PL233433B1 - Sposób wytwarzania kompozytu magnezowego z włóknami węglowymi z submikro lub nanoziarnistą osnową - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania kompozytu magnezowego z cząstkami węgla szklistego z submikro lub nanoziarnistą osnową, który polega na tym, że wlewek kompozytowy z osnową ze stopu magnezu zawierający do 0,7% mas. Zn, do 0,06% mas. Zr, do 0,6% mas. pierwiastków ziem rzadkich (RE) i 2-20% mas. cząstek węgla szklistego o granulacji 70 - 100 µm, odlewa się do formy z suspensji stop-cząstki, po czym poddaje się wyciskaniu na zimno z prędkością posuwu stempla od 0,1 do 0,3 mm/s i obustronnemu cyklicznemu skręcaniu (±6 ÷ 10) z częstotliwością od 3 do 8 Hz.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu magnezowego z włóknami węglowymi z submikro lub nanoziarnistą osnową.

Otrzymywanie wyrobów kompozytowych z osnową magnezową i włóknami węglowymi ciągłymi odbywa się metodami ciekło fazowymi, głównie poprzez infiltrację ciśnieniową, co sprawia że mikrostruktura osnowy o ziarnistości rzędu kilku mikrometrów lub większej kształtuje się podczas krystalizacji pierwotnej i może być korygowana tylko w niewielkim stopniu, poprzez zabiegi obróbki cieplnej. Konwencjonalne procesy przeróbki plastycznej z dużym odkształceniem zastosowane w odniesieniu do kompozytu z ciągłymi włóknami, zwłaszcza w postaci tkanin 2D lub 3D, ze względu na niewielką odkształcalność włókien prowadzą do utraty połączenia metal-włókno, zniszczenia wcześniej ukształtowanej konfiguracji włókien, a w skrajnym przypadku lokalnego uszkodzenia włókien.

Znane jest zastosowanie metod przeróbki plastycznej, w tym z dużymi odkształceniami na zimno, dla stopów metali w celu rozdrobnienia ziarna do wielkości manometryczne, jak i do konsolidacji kompozytów z osnowami metalowymi i zdyspergowanym zbrojeniem węglowym w postaci nanorurek węglowych (CNT) lub grafenu. W przypadku kompozytów metaliczny surowiec wyjściowy ma zwykle postać proszku, a zasadniczą rolą przeróbki plastycznej jest deglomeracja skupisk manometrycznych komponentów węglowych. Takie rozwiązanie materiałowe generuje wysokie koszty nanokomponentów, a także zagrożenia zdrowotne podczas procesu technologicznego, wymagające kosztownych środków zapobiegawczych.

Celem wynalazku jest otrzymanie elementów długich, głównie drutów, prętów i płaskowników z kompozytów magnezowych zawierających włókna węglowe, charakteryzujących się wysokimi właściwościami mechanicznymi i korzystnymi tribologicznymi, w procesie w którym surowcem wyjściowym jest wlewek kompozytowy, odlewany w warunkach przemysłowych z suspensji.

Stwierdzono nieoczekiwanie, że dzięki zastosowaniu wyciskania z rewersyjną matrycą (metoda KOBO) istnieje możliwość rozdrobnienia na zimno ziaren stopu osnowy kompozytu magnezowego z włóknami węglowymi krótkimi o średnicy rzędu 10 gm, których mikrostruktura została ukształtowana wcześniej podczas krzepnięcia zawiesiny metalu z fazą zbrojącą, Procesowi temu nie towarzyszy degradacja komponentu węglowego, który jest bardzo dobrze połączony z osnową, a w efekcie uzyskuje się kompozyt o znacząco większych właściwościach mechanicznych w porównaniu nie tylko ze stanem po odlaniu, ale również po konwencjonalnej przeróbce plastycznej na gorąco.

Sposób wytwarzania kompozytu magnezowego według wynalazku polega na tym, że wlewek kompozytowy z osnową ze stopu magnezu zawierający do 2% mas. Zn, do 0,6% mas. Zr, do 0,6% mas. pierwiastków ziem rzadkich (RE) i 2:10% mas. włókien węglowych krótkich o długości nie większej niż 300 gm i φ = 8:10 gm, odlewa się grawitacyjnie do formy z suspensji stop-włókna, po czym poddaje się wyciskaniu na zimno z prędkością posuwu stempla od 0,1 do 0,3 mm/s i obustronnemu cyklicznemu skręcaniu (±6:10°) z częstotliwością od 3 do 8 Hz.

Proponowane rozwiązanie według wynalazku, zapewnia wzrost właściwości mechanicznych dzięki wykorzystaniu metody KOBO do znaczącego (o dwa rzędy) rozdrobnienia ziarna magnezu w obecności wytrzymałych, krótkich, konwencjonalnych włókien węglowych pełniących docelowo również funkcję poprawiającą odporność na ścieranie w warunkach tarcia suchego. Zastosowaniu komponentu w postaci włókien węglowych umożliwia jego wprowadzanie do magnezu w konwencjonalnych procesach mieszania i odlewania stosowanych w praktyce przemysłowej, a materiałem wyjściowym do przeróbki plastycznej mogą być wlewki kompozytowe. Unika się w ten sposób aplikacji kosztownych i bardzo uciążliwych technologicznie nanokomponentów w postaci nanorurek i grafenu.

P r z y k ł a d

Wlewek kompozytowy z osnową ze stopu magnezu zawierającego 2% mas. Zn, 0,6% mas Zr i 0,6% mas. pierwiastków ziem rzadkich (RE) i 6% mas. wysokowytrzymałych włókien węglowych krótkich o długości 50-200 gm i φ = 8:10 gm, odlewa się grawitacyjnie do formy stalowej lub metalowej z suspensji stop-włókna, bez wstępnego podgrzewania, poddaje się wyciskaniu na zimno z prędkością posuwu stempla 0,2 mm/s i obustronnym cyklicznym skręcaniem (±8°) z częstotliwością 5 Hz. Metoda zapewnia płynięcie metalu charakteryzującego się lepkością typową dla cieczy. Uzyskuje się wyrób kompozytowy w postaci pręta, którego średnica ulega zmianie z 40 mm do 6 mm. Wyrób w wyniku wyciskania wykazuje twardość HB » 78 oraz w próbie rozciągania Rm ~ 275 MPa, R02 ~ 230 MPa i As » 15%, podczas gdy wsad w postaci odlanej odpowiednio wykazuje twardość HB » 45, Rm ~ 180 MPa, R02 » 64 MPa, A5 » 10%. Ten sam materiał wsadowy, kompozyt odlany graPL 233 433 B1 witacyjnie poddany konwencjonalnemu wyciskaniu w temp. 400°C osiąga niższe właściwości mechaniczne, które wynoszą odpowiednio HB » 56, Rm ~ 230 MPa, R02 ~ 160 MPa, A5 ~ 10%. Porównując średnią średnicę ziarna stopu osnowy w kompozycie w stanie odlanym z wyciskanym w podany sposób uzyskuje się jego zmniejszenie z 200 μm do 1 μm.

Uzyskuje się dzięki temu rozdrobnieniu ziaren pierwotnych stopu osnowy do wielkości submikro i manometrycznej, z zachowaniem ciągłego połączenia metal-włókno, wyroby kompozytowe w postaci prętów lub drutów o parametrach wytrzymałościowych znacząco większych od kompozytów o tym samym składzie wytwarzanych metodami odlewniczymi lub konwencjonalnej przeróbki plastycznej na gorąco.

W trakcie przeróbki plastycznej włókna węglowe otoczone stopem magnezu ulegają ukierunkowaniu i lokalnie fragmentacji, zachowując korzystne ciągłe połączenie z osnową, natomiast osnowa ulega rozdrobnieniu i tym samym umocnieniu, które intensyfikuje obecność włókien charakteryzujących się szczególnie wysokim w porównaniu z magnezem modułem sprężystości. Prowadzi to do znaczącego zwiększenia finalnych właściwości mechanicznych wyrobu kompozytowego pozbawionego wad wewnętrznych typowych dla elementów otrzymywanych metodami ciekło fazowymi i charakteryzującego się gładką błyszczącą powierzchnią zewnętrzną.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób wytwarzania kompozytu magnezowego z włóknami węglowymi z submikro lub nanoziarnistą osnową, znamienny tym, że wlewek kompozytowy z osnową ze stopu magnezu zawierający do 2% mas. Zn, do 0,6% mas. Zr, do 0,6% mas. pierwiastków ziem rzadkich (RE) i 2:10% mas. włókien węglowych krótkich o długości nie większej niż 300 μm i φ = 8:10 μm, odlewa się grawitacyjnie do formy z suspensji stop-włókna, po czym poddaje się wyciskaniu na zimno z prędkością posuwu stempla od 0,1 do 0,3 mm/s i obustronnemu cyklicznemu skręcaniu (±6:10°) z częstotliwością od 3 do 8 Hz.