plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

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 mm2. Grubość wlewu na każdym odlewnie była stała i wynosiła 2 mm. Temperatura zalewania wynosiła 973 K.
Badania odlewania ciśnieniowego wykonano według planu czynnikowego 23.
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 cm2. 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/cm2]
11,83
11,83
13,02
10,65
10,65
7,10
4,73
8,28
5,92
7,10
9,47
5,92
7,10
7,10
8,28
7,10
3,55
4,73
4,73
5,92
9,47
9,47
10,65
10,65
9,47
9,47
10,65
11,83
10,65
9,47
9,47
9,47
4,73
7,10
9,47
4,73
4,73
3,55
5,92
4,73
4,73
7,10
4,73
5,92
4,73
Średnia
[J/cm2]
Wariancja
[J/cm2]
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/cm2],
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
p=10 MPa
U [J/cm2]
9
8
p=20 MPa
7
6
5
4
0
0.5
1
1.5
2
V [m/s]
2.5
3
3.5
4
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