prędkości tłoka gęstość kompozytu wzrasta, co wykazano we wcześniejszej publikacji [4]. Niestety, wprowadzenie cząstek do osnowy spowodowało spadek udarności kompozytu w porównaniu z udarnością czystego stopu AK11. Przy korzystnych parametrach odlewania, a mianowicie dużej prędkości wtrysku i małym ciśnieniu doprasowania, ten spadek udarności był nieznaczny i wynosił około 10%, natomiast przy najbardziej niekorzystnych parametrach, tj. prędkości wtrysku 1,2 m/s i ciśnieniu doprasowania 40 MPa, spadek udarności kompozytu w stosunku do stopu osnowy wynosił około 50%. Wyniki badań pokazują również, jak ważne jest planowanie doświadczeń, a w tym przypadku wyznaczanie obszaru zmian parametrów odlewania ciśnieniowego dla optymalizacji tego procesu. LITERATURA [1] Ashby M.F., Jones D.H., Materiały inżynierskie kształtowanie struktury i własności, dobór materiałów, Warszawa, WNT 1997. [2] Asthana R., Stablility of heterogenous particles At fluid interfaces in composite slurries, Scripta Metallurgica Materialia, 1993, vol. 29, s. 1261 1266. [3] Białobrzeski A., Słowik P., Wojtarowicz A., Prace badawcze określające celowość odlewania ciśnieniowego w próżni, praca programowa zlec. 7087/I, II, Instytut Odlewnictwa, Kraków 1984. [4] Bielecka A., Konopka Z., Zyska A., Łągiewka M., Investigation of pressure die casting of the aluminium alloy matrix composites with SiC particles, Archives of Metallurgy and Materials, 2007, vol. 52, no. 3, s. 497 502. [5] Campbell J., Review of Fluidity Concepts In Casting, Cast Metals, 1994, 7, s. 227 237. [6] Konopka Z., Grawitacyjne i ciśnieniowe odlewanie kompozytów na osnowie stopów Al z cząstkami SiC i grafitu, w: Innowacje w odlewnictwie, cz. 1, red. J. Sobczak, Kraków, Wyd. Instytutu Odlewnictwa 2007, s. 199 208. [7] Konopka Z., Pressure die cast fibre reinforced AlSi alloy matrix composites, w: The European Conference on Advanced Materiale and Processes EUROMAT 95, s. 667 670. [8] Konopka Z., Cisowska M., Własności mechaniczne kompozytu na osnowie stopu AK9 z cząstkami grafitu naturalnego i syntetycznego, Archiwum Odlewnictwa, r. 3, nr 9, s. 299 304. [9] Konopka Z., Zyska A., Łągiewka M., Bielecka A., Nocuń S., The full sleeve application in the horizontal cold-chamber machine for pressure die casting of aluminium alloys, Archives of Foundry Engineering, 2008, vol. 8, no. 1, s. 65 71. [10] Metcalfe A.G., Poverhnosti razdela v metalličeskih kompozitah, Moskva, Mir 1978. [11] Montersen A., Jin I., Solidification Processing of Metal Matrix Composites, International Materials Reviews, 1992, 37, s. 101 128. [12] Śleziona J., Podstawy technologii kompozytów, Gliwice, Wyd. Politechniki Śląskiej 1998.
72 Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska [13] Valette A., Fac T., Le Full Sleeve. Une technologie innovante en fondeire sous pression aluminium (1), Fonderie, Fondeur d Aujourd hui, 2002, No. 212, s. 5 10. Praca wpłynęła do Redakcji 20.03.2008 Recenzent: dr hab. inż. Jacek Jackowski IMPACT STRENGTH OF PRESSURE DIE CAST AK11 SIC COMPOSITE S u m m a r y The work presents the examination results concerning the impact strength of pressure die cast composites with AK11 alloy matrix containing 10 or 20% by volume of SiC particles. For the purpose of comparison also the impact strength of the pure matrix alloy has been examined Specimens have been in the form pressure cast by means of the horizontal cold chamber die casting machine at various values of plunger speed during the injection stage and at various intensification pressure values. The experiments have been performed according to the factor design. It has been found that the impact strength of composite materials is lower than the impact strength of pure AK11 alloy. It has been also observed that the impact strength is strongly influenced by casting parameters. An increase in plunger velocity has resulted in a significant increase of impact strength value, whereas an increase in the intensification pressure value has reduced this value for the examined materials, what has been presented in the form of mathematical model. Key words: impact strength, composites, aluminium alloys, pressure die casting