Pobierz - Archives of Foundry Engineering

Archives of Foundry,
Year 2004, Volume 4, № 14
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
31/14
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE KOMPOZYTÓW AlSi13Cu2WŁÓKNA WĘGLOWE WYTWARZANYCH METODĄ
ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO
Z. KONOPKA 1 , A. ZYSKA 2 , M. CISOWSKA 3
Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej
Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań własności mechanicznych kompozytów
na osnowie stopu AlSi13Cu2 z ciętymi włóknami węg lowymi z pokryciem Ni
i z włóknami bez pokrycia. Próbki do badań zostały wytworzono metodą odlewania
ciśnieniowego. Zaobserwowano wzrost modułu E ze wzrostem udziału włókien
w kompozycie oraz pozytywne oddziaływanie pokrycia niklowego na właściwości R m
i R02 .
Key words: composites, aluminium alloys
1. WSTĘP
Ze względu na słabe zwilżanie włókien węglowych ciekłym stopem osnowy
bardzo często stosuje się zabiegi ułatwiające zwilżanie, a polegające przede wszystkim
na pokrywaniu włókien warstwami metalowymi czy modyfikacji stopu osnowy [1,2].
Są to jednak zabiegi kosztowne, dlatego też należy dążyć do poszukiwań tańszych
i prostszych metod wytwarzania tego typu materiałów. Zastosowanie technologii
odlewania ciśnieniowego do wytworzenia odlewów kompozytowych daje pozytywne
rezultaty, ponieważ wymuszone wypełnianie wnęki formy ułatwia równomierne
rozmieszczenie włókien w osnowie i nie wymaga wysokiej lejności stopu [3], co
umożliwia wytworzenie kompozytów o dużych udziałach fazy zbrojącej.
1
dr hab .inż. prof. P. Cz., [email protected]
dr inż., [email protected]
3
mgr inż., [email protected]
2
238
2. METODYKA BADAŃ
Do badań właściwości mechanicznych wykonano próbki metodą odlewania
ciśnieniowego. W tym celu zaprojektowano i wykonano formę ciśnieniową. Do badań
wybrano stop osnowy Al13SiCu2, a jako zbrojenie włókna węglowe z grupy HTA
pokryte warstwą Ni o grubości 0,25m, oraz włókna węglowe bez pokrycia. Długość
włókien wynosiła 5 mm, natomiast udział objętościowy włókien wynosił 5, 10 i 15%
dla włókien pokrytych Ni, oraz 2.5, 7.5 i 12.5% dla włókien bez pokrycia. Suspensję
kompozytową wytworzono mieszając mechanicznie ciekły
stop osnowy
z równoczesnym wprowadzaniem włókien o zadanym udziale objętościowym.
Mieszanie suspensji wykonano przy następujących parametrach: czas mieszania 300s,
prędkość kątowa mieszania mieszadła śmigłowego 10 s -1 . Odlewy próbek
wytrzymałościowych wykonano na maszynie ciśnieniowej zimnokomorowej, poziomej
o sile zwarcia 160 T przy prędkości wtrysku suspensji 60 m/s i grubości wlewu 1 mm.
Takie optymalne parametry wtrysku gwarantujące równomierne rozmieszczenie
włókien w osnowie ustalono na podstawie badań wypełniania formy suspensją
kompozytową. W jednym wtrysku wykonywano cztery odlewy próbek
wytrzymałościowych.
Badania właściwości mechanicznych kompozytów wykonane na odlewach
obejmowały pomiary: umownej granicy plastyczności R02 ,
wytrzymałości na
rozciąganie Rm, modułu sprężystości E, i wydłużenia względnego A C.
Wszystkie wskaźniki mechaniczne zostały określone w próbie rozciągania wykonanej
zgodnie z normą PN-91/H-04310. Pomiary wykonano na zrywarce Zwick 1488
sterowanej komputerowo przy następujących parametrach: naprężenie wstępne - l MPa,
prędkość zrywania – 7 mm/min, maksymalna siła zrywająca - 10 kN. W trakcie próby
rozciągania rejestrowano wartość siły zrywającej P wraz z pomiarem wydłużenia l.
W wyniku sprzężenia tych dwóch pomiarów z uwzględnieniem przekrojów próbek
uzyskano wykresy wytrzymałościowe naprężenie w funkcji wydłużenia. Na podstawie
danych z testu rozciągania wyznaczono charakterystyczne wielości R02 , Rm, A C oraz
moduł sprężystości E.
3. WYNIKI BADAŃ I ANALIZA
Przykładowy wykres rozciągania przedstawiono na rysunku 1. Na rysunku 2
przedstawiono przykładową mikrostrukturę kompozytu zawierającego 10% włókien
węglowych. Badania wykonano dla każdego rodzaju kompozytu i porównawczo dla
stopu osnowy. Wyniki badań zamieszczono w tabeli 1, a graficznie przestawiono na
rysunkach 3 i 4.
239
Rys. 1. Wykres rozciągania kompozytu wytworzonego metodą
odlewania ciśnieniowego
Fig. 1. Tensile test diagram of pressure die cast composite
Rys. 2. Struktura kompozytu AlSi13Cu2 – 10% WWNi
wytworzonego metodą odlewania ciśnieniowego
pow. 100x
Fig. 2. Structure of composite AlSi13Cu2 – 10% WWNi
fabricated by pressure die casting, mag.100x
240
Ocena mikrostruktury badanych kompozytów pokazuje jednoznacznie, że
technologia odlewania ciśnieniowego daje pozytywne rezultaty wytwarzania
kompozytów z włóknem krótkim. Równomierne rozmieszczenie włókien potwierdza
wysoką efektywność mieszania i prawidłowy dobór parametrów procesu odlewania.
Tabela 1. Wyniki badań mechanicznych kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi
Table 1. M echanical properties of composites with carbon fibre
Badany
materiał
AlSi13Cu2
Rm
E
R02
Ac
237
80
199
0,58
Włókna pokryte Ni
AlSi13Cu2 5%WW
AlSi13Cu2 10%WW
AlSi13Cu2 15%WW
241
111
210
0,71
241
129
207
0,41
236
142
205
0,61
Włókna bez pokrycia
AlSi13Cu2 –
2,5%WW
AlSi13Cu2 –
7,5%WW
AlSi13Cu2 –
12,5%WW
230
192
96
0,42
221
180
112
0,51
208
161
129
0,68
Z przeprowadzonych badań wynika jednoznacznie, że technologia odlewania
ciśnieniowego daje pozytywne rezultaty wytwarzania kompozytów z włóknem krótkim.
W kompozytach z włóknami węglowymi pokrytymi warstwą niklu obserwuje się
wysokie właściwości mechaniczne porównywalne z właściwościami osnowy. Na uwagę
zasługuje wyraźny wzrost modułu E ze wzrostem udziału objętoś ciowego włókien
w kompozycie. Sugeruje to możliwość tworzenia stosunkowo silnego połączenia
włókien z osnową.
W kompozytach z włóknami bez pokrycia niklowego właściwości
mechaniczne niestety spadają. Wyjątek stanowi moduł sprężystości, który rośnie.
Właściwości plastyczne są na niskim poziomie ale nie odbiegają wartościami od
własności osnowy i są charakterystyczne dla stopów odlewniczych AlSi.
241
260
160
250
E
240
230
120
E, GPa
R02, Rm, MPa
140
Rm
220
R02
210
100
200
80
190
180
60
0
2.5
5
7.5
10
12.5
Udział objętościowy WW, %
15
Rys.3. Własności mechaniczne kompozytów odlewanych
ciśnieniowo z włóknami węglowy mi pokrytymi Ni
Fig. 3. M echanical properties of pressure die cast composites
with Ni coated carbon fibres
260
160
240
Rm
140
E
120
E, GPa
R02, Rm, MPa
220
R02
200
100
180
80
160
140
60
0
2.5
5
7.5
10
12.5
Udział objętościowy WW, %
15
Rys.4.Własności mechaniczne kompozytów odlewanych
ciśnieniowo z włóknami węglowymi bez pokrycia
Fig. 4.M echanical properties of pressure die cast composites
with carbon fibres without coating
242
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
Asthana R.: Stability of heterogenous particles st fluid interfaces in composite
slurries, Scripta Metallurgica Materialia, vol. 29, 1993, pp. 1261-1266,
Konopka Z.: Pressure die cast fibre reinforced AlSi alloy matrix composites, The
European Conference on Advanced Materials and Processes EUROMAT’95,
pp.667-670
Konopka Z., Cisowska M.: Własności mechaniczne kompozytu na osnowie
stopu AK9 z cząstkami grafitu naturalnego i syntetycznego, Archiwum
Odlewnictwa, rocznik 3, nr 9, s. 299-304
MECHANICAL PROPERTIES OF THE AlSi13Cu2 ALLOY MATRIX
COMPOSITES WITH CARBON FIBRE FABRICATED BY PRESSURE DIE
CASTING METHOD
SUMMARY
Mechanical properties of the AlSi13Cu2 alloy matrix composites with chopped Ni
coated carbon fibre and without eny coating were examined. Composites castings were
fabricated by pressure die casting of composite suspension prepared by stirring method.
Very good distribution of carbon fibres in composite matrix was observed. Increasing of
the Young modulus of examined composites with volume fraction of carbon fibres
increasing was observed. Positive influence of Ni coating on mechanical properties of
composites was shown.
Recenzował Prof. Józef Śleziona