Fémkompozitok. Szerzı: Dr. Gácsi Zoltán Dr. Benke Márton. Lektor: Dr. Hargitai Hajnalka. Az ábrákat készítette: Bendász Ernı és Bendász Péter

Fémkompozitok

Szerzı: Dr. Gácsi Zoltán Dr. Benke Márton Lektor:

Dr. Hargitai Hajnalka

Az ábrákat készítette: Bendász Ernı és Bendász Péter

)HMH]HWHN 1.

Bevezetés a fémkompozitok világába

2.

A fémkompozitok gyártási technológiái

3.

A fémkompozitok vizsgálatai

( ) $

1. Bevezetés a fémkompozitok világába

( ) $

• Bevezetés a fémkompozitok világába. • A fémkompozitok gyártási technológiái. • A fémkompozitok vizsgálatai.

Fémkompozitok

•

Mit nevezünk fémkompozitnak?

•

Mire használják ezeket az anyagokat?

•

Milyen elĘnyei vannak az alkalmazásának?

•

Hogyan állítják elĘ?

•

Melyek a fejlesztési irányok?

•

Milyenek a jövĘ lehetĘségei?

( ) $

4/107

Alumínium alapanyagú, kerámia részecskékkel erĘsített kompozit


A kompozitok alkotó részei

5/107

A kompozit olyan összetett anyag, amelyet a hagyományos (monolit) anyagok (fém, kerámia, polimer) mesterséges egyesítésével állítunk elĘ.

( ) $


Az alapanyag és a második fázis

6/107

Alapanyag (mátrix) + Második fázis = Kompozit Melyik alkotó a mátrix és melyik az erĘsítĘ fázis?

A mátrix és az erĘsítĘ fázis aránya a kétkomponensĦ kompozit anyagokon belül Kompozit anyagokban az az összetevĘ az alapanyag, amelyik a kompozit alapvetĘ tulajdonságait adja. Folytonos anyag, terhelésközvetítĘ komponens, körbeveszi az erĘsítĘ ( teherviselĘ) összetevĘt.

( ) $


A kompozitok morfológiai csoportosítása

Szemcse erĘsítésĦ kompozitok

7/107

•

Izotróp anyagok

•

Általában nyomással szemben ellenállóak

Szemcsés kompozit pl. a beton, a fogászati tömĘanyagok, vagy a SiC erĘsítésĦ alumínium.

( ) $


( ) $


SzálerĘsítésĦ kompozitok izotróp kompozitok

8/107

•

Szálak iránya rendezetlen

•

Izotróp

•

Húzó igénybevétellel szembeni ellenállóképesség


( ) $


SzálerĘsítésĦ kompozitok anizotróp kompozitok

9/107

•

Irányított szálak

•

Anizotróp

•

Szálirányú húzó igénybevétellel szembeni ellenállóképesség



SzálerĘsítésĦ kompozitok több irányú erĘsítéssel

10/107

•

Irányított szálak

•

Anizotróp

•

Húzó igénybevétellel szembeni ellenállóképesség

Több irányban erĘsített szálerĘsítésĦ kompozit pl. a vasbeton, illetve a komolyabb sílecek, snowboardok is tartalmaznak karbon és üvegszál szövetet

( ) $



Lemezes kompozitok •

Anizotróp

•

Hajlítással szemben ellenálló

11/107

A réteges, vagy más néven szendvicsszerkezeteket nem csak a kompozitoknál alkalmazzák, hanem egy anyagból álló szerkezeteknél (pl. farost lemez)

( ) $



Felületi bevonatok •

Környezettel szembeni védelem

•

Mechanikai erĘsítés

12/107

A környezettel szembeni védelem esetében fontos, hogy a réteg összefüggĘ legyen. Ha a réteg integritása megszĦnik, a kompozit tulajdonságai drasztikusan leromlanak.

( ) $


( ) $

Fémek tulajdonságai

13/107


( ) $

Fémek tulajdonságainak módosítása

14/107


( ) $

Fémkompozitok második fázisainak tulajdonságai

15/107


Fémkompozitok alkalmazásának elĘnyei

16/107

Az összetevĘk tulajdonságainak különleges kombinációját valósítják meg. Nagy szilárdság – kis sĦrĦség – jó hĘvezetĘ képesség. Jó hĘvezetĘ képesség – kis hĘtágulási együttható – nagy szilárdság.

Al-20% SiC kompozit és szürke öntöttvas összehasonlítása (fék rotor)

( ) $


Fémkompozitok alkalmazásának elĘnyei •

A kompozitok tulajdonságai elĘre tervezhetĘk.

•

A kompozitok tulajdonságai egy adott összetételi tartományon, illetve távolságon belül folyamatosan változtathatók.

•

Olyan különleges tulajdonság együttessel rendelkezĘ fémkompozit is létrehozható, amelyet más módon nem tudunk elĘállítani.

A hĘtágulási együttható változása a SiC mennyiségének függvényében

( ) $

17/107


( ) $

Fémkompozitok alkalmazásának területei

18/107



Energia-elnyelĘ elemek

•

GépjármĦ-motor alkatrészek, ill. könnyĦszerkezeti elemek fémhabból

•

ElĘnyük, hogy rendkívül könnyĦek, ugyanakkor erĘs mechanikai behatáskor rengeteg energiát képesek disszipálni, vagyis ütközéseknél a mozgási energia nagy részét képesek elemészteni

( ) $

19/107



Mikroprocesszor burkolat Al/SiC szemcsés kompozitból

Mikroprocesszor burkolat Al/SiC szemcsés kompozitból Device: Si, GeAs; BGA: kontaktus, fém; AlSiC Lid: fedél Heat sink: hütĘborda, PCB: nyomtatott áramkör

( ) $

20/107


( ) $


Mikroprocesszor burkolat Al/SiC szemcsés kompozitból

21/107

2. A fémkompozitok gyártási technológiái. • • •

( ) $

Öntészeti módszerek. Fémolvadék infiltráció. Porkohászat.


Öntészeti módszerek

Öntészeti módszer - keverés

•

Alapanyag megolvasztása

•

ErĘsítĘ részecskék bekeverése

•

Öntés

Öntészeti módszer-keverés

( ) $

23/107


( ) $


Az erĘsítĘ részecskék eloszlatásának technológiája

24/107


( ) $


Az erĘsítĘ részecskék eloszlatása centrifugál öntéssel

25/107



A keverés paraméterei

26/107

•

Az olvasztótégelyben megolvasztott alumíniumba (hĘmérséklete: 800900 °C fokozatosan adagolják a SiC-ot (h Ęmérséklete: 600- 700 °C, mennyisége: 50-60 g/min).

•

A keveredést a rozsdamentes acélból készült, molibdén bevonatú keverĘlapát biztosítja (800-900 1/min).

•

Az Al oxidációjának elkerülése érdekében a mĦveletet folyamatos Ar védĘgáz befúvatása kíséri.

( ) $



Nyomásos öntészeti módszer alakadás

•

MMC (Metal Matrix Composite) olvadék öntése a formaüregbe

•

Nyomásos öntés

•

Termék eltávolítása

Nyomásos öntészeti módszer

( ) $

27/107


( ) $


A nyomásos öntés technológiája

28/107



Nyomásos öntés paraméterei

•

A forma hĘmérséklete:

200-300 °C

•

Öntési hĘmérséklet:

700-800 °C

•

Sajtolási nyomás:

90-100 MPa

•

A sajtolás ideje:

60 sec

( ) $

29/107


Fémolvadék infiltráció


Fémolvadék infiltráció ( ) $

30/107


( ) $


Az infiltrációs kompozitgyártás technológiája

31/107



Gyártási paraméterek

32/107

20-30 térfogat% SiC tartalmú Al 10Si-Mg mátrixú kompozitok infiltrációs elĘállítása •

Alumínium felolvasztása 750 °C-fokon.

•

Az olvadék magnézium tartalma reakcióba lép az atmoszféra nitrogénjével és magnézium nitrideket képez (Mg3N2).

•

A magnézium nitrid jelenléte elĘsegíti az alumínium beszivárgását az elĘformába nyomás és vákuum alkalmazása nélkül.

•

Az infiltráció során a magnézium nitrid mennyisége csökken, mert kis mennyiségben alumínium nitriddé alakul.

( ) $


( ) $


Folyamatos infiltrációs kompozitgyártás

33/107

•

Nagynyomású infiltrációs kompozitgyártás elĘnye, hogy a mátrix és az erĘsítĘ szál közötti rossz nedvesítés ellenére megfelelĘ minĘségĦ kompozit készíthetĘ.

•

A rossz nedvesítést az olvadt fém mátrix feletti védĘgáz nagy nyomásával helyettesítik.


( ) $


A folyamatos infiltrációs kompozitgyártás technológiája

34/107


Porkohászat

A porkohászati eljárás lépései

•

A gyártás során tiszta vagy ötvözött port, és szintén por formájában jelenlévĘ erĘsítĘfázist kevernek össze.

•

A keveréket megfelelĘen kialakított üreges szerszámban a kívánt alakra sajtolják.

•

A sajtolás után az aránylag kis szilárdságú félkész terméket ellenĘrzött atmoszférájú kemencében szinterelik, hogy a részecskék között kötĘerĘ alakuljon ki.

•

Esetleg másodlagos alakítási és/vagy hĘkezelési mĦveleteket végeznek.

( ) $

35/107


Porkohászat

A porkohászati kompozitgyártás

36/107

Alapanyagok összekeverése

Préselés

Színterelés Porkohászat

( ) $

Másodlagos kezelés(ek)


Porkohászat

A porkohászati kompozitgyártás elĘnyei

37/107

•

Kiküszöböli vagy minimalizálja a gépi megmunkálást, csökkenti az anyagveszteséget

•

LehetĘséget ad az ötvezetek széles skálájának elĘállítására

•

Jó felületi minĘséget biztosít

•

Olyan anyagokat hoz létre, amelyek hĘkezelhetĘek a nagyobb szilárdság és kopásállóság elérése érdekében

•

A kialakuló porozitás szabályozható

•

Lehetséges olyan összetett vagy egyedi alakkal rendelkezĘ alkatrészek gyártása, amelyre más fémfeldolgozó eljárásokkal nincs lehetĘség

•

Nagy biztonsággal alkalmazható olyan alkatrészek anyagaként, amelyek kritikus mĦködési feltételek mellett üzemelnek

( ) $


Porkohászat

Porkohászati kompozitok

38/107

•

Tóriumozott wolfrám: W+néhány százalék ThO2 nĘ a huzal melegszilárdsága, nagyobb az elektronemisszió.

•

Elektromos érintkezĘk anyagai: jó hĘ- és elektromos vezetĘ – képesség, kopással szembeni ellenállóképesség és az ívképzĘdésre való kis hajlam. Például Ag-C, Cu-W és W-Ag kompozitok.

•

Nikkel alapú ötvözetek: oxidok adagolásával érik el a mechanikai erĘsítést.

( ) $


Porkohászat

Porkohászati kompozitok

39/107

•

Diszperziós nukleáris fĦtĘanyagok: ilyen anyagok például az alumínium mátrixba ágyazott hasadóképes urán kompozitok. A mátrix elĘsegíti a mozgathatóságot, javítja a korrózióval szembeni ellenállást, stb.

•

Szerszámalapanyag: Viszonylag alacsony a mátrixfém mennyisége, szerepe fĘként a keményfém részecskék összekötésében, illetve a hĘátadás elĘsegítésében van. ElsĘsorban szerszámok alapanyagai (Co+WC).

•

Al/SiC kompozit: Nagy szilárdsággal, kis tömeggel rendelkeznek, ellenállóak a korrózióval szemben és magas az elektromos- és a hĘvezetĘképességük.

( ) $


( ) $

Porkohászat

Az alapanyag por méreteloszlása

40/107


Porkohászat

Az alapanyag por további tulajdonságai

41/107

•

A por töltĘsĦrĦsége az egységnyi térfogatú ömlesztett (nem tömörített) fémpor tömege. Tulajdonképpen a porrészecskék elrendezĘdési sĦrĦségét fejezi ki, az anyag sĦrĦsége és a tényleges térkitöltés határozzák meg. Mértékegysége: g/cm3.

•

Kifolyási idĘ (függ a szemcsenagyság-eloszlástól, a szemcsék alakjától, a súrlódási tényezĘtĘl és az adszorbeált nedvességtartalomtól). Mértékegysége: s.

•

Sajtolhatóság (szemcseméret, fajlagos felület, kisebb és nagyobb méretĦ részecskéket egyaránt tartalmazó fémpor rendszerint jól sajtolható)

( ) $


Porkohászat

Az alapanyag por elĘkészítése

42/107

•

Ha a fémpor szemnagyság eloszlása sem megfelelĘ, akkor szitálással frakciókra bontják, majd ezeket a különbözĘ frakciójú fémporokat a kívánt arányban ismét elegyítik.

•

A porokat a keverés elĘtt gyakran a belsĘ feszültségek, az elnyelt gázok és a felületi oxidréteg eltávolítása céljából redukáló atmoszféra alatt (~400 °C-on) izzítják.

•

A fémporokat a sajtolás elĘtt a sajtolást könnyítĘ adalékokkal (pl. sztearinsav, glikol, glicerin, cinksztearát, paraffin, benzines kámfor, stb.) keverik.

•

A por alapanyag keverését száraz vagy nedves eljárásokkal lehet elvégezni. A keverés idĘtartama az egyes alkotók jellemzĘitĘl függ. Általában tapasztalati úton határozzák meg, néhány perctĘl 24 óráig is tarthat.

•

A folyékony közegben végzett keverés jobb eredményt ad, ugyanis a folyadék, pl. alkohol, desztillált víz, glicerin felületi feszültsége gátolja a szemcsék összeállását (agglomerálódását), csomósodását.

( ) $


Porkohászat

Az adagolandó por mennyiségének kiszámítása

43/107

Az adagolandó por (m) tömege:

m = ρV (1 − S )K ρ : a porkeverék sĦrĦsége tömör állapotban, g/cm3 V: a kész munkadarab térfogata,cm3 S: az elĘírt porozitás mértéke, K: a sajtolási és a szinterelési súlyveszteségeket magában foglaló tényezĘ, melynek értéke 1.03-1.06 között változik.

( ) $


Porkohászat

A porkeverék sĦrĦségének kiszámítása

44/107

A ρ additív szabály szerint határozható meg, két összetevĘbĘl álló porkeverék esetén:

ρ1 + ρ 2 ρ= m1 ρ 1 + m2 ρ 2 ρ1 és ρ2

a porkeveréket alkotó tömör anyagok sĦrĦsége, g/cm3

m1 és m2

az elsĘ és második fázis mennyisége, tömegszázalékban.

( ) $


•

Sajtolás egyoldalú nyomás alkalmazásával

•

Sajtolás kétoldali nyomás alkalmazásával

•

Változó magasságú, bonyolult szerkezetĦ munkadarabok sajtolása

•

Hidrosztatikus sajtolás

( ) $

Porkohászat

Sajtolási módszerek

45/107


Töltés

( ) $

Porkohászat

Sajtolás

Sajtolás

46/107

Termék eltávolítása


( ) $

Porkohászat

A sajtolás technológiája

47/107


Porkohászat

A porkeverék tömörsége sajtolás után Sajtolás elĘtt a préselendĘ port rézfóliákból kivágott kerek lapokkal öt egyenlĘ részre osztották. Tömörségben mutatkozó különbség oka: a szemcsék és a matrica fala között fellépĘ súrlódási erĘ.

Az egyirányú sajtolással elĘállított henger tömörségének változása a henger hosszmetszete mentén.

( ) $

48/107

Porkohászat


SĦrĦség

A sajtolás szakaszai

Deformációs szakasz

Illeszkedései szakasz

Nyomás

( ) $

49/107


Porkohászat

A szemcsék viselkedése sajtolás során

50/107

•

A sajtolás kezdetén a porkeverék szemcséi között sok olyan helyzetĦ van, amely kis nyomásértékek mellett, kis súrlódási erĘ legyĘzése árán a hézagokba tud illeszkedni.

•

A növekvĘ nyomás hatására a szemcsék deformálódnak, a hézagok összeroppanak. A szemcsék között tiszta fémes érintkezés jön létre, mely megfelelĘ fajlagos nyomás esetén atomi kötéssé alakul.

•

Nagyon magas sajtolónyomás esetén fokozódik a részecskék alakváltozása és erĘs keményedés lép fel.

( ) $


( ) $

Porkohászat

A sajtolási nyomás hatása az anyag sĦrĦségére

51/107


Porkohászat

A sajtolt próbatestek színterelése

52/107

A színterelés célja: •

Az anyagszerkezet olyan célszerĦ megváltozása, amely révén az anyag jobb mechanikai és fizikai tulajdonságai jönnek létre.

•

A különálló porrészecskék keverékébĘl az öntött fémek szerkezetéhez hasonló tömör szemcse- vagy kristály konglomerátum elĘállítása.

A színterelés lépései: •

A szinterelés hĘmérsékletére történĘ felfĦtés

•

HĘntartás

•

LehĦtés

( ) $


Porkohászat

A színterelés közben lejátszódó folyamatok

53/107

•

Az atomok mozgási energiájának növelése a hĘmérséklet növelésével

•

A porrészecskék érintkezési felületének növelése a porkeverék részleges megolvadásával, illetve a szemcsefelületek meglágyításával

•

A sajtolás során keletkezĘ maradó mechanikai feszültségek kiegyenlítése

•

Szemcsenövekedéses újrakristályosodás

•

A szemcsék alakjának, helyének megváltoztatásával a porozitás csökkentése

•

A felületi oxidok redukálása

•

Az adszorbeált és kötött nedvességtartalom és az adszorbeált gázok eltávolítása

( ) $


Porkohászat

A színterelés típusai

54/107

•

Szilárd fázisú szinterelés: a munkadarabban nem képzĘdik folyékony fázis, minden alkotó szilárd halmazállapotban marad.

•

Folyékony fázisú szinterelés: A munkadarabban a szinterelés hĘmérsékletén folyékony fázis keletkezik (pl. eutektikum), amely csak olyan mértékĦ lehet, amely mellett a munkadarab sajtolás által megadott alakja nem változik meg.

( ) $


( ) $

Porkohászat

A szilárd fázisú színterelés

55/107


( ) $

Porkohászat

Bevonattal ellátott részecskék színterelése

56/107


Porkohászat

A színterelĘ kemencék kialakítása

A szinterelĘ kemencék szerkezeti kialakítása az alkalmazott technológiától és a gyártási paraméterektĘl függ:

•

Az alkalmazott védĘgáz-atmoszféra

•

A szinterelés hĘmérséklete, hĘntartási idĘ, hĦtési viszonyok

•

A munkadarab alakja, mérete és anyaga

( ) $

57/107


( ) $

Porkohászat

SzínterelĘ kemencék

58/107


( ) $

Porkohászat

Szakaszos üzemĦ kemencében történĘ színterelés

59/107


( ) $

Porkohászat

Folyamatos üzemĦ kemencében 60/107 történĘ színterelés


( ) $

Porkohászat

Vákuum kemencében történĘ színterelés

61/107


Porkohászat

A védĘgázokkal szemben támasztott követelmények

62/107

•

Adott szinterelési hĘmérsékleten a felületen található oxidokat redukálja

•

Ne szennyezze a munkadarabot és ne lépjen vele nemkívánatos reakcióba

•

Ne változtassa meg kedvezĘtlenül a munkadarab kémiai összetételét

•

A levegĘvel lehetĘleg ne alkosson robbanókeveréket

•

Környezetbarát és gazdaságos legyen

( ) $


Porkohászat

Színterelés hidrogén atmoszférában

63/107

A hidrogén alkalmazását számos elĘnye ellenére költségessége és fĘként nagy térfogatú kemencék esetében robbanásveszélyessége korlátozza. A védĘgázként alkalmazott hidrogéngázt gondosan tisztítani és szárítani kell. EbbĘl a célból elĘször 500-550 °C-ra hevített rézforgácson (amely felületén az O2-t katalitikusan vízgĘzzé égeti), darabos kálilúgon (amely leköti a CO2 és a vízgĘz egy részét) és foszforpentoxidon (amely leköti a vízgĘz utolsó nyomait) vezetik keresztül.

( ) $


Porkohászat

Színterelés nitrogén atmoszférában

64/107

A nagy tisztaságú nitrogén nagyon alkalmasnak bizonyul a porkohászati alumínium alkatrészek szinterelésére, mert megfelelĘ mennyiségben áll rendelkezésre és mérsékeltek a költségei.

( ) $


Porkohászat

Színterelés disszociált ammónia atmoszférában

65/107

ElsĘsorban bronz és sárgaréz ill. alumínium szinterelésére. Nem igényel különleges kezelést, elĘállítás során nem szennyezĘdik oxigénnel és vízgĘzzel, így nem igényel szárítást és tisztítást sem. A felhasznált ammónia-gáz minimum 99,99%-os tisztaságú. A folyékony ammóniát egy erre a célra szolgáló berendezésben 954 °C-on katalizátorral (Al2O3) érintkezésbe hozva bontják alkotóira. Az eljárás végén 75% hidrogén gáz és 25% nitrogéngáz fejlĘdik. A disszociált ammóniában történĘ szinterelés hatékonysága hasonló a nitrogén-gázos szintereléshez.

( ) $


Porkohászat

Színterelés vákuumban

66/107

A vákuum alkalmazása azért elĘnyös, mert így a szinterelési hĘmérséklet más atmoszférákhoz (nitrogénhez, disszociált ammóniához) képest körülbelül 10-15 °Ckal kisebb. Így kisebb a lehetĘsége a munkadarabok megolvadásának, ezáltal elkerülhetĘ a torzulás.

( ) $


Porkohászat

A színterelés eredménye

•

A porkohászati úton elĘállított anyagok fizikai és mechanikai tulajdonságainak javulása a szinterelés hatására következik be.

•

Szinterelés közben az anyag térfogata csökken, így a sĦrĦség növekedésével nagymértékben javul a porózus anyag szilárdsága.

( ) $

67/107


Porkohászat

A színterelés közben lejátszódó alapfolyamatok

68/107

•

A részecskék összekapcsolódása kohéziós kötés révén

•

Az eredetileg szabálytalan alakú pórusok gömb alakúvá válása

•

A szinterelés közben bekövetkezĘ méretváltozás a zsugorodás (esetleg duzzadás).

( ) $


Porkohászat

Az atomok helyváltoztatása színterelés közben

69/107

A szemcsék atomjai a hĘmérséklet növekedésének hatására az érintkezĘ

felületek

felé

kezdenek

vándorolni, az

helyváltoztatása többféle módon történhet: •

felületi diffúzióval

•

térfogati diffúzióval

•

párolgás és kondenzáció révén

•

viszkózus folyás révén.

( ) $

atomok


Porkohászat

Az atomok helyváltoztatása a hĘmérséklet függvényben

70/107

•

A felületi diffúzió kis és közepes hĘmérsékleteken játszik szerepet, a vakanciák közvetítésével megy végbe. Az idĘ elĘrehaladtával szerepe csökken, mert a rácstorzulások, és így a vakanciák száma is csökken.

•

Nagy színterelési hĘmérsékleten a térfogati diffúzió hatása érvényesül.

•

A hĘmérséklet növelésével a szemcsék mechanikai szilárdsága csökken. A már képlékeny részecskék felületén fellépĘ mechanikai feszültség elĘsegíti a pórosok kitöltĘdését (viszkózus folyás).

( ) $


Porkohászat

Az atomok mozgékonysága

Az atomok mozgékonysága azzal a sebességgel jellemezhetĘ, amellyel egyensúlyi helyzetüket elhagyják (V):

V = ae

§ −Q · ¸ ¨ © RT ¹

ahol a:

anyagállandó,

Q:

az adott egyensúlyi helyzetbĘl az atom kimozdításához szükséges aktiválási energia,

R:

gázállandó,

T:

abszolút hĘmérséklet.

( ) $

71/107


Porkohászat

A darab méretének változása színterelés közben

A szinterelt alumínium próbadarabok méretváltozását (ezáltal sĦrĦségét) befolyásolja: •

Az anyag sajtolás után kialakuló tömörsége

•

A színterelés atmoszférája

•

A színterelés hĘmérséklete

•

A védĘgáz tisztasága

( ) $

72/107


Porkohászat

A darab méretének változása színterelés közben

73/107

A sajtolás utáni sĦrĦségnek és az alkalmazott atmoszférának hatása a szinterelt mintadarabok méretére disszociált ammónia vákuum nitrogén

Al-Mg-Si ( ) $

Al-Cu


Porkohászat

Másodlagos megmunkálási mĦveletek

74/107

A bonyolult alakú, összetett munkadarabok gyártása során szükség lehet a termék további kezelésére. A mechanikus megmunkálással (köszörülés, marás, forgácsolás, darabolás) a végtermék geometriája alakítható ki. A szinterelt darab ismételt hĘkezelése különbözĘ célokat szolgálhat:

•

Kalibrálás (méretpontosítás)

•

Korrózió elleni védelem

•

Olajos telítés (önkenĘ csapágyak esetén)

•

Alkatrészek összekapcsolása

( ) $

3. A fémkompozitok vizsgálatai

( ) $


(a)

Az erĘsítĘ fázis csoportosulása

76/107

(b)

Az alumínium mátrix por méretének hatása az SiC erĘsítĘfázis “csoportosulására” melegen préselt kompozitok esetén. (a) 10-15 µm Al mátrix, (b) 40-50 µm Al por mátrix

( ) $


Ni A H( r ) = i N A

( ) $

Az erĘsítĘ fázis csoportosulásának jellemzése

Ai: az „i” kör területe Ni: az „i” körbe esĘ részecskék száma A: a látómezĘ területe N: a látómezĘbe esĘ részecskék száma

77/107

Tipikus sugár menti eloszlás függvény


Porkohászati úton elĘállított kompozit tulajdonságai

78/107

Mikroszerkezet: préselt, 30 percig, 595 °C-on, nitrogén atmoszfárában színterelt, majd szabályozatlan módon hĦtött alumínium ötvözet. A szabálytalan alakú szemcsék között látható sötét területek a pórusok.

Al-4.4Cu-0.8Si0.4Mg ötvözet (M= 100x)

( ) $


Porkohászati úton elĘállított kompozit tulajdonságai

79/107

A színterelt anyagot gyakran, a vastagság csökkentésének céljából, kovácsolják vagy hengerlik. A alakításnak a szövetszerkezetre gyakorolt hatása: Al-1.0Mg-0.6Si-0.25Cu alumínium ötvözetet préselés után 620 °C-on színterelték, majd különbözĘ mértékben alakították. (a) színterelt (b) 25% (c ) 50%

( ) $


• • •

Porkohászati úton elĘállított kompozit mechanikai tulajdonságai

80/107

Az alapanyag szemcséi közötti kohéziós kötés erĘssége A porozitás nagysága Az erĘsítĘfázis mennyisége, mérete, alakja és a részecskék érintkezĘ felületein kialakuló kötések minĘsége Az erĘsítés már 1 térfogat%-nál nagyobb mennyiség, 1µm–nél nagyobb méretĦ erĘsítĘfázis alkalmazása esetén is megnyilvánul a diszlokációk mozgásának akadályozása révén.

( ) $


A porkohászati és az öntéssel elĘállítított SiC/Al kompozitok összehasonlítása

Mikroszerkezet

porkohászati

öntött

Optikai mikroszkópos felvétel, Al mátrixú kompozit 20 % 250µm SiC tartalmú

Elektronmikroszkópos felvétel, Al mátrixú kompozit 20 % 250µm SiC tartalmú

( ) $

81/107


( ) $


Szilárdsági jellemzĘk

82/107



Szilárdsági jellemzĘk

83/107

Ha az erĘsítĘrészecskék mérete, mennyisége és eloszlása ugyanolyan az olvasztott és az öntött kompozitban, akkor nem térnek el jelentĘsen a szilárdsági mérĘszámaik.

•

Ez magyarázható a diszlokációk elrendezĘdésének és sĦrĦségének hasonlóságával, de figyelembe kell venni az Al és SiC részecskék között kialakult kötések erĘsségét is.

•

Nincs különbség a szilárdsági értékekben az öntött és porkohászati fémmátrixú kompozitok között, ha a mátrix és az erĘsítés között kialakuló kötés megegyezik a különbözĘ eljárásokkal elĘállított kompozitokban.

( ) $


• • • • • • • •

Gyakorlati feladat 1.

Al/SiCp elĘállítására PM technológiával

Mátrix: Al-por 99,5%-os tisztaságú, névleges szemcsenagysága: 160 µm. ErĘsítĘ fázis: SiC, névleges szemcsenagysága: 7 µm (P 800) 15 µm (P 500) 125 µm (P 220) ErĘsítĘ fázis mennyisége: 5-15 súly% Alkalmazott kenĘanyag (0,15%): Cink-sztearát

( ) $

84/107




85/107

A porkeverék betöltése a szerszámüregbe. A porkeverék beszórásának megkönnyítése érdekében a sajtolószerszám ürege fölé tölcsért helyezve. A porkeverék töltésekor gondosan kell ügyelni arra, hogy egyenletesen legyen beszórva a szerszámüregbe és felszíne vízszintes és egyenletes legyen. A szerszám üreg feltöltése után a felsĘ nyomólap terhelése következik, max. 130 kN nyomásig, ahol néhány másodpercig terhelés alatt tartjuk a próbatestet. Végül a felsĘ nyomófejjel a matricát együttesen kiemelve a szerszámból, majd kisajtolási helyzetbe fordítva kis nyomóerĘ alkalmazásával a próbadarab eltávolítása következik. A próbatest eltávolításakor a matricát a piros nyíl jelölte felületre kell helyezni

( ) $




A sajtolás után színterelés: • 580 °C-on • N2 védĘgázban, csĘkemencében •

Dilatométeres vizsgálatok

•

SĦrĦségmérés

•

Mikroszerkezet (kerámia/fém határfelület) vizsgálata (pásztázó elektron mikroszkóppal)

•

Fénymikroszkóppal a porozitás vizsgálata

( ) $

86/107


( ) $



87/107




7 µm (P 800) 15 µm (P 500) 125 µm (P 220)

( ) $

88/107



SĦrĦségmérés m2 − m1 ρ= ρf m4 + m2 − m1 − m3

ahol: ρf: a mérĘfolyadék sĦrĦsége m1: az üres piknométer tömege m2: a piknométer és a meghatározandó anyag együttes tömege m3: a piknométer, a mérĘfolyadék és a meghatározandó anyag együttes tömege m4: a piknométer és a mérĘfolyadék együttes tömege. ( ) $

89/107


( ) $


A porozitás vizsgálata optikai mikroszkóppal

90/107



A porozitás térkép felvétele

91/107

A hidrogén atmoszférában színterelt próbatest porozitása a vizsgált síkmetszeten

( ) $



A porozitás térkép felvétele

92/107

A nitrogén atmoszférában színterelt próbatest porozitása a vizsgált síkmetszeten

( ) $


( ) $


Al/SiCp elĘállítása PM technológiával

93/107



Az elĘállított kompozit vizsgálata

•


•

SĦrĦségmérés

•

Kerámia/fém határfelület vizsgálata pásztázó elektron mikroszkóppal és röntgendiffrakcióval

•

Fénymikroszkóppal a porozitás vizsgálata

•

Fénymikroszkóppal a kerámia részecskék eloszlásának jellemzése

( ) $

Leica Quantimet 550 Image Workstation

94/107



Al/SiCp kompozit szövetszerkezetének jellemzése

Cu

Alumínium alapanyagú - SiC(Cu) részecskékkel erĘsített kompozit

( ) $

95/107

Ni

Alumínium alapanyagú - SiC(Ni) részecskékkel erĘsített kompozit



A határfelület jellemzése

96/107

640 0C 6 óra

Al/SiC határfelület jellemzése, SEM

( ) $



A határfelület jellemzése

97/107

640 0C-on, 6 óra alatt Al4Si2C5 vegyület keletkezett

Al/SiC határfelület jellemzése, röntgendiffrakció

( ) $



Al/Cf kompozit elĘállítása

98/107

Metallosztatikus fém infiltráció: olvadt alumíniummal vegyszeresen (K2ZrF6, kezelt ill. K2TiF6) karbon szál átitatása

( ) $




99/107

A karbon szálak felületkezelése: K2ZrF6, ill. K2TiF6 vizes oldata segítségével a karbon pászma átitatása

( ) $



Al/Cf kompozit elĘállítása Al-mag

Öntött Al - réteg

N=5oox N=250x Tömör kompozitról készült mikroszkópos felvétel Felületkezelt karbon szállal elĘállított kompozit

( ) $

100/107



Al/Cf kompozit elĘállítása Kezeletlen

K2ZrF6 – al kezelt

Kezeletlen és kezelt (Al-Al2Cu)/C/(K2ZrF6 )f kompozit SEM felvételei

( ) $

101/107




102/107

A karbon szálat tartalmazó hibridszerkezet: a) fénymikroszkópos felvétele, a)

b)

b) az egymástól elválasztott karbon szálakat tartalmazó, detektált bináris kép, c) a látótér hatósugár szerinti vázszerkezete,

c)

( ) $

d) a hatósugár szerinti vázszerkezet rávetítve az eredeti felvételre. d)




Al/C kompozit határfelülete, 200 KV HRTEM Al4C3 tĦ

( ) $

103/107




Karbon szál Ni-lel bevonva, Al mátrixban

( ) $

104/107


FejlĘdési lehetĘségek

•

A fémkompozitok egyre újabb területeket hódítanak meg (autóipar, elektronika). Autókarosszéria? Elektromos távvezeték?

•

A fémkompozitok elĘállítására egyre olcsóbb és megbízhatóbb technológiákat alkalmaznak. Élettartam? Újrahasznosítás?

•

A kerámia részecskék felületkezelésével, a kerámia szálak felületbevonásával különleges fémkompozitok elĘállítása. Gradiens anyagok? 3D nyomtatás?

•

Hibridkompozitok fejlesztése. Dupla kompozitok? Többszörös kompozitok?

( ) $

105/107


Felhasznált irodalom

106/107

•

Daniel B. Miracle, Steven L. Donaldson: ASM Handbook Volume 21 Composites, 2001.

•

ASM Handbook Comittee: ASM Handbook Volume 7 Powder Metallurgy, 1984

•

J. R. Davis: Aluminum and Aluminum Alloys,1993

•

Dr. Gácsi Zoltán: Az anyagok szövetszerkezetének morfológiai anizotrópiája és rendezettsége, habilitációs tézisfüzet, 2003

•

European Powder Metallurgy Association: Powder Metallurgy, Pilot Poject, Leonardo Da Vinci Programme, 2001

( ) $

*+++ ,) -.

& éé 0LVNROFL(J\HWHP $Q\DJWXGRPiQ\L,QWp]HW 0LVNROF(J\HWHPYáURV HPDLO[email protected] [email protected]

( ) $

Fémkompozitok. Szerzı: Dr. Gácsi Zoltán Dr. Benke Márton. Lektor: Dr. Hargitai Hajnalka. Az ábrákat készítette: Bendász Ernı és Bendász Péter

Recommend Documents