BADANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH NA OSNOWIE

70/2
Archives of Foundry,
Year 2001, Volume 1, № 1 (2/2)
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
BADANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH NA OSNOWIE
ALUMINIUM ZBROJONYCH CZĄSTKAMI SiO 2
A. PATEJUK1, T. DUREJKO 2
Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa
ul. Kaliskiego 11A/204/B
00-908 Warszawa
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu temperatury zalewania na
właściwości materiału kompozytowego na osnowie aluminium zbrojonego cząstkami
SiO2. Stwierdzono, że badany materiał kompozytowy charakteryzujący się
porównywalnymi właściwościami plastycznymi i odpornością na zużycie, wykazuje
zróżnicowaną wielkość wytrzymałości na rozciąganie, uzależnioną w pierwszym
rzędzie od rodzaju zastosowanego zbrojenia oraz od jego udziału.
Key words: wear resistance, composite, tensile strength
1. WSTĘP
W ostatnich latach obserwuje się znaczne zintensyfikowanie zastosowań
materiałów kompozytowych w przemyśle. Postęp ten wymuszają wciąż rosnące
wymagania użytkowników dotyczące potrzeby aplikacji coraz to doskonalszych
jakościowo materiałów kompozytowych. Szczególne znaczenie ma w tym zakresie
grupa materiałów kompozytowych wytwarzana na osnowie metalicznej wzmacniane
włóknami lub cząstkami [1].
Szczególną grupę materiałów inżynierskich, nad którymi już od kilkudziesięciu
lat prowadzone są badania w wielu wiodących ośrodkach naukowych na całym świecie,
stanowią materiały kompozytowe na osnowie stopów lekkich zbrojone cząstkami. Prace
te dotyczą głównie problemu, praktycznego wykonania w warunkach przemysłowych
materiałów kompozytowych charakteryzujących się powtarzalności właściwości.
Sygnalizowane trudności wynikają z faktu, iż właściwości materiałów kompozytowych
1
2
dr inż. E-mail: [email protected]
mgr inż. E-mail: [email protected]
nie są prostą sumą właściwości komponentów. Stąd też projektowanie i wytwarzanie
tych materiałów wymaga solidnych podstaw naukowych, wysokich umiejętności
inżynierskich i bardzo starannej realizacji procesu technologicznego wytwarzania [2].
Korzyści wynikające z zastosowania materiałów kompozytowych w technice są
bezdyskusyjne. Jako największy obszar potencjalnego zwiększenia zastosowania
materiałów kompozytowych wskazuje się przemysł motoryzacyjny. Udowodnionym
jest, że np. dla samochodu o masie 1500 kg, zmniejszenie jego masy o 300 kg, prowadzi
do oszczędności paliwa o około 30% [3]. Powszechnie uważa się, że przy pełnym
zachowaniu funkcjonalności pojazdu samochodowego produkowanego seryjnie, udział
materiałów kompozytowych powinien wynosić 30-40%. Drugim ważnym aspektem
wskazującym na coraz szersze stosowanie materiałów kompozytowych w konstrukcjach
inżynierskich to możliwość zmniejszenia liczby elementów. Nowoczesne materiały
kompozytowe pozwalają ponadto zrealizować bardzo wygórowane wymagania, np. w
zakresie specyficznych właściwości. Przykładowo można wykonać kabinę pasażerską
tak, że będzie ona stanowić rodzaj „skrzynki bezpieczeństwa”, natomiast reszta
nadwozia ma pochłonąć energię zderzenia [4].
Wykorzystanie materiałów kompozytowych w konstrukcji w prostej aplikacji
prowadzi najczęściej poza zmniejszeniem jej masy do jednoczesnego zwiększenia
odporności korozyjnej konstrukcji. W obliczu niezaprzeczalnych korzyści
wynikających z coraz szerszego stosowania materiałów kompozytowych, istnieje
potrzeba ciągłego unowocześniania technologii materiałów już wytwarzanych jak
również projektowanie nowych materiałów kompozytowych o coraz lepszych cechach
jakościowych. Parametry jakościowe charakteryzujące dany materiał kompozytowy
użyty w konstrukcji inżynierskiej, muszą być tak dobrane aby uwzględniały główne
funkcje jakie spełnia dana konstrukcja (poszczególne elementy tej konstrukcji) [5]. W
wielu przypadkach jednym z najważniejszych kryterium decydującym o możliwości
wykorzystania danego materiału kompozytowego w konstrukcji, jest możliwość
uzyskania wysokich właściwości wytrzymałościowych (wytrzymałości na rozciąganie),
przy jednoczesnym zachowaniu dobrej odporności na ścieranie. Powyższe stało się
główną przesłanką przeprowadzenia badań zamieszczonych w niniejszej pracy.
2. WYNIKI BADAŃ
Próbki materiału kompozytowego wykonane zostały metodą odlewania. Jako
materiał osnowy zastosowano aluminium (o czystości 99,999Al). Natomiast zbrojenie
stanowiły cząstki piasku kwarcowego (o czystości przemysłowej) oraz cząstki szkła
kwarcowego (SiO2). Aluminium topiono w tyglu umieszczonym w piecu wgłębnym bez
stosowania atmosfery ochronnej. Wprowadzenie piasku kwarcowego do ciekłego
aluminium dokonywano w temperaturach 700°C, 800°C, 900°C. Do ciekłego metalu
zostały wprowadzone cząstki SiO2, w ilości 5%, 15% i 25% udziału objętościowego.
Zawiesinę w stanie ciekło - stałym (stałe cząstkami SiO2 w ciekłym aluminium)
mieszano mechanicznie (1250 - 1300 obr/min) przez 2, 5, 8 minut. Następnie uzyskaną
mieszaninę zalewano do formy piaskowej. Dla każdego wariantu (tabela 1) odlano po
trzy próbki w postaci pręta, o wymiarach:  8x80 mm.
Tabela 1. Warianty próbek użytych w badaniach
Table 1. Types of samples used in the research
Rodzaj
zbrojenia
Udział
zbrojenia, %
Bez zbrojenia
0
Temperatura
zalewania, °C
700
800
900
700
Cząstki szkła
kwarcowego
5/15/25
800
900
700
Piasek
kwarcowy
5/15/25
800
900
Czas mieszania,
min
8
5
2
2
5
8
2
5
8
2
5
8
2
5
8
2
5
8
2
5
8
Oznaczenie
próbek
0/7/8
0/8/5
0/9/2
C(5/15/25)/7/2
C(5/15/25)/7/5
C(5/15/25)/7/8
C(5/15/25)/8/2
C(5/15/25)/8/5
C(5/15/25)/8/8
C(5/15/25)/9/2
C(5/15/25)/9/5
C(5/15/25)/9/8
P(5/15/25)/7/2
P(5/15/25)/7/5
P(5/15/25)/7/8
P(5/15/25)/8/2
P(5/15/25)/8/5
P(5/15/25)/8/8
P(5/15/25)/9/2
P(5/15/25)/9/5
P(5/15/25)/9/8
W celu potwierdzenia zgodności materiałów użytych do wytworzenia materiału
kompozytowego na wstępie badań eksperymentalnych przeprowadzono analizę składu
chemicznego poszczególnych faz składowych tego materiału kompozytowego. Badania
przeprowadzone na mikroskopie elektronowym Philips XL-30 LaB6, wyposażonym w
przystawkę EDAX. Przeprowadzone badania potwierdziły zgodność składu głównych
składników fazowych komponentów z założonymi
Następnym etapem badań było ustalenie poziomu odporności wykonanych próbek
na zużycie cierne w czasie minimum trzech cykli (1 cykl  1000 m). Badania zostały
wykonane z wykorzystaniem przeciwpróbki wykonanej z stali 55 (o twardości 50
HRC). Uzyskane wyniki badań wykazały, że wszystkie próbki materiału
kompozytowego charakteryzują się dobrymi właściwościami ściernymi. Zgodnie z
przewidywaniami ustalono, że wraz ze wzrostem udziału zbrojenia w materiale
kompozytowym odnotowano wzrost odporność na zużycie Przy tym należy zaznaczyć,
że większymi przyrostami odporności na zużycie charakteryzują się materiały
kompozytowe charakteryzujące się mniejszymi ilościami fazy zbrojącej – rys. 1.
Piasek kw arcow y
100
Cząstki SiO2
Zużycie,∆l/cykl
80
60
40
20
0
0
5
15
Udział zbrojenia, %
20
Rys. 1. Odporność na zużycie kompozytu
Fig. 1. Wear resistant of composite
W kolejnym etapie przeprowadzono badania właściwości mechanicznych. W tym
celu wykonano próbki okrągłe o średnicy 5 mm. Badania wytrzymałości doraźnej
przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron typu 8501 Plus. W trakcie
badań prowadzono ciągłą komputerową rejestrację wyników. Uzyskane wyniki badań
wskazują na stosunkowo niewielki wpływ czasu mieszania na wytrzymałość doraźną.
Zaobserwowano jedynie nieznaczną tendencję poprawy właściwości mechanicznych
wraz ze wzrostem czasu mieszania (wartość wzrostu mieści się w przedziale rozrzutu
wyników pomiaru). Natomiast największy wpływ na właściwości wytrzymałościowe
wywiera zarówno ilość jak i rodzaj użytego zbrojenia – rys. 2. Przy czym, niezależnie
od rodzaju użytego zbrojenia, odnotowuje się znaczny spadek plastyczności (A5 ) wraz
ze wzrostem jego udziału – rys. 2b, d. Należy przy tym stwierdzić, że w przypadku
właściwości plastycznych nie stwierdzono istotnych różnic wynikających z rodzaju
zastosowanego materiału zbrojącego
W kolejnym etapie wykonano badania metalograficzne oraz mikroanalizę składu
chemicznego w mikroobszarach. Obserwacje przeprowadzone na mikroskopie
elektronowym Philips XL-30 LaB6. Zgłady metalograficzne wykonano sposobem
tradycyjnym, szlifując na papierach ściernych o zmniejszającej się granulacji, a
następnie polerując z wykorzystaniem zawiesiny diamentowej o granulacji 3 μm i l μm.
Obserwacje mikroskopowe wykazały, że wykonane metodą odlewania próbki
materiału kompozytowego charakteryzują się dwufazową budową. Cząstki fazy
zbrojącej, zarówno piasku kwarcowego jak i cząstek szkła kwarcowego, posiadają
zróżnicowaną wielkość – od kilku do kilkuset mikrometrów (rys. 3a). Połączenie tych
cząstek z osnową jest typu adhezyjnego. Potwierdzeniem powyższego stwierdzenia są
wyniki mikroanalizy liniowej wykonane na granicy rozdziału faz badanych materiałów
kompozytowych. Analizując granice rozdziału faz nie odnotowano symptomów dyfuzji
stężeniowej składników fazowych jednej fazy do fazy sąsiedniej. Przykładowy wygląd
mikrostruktury materiałów
przedstawiono na rys. 3.
kompozytowych
przedmiotem
badań,
b
100% Al.
85% Al.
75% Al.
100% Al.
80
95% Al.
85% Al.
75% Al.
50
70
40
Wydłużenie, %
60
50
30
40
30
20
20
10
10
0
0
700
800
900
Temperatura zalewania, 0C
c
Wytrzymałość RM, MPa
95% Al.
100% Al.
95% Al.
85% Al.
700
800
Temperatura zalewania, 0C
d
75% Al.
100% Al.
80
95% Al.
85% Al.
900
75% Al.
50
70
Wydłużenie, %
Wytrzymałość Rm, MPa
a
będących
60
50
40
30
20
10
40
30
20
10
0
0
700
800
0900
Temperatura zalewania, C
700
800
900
Temperatura zalewania, 0C
Rys. 2. Wpływ temperatury zalewania na właściwości kompozytu: a – wytrzymałość doraźna Rm
(zbrojenie – piasek kwarcowy), b – wydłużenie (zbrojenie – piasek kwarcowy), c –
wytrzymałość doraźna Rm (zbrojenie – cząstki szklane), d - wydłużenie (zbrojenie–
cząstki szklane)
Fig. 2 The influence of filling temperature on composition properties: a – UTS (reinforcement quartz sand), b –– elongation (reinforcement - quartz sand), c – UTS (reinforcement glass particles), d – elongation (reinforcement – glass particles)
a
b
c
Rys. 3. Mikrostruktura próbek materiału kompozytowego (oznaczenie próbek w tabeli 1): a –
próbka C/25/7/5 (pow. 25x), b - próbka P/15/9/2 (pow. 20x), c - próbka C/15/8/8 (pow. 20x)
Fig. 3. Composition material samples microstructure (samples description in Table 1): a – sample
C/25/7/5 (magn 25x), b – sample p/15/9/2 (magn 20x), c – sample C/15/8/8 (magn 20x)
3. WNIOSKI
Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków
końcowych:
1.
2.
3.
Wzrost temperatury odlewania nie powoduje wyraźnych zmian właściwości
mechanicznych materiałów kompozytowych na osnowie aluminium zbrojonych
cząstkami SiO2.
Największy wpływ na wytrzymałość doraźną badanych materiałów
kompozytowych wywiera rodzaj i ilość fazy zbrojącej.
Rodzaj cząstek zastosowanych jako faza zbrojąca badanych materiałów
kompozytowych nie wpływa istotnie na ich właściwości plastyczne.
LITERRATURA
[1] J. Sobczyk, Metalowe materiały kompozytowe, Instytut Odlewnictwa, Kraków.
1996.
[2] A. Patejuk, M. Gabrylewski: Materiały kompozytowe stosowane w technice
samochodowej. II Krajowa Kursokonferencja (1998) 135-150.
[3] M. Gabrylewski, A. Patejuk: Materiały kompozytowe z osnową metaliczną.
Inżynieria Materiałowa 6 (1997).
[4] Z. Zarański, A. Patejuk: Ocena jakości materiałów kompozytowych stosowanych w
pojazdach samochodowych. IV Krajowa Kursokonferencja (1999) 55-63.
[5] I. Hyla Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych. PWN
Warszawa 1972.
THE RESEARCH MADE TO MATERIALS COMPOSED WITH ALUMINUM
REINFORCEMENT AND SIO2 PARTICLES
SUMMARY
The work consists the result of a research concerning the influence of filling
temperature on composed material strengthen by aluminium reinforced with SiO2
particles. It is proved that a material characterised by similar technical virtues and
wearing resistance gives different figures when it comes to pulling force, depends on
the type of reinforcement used and its percentage in the whole composition.
Recenzowali Prof. Janusz Braszczyński i Prof. Józef Gawroński