KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 DOROTA NAGOLSKA*, PAWEŁ SZYMAŃSKI**, ZBIGNIEW PĘDZICH *** ROLA PARAMETRÓW STRUKTURY KSZTAŁTKI ZBROJĄCEJ W PROCESIE RECYKLINGU METALOWYCH KOMPOZYTÓW Z NASYCANYM ZBROJENIEM W artykule przeprowadzono analizę teoretyczną oraz przedstawiono badania umożliwiające określenie wpływu parametrów struktury kształtki zbrojącej na proces wypływania ciekłej osnowy metalowej z porów zbrojenia kompozytów metalowych. Przeprowadzona analiza wykazała, iż strukturę zbrojenia charakteryzują kąty rozwarcia kapilary α oraz wartości średnic kapilary d 1 i d 2 a także stosunek tych wartości. Badania porozymetryczne umożliwiły natomiast porównanie charakteru zbrojeń poprzez porównanie wielkości i udziału objętościowego porów w strukturze zbrojenia. Wykonana na ich podstawie analizy porównawcza wykazała, iż kształtki zbrojenia wykonane z krótkich włókien nieuporządkowanych wykonane z grafitu SFA i glinokrzemianowe SIBRAL charakteryzują się podobnym rozkładem i wielkością porów. Struktura zbrojenia ze spieku R 8500 charakteryzuje się natomiast odmiennym rozkładem porów, który zwiększa możliwość wystąpienia niekorzystnych warunków wypływania metalu podczas recyklingu. Przeprowadzenie badań eksperymentalnych pozwala na wyznaczenie parametru i charakteryzującego określony typ zbrojenia, co w konsekwencji umożliwia obliczenie granicznej wartości kąta zwilżania materiału zbrojenia przez ciekłą osnowę θ, powyżej której w procesie recyklingu można uzyskać znaczący uzysk metalu. Wyznaczenie wartości tego kąta może stanowić znaczne ułatwienie w doborze ośrodka do procesu recyklingu. Słowa kluczowe: kompozyty metalowe, recykling, struktura zbrojenia 1. WSTĘP. Metalowe kompozyty z nasycanym zbrojeniem stanowią szeroką grupę materiałów o zróżnicowanych właściwościach. Jest to spowodowane faktem stosowania zarówno na osnowy jak i na zbrojenia wielu różnorodnych materiałów. Przy czym w przypadku zbrojenia kompozytów różnią się one nie tylko składem chemicznym, ale również strukturą. * dr inż. Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ** mgr inż. ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań *** dr inż. Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki Specjalnej, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
2 D. Nagolska, P. Szymański Z. Pedzich Obecnie na kształtki zbrojące kompozytów z nasycanym zbrojeniem stosuje się najczęściej trzy grupy materiałów: uporządkowane włókna długie, prasowane krótkie włókna nieuporządkowane oraz spiekane proszki. Przykłady struktur tych materiałów przedstawiono na rysunku 1. a) b) c) Rys. 1. Struktury grafitowych kształtek zbrojenia kompozytowego: a) długie włókna uporządkowane [6], b) krótkie włókna nieuporządkowane SFA, c) spiek R 8500. Fig. 1. The structure of different graphite reinforcement profiles: a) ordered long fibres [6], b) disordered short fibres, c) sintered bodies of R8500 graphite. Ponieważ właściwości kształtki zbrojącej mają wpływ nie tylko na proces wytwarzania (nasycania zbrojenia) tych kompozytów, ale również na proces ich recyklingu, który może się odbywać jedynie drogą rozdzielenia składników, celem niniejszej pracy jest próba scharakteryzowania wybranych postaci zbrojenia i określenie wpływu ich struktury na uzysk metalu. 2. ROZWAŻANIA TEORETYCZNE Prowadzone badania [3,5] potwierdziły, że przebieg recyklingu kompozytów z nasycanym zbrojeniem drogą rozdzielenia składników zależy od szeregu czynników, takich jak: właściwości powierzchniowe układu: zbrojenie ciekła osnowa ośrodek, na które można wpływać: drogą doboru ośrodka, drogą doboru temperatury, struktura zbrojenia kompozytu, przy czym ze względu na skomplikowany kształt porów występujących w porowatym zbrojeniu kompozytu określenie wpływu rzeczywistej struktury na proces wypływania ciekłej osnowy jest wyjątkowo trudne. Do rozważań teoretycznych należy zatem przyjąć uproszczony model zbrojenia, na podstawie którego możliwe będzie sformułowanie warunku samoczynnego wypływania cieczy (roztopionej osnowy) z porów zbrojenia,
Rola parametrów struktury kształtki zbrojącej w procesie recyklingu... 3 uwzględniający zarówno właściwości powierzchniowe układu jak i parametry struktury zbrojenia. Założenia takie spełnia model przedstawiony na rys.2. Przedstawia on jednak tylko jeden z etapów wypływania ciekłej osnowy z porów zbrojenia uznany przez autorów za najistotniejszy [5]. Zgodnie z przedstawionym modelem warunek samoczynnego wypływania ciekłej osnowy z porów zbrojenia ma postać: przy czym: gdzie: k p = p 1 + p 2 < 0 lub p 1 < -p 2 (1) k σ α1 p1 = cos θ (2) d 2 1 k σ α 2 k σ p 2 = cos θ = sin θ (3) d 2 d 2 współczynnik kształtu przekroju kapilary wynoszący od 4 dla przekroju kołowego do 2 dla szczeliny o nieograniczonej długości, α 1,2 kąt rozwarcia kapilary ( 180 α 1 180 ; α 2 = 180 ) 2 Rys. 2. Schemat wypływania metalu z kapilar zbrojenia kompozytu. Fig. 2. The diagram of metal outflow from the reinforcement capillaries
4 D. Nagolska, P. Szymański Z. Pedzich Równoważnym do (1) warunkiem wypływania ciekłej osnowy z kapilar zbrojenia jest zależność: mająca postać po podstawieniu (2) i (3): d d 2 1 p p 1 2 < 1 (4) α1 cos θ 2 < 1 (5) sin θ Zależność (5) pozwala na stwierdzenie, iż spośród właściwości powierzchniowych w procesie recyklingu znaczenie ma jedynie kąt zwilżania zbrojenia przez metal θ. Natomiast rozpatrując parametry zbrojenia należy wziąć pod uwagą stosunek średnic kapilary d 2 /d 1 oraz kąt rozwarcia kapilary α 1. 3. BADANIA DOŚWIADCZALNE Ze względu na wyniki wcześniej prowadzonych badań [2], umożliwiających określenie i porównanie właściwości powierzchniowych układów kompozytowych, do badań wytypowano następujące kształtki zbrojenia wykonane z: krótkich włókien glinokrzemianowe SIBRAL, krótkich włókien grafitowe RFA oraz, spieku grafitowego R 8500. Taki wybór umożliwia porównanie materiałów zbrojenia kompozytowego o podobnym charakterze (dwa pierwsze) oraz wykonanych z tych samych materiałów (dwa ostatnie). Kształtki zbrojenia były nasycane różnymi metalami i stopami oraz poddawane recyklingowi w różnych ośrodkach. Zestawienie badanych układów, oraz wartości kątów θ [2] dla tych układów zamieszczono w tabeli 1. Przeprowadzone metodą porozymetrii rtęciowej, opisaną w [1], badania rozkładu porów w badanych materiałach zbrojenia potwierdziły znaczne podobieństwo struktury kształtek wykonanych z krótkich włókien nieuporządkowanych (rys 3a,b) i odmienny charakter zbrojenia ze spieku grafitowego (rys. 3c). Odmienność tą widać zwłaszcza porównując wielkość występujących w zbrojeniu porów (tabela 2). W kształtkach z krótkich włókien nieuporządkowanych wielkość porów oscyluje w granicach 50 μm natomiast w wykonanych ze spieku w granicach 2 μm. Dodatkowo, w kształtkach spiekanych istnieje znaczna grupa porów o wielkość ok. 5 nm.
Rola parametrów struktury kształtki zbrojącej w procesie recyklingu... 5 Układy poddane próbom recyklingu Systems subjected to recycling probes Tablica I ZBROJENIE OSNOWA OŚRODEK θ [ ] [2] ctg θ włókno SIBRAL stop Wood powietrze 132-0,900 włókno SIBRAL stop Wood olej 163-3,271 włókno SIBRAL stop OT7 powietrze 153-1,963 włókno SIBRAL stop OT7 50%NaCl+50%KCl 149-1,664 włókno SIBRAL stop AlSi11 powietrze 136-1,036 włókno SIBRAL stop AlSi11 50%NaCl+50%KCl 162-3,078 włókno grafitowe RFA stop OT7 powietrze 128-0,781 włókno grafitowe RFA stop OT7 50%NaCl+50%KCl 149-1,664 włókno grafitowe RFA stop OT7 Pokal 155-2,145 włókno grafitowe RFA stop AlSi11 powietrze 145-1,428 włókno grafitowe RFA stop AlSi11 50%NaCl+50%KCl 163-3,271 włókno grafitowe RFA stop AlSi11 Pokal 167-4,331 spiek grafitowy R 8500 stop OT7 powietrze 128-0,781 spiek grafitowy R 8500 stop OT7 50%NaCl+50%KCl 149-1,664 spiek grafitowy R 8500 stop OT7 Pokal 155-2,145 spiek grafitowy R 8500 Sb powietrze 144-1,376 spiek grafitowy R 8500 Sb 50%NaCl+50%KCl 152-1,881 spiek grafitowy R 8500 Sb Pokal 167-4,331 a) b) c) Rys. 3. Przykładowe rozkłady wielkości porów zbrojenia wykonanego z: a) krótkich włókien glinokrzemianowych SIBRAL b) krótkich włókien grafitowych SFA, c) spieku grafitowego R 8500 Fig. 3. A typical pore size distribution plots for different reinforcements made of: a) short SIBRAL aluminasilicate fibres, b) short SFA graphite fibers, c) R8500 graphite sintered bodies.
6 D. Nagolska, P. Szymański Z. Pedzich Charakterystyka porowatości kształtek zbrojenia badanych kompozytów Reinforcement porosity characteristics of examined composites Tabela 2 Zbrojenie Porowatość d min d max d śr [%] [m] [m] [m] krótkie włókna glinokrzemianowe SIBRAL 86 0,000003 0,00025 0,0000516 krótkie włókna grafitowe RFA 95 0,000015 0,00025 0,0000663 spiek grafitowy R 8500 22 4,6*10-9 0,00035 0,00000209 Jeśli na wykres przedstawiający graniczne wartości ciśnienia p=0 wyliczonego z zależności (1), poniżej którego może zachodzić proces samoczynnego wypływania metalu z kapilar zbrojenia, wyznaczone dla zbrojeń wykonanych z tego samego materiału, naniesiemy pola zmienności wartości średnic kapilar d 1 i d 2 (rys. 4) to zobaczymy, iż w zależności od kąta rozwarcia kapilary α, większa lub mniejsza część tych pól znajduje się w obszarze, dla którego warunki samoczynnego wypływania są niekorzystne. Rys.4. Pola zmienności średnic kapilary od d min do d max badanych kształtek zbrojeń oraz graniczna wartość ciśnienia p=0 w zależności od parametrów struktury: kątów rozwarcia kapilary α i średnic kapilary d 1 i d 2, w układzie: zbrojenie grafitowe stop OT7 mieszanka stopionych soli, dla którego σ 1 =0,483 [N/m], θ 1 =149 [ ] [4] Fig. 4. The fields of capillary diameter variability from d min to d max for examined reinforcements, and boundary pressure value p=0, in function of the structure parameters: angle of flare of the capillary α and capillary diameters d 1 i d 2, in the system including graphite reinforcement OT7 alloy a mixture of molten salts, characterized with σ 1 =0.483 [N/m], θ 1 =149[º] [4]
Rola parametrów struktury kształtki zbrojącej w procesie recyklingu... 7 Zauważymy również, iż przy danym rozkładzie porów miejscowa wartość kąta rozwarcia kapilary α będzie miała decydujące znaczenie w procesie wypływania ciekłej osnowy z porów zbrojenia i przy wartościach kąta α zbliżonych do 180 może całkowicie zahamować proces recyklingu. Zatem analiza samego tylko rozkładu wielkości porów nie umożliwia oceny badanego zbrojenia gdyż na podstawie wielkości i położenia pół zmienności średnic kapilar d 1 i d 2 możemy stwierdzić jedynie, iż przy takich samych kątach rozwarcia kapilary α dla zbrojenia ze spieku grafitowego (większy prostokąt) istnieje większe prawdopodobieństwo wystąpienia niekorzystnych warunków wypływania metalu z porów zbrojenia niż w przypadku kształtki z krótkich włókien grafitowych. Ponieważ ze względu na skomplikowaną i niejednorodną strukturę badanych kompozytów wyznaczenie rzeczywistych wartości i rozkładu kątów rozwarcia kapilary α wydaje się niemożliwe, logicznym wydaje się wprowadzenie parametru, który zastąpiłby rzeczywiste właściwości struktury zbrojenia i mógłby charakteryzować daną grupę materiałów zbrojących. Parametr ten można wyznaczyć podstawiając do wzoru (5) wartości: kąt rozwarcia kapilary α=0 oraz stosunek d 2 /d 1 =1, i przekształcając go do postaci: i ctg θ = i n 0 <-1 (6) gdzie n 0 =ctg θ będzie czynnikiem określającym właściwości powierzchniowe układu, a i współczynnikiem kształtu porów zastępującym rzeczywiste ich wielkości (kąt rozwarcia kapilary α i stosunek średnic d 2 /d 1 ) możliwym do wyznaczenia na drodze doświadczalnej. Na podstawie przeprowadzonych prób recyklingu oraz wartości parametru n 0 (tabela 1) możliwe jest przedstawienie zależności uzysku metalu od kąta zwilżania zbrojenia przez metal θ (rys. 5). Przedstawiony wykres umożliwia stwierdzenie, iż krytyczna wartość parametru n mieści się w przedziale wartości od 1,664 do 1,428. Jeśli dla przedstawionego przedziału określimy wartość i taką, że: i n kr = -1 (7) to wówczas po podstawieniu do wzoru (6) będziemy mogli jednoznacznie określić czy proces recyklingu będzie zachodził czy nie. Dla badanych kompozytów ze zbrojeniem z krótkich włókien nieuporządkowanych wartość parametru i = 0,649±0,051. Natomiast dla kompozytu ze zbrojeniem ze spieku grafitowego wyznaczenie wartości współczynnika kształtu i było niemożliwe ze względu na brak możliwości uzyskania odpowiednio niskiej wartości n 0, dla której nastąpiłby znaczący wzrost uzysku (rys.6).
8 D. Nagolska, P. Szymański Z. Pedzich Rys 5. Zależność uzysku metalu w procesie recyklingu od wartości n 0 =ctg θ dla zbrojenia w postaci krótkich włókien nieuporządkowanych Fig. 5. The dependance of metal yield in recycling process vs. n 0 =ctg θ value for short disordered fibers reinforcement. Rys. 6. Zależność uzysku metalu w procesie recyklingu od wartości n 0 =ctg θ dla zbrojenia ze spieku Fig. 6. The dependance of metal yield in recycling process vs. n 0 =ctg θ value for sintered reinforcement.
Rola parametrów struktury kształtki zbrojącej w procesie recyklingu... 9 3. WNIOSKI 1. Przeprowadzona analiza teoretyczna oraz wyniki badań potwierdzają, iż parametry struktury, które charakteryzują kąty rozwarcia kapilary α oraz wartości jej średnic d 1 i d 2 a także stosunek tych wartości, mają obok właściwości powierzchniowych znaczący wpływ na proces wypływania ciekłej osnowy metalowej z porów zbrojenia kompozytu (recyklingu). 2. Badania porozymetryczne umożliwiają porównanie charakteru zbrojenia poprzez porównanie wielkości i udziału objętościowego porów w strukturze zbrojenia. Porównanie takie nie pozwala jednak na jednoznaczną ocenę zbrojenia gdyż w procesie wypływania metalu z porów zbrojenia dominujące znaczenie ma kąt rozwarcia kapilary α. 3. Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej można jednak stwierdzić, iż zbrojenie w postaci krótkich włókien nieuporządkowanych wykonane z grafitu SFA i glinokrzemianowe SIBRAL charakteryzuje podobny rozkład i wielkość porów. Struktura zbrojenia ze spieku R 8500 charakteryzuje natomiast odmienny rozkład porów. Z uwagi na wielkość i rozrzut wartości średnic porów przy tych samych kątach rozwarcia kapilary α możliwość wystąpienia w tym zbrojeniu niekorzystnych warunków dla wypływania ciekłego metalu jest większa. 4. Wyznaczenie parametru i charakteryzującego zbrojenie umożliwia określenie granicznej wartości kąta zwilżania θ, powyżej której w procesie recyklingu otrzymujemy znaczący uzysk metalu. Określenie wartości tego kąta może stanowić znaczne ułatwienie w doborze ośrodka dla procesu recyklingu. LITERATURA [1] Gawdzińska K., Pędzich Z., Grabian J., Próba określenia porowatości zbrojenia metalowych kompozytów nasycanych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji Wyd. Komisja Budowy Maszyn PAN Oddz. W Poznaniu, vol. 25, nr 1, s. 15-22 [2] Jackowski J., Szweycer M., Szymański P., Ocena właściwości powierzchniowych ciekłych metali i stopów w ośrodkach ciekłych, Kompozyty, wyd. PTMK, Nr 2, 2006, s. 60-64 [3] Nagolska D., Recykling odlewów z metalowych kompozytów nasycanych, Praca doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań, 2002 [4] Nagolska D., Szweycer M., Próby recyklingu kompozytów z nasycanym zbrojeniem grafitowym i osnową ze stopu OT7, Kompozyty, wyd. PTMK, Nr 2, 2006, s. 55-59 [5] Nagolska D., Szweycer M., Szczepaniak K., The Effect of Preform Structure of a Metal Composite Casting on its Recycling Course, Int. Conf. High Temperature Capillarity 2004, San Remo [6] Ottmuller M., Korner C., Singer R.F., Influence of the fiber-matrix interface on the strength of unidirectional carbon fiber reinforced magnesium composites, "Metal-Matrix Composites and Metallic Foams" Mat. Międzynarodowej Konferencji, Euromat 99-Vol.5, s.168-173
10 D. Nagolska, P. Szymański Z. Pedzich Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: THE ROLE OF THE PARAMETERS OF REINFORCING PROFILE STRUCTUREIN THE RECYCLING PROCESS OF METAL COMPOSITES WITH SATURATED REINFORCEMENT S u m m a r y The paper contains theoretical analysis and results of investigations on influence of structure parameters of reinforcement of cast profile on outflow of liquid metallic matrix. The conducted analysis showed that reinforcement structure could be characterized by the aperture angle of capillaries α, capillary diameters of aperture d 1 and d 2, and also the ratio of mentioned values. Porosimetry measurements allowed comparing of different reinforcements. They differ in size of pores and pore volume. The analysis showed reinforcement profiles made of short, disordered fibres SFA graphite or SIBRAL aluminasilicate have similar pore sizes and pore size distributions. The structure of sintered graphite R8500 reinforcement showed completely different pore size distribution and pore sizes. This structure was unfavorable from the point of metal outflowing during recycling process. Experimental data allowed to set the i parameter which characterized the reinforcement type and made possible calculation of the threshold value of wetting angle θ, for liquid matrix and reinforcement. When the θ was higher than the threshold one, it was possible to obtain significant yield of metal during recycling process. The knowledge of θ threshold angle value could facilitate the selection of the medium for conduction of the recycling process. Key words: saturated reinforcement composite, recycling, reinforcement structure Badania zostały zrealizowane w ramach umowy nr 1205/TO8/2004/26 na grant badawczy KBN numer 3 T08 B 022 26.