universitatea politehnica din bucurești - sim.pub.ro · turnarea topiturii de aluminiu în...

Universitatea POLITEHNICA din București Facultatea de Stiinta si Ingineria Materialelor

Departamentul: Prelucrarea materialelor metalice și Eco metalurgie

No. Senate Decision in . .2017

Teză Doctorală

Cercetări privind posibilitatea obținerii pieselor turnate din

aliaj de aluminiu cu strat superficial din compozit Al-SiCP

Autor: Eng. MUNA N. ISMAEL ISMAEL

Coordonator: Profesor Dr. Ing. Mihai CHISAMERA

COMITETUL DE DOCTORAT

Chairman Prof. Dr. Eng. Mihai BUZATU From University Politehnica of Bucharest

Scientific Supervisor Prof. Dr. Eng. Mihai CHISAMERA From University Politehnica of Bucharest

Reviewer Prof. Dr. Eng. Aurel CRISAN From University Transilvania of Brasov

Reviewer Prof. Dr. Eng. Bela VARGA From University Transilvania of Brasov

Reviewer Prof. Dr. Eng. Gigel NEAGU From University Politehnica of Bucharest

București 2017

Cercetări privind posibilitatea obținerii pieselor turnate din aliaj de aluminiu cu strat superficial din compozit Al

-SiCp

2

Cuprins INTRODUCERE 6

CHAPTER 1 ASPECTE TEORETICE LEGATE DE SINTEZA COMPOZITELOR Al-SiCp 7 1.1. INTRODUCERE 7 1.2. ISTORIA MATERIAELOR COMPOZITE 8 1.3. DEFINIȚIE GENERALĂ A COMPOZITELOR 8 1.4. AVANTAJELE ȘI DEZAVANTAJELE COMPOZITELOR 9 1.5. CLASIFICAREA COMPOZITELOR 9

1.5.1. În funcție de matrice 9 1.5.2. În funcție de materialul de armare 10

1.6. MECANISMUL DE CONSOLIDARE AL COMPOZITELOR DIN PARTICULE 11 1.6.1. Compozite cu particule mari 11 1.6.2. Compozit întarit prin dispersie 12

1.7. COMPOZITE DIN PARTICULE DE ALUMINIU – CARBURĂ DE SILICIU 12

1.7.1. Proprietățile carburii de siliciu 12

1.7.2. Proprietățile Aluminiului și a aliajelor din Aluminiu 14

1.8. LEGEA AMESTECULUI 16

1.9. ASPECTE TEORETICE ALE PRODUCȚIEI DE COMPOZITE Al - SiCp 18

1.9.1. Comportamentul la oxidare al aluminiului topit și aliajelor de aluminiu 18 1.9.2. Factorii care influențează incorporarea particulelor în topitura de aluminiu 18 1.9.3. Analiza forțelor care acționează asupra particulelor prin penetrarea în metalele lichide 21

1.10. TEHNICI DE ÎMBUNĂTĂȚIRE A UMECTABILITĂȚII 23 1.10.1. Adăugarea de elemente de aliere 24

1.10.2. Acoperirea particulelor 25

1.10.3. Preîncălzirea particulelor 26

1.11. FENOMENUL DE INTERFAȚA 27 1.11.1. Reacțiile între particule de carbură de siliciu și topitura de aluminiu 27 1.11.2. Teoria adsorbției 28 1.11.3. Teoria legăturii chimice 28 1.11.4. Teoria difuziei 29 1.11.5. Fluiditate 29 1.11.6. Blocaj mecanic 30 1.11.7. Distribuire 31

1.12. METODE DE PRODUCȚIE ACOMPOZITELOR TURNATE 32 1.12.1. Metoda de turnare prin agitare 32 1.12.2. Metoda turnării prin presare sau de infiltrare sub presiune 34 1.12.3. Metoda de turnare în mulaj la presiune înaltă 34 1.12.4. Metoda de turnare prin centrifugare 34 1.12.5. Metoda de turnare gravitațională 35

1.13. PROCESUL DE SOLIDIFICARE 35 1.14. MĂSURĂTORI DE DURITATE 37 1.15. CONCEPTE GENERALE ALE PROCESULUI DE UZURĂ 39

CAPITOLUL 2 OBIECTIVE 41

CAPITOLUL 3 PROCEDURA DE CERCETARE EXPERIMENTALĂ 42 3.1. METODE EXPERIMENTALE DE PRODUCERE A PROBELOR TURNATE DIN AI CU STRAT

COMPOZIT DE AL-SiCP 42

3.2. MATERIALE 44

3.3. MECANISME 44


-SiCp

3

3.4. TEHNICĂ DE PRODUCȚIE A PIESELOR TURNATE DIN ALUMINIU CU STRAT SUPERFICIAL DE

COMPOZIT DE Al – SiC PRIN TURNARE GRAVITAȚIONALĂ 46

3.4.1. Turnarea topiturii de Aluminiu în matriță acoperită cu sită de SiC 46 3.4.2. Turnarea topiturii de Aluminiu peste un sandviș de pulbere de SiC – polistiren amplasată la

fundul unei matrițe din metal 47

3.4.3. Turnarea topiturii de Al / aliaj de Al peste un sandviș de pulbere de SiC – folii de Al amplasate

la baza unei matrițe din nisip și rășină fenolică 48

3.5. ANALIZA DE IMAGINE AUTOMATA A SiCP (FĂRĂ ȘI CU PARTICULE ÎNCORPORATE) 49 3.6. ANALIZA CURBELOR DE RĂCIRE ȘI SOLIDIFICARE 52 3.7. ANALIZĂ MECANICĂ 54 3.8. ANALIZĂ CU MICROSCOP ELECTRONIC DE BALEIAJ (SEM) 55

CAPITOLUL 4 REZULTATE SI DISCUTII 56 4.1. ANALIZA PARTICULELOR DE CARBURĂ DE SILICIU 56

4.1.1. Particule de carbură de siliciu libere 56 4.1.2. Particule de carbură de siliciu legate (sită) 58

4.2. DETERMINAREA COEFICIENTULUI VOLUMETRIC AL PARTICULELOR DE CARBURĂ DE

SILICIU ȘI ACCELERAREA LOR 60

4.3. VITEZA DE PRECIPITARE A PARTICULELOR DE CARBURĂ DE SILICIU 63 4.4 PROBE TURNATE DIN ALUMINIU CU STRAT SUPERFICIAL DE COMPOZIT DE Al – SiC

OBȚINUTE PRIN TURNAREA GRAVITAȚIONALĂ A Al ÎNTR-O MATRIȚA DE NISIP ACOPERITĂ

CU O SITĂ DE SiC

69

4.5. METODA OBȚINERII COMPOZITULUI ALUMINIU – SiC PRIN TURNARE GRAVITAȚIONALĂ

PESTE SANDVIȘ DE PULBERE DE SiC – POLISTIREN 77

4.5.1. grosimea stratului de compozit 78

4.5.2. Analiza particulelor de SiC din stratul compozit 79

4.6. METODA TURNĂRII PROBELOR DE ALUMINIU CU STRAT COMPOZIT DE Al – SiCp OBȚINUTE

PRIN TURNAREA TOPITURII DE Al PESTE SANDVIȘ DE PULBERE DE SiC – folii de Al 85

4.6.1. Distribuția particulelor de SiC 85 4.6.2. Morfologia particulelor de SiC 90 4.6.3. Procesul de solidificare al probelor 93

4.7. TEST DE DURITATE BRINELLS 113 4.8. ANALYSIS ANALIZA CU MICROSCOP ELECTRONIC DE BALEIAJ (SEM) 116 CAPITOLUL 5

CONCLUZII GENERALE 123 5.1. ANALIZA LITERATURII DE SPECIALITATE 123 5.2. CERCETARE EXPERIMENTALĂ 123 5.3. THOUGHTS CONTRIBUȚII ORIGINALE ȘI DEZVOLTAREA VIITOARELOR CERCETĂRI 126 DISEMINAREA REZULTATELOR 127 REFERINȚE 128


-SiCp

4

INTRODUCERE

Un material compozit este o combinație naturală de cel puțin două materiale unice cu o interfață

identificabile între ele.

Aluminiu / SiC iese în evidența printre cele mai concentrate compozite cu matrice de aluminiu

(AMC). Aliajele de aluminiu și AMC-uri au fost utilizate pentru a înlocui oțelul în plăci de caroserie

auto, piese de motor, și rotoare de frână pentru a diminua greutatea structurală, care a adus un

entuziasm extins pentru aceste materiale. Diferite armături a fost folosite în compozite cu matrice de

aluminiu cum ar fi: particule, mănunchiuri, fibre scurte și fibre diferențiabile.

Aliaj de aluminiu turnat cu strat de compozit din Al – particule din carbură de silicon este

utilizat într-o varietate de aplicații de inginerie din cauza unor proprietăți excelente în comparație cu

aliajele non-armate, cum ar fi; duritate și rezistență la uzură.

Această teză se concentrează pe dezvoltarea de noi metode pentru a obține piese turnate din

aliaj de Al cu strat din compozit Al-SiCp prin turnare gravitațională.

În primul capitol sunt prezentate definiția și clasificarea compozitele pe bază de matrice și de

armare și o atenție speciala asupra compozitului Al-SiC. Sunt prezentate problemele de

umectabilitate și încorporare între SiCp și topitură de aluminiu și metodele de îmbunătățire a acestor

probleme.

Capitolul al doilea prezintă obiectivul acestei teze.

Al treilea capitol tratează materialele care descriu și dispozitivele care sunt utilizate în toate

metodele pentru a produce compozite. În plus, sunt prezentate procedura pentru fiecare metodă,

parametrii de procesare, precum și grafice pentru fiecare metodă. Definirea parametrilor de

măsurare a factorilor de formă ai SiCp și curba de răcire sunt de asemenea prezentate

Al patrulea capitol este structurat în două părți; În prima parte este prezentată accelerația și viteza

de sedimentare diferite forme de particule.

Cea de a doua parte prezintă rezultatele pentru fiecare metodă care descriu cum afectează

dimensiunea particulelor, cantitatea de SiCp și factorii de formă ai SiCp, grosimea stratului

compozite, și duritatea acesteia.

Se determină pierderile de căldură și micșorarea temperaturii topiturii de Al în scădere în cupă

cu adaosul de SiCp prin calcularea bilanțului termic. Este prezentată influența adaosului de SiCp

(%gr.) asupra vitezei de răcire și variației temperaturii în timpul solidificării. Analiza

microstructurală a fost realizată cu ajutorul microscopului electronic de baleiaj pentru a examina

distribuția elementelor de ranforsare în cazul metodei utilizării sitelor din particule de SiC fixate pe

suport textil.


-SiCp

5

CAPITOLUL 1

Introducere

MMC este un (sistem compozit cu matrice din metal armat cu particule ceramice), dezvoltat și

utilizat pentru mai multe aplicații industriale. Cele mai de succes materiale de armare pentru

aluminiu au fost particulele de carbură de siliciu deoarece au o mare rigiditate și duritate, și, în plus,

compatibilitatea chimică cu aliaje de aluminiu de până la 500 °C [3]. Introducerea de SiC-particule

în aliaje de aluminiu, duce la o scădere semnificativă a ductilitații și rezistenței la rupere. Sistemul

de aluminiu-siliciu formează un eutectic binar care afișează limitări în solubilitate pentru ambele

materiale. Sistemul este caracterizat ca un eutectic neregulat datorită compoziției unui metal cu un

nemetal. Solubilitătea siliciului în aluminiu prezintă un maxim la 1,5% la temperatura eutectică și o

creștere de până la 0,016% Si la 1190 ° C.

1.9.2. Factorii care influențează încorporare particulelor în topitura

de Aluminiu

Procesul de penetrare a particulelor poate fi împărțită în două părți: penetrarea particulei prin

suprafața topiturii și mișcarea unei particule într-un lichid. O diagramă schematică a procesului de

penetrare a particulelor de carbură de siliciu în Al topitură este prezentată în figura 1.4. Prima parte

este de fapt o problemă de umezire, unde suprafața diferitelor interfețe în sistem (solid vapori,

lichid-vapori și solid-lichid), se schimbă în timpul penetrării prin suprafața topiturii. Particula își

pierde energia cinetică atunci când pătrunde suprafața lichidului, în funcție de tensiunile superficiale

(energiile) diferitelor interfețe [46].

Figura 1.4. Procesul de penetrare a particulelor de carbură de siliciu în

topitura deAl.


-SiCp

6

Umectabilitate este proprietatea lichidelor de a se răspândi pe suprafețe solide.

Umectabilitatea slabă poate duce la contaminarea materialului final, deoarece împiedică contactul

dintre cele două faze. Pe suprafața lichidului de Al există un strat de Al2O3 în timp ce pe particulele

de SiC se formează un strat de SiO2, care nu permite contactul între particule [47].

Umectarea dintre metal și ceramică ar putea fi factorul cel mai important în producția de MMCS. Cu

toate acestea, natura non-umezire a majorității materialelor ceramice a cerut ca numeroși analiști să

cerceteze posibilitatea de a spori capacitatea de umectare a materialelor ceramice. Cel mai important

lucru pentru a favoriza adeziunea între materialele ceramice și metal constă în controlul proceselor

de turnare, microelectronicii, protecției de suprafață și tehnologiei de acoperire [48].

1.10. TEHNICI DE ÎMBUNĂTĂȚIRE A UMECTABILITĂȚII

Mai multe metode au fost aplicate pentru a îmbunătăți umectarea particulelor SiC cu matrice

de aluminiu topit:

1. Adăugarea de elemente de aliere în metalul topit, cum ar fi, Cu, Mg, Li.

2. Utilizarea de acoperiri, cum ar fi, Cu, Ni, Cr, Ag.

3. Preîncălzirea elementelor de ranforsare.

1.12.5. Turnare gravitațională

Procesul de turnare poate fi definit ca atunci când metalul topit este turnat sub forța

gravitațională. Turnare Gravitațională poate fi clasificată în funcție de tipul de matriță: turnarea în

nisip și turnarea permanentă.

Turnarea în nisip

Turnarea în nisip este o metodă tradițională pentru crearea pieselor prin simpla turnare a

topiturii într-o formă din nisip natural sau sintetic sau un material amestecat în mod artificial și nu

are limitări în ceea ce privește materialul de turnare. Printre alte beneficii includ costuri reduse și

operațiuni de dimensiuni mici și metoda permite pieselor complexe să fie turnate.

Turnarea permanentă

Această metodă de turnare implică utilizarea de matrite reutilizabile realizate din materiale dure, de

obicei, din metal. Procesul de turnare permite utilizarea repetată a matrițelor în scopul de a produce

piese cu din aceeași formă (Figura 1.9).

Turnarea permanentă este potrivită pentru producțiile industriale ale pieselor cu reproductibilitate

ridicată, decupări limitate sau miezuri interne complicate [100].

Principalele avantaje ale formei de turnare permanente sunt producția de piese turnate uniforme cu

finisaj de suprafață și proprietăți mecanice mai bune, dar principalul dezavantaj este costul

matrițelor.


-SiCp

7

APITOLUL 2

OBIECTIVE

Principalul obiectiv al tezei este de a studia posibilitatea de a obține piese turnate din Al / aliaj

de Al cu strat superficial crustă din compozit Al / aliaj de Al – SiCp.

Teza de doctorat se axează pe dezvoltarea unei noi posibilități de a îmbunătăți compatibilitatea

particulelor de Al topit - SiC pentru a facilita producerea de piese turnate din aliaj de Al / aliaj de Al

cu strat superficial (crustă) de compozit Al-SiCp. În același scop, au fost testate unele tehnici

speciale de turnare care permit ca producerea stratului superficial compozit din Al-SiCp condiții de

laborator.

Sunt prezentate noi metode experimentale pentru a obține piese turnate din Al cu crustă din

compozit Al-SiC prin turnare gravitațională. Acest lucru se referă la

• Analiza SiCp; difracție cu raze X, mărimea particulelor și coeficientul de formă al

particulelor la experimentările pentru obținerea compozitului Al-SiCp;

• Prepararea de matrițe speciale acoperite cu sită carbură de siliciu. Studiu privind efectul

dimensiunii particulei SiCp sau numărul ochiurilor sitei asupra densității particulelor și distribuției

lor în matricea de aluminiu;

• Producerea stratului superficial de compozit din aliaj de Al-SiCp prin turnarea topiturii de

aluminiu peste pachete sandwich SiCp-polistiren;

• Producerea de piese turnate din compozit Al-SiC prin turnarea topiturii de Al / aliaj de Al

turna peste sandwich-uri preparate special din folie de Al - pulbere de SiC. Studiul procesului de

solidificare a probelor compozite Al-SiC prin analiza automată a curbei de răcire;

• Examinarea probelor prin microscopul optic și analiza microfotografiei pentru a determina

densitatea particulelor, și factorii de formă medii (sfericitate, raportul dimensional, factorul de formă

și alungire);

• Măsurarea durității Brinells în stratul superficial de compozit;

• Măsurarea grosimii crustei compozite Al-SiC cu ajutorul unui microscop optic;

• Analiza SEM a posibilelor interacțiuni dintre matricea de Al și particule de SiC.


-SiCp

8

CAPITOLUL 3

PROCEDURA DE CERCETARE EXPERIMENTALĂ

Trei proceduri pentru a produce mostre de Al turnat cu strat de compozit Al-SiCp au fost

folosite ca metode de turnare (Figura 3.2):

a) sită din aluminiu fabricată din pulbere de carbură de siliciu legat (suport textil);

b) Aluminiu-SiC particule -polistiren (ca suport volatilizabil);

c) Aluminiu-SiC pulbere –folii de Al în straturi (pentru a permite împrăștierea pulberii).

3.4.1. Turnarea topiturii de Al într=o formă căptușită cu sită de SiC

(experimentul 1.a)

Forma de nisip, care a fost folosită pentru această metodă a avut o formă cilindrică (45mm

diametru și 101mm înălțime). Acesta a fost executată manual și încălzită la 325 ° C pentru a

îndepărta orice umiditate și reduce diferența de temperatură între matriță și topitură. Sita realizată

din pulbere de SiC fixată pe suport txtil a fost folosită ca material de armare. Patru dimensiuni

diferite de site de SiCp (40 cu ochiuri, ochiuri 120, 180 ochiuri, și ochiurilor de plasă 220), au fost

alese ca elemente de ranforsare. Suprafața activă a matriței a fost acoperită cu un strat de sită în

formă cilindrică, în timp ce partea inferioară a matriței a fost acoperită printr-o sită formă de cerc

(figura 3.6).

Fig. 3.2. Organigramă pentru pregătirea și analizele probelor compozite Al-SiCp.


-SiCp

9

Fig. 3.6. Sectiune a unei forme de nisip, căptușită cu sită de SiCp.

Aluminiu a fost topit într-un cuptor cu gaz într-un creuzet de grafit prin utilizarea unei tehnici

specifice clasice de topire a Al și supraincalzire la 900ºC. Turnarea topiturii de aluminiu în formă a

fost realizată la 900 ° C.

3.4.2. Turnarea topiturii de aluminiu peste un sandwich din pulbere SiC-

polistiren plasat pe fundul unei matrițe metalice (experimentul 1.b)

Sandvișuri de SiC pulbere - granule de polistiren au fost folosite în această metodă pentru a obține

compozit Al-SiCp prin turnarea topiturii Al în matriță metalică (figura 3.8). Trei adaosuri în

procente de volum de pulbere de carbură de siliciu au fost folosite (1, 2, 3% vol.) - (granule 0,5 g

poli-stiren) ca sandwich-uri. Matrița cu dimensiunile (înălțime 170 x diametru 31) mm, este utilizată

în această metodă. Două straturi de carbură de siliciu și două straturi de polistiren au fost aranjate

după cum se arată în figura 3.8. Aliajul de aluminiu a fost încărcat într-un creuzet de grafit și se

încălzește la 900◦C până se omogenizează întreaga topitură în creuzet. Aluminiul topit se infiltrează

în interiorul straturilor după turnarea aliajului în matriță.

Fig. 3.8. Matriță de metal care conține pulbere de carbură de siliciu - granule de polistiren ca

un sandwich plasat pe partea de jos a matriței (proba cilindrică).


-SiCp

10

3.4.3. Turnarea topiturii aliaj Al / aliaj de Al peste un sandwich de pulbere

SiC – folii de Al plasat pe fundul unei forme cupă din nisip peliculizat

(experimentul 1.c)

Trei tipuri de matrici au fost folosite în această metodă: aluminiu, Al-Si12, Al-Si12- 1,5mg. S-

au folosit particule cu dimensiune medie de 106 μm și a fost variată cantitatea adăugată (1g; 1.5g și

2 g SiCp). Folia de aluminiu (0,28 g) având p față adezivă a fost tăiată în trei bucăți având aceeași

suprafață ca și baza cupei de nisip. Pachetul a fost realizat din trei straturi de folie de aluminiu și

două straturi de pulbere de carbură de siliciu. În plus, pentru o probă de 2g, pulbere de SiC –

pachetul din folie de Al a fost perforat în vederea reducerii tendinței sale de flotare.

Matrițe tipice au fost folosite pentru analiza termică a solidificării pentru a studia efectele

posibile ale adăugării pulberii de SiC asupra parametrilor curbei de răcire (Figura 3.9).

CAPITOLUL 4

REZULTATE ȘI DISCUȚII

4. 2. DETERMINAREA COEFICIENTULUI VOLUMETRICA SI ACCELERAȚIEI

CRITICE A PARTICULELOR CARBURĂ DE SILICIU

Deși turnarea gravitațională pare a fi cea mai simplă și mai ieftină metodă de a produce

compozit aluminiu - particule de carbură de siliciu, o problemă majoră apare la realizarea

amestecului prin agitare mecanică datorită condițiilor de neumectare din sistem. Pentru a pătrunde în

topitură de aluminiu, o particulă de carbură de siliciu trebuie să depășească o accelerație critică.

Pentru o particulă sferică valoarea accelerației critice poate fi determinată prin relația:

( )

, (4.1)

unde: este tensiunea superficială la interfața topitură din aluminiu - gaz , - gradul de

umectare, - raza particule, - densitatea particulei; - densitatea aluminiului lichid .

Pentru o particulă sferică,

Figure 3.9. Montajul cupă-sandvișuri din folie de Al și pulbere de SiC folosit la experimentări


-SiCp

11

[

]

, (4.2)

Din relația 4.2, poate fi obținută relația generală a accelerației critice:

[

]

, (4.3)

unde: este un coeficient de formă volumetric , - masa particulei pentru o particulă sferică =

3.896.

Valorile calculate ale coeficientul de formă volumetric pentru diferite tipuri de particule sunt

prezentate în Tabelul 4.4.

Table 4.4. Valorile calculate ale coeficientului de formă volumetric

Forma particulei Formula matematică a

Valoarea

Sferă ( ) 3.896

Cilindru, , *

+

5.106

Conic, , , √

*

+

3.972

Frustum conica, ,

,

( √ ) *

+

4.423

Cub, 6 6

Prismă triunghiulară, ,

√

( √ )

5.114

Prismă dreptunghiulară, ,

,

5.04

Piramidă pătratică, , (√ ) 4.667

Piramidă normala , (√ √ ) (√

)

3.802

Piramidă (bază hexagonală),

, (

)

(√ √ )

6.889

Piramidă pătratică trunchiată,

,

,

√

(

)

5.197


-SiCp

12

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Sphere Cylinder Conical Conicalfrustum

Cri

tica

l acc

ele

rati

on

, acr

·10

5

[m/s

²]

Shape of particle

(Shen)

(Keene)

0

1

2

3

Cri

tica

l acc

ele

rati

on

, acr

·10

^5

[m/s

²]

Shape of particle

(Shen)

(Keene)

In Fig. 4.6 șă 4.7 sunt prezentate valorile accelerației critice pentru particule cu diferite forme.

Calculele s-au făcut pentru 973 K, și o valoare a unghiului de contact pentru particulele oxidate de

SiC [64], relațiile Shen și Keene pentru tensiunea superficială a topiturii de aluminiu, ecuația lui

Luca pentru densitatea lichidului din aluminiu și o masă a particulei = 1,344 ·10-8 kg (echivalent cu

o particulă sferică cu raza de 100 µm) [55, 111].

Fig. 4.6. Accelerația critică pentru particule rotunde la 973K .

Fig. 4.7. Accelereația critică pentru particule poliedrice la 973K .

În Figura 4.6 și Figura 4.7, rezultatele arată că particulele piramidale triunghiulare au valorile

minime ale accelerației critice în comparație cu alte forme, dar, în ciuda acestui fapt, s-ar putea să nu

fie suficientă pentru penetrarea particulei. De asemenea, particulele sferice și piramidă triunghiulară

au aproape aceeași valoare a accelerației critice.


-SiCp

13

4.4. PROBELE TURNATE DIN ALUMINIU CU STRAT DE COMPOZIT Al-SiCp

OBȚINUTE PRIN TURNARE GRAVITAȚIONALĂ ÎN FORMĂ DE NISIP

CĂPTUȘITĂ CU SITĂ DE SiC (experiment 1.a)

Analiza grosimii stratului compozit Al-SiC .

Dimensiunea granulelor particulelor de SiC extrase din site și capacitatea lor de încorporare cu

topitura de aluminiu ar determina grosimea stratului de compozit Al-SiCp, care apare în secțiunea

transversală a eșantionului, Figura 4.17.

Figura 4.17. Secțiunea transversală a probei cu strat de compozit Al- SiCp (experiment1.a).

Tabel 4.7 prezintă valorile grosimii stratului superficial de composit Al -SiC.

Tabel 4.7. Influența ochiurilor sitei asupra grosimii stratului compozit la probele turnate din Al

Unde:

A1: Al-SiCp extras din sita (40 mesh), A2: Al-SiCp extras din sită (120 mesh),

A3: Al-SiCp extras din sită (180 mesh), A4: Al-SiCp extras din sita (220 ochiuri ).

După cum rezultă din tabelul 4.7, grosimea stratului compozit Al-SiCp în proba A1 este mai

mare decât celelalte probe, ceea ce înseamnă o mai bună compatibilitate între particule și topitura de

Symbol Sieve mesh Skin thickness

(μm)

A1 40 7021

A2 120 6692

A3 180 6354

A4 220 5491


-SiCp

14

Al în acest interval de mărime al particulelor de SiC. Probele A2, A3 și A4 au SiCp cu viteză mare

de sedimentare mai mult decât SiCp în A1 datorită valorii scăzute ale sfericității în A1.

Pentru proba A4, cele mai multe particule au o formă sferică; acest lucru a condus la o viteză

ridicată de sedimentare a acestor particule mai mult decât alte probe și încorporarea slabă între

particule și topitură.

Așa cum rezultă din figura 4.19, dimensiune optimă a particulelor SiCpare să fie cea de 40

mesh, care asigură o densitate mai mare de particule pe secțiunea probei. Acest lucru poate fi explicat

prin faptul că așezarea particulelor în topitură deja începe să apară atunci când topitura este încă în

matriță. Acest lucru se datorează faptului că densitatea SiCp este mai mare decât cea a aluminiului

topit iar valoarea mai scăzută a sfericității particulelor duce la o viteză de sedimentare mai mică a

acestora. Prin urmare, tendința de sedimentare mai mare a particulelor sferice (120, 180 și 220 mesh)

duce la p grosime mai mică a stratului de compozit.

și

Figura 4.19. Densitatea particulele de carbură de siliciu în matricea de aluminiu .

Deși dificultățile mari de cuantificare a formei particulelor în special de particule neregulate,

analiza câtorva parametrii propuși pana acum să descrie atât particulele libere cât și cele incroporate

de SiC de diferite forme a fost în general acceptată [114]. În acest context, rezultatele analizei

coeficienților formei atât a particulelor individuale SiC (SiC pulbere) și particule de SiC Al-

încorporate sunt prezentate în figurile de mai jos spre comparație.

0

2

4

6

8

40 120

180 220

Par

ticl

e d

en

sity

(n

o. o

f p

arti

cle

s)1

/m

m2

Sieve mesh


-SiCp

15

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Mesh 40 Mesh120

Mesh180

Mesh220M

ean

of

sph

eri

city

Sample

SiC powder

Al-SiCp composite

Figura 4.20. Valoarea medie a raportului dimensional.

Rezultatele din Fig. 4.20 arată că raportul dimensional scade cu scăderea mărimii particulelor,

atât pentru particule libere cât și cele încorporate, practic, în același mod (11% în scădere pentru

particule libere și 6%, în scădere pentru particule încorporate, respectiv). De obicei, forma SiCp

devine mai regulată și mai aproape de formă sferică la dimensiuni mici, prin urmare, scăderea

raportului dimensional este normală. În toate cazurile, raportul dimensional al particulelor libere este

mai mică decât a particulelor încorporate, diferența fiind de aproximativ 17% [15% pentru cele mai

mari particule (40 mesh) și 19,6% pentru cea mai mică (220 mesh)]. Acest caz se referă la o anumită

reacție chimică ar putea fi să apară la limita SiCp

Sfericitatea medie pentru SiCp (pulbere) și încorporate SiCp în aluminiu sunt prezentate în

figura 4.21.

Figura 4.21. Valoarea medie a sfericității particulelor în funcție de dimensiune.

Particulele de SiCp (pulbere) extrase din sită au o valoare medie mai mare a intervalului de

sfericitate (4.441 ... 0,493) în comparație cu media intervalului de sfericitatea la particulele de SiCp

încorporată în topitura de aluminiu (0,255 ... 0,374). De obicei, particulele cu dimensiune redusă

prezintă un grad de uniformitate al sfericității mai mare, așa cum se arată în figura 4.21.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Mesh 40 Mesh120

Mesh180

Mesh220

Me

an a

spe

ct r

atio

Sample

SiC powder

Al-SiCp composite


-SiCp

16

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Mesh40

Mesh120

Mesh180

Mesh220

Me

an e

lon

gati

on

Sample

SiC powder

Al-SiCp composite

Figura 4. 22. Valoarea medie a alungiri particulelor de SiC

De obicei, alungirea medie a particulelor este invers proporțională cu media sfericității. În

figura 4.22 este clar că alungirea medie la particule mari este mai mare decât la particule mici. Se

constată că alungirea particulelor de SiCp (pulbere) este mult mai mare la particulele încorporate.

Aceasta se explică prin anumite reacții chimice care pot să apară între particulele de carbură de siliciu

și topitura din aliaj de aluminiu și formarea unui alt compus care rămâne în topitură, cum ar fi:

4Al + 3SiC Al4C3+ 3Si (4.8)

Stratul de reacție continuă al Al4C3 a avut loc la 900 ° C între aluminiu topit și carbură de

siliciu [115].

Al4C3 este format la interfața în timp ce Si se dizolvă în matricea Al care a dus la reducerea

valorii medii a factorului de alungire.

4.5. PROBELE DE ALUMINIU TURNATE CU STRAT DE COMPOZIT DE SiC

OBȚINUTE PRIN METODA TURNĂRII GRAVITAȚIONALĂ A TOPITURII DE Al ASUPRA

SANDWICH-URILOR DE PULBERE DE SiC - POLISTIREN (EXPERIMENT 1.b)

Polistirenul este un polimer sintetic aromatic (C8H8)n cu o densitate 0,96 - 1,04 g / cm3 și

temperatura de topire 240 ° C. Acesta conține carbon fix care nu arde chiar si la 1000 ° C. De aceea

în clusterii de particule se pot forma goluri (porozitate) dupa ce polistirenul arde și hidrogenul este

eliberat. Aceste porozități pot fi umplute cu aluminiu topit care poate duce la încorporarea mai bună

între topitură și particulele. Deși Hidrogenul eliberat din polistiren contracarează tendința de flotare

a particulelor de SiC favorizând reținerea acestora în topitură.

Figura 4.27 arată distribuția SiCp pe secțiunea probei în funcție de procentul volumului de

carbură de siliciu. De obicei, polistirenul are capacitatea de a se umfla. În timpul umflării, materialul

se schimbă dintr-un solid rigid, într-un hidrogel moale foarte umflat. Particulele de carbură de siliciu

interferează cu polistirenul și pot fi încorporate în topitura de aluminiu.


-SiCp

17

0

10

20

30

1% 2%

3% Par

ticl

es

die

nsi

ty (

no

. p

arti

cle

s), (

1/m

m2 )

Vol. % of SiCp addition

Figura 4.27. Micrografii optice ale crustei de compozit Al – SiCp – experiment 1.b (neatacat).

De obicei, particulele tind să se sedimenteze (datorită densității ridicate), mai mult decât să

floteze atunci când straturile de gaz sunt distruse, de aceea solidificarea rapidă a fost foarte

importantă pentru a preveni sedimentarea particulelor. Rezultatele din fig. 4,27 la 3 vol. % arată că

numărul de particule din topitura de Al este clar mărit cu adaosul procentual de SiCp.

Efectul cantității de material de ranforsare asupra densității particulelor materialului compozit

este prezentat în figura 4.28. Rezultatul arată că odată cu creșterea cantității de particule de SiC

adăugată crește și densitatea particulelor de SiC în stratul de compozit. O ușoară creștere a fost

observată la densitatea particulelor, deoarece particulele de carbură de siliciu au o valoare mai mare

decât aluminiu (densitatea Al este de 2,7 g / cm3 iar cea a SiCp este 3,21 g / cm

3). Proporția de spații

libere a materialului compozit scade odată cu creșterea cantității de material de ranforsare [116].

Figura 4.28. Densitatea particulelor de SiC în stratul compozit (experiment 1.b)

2vol. %

SiCp

1vol. %

SiCp

3vol. %

SiCp


-SiCp

18

y = -25x2 + 3.85x + 0.196

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0% 1% 2% 3%

Me

an s

ph

eri

city

Vol. % of SiCp

y = -2155x2 + 58.25x + 2.104

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0% 1% 2% 3%

Me

an e

lon

gati

on

Vol. % SiCp

După analiza probelor s-au obținut diferite densități ale particulelor de SiC în capătul barei. Se

poate observa că suprafața medie a particulelor a crescut de la 312.461 la μm2 la 1 vol.% de SiCp în

compozit la 606.833 μm2 la 3 vol.% de SiCp indicând astfel o creștere de mai mult de două ori.

Densitatea particulelor crește cu creșterea de procente adaos de SiCp. Aceasta se referă la creșterea

medie a ariei care permite mai mult de distribuție în topitură.

Diferitele măsurători ale coeficienților de formă sunt reprezentate grafic vs. procentul în

greutate de adaos pulbere SiCp în Figurile 4.30 și 4.31. Punctele de pe curbă pentru aceste cifre

corespund unei ecuații polinomiale de ordinul 2.

Figura 4.30. Efectul adaosului procentual de SiCp la sfericitate medie a SiCp .

Valoarea medie a a sfericității a crescut de la 0,232 la 1 vol. % SiCp la 0,289 la 3 vol. % SiCp.

Creșterea fracției de volum a particulelor de SiC reduce considerabil lungimea spiralei, iar reducerea

se datorează probabil creșterii vâscozității. Anumite elemente, cum ar fi Si și Mg, care se găsesc în

aliaj ar putea fi la interfața cu SiCp și pot cauza creșterea sfericității din cauza unor compuși.

Figure 4.31. Efectul adaosului procentual de SiCp asupra alungirii medii a particulelor de SiCp .

În figura 4.31, scăderea alungirii medie la creșterea procentului volumului SiCp este rezultatul

formei granulelor care se apropie de formă sferica, care este un rezultat al procesului de frecare și

eroziune între particulele.


-SiCp

19

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 1.5 2

Par

ticl

esd

en

sity

(n

o. p

arti

cle

s),

(1/m

m2)

Wt.% SiCp

commercial Al

Al-Si12

Al-Si12-Mg

4.6. METODA TURNĂRII PROBELOR DE ALUMINIU CU STRAT COMPOZIT DE Al -

SiCP OBȚINUT PRIN TURNAREA TOPITURII DE Al PESTE SANDWICH-URILE

DE PULBERE DE SiC – FOLII DE Al (EXPERIMENT 1.c)

4.6.1. Distribuția particulelor de SiC

Figure 4.37. Densitatea particulelor de carbură de siliciu în diferite aliaje .

Unele observații pot fi făcute cu privire la aceste tehnici de compozit Al-SiC: Conform

rezultatelor din figura 4.37 creșterea adaosului pulbere SiC în pahar conduce la creșterea lentă a

densității particulelor în eșantion. Acest lucru ar putea fi explicat prin scăderea temperaturii de

topire, deoarece asimilarea de folie Al necesită un consum ridicat de căldură, care duce la o scădere

a temperaturii topiturii. În acest mod foliile de Al nu sunt topite iar ca rezultat sandvișul pulbere de

SiC -Al va pluti fără asimilare. Așa că este necesară o bună corelație între temperatura de topire și

greutatea sandwich-ului. Mult mai mult, sandwich-ul trebuie să fie fixat la fundul matriței prin

mijloace mecanice;

- Atât alierea cu siliciu și în special Mg a dat o mai buna asimilare a pulberii SiC și ca rezultat a

fost obținută o densitate mai mare de particule SiC;

- După cum se știe, adaosul de magneziu îmbunătățește caracteristicile de umectare ale

compozitelor aluminiu alloy- SiCp datorită tensiunii superficiale mai mici. Magneziul acționează

ca un captator de oxigen, crescând astfel energia de suprafață a particulelor. Cu toate acestea,

magneziul nu trebuie adăugat în exces, deoarece acest lucru va forma compuși cu topire joasă,

care vor avea un efect negativ asupra proprietăților mecanice ale compozitului [57]. Adaos de

siliciu ar putea evita reacția dintre Al și SiC. Adăugarea Si la aluminiu previne formarea Al4C3,

dar nu afectează umectabilitatea între SiC și aluminiu. În reacție atât Si legat cât și cel liber

previn formarea Al4C3 și este eficient în promovarea umectabilității aluminiului lichid, în

intervalul de temperatură 700-1040 oC.


-SiCp

20

4.6.3. Procesul de solidificare a probelor

Adăugarea de particule de carbură de siliciu sau a unor elemente de aliere, cum ar fi Mg, Si în

aliaj de Al de obicei afectează atât morfologia cât și parametrii de răcire curbelor de solidificare a

compozitelor aliaje Al SiCP.

A fost realizată analiza automată a tuturor probelor în cadrul procesului de solidificare a fost

realizat. Aspectul curbei de răcire pentru cele trei aliaje este reprezentat în Figura 4.42-4.44.

Figure 4.42. Curba de răcire și prima sa derivată pentru Al -2wt.% adaos SiCp

(De asemenea, a se vedea tabelul 3.5).

Figure 4. 43. Curba de răcire și prima sa derivată pentru Al –Si12-2wt.% adaos SiCp



-SiCp

21

Figure 4. 44. Curba de răcire și prima sa derivată pentru Al –Si12-1.5Mg-2.0wt.% adaos SiCp


Adăugarea de Mg la compozitele cu Al-SiC are efecte benefice asupra caracteristicilor de

umectabilitate ale matricei datorită tensiunii superficiale reduse. Cantitatea optimă de Mg este de

aproximativ 1-1,5%, pentru a obține cea mai bună distribuție și proprietățile mecanice. Adaosul

reduce de asemenea, temperaturile în procesul de solidificare.

Calculul recalescencei la solidificarea Al sau eutecticului Al-Si

Bilanțul termic

Căldura specifică a SiCp este mai mare decât al topiturii din aliaj de aluminiu, prin urmare,

creșterea cantității SiCp din aliaj de Al determinat scăderea căldurii latente eliberate. În plus, căldura

sensibilă a compozit Al-SiCp a crescut ca urmare a creșterii de căldură specifică și acest lucru a dus

la scaderea cantitatii de caldura.

În tabelul 4.24 sunt prezentate valorile scăderii temperaturii topiturii de Al sub diferite

adaosuri de pulbere de SiC .

Table 4. 24. Valorile Qassim fără pierderi Tm Al matrix

As

După cum se poate observa în Tabelul 4.24, ΔTassim (scăderea temperaturii topiturii de Al) se mărește

odată cu creșterea conținutului de particule de carbură de siliciu din compozit. Se vede că valoarea

căldurii specifice a SiCp este mai mare decât căldura specifică a topiturii de Al, prin urmare,

creșterea conținutului SiCp a condus la scăderea căldurii latente eliberată la solidificare și reducerea

cantitaății de aluminiu lichid .

Wt. % SiCp Qassim, J ΔTassim, °C

1 1109.73 10.3

1.5 1513.95 14.1

2 1918.2 17.8


-SiCp

22

120

125

130

135

140

0 0.5 1 1.5 2 2.5

ΔT

tota

l lo

ss, °C

Wt. % SiCp

Figura 4. 48 arată pierderile totale ale temperaturii din cupă.

Figura 4. 48. Efectul wt. % SiCp privind pierderile totale de temperatură în cupe .

Analiza parametrilor curbei de răcire (a se vedea, de asemenea, tabelul 3.5 și tabelul 4.26)

Analiza evenimentelor curbei de răcire în timpul solidificării eșantioanelor a fost făcută cu

ajutorul primei derivate care arată pozitia evenimentului de pe curba de răcire. Rezultatele analizei

sunt prezentate în Tabelul 4.26.


-SiCp

23

Tabel 4. 26. Analiza curbelor de răcire A

L –S

iCp

Wt.% SiCp

TM °C /t(s)

T nucl. Al °C /t(s)

Tmin. Al cry

°C/t(s)

Tmax Al

cry

°C/t(s)

Tnucl. EUT °C/t(s)

T min EUT °C/t(s)

T max EUT

°C/t(s)

TES °C/t(s)

ΔTr

(Al cr)

ΔTr

(EUT)

0

875 696.31 650.58 652.42 638.75 636.56 635.95 583.48 1.84 -0.61

196.6 243.3 345.9 297.2 445 457.5 470.3 570.4 --- ---

1.0

874 687.1 651.69 652.2 638.09 636.37 635.98 580.7 0.51 -0.38

199.2 236 323.8 281.1 433.5 443.8 454.9 561.3 --- ---

1.5

865.19 686.18 651.68 651.78 637.66 635.8 635.13 575.68 0.10 0.66

190.7 225.1 298.2 262.3 409.2 420 431.8 541.3 --- ---

2.0

858.4 685.08 651.24 651.75 636.06 635.79 635.75 588.62 0.51 0.01

183.1 213.2 246.9 251.3 404.9 426.1 428.3 515.5 --- ---

AL-

Si1

2-S

iCP

0

785.58 604.62 590.67 594.37 578.24 565.4 566.06 470.98 3.7 0.66

263.9 337.8 353.9 373.5 425.3 443.5 461.5 902.7 --- ---

1.0

781.6 602.89 582.15 584.22 578.81 565.57 566.06 473.85 2.07 0.49

342.3 353.1 463.3 397.5 446.9 508.9 530.5 946 --- ---

1.5

784.16 597.03 581.89 584.42 577.55 565.09 565.69 462.82 2.53 0.6

268.9 324.7 338.6 355.2 383.8 429.3 446.8 912.8 --- ---

2.0

784.47 600.02 581.84 583.91 577.02 564.99 565.58 469.26 2.08 0.6

251.8 300.2 329.3 346.1 380.3 430 451 804.5 --- ---

AL-

S1i2

-1.5

Mg-

SiC

P

0

800.19 635.5 580.99 583.93 580.31 557.56 560.33 469.06 2.94 2.77

60.5 149.8 170.1 194.2 330.5 359.6 447.9 852.2 --- ---

1.0

790.37 629.67 580.95 583.04 579.96 557.23 559.95 464.73 2.09 2.72

47.8 83.2 73.5 112.9 243.8 230.6 293.5 633.2 --- ---

1.5

779.61 623.15 580.34 582.73 579.01 556.79 559.52 471.36 2.39 2.73

44.9 69.1 30.8 145.6 219.1 215.9 274.7 574.7 --- ---

2.0

784.56 623 580.17 582.92 568.66 557.84 560.05 469.23 2.76 2.21

36 71.9 117.6 137.6 208.2 269.5 328.6 600 --- ---

2.0 penetrated

Al foil

778.05 624.53 580.64 582.73 577.10 557.85 560.49 462.63 2.08 2.64

63.4 96.5 123.5 138.7 163 229 268.5 588.2 --- ---


-SiCp

24

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5

ΔT/

Δt

(°C

/s)

Wt. % SiCp

cr1

cr2

0

0.5

1

1.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

ΔT/

Δt

(°C

/s)

Wt. % SiCp

cr1

cr2

Viteza de răcire, la cristalizarea Al și cristalizarea eutecticului a crescut atunci când se adaugă

particule de carbură de siliciu. Creșterea procentului de SiCp duce la un timp mai scurt de

solidificare și reține SiCp pentru a încălzi interiorul particulelor. Topitura este rece și se solidifică în

zona îndepărtată a particulelor ca urmare a reducerii conductivității termice și difuzivității termice

efective a SiCp. Adăugarea de Mg la aliajului Al crește umectarea și îmbunătățește viteza de transfer

de căldură. Conductivitatea termică a SiCp, de obicei, a fost scăzută în comparație cu aliajul de

aluminiu. Aceasta afectează viteza de răcire. Figurile 4.62 până la 4. 64, arată viteza de răcire cu

diferite procente SiCp la diferite aliaje de Al.

Figure 4. 62. Efectul (wt.%) SiCp asupra vitezei de răcire la regiunile de cristalizare și eutectice ale Al

(Cr1=TM-Tmin EUT / tmin EUT – tM alloy, Cr2= Tmin EUT - TES / tEs – tmin EUT).

Particulele de carbură de siliciu joacă un rol dominant prin creșterea vitezei de răcire. Din

figura 4.62 se observa o viteză de răcire în creștere cu creșterea semnificativă a valorii SiCp în

topitura de Al. Viteza de răcire rezultată din curbele de răcire arată că creșterea particulelor de SiC

în topitura de Al au coborât temperatura lichidelor (vezi tabelul 4.26). Aceasta poate fi atribuită

condiției de nucleație nefavorabilă a aluminiului primar predominantă la suprafața particulelor de

armare și depresiunea din punctul de solidificare datorită prezenței armaturii.

Figure 4. 63. Efectul (wt.%) SiCp privind viteza de răcire la cristalizare din regiunea eutectică

a aliajului Al –Si12 (Cr1=TM-Tmin EUT / tmin EUT – tM alloy, Cr2= Tmin EUT - TES / tEs – tmin EUT) .


-SiCp

25

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5

ΔT/

Δt

(°C

/s)

Wt. % SiCp

cr1cr2

În timpul solidificării, concentrația atomilor de Si în faza lichidă lângă interfața solid-lichid

crește viteza de răcire. Acest lucru este clar în Figura 4.64.

Fig. 4. 64. Efectul (wt.%) SiCp privind viteza de răcire la cristalizare din regiunea eutectică

a aliajului Al Si12-Mg (Cr1=TM-Tmin EUT / tmin EUT – tM alloy, Cr2= Tmin EUT - TES / tEs – tmin EUT) .

Căldura specifică a SiCp este mai mare decât cea a aliajului de Al. Creșterea adaosului de SiCp

în aliajul de Al a condus la observarea căldurii latente în procesul de solidificare și a scăzut

cantitatea de lichid în unitatea de volum. Pe de altă parte, căldura sensibilă a compozitului topit

crește, datorită creșterii căldurii specifice. Viteza de răcire în compozitul Al-Si12-Mg-SiCp este mai

mare decât în compozitul de Al-SiCp și compozitul de Al-Si12-SiCp deoarece magneziul joaca rolul

important. Deteriorarea mecanismului de nucleație și creștere a elementului constitutiv micro asociat

cu prezența Mg în aliaj acționează ca un agent de nucleere și a afectat viteza de răcire a

compozitului Al-Si12-Mg-SiCp.

4.8. ANALIZA PRIN MICROSCOPIE ELECTRONICĂ DE BALEIAJ (SEM) (experiment 1.a –

probă obținută cu sită de 220 mesh)

Două tipuri de particule au fost identificate prin tehnica SEM :

a. Fir de sită nedezintegrată conținând liant pe suport textil și particule de SiC;

b. Particule de SiC încorporate în matricea de Al provenind din firele din sita de SiC

dezintegrată

Ambele poziții analizate și compoziția chimică a acestora sunt prezentate în tabelul 4.35 în timp ce

scanarea cu raze X este prezentat în Fig. 4,70 și 4,71, respectiv. Unele comentarii au putut fi făcute

în urma analizării acestor rezultate după cum urmează.

După cum din tabelul 4.35 se poate observa unele rămășite de sită nedezintegrată de SiC s-au găsit

ca fire cu particule de SiC lipite. Formele poligonale au fost considerate a fi particule de SiC legate,

din cauza conținutului lor ridicat de siliciu și prezența carbonului în ciuda conținutului mai scăzut al

ultimului.Conținutul de oxigen foarte mare (mult mai mult decât la echilibru cu siliciu), atât în zona

particulelor de SiC cât și în spațiul dintre ele sugerează prezența SiO2 ca urmare a oxidării

particulelor de SiC și / sau din alte surse externe. O parte din oxigen ar putea fi legat de Al, care este


-SiCp

26

prezent în special în zona dintre particulele de SiC. O compozitie chimica mult mai complexă a fost

înregistrată în spațiul dintre particulele de SiC, care este matricea firului textil. Acest lucru poate fi

explicat dacă se iau în considerare suportul textil și adezivul acestuia.

Prezența firelor de sită nedezintegrate în matricea de aluminiu sugerează o temperatură insuficientă

a topiturii de Al cauzată de o temperatură de turnare scăzută sau o viteză scăzută de turnare. În acest

sens sunt necesare mult mai multe experimente pentru stabilirea valorilor optime ale parametrilor

turnarii topiturii de Al.

Particulele de SiC înglobate au o compoziție specifică SiC (siliciu mai mare și un nivel mai scăzut

de carbon), dar, de asemenea, cu un conținut relativ ridicat de oxigen, ceea ce sugerează oxidarea

SiC. Prezența Al în compoziția particulelor de SiC poate fi atribuită posibilității formării compusului

Al4C3 ca urmare a reacției dintre topitura de Al și particule de SiC la temperatură ridicată (vezi rel.

1.16). Semnalul Al ar putea, de asemenea, proveni din matricea de Al dacă grosimea particulelor

SiC este foarte mică. Nivelul scăzut al carbonului din SiC este atribuit nivelului de precizie scăzut al

instrumentului inferior pentru elementele ușoare, cum ar fi determinarea carbonului. Cu toate

acestea se poate observa o suprapunere mai bună a hărții carbonului pe harta siliciului în comparație

cu cea a oxigenului. Semnalul de oxigen provine în special din zona înconjurătoare particulelor de

SiC.

Analiza EDAX pe suprafața matricei de Al prezintă o compoziție sepcifică de aluminiu comercial,

având ceva Mg și Fe în compoziție. După cum se știe, Mg este considerat ca un element benefic

datorită influenței sale favorabile asupra înglobării particulelor de SiC în timp ce Fe este considerat

ca un element nociv din cauza precipitării fazelor de fier fragile la solidificarea aluminiului.

Cercetări privind posibilitatea obținerii pieselor turnate din aliaj de aluminiu cu strat superficial din compozit Al -SiCp

27

Non disintegrated SiC sieve wire with bonded SiC particles Embeded in Al matrix SiC particles Al matrix area

Pos. 1- SiC particle Pos. 2-wire matrix Pos.3-wire matrix Singular SiC particle Aglomerated particles

Chemical composition

Wt. % A. wt. % Wt. % A. wt. % Wt. % A. wt. % Wt. % A. wt. % Wt. % A. wt. % Wt. % A. wt. %

Al Al Al Al Al Al

0.38 0.26 28.19 18.84 10.95 7.37 5.69 4.11 2.58 1.51 98.71 97.99

C C C C C C

8.06 12.52 20.08 30.13 17.60 26.62 6.65 10.80 48.72 64.14 --- ---

Si Si Si Si Si Si

38.99 25.91 11.00 7.06 18.86 12.20 41.35 28.69 31.62 17.80 0.87 0.84

Mg Mg Mg Mg Mg Mg

--- --- --- --- 0.31 0.23 --- --- --- --- 0.77 0.86

O O O O O O

52.56 61.31 38.40 43.28 44.65 50.71 15.06 20.05 15.94 15.75 --- ---

Tabel 4. 35. Compoziția chimică a diferitelor zone de interes

Cercetări privind posibilitatea obținerii pieselor turnate din aliaj de aluminiu cu strat superficial din compozit Al -SiCp

28

Ca Ca Ca Ca Ca Ca

--- --- --- --- 1.00 0.45 --- --- --- --- --- ---

Fe Fe Fe Fe Fe Fe

--- --- 0.99 0.32 3.40 1.11 1.32 0.50 --- --- 0.64 0.31

Ti Ti Ti Ti Ti Ti

--- --- --- --- 1.81 0.69 --- --- --- --- --- ---

Na Na Na Na Na Na

--- --- --- --- --- --- --- --- 1.15 0.79 --- ---

Zn Zn Zn Zn Zn Zn

--- --- 1.34 0.37 0.22 0.06 --- --- --- --- ---

---

S S S S S S

--- --- --- --- 0.04 0.02 --- --- --- --- --- ---

K K K K K K

--- --- --- --- 1.16 0.54 --- --- --- --- --- ---

Cercetări privind posibilitatea obținerii pieselor turnate din aliaj de aluminiu cu strat superficial din

compozit Al -SiCp

29

Fig. 4. 70. Imagine compo și cartografierea firului sitei de SiC de sită încorporat în matrice de Al

și distribuția elementelor .


compozit Al -SiCp

30

Fig. 4. 71. Imagine compo și cartografierea particulelor de SiC înglobate în matricea de Al și distribuția

elementelor.


compozit Al -SiCp

31

Concluzii

5.2. CERCETARE EXPERIMENTALĂ PROPRIE

Determinarea coeficientului volumetric al particulelor de carbură de siliciu, factorului de

formă, accelerației și vitezei de sedimentare

Particulele piramidale triunghiulare au valorile minime ale accelerației critice comparativ

cu alte forme, cu aproape aceeași valoare pentru particule sferice.

Particulele piramidale (bază hexagonală), au o valoare mai mare a coeficient de formă

volumetric decât alte forme care au o margine dreaptă, cum ar fi prisme triunghiulare ,

prisme dreptunghiulare , piramidă pătratică etc.

Coeficienți volumetrici de formă ai cilindrului sunt mai mari decât alte valori ale

coeficientului de formă volumetric pentru alte particule care au o formă rotundă.

Viteza de sedimentare pentru toate formele de SiCp din aliaj de Al este mai mică decât în

aliajele Al-4 Mg și Al-2Si, deoarece fluiditatea acestor aliaje este mai mare decât

fluiditatea Al, ca urmare a existenței Si și Mg.

Probe turnate din aluminiu cu strat de compozit Al-SiC, obținute prin turnarea

gravitațională a topiturii de Al într-o matrița de nisip căptușită cu sită de SiC (experiment

1.a)

Mărimea optimă a particulelor SiC este de 40 mesh, ceea ce asigură o densitate mai mare

de particule pe topitura de aluminiu.

Raportul mediu al factorului dimensional al particulelor mici de SiCp (220 mesh) este mai

mic decât al particulelor mari, deoarece raportul dintre lungime și lățime scade în SiCp iar

ca rezultat particulele se apropie ca formă de sferă.

Sa constatat că alungirea medie a particulelor de SiCp libere (pulbere) este mult mai mare,

în comparație cu cea a particulelor de SiCp încorporate în matricea de aluminiu.

Valorile factorului de formă ale particulelor libere (pulbere) sunt constante mai mari decât

valorile similare pentru particulele de SiC încorporate în matricea Al.

Grosimea stratului compozit obținut prin utilizarea particulelor SiC extrase din sită (40

mesh) este mai mare decât alte dimensiuni de sită.

Probe turnate din aluminiu cu strat de compozit Al-SiC, obținute prin turnarea

gravitațională a topiturii de Al peste un sandviș de pulbere de SiC - polistiren (experiment

1.b).

Prin turnarea de Al topit peste sistemul de tip sandwich SiCp-polistiren, polistirenul trece

de la o stare solidă rigidă într-un hidrogel moale foarte umflat. Particulele de carbură de

siliciu s-au amestecat cu polistirenul si pot fi introduse în topitura de aluminiu.


compozit Al -SiCp

32

Creștere ușoară a fost observată în densitatea particulelor când conținutul de particule de

carbură de siliciu a fost crescută treptat.

Suprafața medie a penetrării particulelor SiCp în sistemul sandwich cu Al-SiCp-polistiren a

crescut de la 312.461 μm2 la 1 vol. % adaos de SiCp la 606.833 μm

2 pentru 3 vol. % adaos

de SiCp.

Raportul dimensional mediu și elongația medie sunt scăzute atunci când conținutul SiCp a

crescut în compozitul Al-SiCp-polistiren tip sandwich timp ce valoarea medie a sfericității

si factorul de formă mediu de SiCp sunt crescute.

Probe turnate din aluminiu cu strat de compozit de Al – SiC obținut prin turnarea topiturii

de Al peste un sandwich din pulbere de SiC – folii de Al (experimen 1.c)

• Atât siliciu și mai ales alierea Mg a dat o asimilare mai bună a pulberii SiC și ca rezultat; se

obține o densitate mai mare de particule de SiC.

• Alungirea medie și raportul dimensional al SiCp scade odată cu creșterea în procente în greutate

a adaosului de SiCp.

• raportul dimensional al particulelor de SiC în compozitul SiCp în Al este mai mic decât în

probele unde s-a utilizat Al-Si12 și Al-Mg Si12-1.5 ca matrice.

• Creșterea % de SiCp, de obicei, îmbunătățește factorul de formă și sfericitatea medie a SiCp.

• Creșterea sfericității SiCp poate fi observată mai mult la aliajul Al-Mg-Si12 decât în alte

matrici.

• O pierdere însemnată de căldură prin convecție, radiație, și peretele formei are loc în timpul

procesului de turnare și solidificare.

• Prezența SiCp produce o creștere a fazei de Al nucleată datorita eliberarii căldurii latente în

timpul de solidificare și diferența de energie termică specifică între SiCp și topitura de Al.

• O scădere ușoară în temperatură de cristalizare maximă și a temperaturii minime la eutectic s-a

observat când a fost făcut adaosul de SiCp pentru toate tipurile de aliaje de aluminiu. Acest lucru

este cauzat de creștere în viteza de răcire în timpul procesului de solidificare.

• Valorile Δt1, Δt2, Δt3, Δt4, Δtr EUT, și Δtt au scăzut atunci când a crescut adaosul de SiCp

pentru toate tipurile de aliaje utilizate la prepararea compozitelor.

• Viteza de răcire la cristalizare în zona Al și cristalizarea eutectică a crescut atunci când crește

procentul de SiCp.

Creșterea adaosului de SiCp duce la creșterea grosimii stratului de compozit .

Analiza SEM

S-a înregistrat un nivel mai ridicat de siliciu și mai scăzut de carbon în particulele de

SiC provenite atât din resturi de sită de SiC cât și cele încorporate matricea de Al.

Aceasta este o dovadă a identificării particulelor de SiC atât în firele de sită de SiC cât și

în stratul compozit de matrice de Al-SiC;


compozit Al -SiCp

33

Nivelul ridicat de oxigen (cu mult mai mult decât la echilibru siliciu), atât în zona

particulelor de SiC și în spațiul dintre ele sugerează în prezența SiO2 ca urmare a oxidării

particulelor de SiC și / sau alte surse externe;

Prezența Al în unele particule de SiC poate fi atribuită posibilitatea formării compusului

Al4C3 ca urmare a reacției dintre topitura de Al și particule SiC la temperatură ridicată

(vezi rel 1.16.);

Prezența resturilor de sită care nu s-au dezintegrat din SiC în matricea de aluminiu poate

fi considerată ca un defect în structura stratului compozit Al-SiC și sugerează o

temperatură insuficientă a topiturii de Al cauzată de o temperatură de turnare scăzută sau

o viteză de turnare scăzută. În acest sens sunt necesare pentru stabilirea valorilor optime

ale parametrilor de turnare a topiturii de Al mult mai multe experimente.

5.3. CONTRIBUȚII ORIGINALE ȘI DIRECȚII DE CERCETARE

VIITOARE

Principalele contribuții originale în această teză sunt următoarele :

Actualizarea analizei literaturii de specialitate în domeniul materialelor compozite aliaje

de Al - SiCp;

Efectuarea de calcule teoretice atât asupra coeficientului de formă volumetric și

factorului de formă pentru diferite forme de particule de carbură de siliciu pentru a le

corela cu comportarea particulelor de SiC în aliajul de Al se topesc luându-se în

considerare noua tehnică propusă pentru obținerea compozitului Al-SiC;

Determinarea prin calcul teoretic a vitezei de sedimentare cât și accelerației pentru

diferite forme de particule de carbură de siliciu, atât în aluminiu cât și aliaje de aluminiu.

Obținerea în condiții de laborator a probelor turnate din Al cu crustă compozit din Al-SiC

folosind tehnica adăugării în formă. Trei moduri de adăugare a particulelor de carbură de

siliciu în topitură din aliaj de Al s-au folosit în acest motiv:

a) adăugarea de particule SiC ca particule legate pe suport textil;

b) adăugarea de particule SiC ca sandwich-uri pulbere de SiC - polistiren;

c) adăugarea de particule SiC ca sandwich-uri pulbere de SiC - folii de Al.

Caracterizarea stratului superficial de compozit Al-SiC, atât din punctul metalografic și

din punct de vedere mecanic ;

Măsurători experimentale asupra parametrilor curbelor de răcire ale pieselor turnate din

Al cu strat compozit Al-SiC

Luând în considerare originalitatea noii tehnici de obținere a compozitului Al-SiC sunt

necesare unele cercetări specifice în viitor pentru a finaliza atât aspectele teoretice și

tehnologice ale acestei tehnici, cum ar fi:

a) Cercetări privind mecanismul înglobării particulelor de SiC în matricea de aliaj de Al;


compozit Al -SiCp

34

b) Studiu privind posibilitățile de a îmbunătăți compatibilitatea Al-SiC, în condițiile de

scădere drastică a temperaturii topiturii de Al în timpul umplerii matriței

c) Studiu privind corelația dintre morfologia particulelor și comportamentul lor în

topitura de Al;

d) Studiu privind aspectele tehnologice ale implementării acestei tehnici la nivel

industrial.

Diseminarea rezultatelor cercetarii

Scientific papers published

1. Muna NOORI, Hazim FALEH, Mihai CHISAMERA, Florin STEFANESCU and

Gigel NEAGU, Wettability of Silicon Carbide Particles by the Aluminum Melts in

Producing Al-SiC Composites, Advanced Materials Research, ISSN:1662-8985,

VOL. 1128, pp. 149-155.

2. Hazim FALEH, Muna NOORI and Florin STEFANESCU, Properties and

Applications of Aluminum - Graphite Composites, Advanced Materials Research,

ISSN: 1662-8985, VOL. 1128, pp.134-143.

Scientific papers accepted to published

1. Muna Noori, Hazim Faleh, Mihai Chisamera, Gigel Neagu, Florin Stefanescu and

Eduard Marius Stefan, Properties of Al-SiCp composites (review), "Dunarea de Jos"

University of Galati, International Conference on Material Science, 7th

Edition,

19th

-21st May 2016. Paper published in advanced material research-ISI

journal/proceeding.

2. Hazim FALEH, Muna NOORI, Florin STEFANESCU, Gigel NEAGU and Eduard

Marius STEFAN, Wettability in Aluminum-graphite particles composite (review),

"Dunarea de Jos" University of Galati, International Conference on Material

Science, 7th

Edition, 19th

-21st May 2016. Paper published in advanced material

research-ISI journal/proceeding.

3. Muna Noori, Hazim Faleh, Mihai Chisamera, Neagu, Stefanescu Florin, Stefan

Eduard Marius, SOME ASPECTS CONCERNING A NEW POSSIBILITY OF Al-

SiCP COMPOSITE PRODUCTION, U.P.B. Scientific Bulletin, Series B,

Chemistry and Mterials Science, Vol. …., pp…….., ISSN 1454-2331.

4. Hazim Faleh, Muna Noori, Florin Stefanescu, Mihai Chisamera, Gigel Neagu,

EXPERIMENTAL RESEARCH CONCERNING A NEW METHOD TO

PRODUCE ALUMINIUM ALLOY-GRAPHITE PARTICLE COMPOSITE IN

SUPERFICIAL LAYERS, U.P.B. Scientific Bulletin, Series B, Chemistry and

Mterials Science, Vol. …., pp…….., ISSN 1454-2331.


compozit Al -SiCp

35

Referințe

[1] W. Zhou and Z. M. Xu, “Casting of SiC Reinforced Metal Matrix Composites”, W. Zhou, Z.M. Xu /

Journal of Materials Processing Technology 63,1997, pp. 358-363.

[8] J.M. Monaghan, "The Use of Quick Stop Test to Study the Chip Formation of a SiC/Al Metal Matrix

Composite and its Matrix Alloy", Journal of Processing of Advanced Materials, vol. 4, 1994, pp.

170- 1 79.

[46] E.S. Folias and M. Hohn, T. Nicholas, International Journal of Fracture, 93, 1998, pp. 335.

[47] G. Arslan and A. Kalemtas, “Processing of silicon carbide–boron carbide–Aluminum composites”,

Journal of the European Ceramic Society 29, 2009, pp. 473–480.

[48] A. Sangghaleh and M. Halali, “An Investigation on the Wetting of Polycrystalline Alumina and

Aluminum”, J. Mat. Proc. Tech. vol. 197, 2008, pp. 156-160.

[49] F. Delannay, L. Froyen andA.Deruyttere, “The wetting of solids by molten metals and its relation to

the preparation of metal-matrix composites”, J. Mater. Sci., 1987, 22, pp. 1-16.

[50] P. Shen., H. Fujii, T. Matsumoto and K. Nogi, “Critical factors affecting the wettability of α-alumina

by metal Aluminum”, J. Am. Ceram. Soc., 2004, 87(11), pp. 2151-2159.

[51] J. A. Schey, “Introduction to Manufacturing Processes” 3rd ed . Mcgraw-Hill International, Inc. 6,

2000, pp..164.

[52] L.E. Murr, “Interfacial Phenomena in Metals and Alloys”, Wesley Publishing Co., 1975, pp. 87-89.

[54b] Muna NOORI, Hazim FALEH, Mihai CHISAMERA, Florin STEFANESCU and Gigel NEAGU,

"Wettability of Silicon Carbide Particles by the Aluminum Melts in Producing Al-SiC

Composites”, Advanced Materials Research, ISSN:1662-8985, VOL. 1128, pp. 149-155.

[55] B.J. Keene, “Review of data of surface tension of pure metals”, International Materials Review 38/4,

1993, pp. 157-192.

[57] J. Hashim, L. Looney and M. Hashmi, “The wettability of SiC particles by molten Aluminum

alloy”, J. Mater. Process Technol., 119 (1-3), 2001, pp. 324-328.

[111] P. Shen, H. Fujii, T. Matsumoto and K. Nogi, “Influence of substrate crystallographic orientation on

the wettability and adhesion of α-Al2O3 single crystals by liquid Al and Cu”, J. Mat. Sc. 40, 2005.

[112] J. Florea, D. Robescu, T. Petrovici and D. Stamatoiu, “Dinamica fluidelor polifazice si aplicatiile

ei tehnice”.

[113] D. Poirier and K. Yeum, “The density of molten Al-Si alloy”, Light metals 12, 1988, pp. 469-476.

[114] P. J. Lioyd, The characterization of particle shape, in P. J. Lioyd (ed.): Particle size analysis 1988.

Wiley, Chichester 1988.

[115] A. Urena, E.E. Martınez, P. Rodrigo and L. Gil, “Oxidation treatments for SiC particles used as

reinforcement in Aluminum matrix composites”, Composites Science and Technology 64, 2004,

1843–1854.

[116] A. G. Baker, “Study of Mechanical and Physical Properties for SiC/Al Composites”, International

Journal of Advances in Applied Sciences (IJAAS) vol. 2, No. 2, June 2013, pp. 67~72 ISSN: 2252-

8814.

universitatea politehnica din bucurești - sim.pub.ro · turnarea topiturii de aluminiu în...

Documents