The influence of hybrid composites structure on their tribological properties

• Autorzy: Posmyk A. , Myalski J.

Warianty tytułu

PL

Wpływ struktury kompozytów hybrydowych na ich właściwości tribologiczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the influence of a hybrid composite structure containing two reinforcing phases i.e. porous, spherical Al2O3 ceramic particles, coated with glassy carbon film which carries out the function of solid lubricant. This composite is manufactured by a new method developed in 2013, which consists of three stages i.e. pre-form manufacturing from porous foam by means of gelcasting, foam saturation with a glassy carbon precursor and its pyrolysis, followed by the infiltration of the pre-form coated with glassy carbon by a liquid alloy. The new method helps to obtain composites with homogenous glassy carbon distribution which improves their tribological properties. The presence of aluminum oxide increases the hardness locally whereas the presence of glassy carbon mitigates the shear strength. Comparative tribological studies of a composite with an AC-AlCu3Mg1 matrix alloy containing 10% Al2O3 and the hybrid composite in which aluminum oxide spheres have been coated with glassy carbon, both sliding against GJL-300 cast iron in air, confirmed the positive influence of carbon on both the friction coefficient and wear. The friction coefficient at a sliding speed of v = 2.5 m/s and unit pressure p = 2 MPa after wearing-in of the sliding surfaces is 0.08÷0.12 for the composites with glassy carbon and 0.25÷0.32 for the composite which contains only ceramic spheres.

PL

Przedstawiono wpływ struktury kompozytu hybrydowego zawierającego dwie fazy zbrojące, tj. porowate, sferoidalne, puste wewnątrz cząstki Al2O3 jako umocnienie pokryte warstewką węgla szklistego, pełniącego funkcję smaru stałego. Kompozyt ten jest wytwarzany według nowej metody opracowanej w 2013 roku. Metoda składa się z trzech etapów, tj. wytwarzania preformy z porowatej pianki metodą żelowania spienionej zawiesiny, nasączania tej pianki prekursorem węgla szklistego i jego pirolizy oraz infiltracji ciekłym stopem osnowy pokrytej węglem szklistym preformy. Dzięki tej metodzie uzyskuje się zupełnie inną strukturę kompozytu niż dotychczasową metodą mieszania. Podczas mieszania uzyskuje się kompozyt o niezbyt równomiernym rozłożeniu węgla szklistego, przez co na powierzchni biorącej udział w tarciu można znaleźć obszary o mniejszej zawartości węgla, co sprzyja lokalnemu sczepianiu adhezyjnemu z współpracującym ślizgowo żeliwem. Według nowej metody, uzyskuje się kompozyt z bardziej równomiernym rozłożeniem węgla szklistego, co poprawia właściwości tribologiczne. Obecność tlenku glinu zwiększa lokalnie twardość, a węgla szklistego zmniejsza wytrzymałość na ścinanie. Doboru materiałów fazy zbrojącej dokonano zgodnie z hipotezą tarcia opracowaną przez Ernsta i Merchanta, wg której w strefie tarcia powinny być dwa materiały, tj. jeden o dużej twardości, a drugi o małej wytrzymałości na ścianie. Węgiel szklisty cechuje się małą wytrzymałością na ścianie (30÷50 MPa) i dużą mikrotwardością porównywalną do SiC (230÷340 HV - SIGRADUR), co zmniejsza siły tarcia. Cechy stereologiczne sfer ceramicznych, takie jak udział powierzchniowy (ilość cząstek na 1 mm2) i średnia średnica decydują o ilości i sposobie rozmieszczenia węgła osadzonego na wewnętrznych i zewnętrznych ściankach sfer. Regulując intensywność i czas osadzania prekursora węglowego na podłożu ceramicznym, można dobrać ilość fazy węglowej tworzącej się na ściankach tych sfer ceramicznych. Wydłużenie czasu osadzania prekursora węglowego pozwala na uzyskanie warstewek o większej grubości. W badanym kompozycie zaobserwowano, w zależności od wielkości i położenia sfer, powłoki węglowe o grubości od 1 do 5 µm. Cieńsze warstewki wytworzono w miejscach, do których dostęp płynnego prekursora był ograniczony, np. przez zbyt małe lub częściowo zamknięte pory w sferach Al2O3. Proces pirolizy prekursora wywiera również wpływ na właściwości tribologiczne wytworzonego węgła szklistego. Temperatura i czas karbonizacji, z reguły, wpływają na zwiększenie wytrzymałości i twardości węgla szklistego. Infiltracja ciekłym stopem osnowy pokrytych węglem szklistym preform ceramicznych wywiera wpływ na właściwości wytrzymałościowe kompozytu. Za niskie ciśnienie i za mała płynność stopu mogą spowodować, że nie wszystkie sfery zostaną wypełnione całkowicie, a powstałe pustki zmniejszą wytrzymałość. Porównawcze badania tribologiczne kompozytu z osnową ze stopu AC-AlCu3Mg1, zawierającego 10% Al2O3 oraz kompozytu hybrydowego, ze sferami Al2O3 pokrytymi węglem szklistym, we współpracy z żeliwem GJL-300 w warunkach tarcia technicznie suchego wykazały dobry wpływ węgla na współczynnik tarcia i zużycie. Współczynnik tarcia przy prędkości v = 2,5 m/s i nacisku jednostkowym p = 2 MPa po dotarciu skojarzenia wynosił 0,08÷0,12 dla kompozytu z węglem szklistym i 0,25÷0,32 dla kompozytu zawierającego tylko ceramiczne sfery.

Słowa kluczowe

EN

hybrid composite; structure; alumina; glassy carbon; tribological properties; solid lubricant

PL

kompozyty hybrydowe; struktura; tlenek glinu; węgiel szklisty; właściwości tribologiczne; smar stały

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 1
• Strony: 18--22
• Opis fizyczny: Bibliogra. 8 poz., rys.

Twórcy

autor

Posmyk A.

• Silesian University of Technology, Faculty of Transport, ul. Krasińskiego 8, 40 019 Katowice, Poland

autor

Myalski J.

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, ul. Krasińskiego 8, 40 019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Method for production of aluminium-ceramic composite including solid lubricants, Patent application P. 398311 [WIPO ST 10/C PL398311] 2012.
• [2] Santacruz I., Moreno R., Preparation of cordierite materials with tailored porosity by gelcasting with polysaccharides, International Journal of Applied Ceramic Tech. 2008, 5, 74-83.
• [3] Potoczek M., Gelcasting of alumina foams using agarose solutions, Ceram. International 2008, 34, 661-667.
• [4] Bednarek P., Szafran M., Sakka Y., Mizerski T., Gelcasting of alumina with a new monomer synthesized from glucose, Journal of European Ceramic Society 2010, 30, 1795-1801.
• [5] Posmyk A., Myalski J., Producing of composite materials with aluminium alloy matrix containing solid lubricants, Solid State Phenomena 2012, 191, 67-74.
• [6] Posmyk A., Myalski J., Hybrid composites with ceramic reinforcing phase modified by solid lubricants destined for vehicle subassemblies, Composites Theory and Practice 2013, 13(2) 135-140.
• [7] Ernst H., An interpretative review of 20th century machining and grinding research, TechnSolve Inc. Cincinati, 2003.
• [8] Potoczek M., Myalski J., Śleziona J., Śliwa R., Ceramika porowata do infiltracji metalami wytwarzana metodą żelowania spienionej zawiesiny, Inżynieria Materiałowa 2009, 6(172), 536-539.