Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (1), pp. 361 369. FÉMKOMPOZITOK KOPÁSÁLLÓSÁGÁNAK VIZSGÁLATA INVESTIGATION OF THE WEAR RESISTANCE PROPERTIES OF METAL MATRIX COMPOSITES SIMON ANDREA 1, GÁCSI ZOLTÁN 1 Miskolci Egyetem, Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék 1 Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 35 Miskolc-Egyetemváros 1 femandi@uni-miskolc.hu femtangz@uni-miskolc.hu A kompozitok a hagyományos anyagok (fémek, kerámiák, polimerek) egyesítésével egyedi tulajdonságok megvalósítására képesek. Azonban az eltérő módszerekkel készített kompozit termékek mechanikai tulajdonságai közti különbségek még nem teljesen ismertek. Kísérleteink célja az alkalmazott alapanyag, az előállítás módja, illetve az Al és a kompozit minták kopásállósága közötti összefüggések keresése. Kulcsszavak: fémkompozit, porkohászat, kopásállóság. Composite materials offer unique properties by combining classic materials (metals, ceramics, polimers). However, each processing method results different mechanical properties which are still not well-known. Our experiments were aimed to investigate the relations between the ingredients, the processing method and the mechanical properties. Keywords: metal matrix composite, powder metallurgy, wear resistance. Bevezetés A kompozitok homogén, összefüggő mátrixból és második fázisból állnak. A fémkompozitok alkalmazása főleg az elektronikai és a járműiparban terjedt el [1, ], ahol az alkatrészek élettartamának, teljesítményének növelése és tömegének csökkentése egyaránt elvárás. Ennek megfelelően a legfontosabb kritériumok közé tartozik a megfelelő mechanikai tulajdonságok, ezen belül a kopásállóság fejlesztése. A kerámia szemcsék hozzáadásával a fémkompozitok kopásállósága javítható. A termék tulajdonságait elsősorban a kerámia részecskék térfogataránya, mérete, alakja és elrendeződése befolyásolja. A kopásban részt vevő testek (1. ábra) egy tribológiai rendszert alkotnak, melynek elemei: alaptest (melynek a kopását vizsgáljuk); ellentest; közbenső anyag, amit harmadik testnek is neveznek (az alaptest és az ellentest között található, funkciója a kopás növelése és csökkentése egyaránt lehet); környezeti közeg [3, 4]. A kopási folyamatot a kopási állapottal és mechanizmussal jellemezhetjük.
36 Simon Andrea Gácsi Zoltán 1. ábra. Abrazív koptatási folyamat vázlata [3, 4] A koptatás során a fémek felszínén adszorpciós rétegből, oxidrétegből és felkeményedett, deformált szemcseszerkezetű rétegből álló felület alakul ki, mely fokozatosan megy át az alapanyagba [4]. A fémkompozitok esetében kialakuló rétegre a szakirodalomban a felületi kevert réteg (Surface Mixed Layer, SML [5]), illetve a mechanikusan kevert réteg (Mechanical Mixed Layer, MML [6]) elnevezésekkel találkozhatunk. Az álláspontok a réteg kialakulásával és felépítésével kapcsolatosan sem egységesek. Feng és Tandon [7] szerint a felület erősen deformált mátrixból és nagyon finom SiC szemcsékből áll. Tjong és társai [5] az alkalmazott terheléstől függően, a darabok felszínén egy felkeményedett tartományban réteges leválást okozó repedéseket figyeltek meg. Alatta pedig egy deformált réteget találtak, ahol a koptatás során fellépő nyírófeszültség hatására képlékeny alakváltozás ment végbe, ami a mátrixban a diszlokáció-sűrűség növekedését eredményezte. Ezzel egyezik Venkataraman [6] elmélete is: a koptatás során a növekvő feszültség következtében a felület egyes részein képlékeny folyás indul meg, majd kialakul a mátrix, a második fázis, illetve az ellentest vagy a koptató szemcsék anyagából álló kevert réteg, mely hozzájárul a réteges leváláshoz. Mivel a SiC szemcsék akadályozzák a diszlokációk terjedését, így azok felhalmozódnak a kerámia szemcsék körül. A növekvő feszültség következtében a rideg SiC szemcsék eltörnek, ennek hatására a feszültség csökken, a mátrix így tovább deformálódik. A letört SiC darabok újra beágyazódnak a mátrixba, növelve annak keménységét [5]. Bindumadhavan és társai [8] öntött fémkompozitok vizsgálata során megállapították, hogy a fázisok eltérő hőtágulási együtthatója miatt a fémes alapanyag a hűtés során nagyobb mértékben zsugorodik, mint a kerámia szemcsék, így a két fázis határfelületén húzófeszültség ébred, melynek a hatására az alapanyag a határfelületen, és annak közelében deformálódik. Minél nagyobb a kerámia szemcsék mennyisége a kompozitban, annál számottevőbb ez a deformáció. Amennyiben a mechanikai feszültség meghaladja az alapanyag szilárdságát, a határfelületen a két anyag szétválik, s az alapanyagban repedések, pórusok jelennek meg. A meggyengült határfelületi kötések miatt a kerámia szemcsék távoznak a felületről, majd maguk is részt vesznek a kompozit koptatásában, fokozva ezzel a kopási anyagveszteséget. Ugyanakkor az alapanyag képlékeny alakváltozása részben vagy teljesen
Fémkompozitok kopásállóságának vizgálata 363 bezárja a kompozitban található pórusokat (a szemcsecsoportosulások közötti pórusokat is), ezáltal a kompozit kopásállósága javul. Bindumadhavan-ék [8] megállapították továbbá, hogy a térfogat% SiC esetén a részecske-csoportosulások, és a köztük levő pórusok miatt a kompozit kopási vesztesége meghaladja az alapanyagét is. A koptatás megkezdésével a pórusok környezetében levő, kevésbé kötött szemcsék kiperegnek, és ezt követően maguk is koptatják a kompozit felületét [. b) ábra]. A kipergett szemcsék mennyiségének növekedésével az abrazív (koptató) szemcsék mennyisége és a kopási veszteség is egyre nagyobb lesz [. c) ábra]. A növekvő igénybevétel hatására megkezdődik a mátrix képlékeny alakváltozása, ezáltal a fémes alapanyag kitölti a szemcsecsoportosulások közötti hézagokat, javítva ezzel a szemcsék kötődését is [. d) ábra]. a) b) c) d). ábra. Öntött kompozit szövetszerkezete a) eredeti állapotban b) kis, c) közepes és d) nagy koptató igénybevétel esetén [8] (a nyilak az alapanyag képlékeny alakváltozásának irányát mutatják) Az azonos anyagokból (pl. Al-ból és SiC-ból) összeállított kompozitok esetében is számos paramétertől (az előállítási technológia, a mátrix és a kerámia összetétele, aránya, szemcsemérete és szemcseméret-aránya, a kerámia szemcsék eloszlásának egyenletessége, a termék porozitása) függ a kopási mechanizmus. A kompozitok összetettsége következtében máig sem alakult ki egységes álláspont a kopás mechanizmusát, a kopási folyamatok jellegét, a technológia szövetszerkezet kopás kapcsolatrendszer összefüggéseit illetően. 1. Kísérletek A kompozit minták készítéséhez az ECKA Granulate GmbH&Co. Al-ötvözet, illetve a Norton AS SiC alapanyagait használtunk (3. ábra).
Simon Andrea Gácsi Zoltán 364 a) b) 1 c) d) 3. ábra. Az alapanyagok SEM felvétele a) Al-Cu b) Al-Si c) Al-Zn d) SiC por AlCu AlCu-1 AlCu- AlCu-3 AlSi AlSi-1 AlSi- AlSi-3 AlZn AlZn-1 AlZn- AlZn-3 1 3 1 3 1 3 DSiC, µm DAl, µm SiC, m/m% Darab jele Az EDS elemzés alapján megállapítottuk, hogy az Al-Cu alapanyag Al és Cu porok keveréke. Az Al-Si ötvözet esetében egyenletesebb a szemcsék összetétele, de előfordul csak alumíniumot tartalmazó szemcse az előötvözött szemcsék mellett. Az Al-Zn porban a szemcsék egy része ötvözetlen alumínium, míg a másik rész az ötvözőket tartalmazza, de az adatlapon megadottaknál nagyobb arányban. A mátrix alapanyagok szemcsemérete széles tartományban változik, a porok lekerekedett, elnyújtott, illetve gömbszerű szemcsékből állnak. A fémporok kis mennyiségű vasat (mint szennyezőt) is tartalmaznak. A SiC szemcsék mérete kisebb tartományban változik, alakjuk poligonális, a felületük síklapokkal határolt. Hidegsajtolás, szinterelés ( H) Szinterelési Hőntartási hőmérséklet, idő, o C perc 58 58 58 58 54 6 54 6 54 6 54 6 58 58 58 58 1. táblázat. Kísérleti paraméterek Melegsajtolás ( M) Hőmérséklet, o C (1 perc hőntartás) 57 57 57 57 565 535 5 5 55 544 544 544
Fémkompozitok kopásállóságának vizgálata 365 A homogenizált porkeverékekből a hidegsajtolt szinterelt minták a krakkói AGH Science and Technology University-n készültek. Az egytengelyű hidegsajtolást a darabok (x4x4 mm 3 ) hőntartása (4 o C, perc) követte, melynek célja a kenőanyag eltávolítása volt. Ezt követően a mintákat tovább hevítették a szinterelési hőmérsékletre, és hőntartották. A szinterelés nitrogén jelenlétében ment végbe, 1 o C/perc felfűtési, o C/perc hűtési sebességgel. A melegsajtolt darabok az ankarai Middle East Technical University kutatóinak közreműködésével készültek, egy 5 mm x 5 mm négyzetes keresztmetszetű, fűthető szerszámban. A sajtolást megelőzően a szerszám belső felületét kenőanyaggal vonták be, hogy a termék eltávolítását megkönnyítsék. Az előállítás a porok golyósmalomban történő keverésével kezdődött (a keverés időtartama 1 óra volt). A melegsajtolási hőmérséklet elérésig a szerszámot MPa nyomás alatt tartották. A hőntartás minden esetben 1 perc volt. A kísérletek összefoglalását az 1. táblázat tartalmazza.. állóság vizsgálata Mivel a különböző módon előállított próbadarabok mérete jelentősen eltér egymástól, ezért a kopásállósági vizsgálatok két különböző berendezéssel végeztük. A melegsajtolt próbatestek vizsgálatát RADOM T 7 (pin-on-disc típusú) abrazív koptató berendezésén hajtottuk végre (4. a) ábra). A mérés közben a mintát egy állandó nagyságú F erővel nyomjuk egy forgó korongnak, miközben az érintkező felületekre folyamatosan adagoljuk az abrazív koptató szemcséket. a) b) 4. ábra. a) RADOM T 7; b) T-5 abrazív koptató berendezés sematikus rajza A hidegsajtolt-szinterelt próbatestek vizsgálatára T-5 block-on-ring típusú berendezéssel [4. b) ábra] került sor. A méréseket Marcin Madej és Tadeusz Pieczonka (AGH University of Science and Technology, Krakkó) hajtották végre. A mérés elve itt is hasonló, a mintatartóba befogatott próbadarabot állandó erővel nyomjuk egy állandó sebességgel forgó korongnak. A mérési paramétereket a. táblázatban foglaltuk össze. Vizsgált minta Terhelőerő, Koptatási Koptatási Fordulatszám, előállítási módja N idő, s úthossz, m 1/perc Hidegsajtolás-szinterelés 56 4 1 136 Melegsajtolás 3 47 6. táblázat. A kopásvizsgálatok során alkalmazott mérési paraméterek
366 Simon Andrea Gácsi Zoltán A kísérleti minták porozitását a [9] irodalomban bemutatott módon határoztuk meg. A porozitást és a kopási veszteséget az 5. ábrán mutatjuk be. Míg a hidegsajtolt-szinterelt daraboknál a 3 m/m% SiC erősítésű mintákban, addig a melegsajtolásnál az Alötvözetekben figyelhető meg a legnagyobb porozitás., terület%, terület%, terület% 1 5 1 1 8 6 4 1 5 1 3,4,3,,1,, terület% 1 8 6 4 1 3 a) b) 1 3,4,3,,1,, terület% 5 4 3 1 1 3 c) d) 1 3,8,6,4,,, terület% 4 3 1 1 3 e) f) 5. ábra. a) H AlCu; b) M AlCu; c) H AlSi; d) M AlSi; e) H AlZn; f) M AlZn mátrixú minták porozitása és kopási vesztesége a SiC tartalom függvényében (a H jelű minták hidegsajtolás-szintereléssel, az M jelűek melegsajtolással készültek) A normalizált kopási veszteséget (a kompozit és az Al alapanyag egymáshoz viszonyított kopását, W n ) a 6. ábra mutatja. Valamennyi melegsajtolt minta esetén W n értéke a SiC tartalom növelésével 1 alá csökken, vagyis (a mátrix anyagától függetlenül) a fémkompozit kopásállósága növekszik. Ez a jelenség a hidegsajtolt-szinterelt daraboknál nem figyelhető meg, tehát a kompozitok kopásállósága nem javul.,5,4,3,,1,,8,6,4,,,6,4,,
Fémkompozitok kopásállóságának vizgálata H AlCu M AlSi M AlCu H AlZn 367 H AlSi M AlZn 6 5 Wn, - 4 3 1 5 1 3 SiC, m/m% 6. ábra. Normalizált kopási veszteség (Wn) a SiC tartalom függvényében (a H jelű minták hidegsajtolás-szintereléssel, az M jelűek melegsajtolással készültek) A koptatott felületek (7. ábra) vizsgálatával megállapíthatóak a domináns kopási mechanizmusok. A melegsajtolt Al-Cu és AlZn ötvözetnél az abrazív kopás és a réteges leválás jelei, míg az Al-Si ötvözetnél már csak az intenzívebb kopást jelző réteges leválásra utaló kráterek láthatóak. A 3% SiC erősítésű darabokra, alapanyagtól függetlenül, az abrazív kopás a jellemző. a) b) c) d) 7. ábra. Koptatott a) M AlCu; b) M AlCu-3 SiC; c) M AlZn; d) M AlZn-3 SiC minták felülete
368 Simon Andrea Gácsi Zoltán Összefoglalás Kísérleteinkkel többféle Al-ötvözet mátrixú, SiC szemcseerősítésű kompozitok kopásállóságát vizsgáltuk az alapanyag (Al-Cu, Al-Si, Al-Zn) és az előállítási módszer (hidegsajtolás-szinterelés, melegsajtolás) szemszögéből. Az Al-ötvözetek esetében a hidegsajtolt-szinterelt mintáknál figyelhető meg kisebb kopási veszteség. A 1 és m/m% SiC erősítésű kompozitok kopásának mértékében nincs jelentős különbség; míg a 3 m/m% SiC tartalmú kompozitoknál a hidegsajtolt-szinterelt darabok kopása már meghaladja a melegsajtolt darabokét. A domináns kopási mechanizmus a melegsajtolt Al-Cu és AlZn ötvözeteknél az abrazív kopás és a réteges leválás, míg az Al-Si ötvözetnél az intenzívebb réteges leválás. A második fázis mennyiségének növelésével a kopás egyre kevésbé intenzív, 3 m/m% SiC tartalom esetében alapanyagtól függetlenül az abrazív kopás a jellemző. A hidegsajtolt darabokban a kerámia szemcsék a sajtolónyomás hatására megrepednek, majd összetöredeznek, így az Al, illetve SiC szemcsék között hézagok alakulnak ki, melyek a sajtolást követően pórus formájában megmaradnak. A pórusokat a szinterelés során keletkező olvadék fázis sem tudja megszüntetni, mivel a sajtolás hatására kialakuló lokális öszszehegedések akadályozzák az olvadék áramlását. Ennek következményeként a pórusok leggyakrabban a SiC szemcsék között jelennek meg. Mivel a pórusok környezetében található kerámia részecskék a kopás során könnyebben távoznak, majd maguk is koptatják a kompozitot, így annak kopási vesztesége meghaladja az erősítetlen mátrix kopását. Ezzel szemben a melegsajtolással előállított kompozitok esetében a nyomás és a hőmérséklet együttes alkalmazása tömörebb, kevésbé pórusos szövetszerkezetet eredményez. Az erősebb határfelületi kötések következtében a koptatás során kevésbé jellemző a kerámia szemcsék kipergése, így nem vesznek részt a kompozit további koptatásában sem. Köszönetnyilvánítás A szerzők ezúton fejezik ki köszönetüket Dr. Sytcheva Annának és Kovács Árpádnak (ME Anyagtudományi Intézet) a SEM felvételek elkészítéséért. A publikáció a TÁMOP-4..1.B-1//KONV-1-1 projekt támogatásával készült. Irodalomjegyzék [1] M. Occhionero, R. Adams, K. Fennessy, R. A. Hay: Aluminum Silicon Carbide (AlSiC) for Advanced Microelectronic Packages, IMAPS May 1998 Boston Meeting, Ceramics Process Systems Corp. [] R. R. Irving: Packaged for the road, http://www.memagazine.org/backissues /membersonly/july1/features/packaged/packaged.html [3] J. E. Spowart, B. Maruyama, D. B. Miracle: Multi-scale characterization of spatially heterogeneous systems: implications for discontinuously reinforced metal matrix composite microstructures. Materials Science and Engineering A37 (1) pp. 51 66. [4] Valasek I.: A tribológia alapjai. Tribotechnik Kft., Budapest,.
Fémkompozitok kopásállóságának vizgálata 369 [5] S. C. Tyong, S. Q. Wu, H. C. Liao: Wear behaviour of an Al-1%Si alloy reinforced with a low volume fraction of SiC particle, Composite Science and Technology 57 (1997) 51 58. [6] B. Venkataraman, G. Sundarajan, Acta Mater. 44 (1996) 461 473. [7] Z. C. Feng, K. N. Tandon: Behaviour of surface layers during reciprocating wear of SiC-Al/Si metal matrix composites. Scripta Metall. Mater. 3 (1995) 53 58. [8] P. N. Bindumadhavan, T. K.Chia, M. Chandrasekaran, H. K.Wah, L. N. Lam, O.Prabhakar, (1). Effect of particle-porosity clusters on tribological behavior of cast aluminum alloy A356-SiCp metal matrix composites. Materials Science and Engineering: A Volume 3 Issues 1- pp. 17-/6. [9] Simon A.: Az összetétel és az előállítási technológia hatása az Al-SiCp kompozitok szövetszerkezetére, valamint mechanikai tulajdonságaira. PhD Értekezés, Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola, Miskolc.