plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 26 nr 1
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2006
ZBIGNIEW PĘDZICH # , KATARZYNA GAWDZIŃSKA ∗ , JANUSZ GRABIAN + ,
BARBARA TRYBALSKA ×
ZASTOSOWANIE POROZYMETRII RTĘCIOWEJ DO OKREŚLENIA
POROWATOŚCI ODLEWÓW KOMPOZYTOWYCH
Praca poświęcona jest badaniom możliwości oceny porowatości kompozytowych odlewów na
osnowie stopu AK11 zawierający jako zbrojenie włókninę węglową lub glinokrzemianową. Ponieważ odlewy takie pozbawione są porowatości otwartej wykorzystano pomiary rozkładu wielkości porów kontaktujących się z powierzchnią odpowiednio spreparowanych próbek. Pomiary te,
skonfrontowane z obserwacją mikrostruktury, pozwoliły na oszacowanie wielkości porowatości
odlewów oraz wskazały różnice w rozkładzie wielkości porów w zależności od rodzaju użytego
zbrojenia ceramicznego.
Słowa kluczowe: porozymetria rtęciowa, kompozyty, porowatość
1. WSTĘP
Szczegółowa ocena porowatości odlewów kompozytowych zbrojonych fazami
ceramicznymi jest zagadnieniem istotnym z punktu widzenia oceny jakości wyrobów[1, 4], a także ze względów badawczych, pozwala bowiem racjonalnie wpływać na modyfikację mikrostruktury tego typu tworzyw.
Porowatość w odlewie jest efektem obecności wad, które mogą być spowodowane wieloma przyczynami [5]. Zagadnienie to szczegółowo opracowano w pracach [1, 2, 4]. Typowe obserwacje mikrostrukturalne, chociaż pozwalają na identyfikację wad i czasami pomiar (bądź oszacowanie) ich wielkości, dają jednak
informację dotyczącą dwu wymiarów [6], która może być jedynie interpolowana
do przestrzeni trójwymiarowej. Stosowane czasami metody pomiarowe polegające
na zastosowaniu tomografii do analizy odlewów w trzech wymiarach [1] są drogie, a ich zdolność rozdzielcza nie jest satysfakcjonująca z punktu widzenia możliwości analizy wszystkich występujących w odlewach wad.
#
∗
+
×
- dr inż., Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
- dr inż., Akademia Morska w Szczecinie
- dr hab. inż., Akademia Morska w Szczecinie
- mgr inż., Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
2
Inicjał imienia i nazwisko
Pomysł zastosowania porozymetrii rtęciowej w badaniach porowatości odlewów wynika z szerokich możliwości pomiarowych tej metody. Praktycznie umożliwia ona badanie porów o rozmiarach od 3,5 nm do 350 mikrometrów (w kategorii średnicy), pozwala również na analizę rozkładu wielkości porów.
2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
W prezentowanej pracy zastosowano metodę porozymetrii rtęciowej do analizy
wad odlewów kompozytowych wykonanych na osnowie stopu AK11, zbrojonych włókninami ceramicznymi – grafitową oraz glinokrzemianową (typu Sibral). Kształtki zbrojenia wprowadzano do metalowej formy (w przypadku zbrojenia glinokrzemianowego – materiał nagrzewano w piecu w temp. 760°C przez
okres 60 minut), zalewano ciekłym metalem i nasycano pod ciśnieniem 30 MPa
przez okres 300 sekund, zachowując wszelkie wymogi technologii odlewów
wytwarzanych przez nasycanie metodą prasowania ciekłego metalu [1, 3, 7].
Ponieważ odlewy z wymienionych materiałów praktycznie nie posiadają porowatości otwartej, wyklucza to bezpośrednie wykorzystanie porozymetrii rtęciowej do analizy porów w całej objętości. Jedyna możliwość analizy musi nawiązywać do zależności stereologicznej pomiędzy udziałem powierzchniowym i objętościowym [6].
Nie można jednak wyników uzyskanych z analizy porozymetrycznej identyfikować wprost z zależnością VV = AA. Porozymetria podaje informację
o rozmiarze i objętości porów kontaktujących się z powierzchnią zewnętrzną
próbki. Jednak bezpośrednio z danych pomiarowych nie można wyodrębnić wielkości porów bezpośrednio w płaszczyźnie przekroju. W wyniku pomiaru dostajemy globalną informację o wielkościach i udziale objętościowym wszystkich porów kontaktujących się z powierzchnią.
Odlewy przygotowano w taki sposób, aby analizie podlegała ściśle określona
powierzchnia próbki będąca przekrojem poprzecznym pierwotnego odlewu. Powierzchnia ta, po wycięciu z odlewu kostek o wymiarach ok. 5x5x12 mm, była
przygotowywana do badań poprzez polerowanie (finalnie zawiesiną diamentową
o gradacji 1 μm) i mierzona z dokładnością do 0,5 mm2. Na tak przygotowanych
próbkach wykonywano pomiary rozkładu wielkości porów kontaktujących się
z powierzchnią próbki. Pomiary porozymetryczne przeprowadzano na urządzeniu
PoreMaster 60 firmy Quantachrome. Uzyskane wyniki były przeliczane na jednostkę powierzchni próbki.
Wypolerowane powierzchnie próbek były również poddane obserwacjom
mikrostrukturalnym w skaningowym mikroskopach elektronowych (Jeol 5400,
Jeol JSM 6100).
Początek tytułu... (lub cały krótki tytuł) artykułu
3
3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
Obserwacje mikroskopowe pozwoliły stwierdzić, że nawet w czystym materiale
osnowy obecne są na powierzchni próbek defekty o rozmiarach rzędu kilku mikrometrów lub dziesiątych części mikrometra (patrz Rys. 1).
Rys. 1. Obraz scanningowy typowego defektu
odlewu AK11.
Fig. 1. SEM micrograph of a typical defect of
AK11 cast.
Rys. 2. Obraz scanningowy defektów odlewu
kompozytowego AK11/włóknina grafitowa.
Fig. 2. SEM micrograph of defects in composite cast AK11/graphite fiber.
Rys. 3. Obraz scanningowy defektów odlewu
kompozytowego AK11/włóknina grafitowa.
Fig. 3. SEM micrograph of defects in composite cast AK11/graphite fiber.
Rys. 4. Obraz scanningowy defektów odlewu
kompozytowego AK11/włóknina grafitowa.
Fig. 4. SEM micrograph of defects in composite cast AK11/graphite fiber.
Odlewy zbrojone wykazywały większą liczbę wad, które mogły być zidentyfikowane jako porowatość. W kompozycie zbrojonym włókniną grafitową były
to głównie niedokładności w ułożeniu (rozproszeniu) włókien (tzw. niejednorodność rozkładu elementów struktury zbrojenia[1]) (Rys. 2), niedostateczne
wypełnienie przestrzeni między włóknami stopem osnowy (Rys. 3 i 4) lub niedokładne przyleganie osnowy do włókna (Rys. 2 i 3).
4
Inicjał imienia i nazwisko
Rys. 5. Obraz scanningowy defektów odlewu
kompozytowego AK11/włóknina Sibral.
Fig. 5. SEM micrograph of defects in composite cast AK11/Sibral fiber.
Rys. 6. Obraz scanningowy defektów odlewu
kompozytowego AK11/włóknina Sibral.
Fig. 6. SEM micrograph of defects in composite cast AK11/Sibral fiber.
W kompozycie z włókniną glinokrzemianową częste były również defekty
związane z pękaniem włókien (Rys. 5 i 6). Widoczne w obrazie mikroskopowym defekty miały rozmiary rzędu kilku, kilkunastu mikrometrów. Można było
zarejestrować również pory rzędu ułamków mikrometra (pęknięcia), ale ta technika nie daje wymiernej informacji o tak małych obiektach. Niemożliwe jest
natomiast zarejestrowanie wad na poziomie nanometrycznym. Zastosowanie
mikroskopii o wyższej rozdzielczości z pewnością pozwoliłoby na rejestrację
mniejszych porów, nadal jednak byłaby to informacja jedynie jakościowa.
Tablica 1
Wybrane właściwości osnowy AK11 i odlewów kompozytowych.
Selected properties of AK11 matrix and composite casts.
Materiał
AK11
+AlSi
+C
Gęstość Powierzchnia Zmierzona Znormalizowana Mediana
objętość
objętość porów rozkładu
pozorna użytej próbki
porów
porów
[cm2]
[mm3]
[mm3/cm2]
[nm]
[g/cm3]
2,596
2,57
4,0
1,556
620
2,551
2,32
2,9
1,250
713
2,456
2,51
11,4
4,542
32,8
Rysunek 7 podaje zestawione rozkłady wielkości porów zarejestrowanych we
wszystkich badanych materiałach. Analiza obejmowała pory w zakresie od
5 nm−300μm. Praktycznie, w żadnym przypadku, nie zarejestrowano porów
o wielkości powyżej 15 μm. Wyniki pomiarów zostały tak znormalizowane, że
dają informację o objętości porów w przeliczeniu na jednostkę powierzchni, na
której te pory występują (patrz Tablica 1, kolumna 5). Jak widać zarejestrowana
Początek tytułu... (lub cały krótki tytuł) artykułu
5
objętość porów kontaktujących się z powierzchnią próbek jest bardzo zróżnicowana.
Rys. 7. Zestawienie krzywych kumulacyjnych rozkładu wielkości porów badanych materiałów
w odniesieniu do powierzchni próbki.
Fig. 7. A comparision of cumulative curves of the pore size distribution of investigated materials
refered to samples surface.
Rys. 8. Histogram zmierzonego rozkładu wielkości porów w odlewie AK11.
Fig. 8. Hystograms of measured pore size distribution in AK11 cast.
Wszystkie próbki mają pewną liczbę porów w zakresie kilkumikrometrowym
(patrz Rysunki 8-10). Najwięcej jest ich w odlewie kompozytowym z włóknem
grafitowym, mniej w kompozycie z włóknem Sibral, najmniej w czystym stopie
AK11. Druga znacząca populacja porów pojawia się w kompozycie
AK11/włóknina glinokrzemianowa w obszarze dziesiątych części mikrometra
i jest ona, co do objętości w przybliżeniu równa udziałowi porów największych
(patrz Rys. 9).
6
Inicjał imienia i nazwisko
Rys. 9. Histogram zmierzonego rozkładu wielkości porów w odlewie kompozytowym
AK11/włóknina Sibral.
Fig. 9. Hystograms of measured pore size distribution in composite AK11/Sibral fiber cast.
Rys. 10. Histogram zmierzonego rozkładu wielkości porów w odlewie kompozytowym
AK11/grafitowa.
Fig. 10. Hystograms of measured pore size distribution in composite AK11/graphite fiber cast.
Wyraźnie inny obraz pojawia się dla włókniny grafitowej. Druga populacja
porów jest znacznie mniejsza (setne części mikrometra) i zajmuje wyraźnie
większą objętość (Rys. 10). Można stwierdzić, że pory te dominują
w mikrostrukturze kompozytu AK11/grafit.
Zastosowana metoda pomiarowa pozwala na objętościowe oszacowanie porów w poszczególnych klasach ich rozmiarów i daje obraz potencjalnych wad
znajdujących się wewnątrz odlewu. Analizując wyniki należy jednak mieć na
uwadze specyfikę pomiaru porozymetrii rtęciowej. Metoda ta „widzi” pory
obecne w materiale, jako sieć kanalików, których średnica wynika ze średnicy
Początek tytułu... (lub cały krótki tytuł) artykułu
7
strumienia rtęci, wtłaczanego do kapilar w materiale. Jest to jedynie przybliżenie
obrazu rzeczywistego, np. szczeliny porozymetria uwidacznia jako pory o średnicy równej rozwarciu szczeliny (Rys. 5 i 6). W istocie, więc w porównaniu
z analizą obrazu, zaniża ona rozmiar tego rodzaju porów, dając jednak informację o ich rzeczywistej objętości.
Analiza uzyskanych danych eksperymentalnych pozwala stwierdzić, że badane odlewy kompozytowe mają strukturę porów znacznie bardziej rozbudowaną niż osnowa stopu AK11. Zastosowanie różnych włóknin, różnicuje jednocześnie typowe rozmiary defektów mikrostrukturalnych oraz ich ilość. Zbrojenie
w postaci włókniny grafitowej daje odlewy znacznie bardziej porowate od uzyskanych przy zastosowaniu zbrojenia glinokrzemianowego. Jednocześnie jednak
pory w odlewie wzmacnianym włókniną grafitową mają niewielkie rozmiary
rzędu setnych części mikrometra. W odlewach z włóknem Sibral dominują pory
o rząd wielkości większej.
Rys. 11. Obraz scanningowy defektu odlewu kompozytowego AK11/włóknina grafitowa.
Fig. 11. SEM micrograph of defect in composite cast AK11/graphite fiber.
W odlewach kompozytowych zbrojonych włóknami występować może szereg wad zdecydowanie anizotropowych. Typowym przykładem może być zilustrowany na Rysunku 11 podłużny por równoległy do włókien. Jego wymiar
poprzeczny jest możliwy do określenia za pomocą analizy obrazu (chociaż istnieje co najmniej kilka sposobów definiowania wielkości takiego trójkątnego
obiektu). Natomiast porozymetria daje informacje nie tylko o wymiarze przekroju, ale w tym samym pomiarze określa objętość takiego obiektu i porównuje ją
z objętością innych zarejestrowanych pustek. W efekcie uzyskujemy wartość
analogiczną do udziału objętościowego porów o danym rozmiarze, jednak sygnał pomiarowy nie pochodzi z analizy samego tylko przekroju, ale z warstwy
przypowierzchniowej, w której znajdują się pory kontaktujące się z przekrojem.
8
Inicjał imienia i nazwisko
Szczególnie cenną informacją uzyskaną z analizy porozymetrycznej może
być określenie rozmiaru i udziału najmniejszych wad o rozmiarach nanometrycznych. W badanych odlewach kompozytowych dużą ilość tego typu defektów stwierdzono w kompozycie zbrojonym włóknem grafitowym. Analizy mikroskopowe potwierdzają obecność tego typu wad (patrz Rys. 12).
Rys. 12. Obraz scanningowy defektów włókien grafitowych w odlewie kompozytowym.
Fig. 12. SEM micrograph of fiber defects in composite cast.
Jednak tak duży udział tych porów może to być również wynikiem specyfiki
pomiaru porozymetrycznego, tzn. wzmiankowanego już wcześniej sekwencyjnego uzyskiwania sygnału pomiarowego w miarę zapełniania pod coraz wyższym ciśnieniem porów o krzywiznach niewypukłych. Przykładowo, trójkątny
w przekroju, por na Rysunku 11 jest przy niższych ciśnieniach wtłaczania rtęci
rejestrowany jako por o średnicy równej okręgowi wpisanemu w trójkątny przekrój. Ze wzrostem jednak zastosowanego ciśnienia detektowana jest również
pozostała objętość tego poru, jednak przypisuje się jej rozmiar odpowiednio
mniejszy.
Tego rodzaju problemy, zależne od kształtu porów są częściowo niwelowane
w nowoczesnych porozymetrach poprzez oprogramowanie pozwalające prowadzić obliczenia przy założeniu różnych modeli porowatości. Tym niemniej modele te nie są wstanie uwzględnić całej gamy możliwości, które mogą zaistnieć
podczas formowania się złożonej mikrostruktury kompozytowej i rzetelna analiza powinna uwzględniać uzupełnienie badań porozymetrycznych obserwacjami
mikroskopowymi, aby właściwie ocenić rezultaty tych pierwszych.
Początek tytułu... (lub cały krótki tytuł) artykułu
9
Rys. 13. Obrazy scanningowe defektów odlewu kompozytowego AK11/włóknina grafitowa.
Fig. 13. SEM micrographs of defects in composite cast AK11/graphite fiber.
Wszystkie badane, materiały wykazują sporą ilość porów o rozmiarach kilku
mikrometrów. Z jednej strony analiza mikroskopowa potwierdza ich istnienie,
z drugiej jednak w trakcie badań zaobserwowano zjawisko, które może zawyżać
rzeczywisty udział tych porów w mikrostrukturze. Efekt ten ilustrują obrazy na
Rysunku 13. pokazujący przekrój przez odlew, w którym włókna zbrojenia
układają się pod niewielkim kątem w stosunku do płaszczyzny przekroju.
W warunkach przygotowania próbek do badań (cięcie, szlifowanie, polerowanie) może dochodzić do wykruszania części włókien, co pozostawia przy powierzchni obszary, które w analizie występują jako porowatość, a ewidentnie są
spowodowane obróbka próbki. Zjawisko to będzie wpływać na rejestrowaną
objętość porów i zawyżać mierzoną porowatość tworzywa. Ocena skali tego
zjawiska, przy zastosowanej metodyce, może być jedynie jakościowa.
4. PODSUMOWANIE
Przedstawiono wyniki wstępnych badań, mających na celu wykorzystanie porozymetrii rtęciowej w analizie porowatości w odlewach kompozytowych, w zasadzie pozbawionych porowatości otwartej. Istotę pomiaru sprowadzono do analizy objętości porów kontaktujących się z powierzchnią próbki. Takie podejście
pozwala na jednoczesną analizę całej dostępnej populacji porów, bez konieczności (ale też bez możliwości) analizy pojedynczych obiektów.
Zakres pomiarowy porozymetrii rtęciowej daje możliwość analizy statystycznej populacji porów o rozmiarach rzędu pojedynczych nanometrów,
co w zasadzie nie jest możliwe przy zastosowaniu metod mikroskopowych.
Stwierdzono, że badane odlewy różnią się znacznie pod względem ilości
i rozmiaru powstających porów - odlewy ze zbrojeniem grafitowym mają wyższą porowatość o rozmiarach rzędu setnych części mikrometra, a odlewy
10
Inicjał imienia i nazwisko
ze zbrojeniem glinokrzemianowym maja porowatość niższą, ale wielkość porów
jest o rząd większa.
Wyniki pomiarów porozymetrycznych nie przeczą wynikom obserwacji mikroskopowych wykonanych na zgładach odlewów kompozytowych, wprowadzając do nich jednocześnie element uogólnienia statystycznego.
Praca częściowo finansowana w ramach umowy AGH nr 11.11.160.111.
LITERATURA
[1] Gawdzińska K., Analiza i klasyfikacja wad struktury odlewów z metalowych kompozytów
nasycanych, rozprawa doktorska, Politechnika Szczecińska 2002,(niepublikowana)
[2]Gawdzińska K., Pędzich Z., Grabian J.: Próba określenia porowatości zbrojenia metalowych
kompozytów nasycanych. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 25, nr 1, Poznań
2005
[3]Grabian J., Nasycanie zbrojenia z ceramicznych włókien nieuporządkowanych podczas wytwarzania odlewów z kompozytów metalowych, WSM w Szczecinie, 2001.
[4] Jackowski J., Porowatość odlewów kompozytowych wytwarzanych przez nasycanie zbrojenia
metalem. Wydawnictwo Politechniki Poznanskiej. Poznań 2004.
[5]Szweycer M., Surface phenomene in metal-matrix cast composites technology, Cast Composites, Commission 8.1, CIATF 1998.
[6] Ryś J., Stereologia materiałów. Fotobit Design, Kraków 1995
[7] Śleziona J., Podstawy technologii kompozytów, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998.
Praca wpłynęła do Redakcji 15.05.2006
Nazwisko
(9 pkt)
Recenzent: prof. dr hab. inż. Imię i
APPLICATION OF THE MERCURY POROSIMETRY TO DETERMINATION OF
POROSITY OF COMPOSITE CASTS
S u m m a r y
The presented paper concerns probes of determination of composite casts porosity by mercury
porosimetry. Investigations were done for AK11-based composite casts containing graphite or
aluminasilicate fibers. Mentioned casts have not got open porosity, so porosity assesment was
performed on the base of porosity which was in contact with sample surface. External surfaces
of samples were carefully polished before porosity measurements. Results of these measurements,
when complied with microstructure observations, indicated differences in pore size distributions
in dependently on the type fiber used as reinforcement.
Key words: mercury porosimetry, composites, porosity