Ocena przydatności osnowy z różnych stopów magnezu w kompozycie umacnianym cząstkami SiC

• Autorzy: Braszczyńska K.N. , Zyska A. , Braszczyński J.

Warianty tytułu

EN

Selection of the matrix composition in designing composites on the magnesium matrix alloys reinforced with SiC particles

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kompozyty na osnowie stopów magnezu są przedmiotem dużego zainteresowania z powodu głównie małej gęstości oraz podwyższonych modułów sztywności, wytrzymałości oraz odporności na zużycie cierne. Czynniki wpływające na strukturę i własności kompozytów magnezowych przedstawiono schematycznie na rysunku 1. Dokonano analizy mikrostruktur kompozytów wytworzonych na osnowie różnych stopów magnezu umacnianych cząstkami węglika krzemu. Na osnowę kompozytów użyto czystego magnezu oraz stopów zawierających: (i) 9% Al (0,8% Mn), (ii) 6% Zn (1% Zr) i (iii) 3% pierwiastków ziem rzadkich (RE). Próbki kompozytowe zawierające około 20% wag. heksagonalnych cząstek SiC typu 6H i maksymalnych wymiarach 32 mikrometra otrzymano metodą odlewania grawitacyjnego mechanicznie mieszanej suspensji. Wszystkie kompozyty charakteryzowały się dobrą zwilżalnością cząstek SiC przez ciekłą osnowę oraz równomiernym rozmieszczeniem fazy umacniającej w osnowie (rys. 2). Ujawniono obecność w osnowie kompozytów międzymetalicznej fazy Mg2Si jako składnika eutektyki Mg+Mg2Si (rys. 3). Składnik ten powstaje jako produkt reakcji pomiędzy magnezem a filmem SiO2 pokrywającym cząstki SiC z procesu ich naturalnego utleniania. Badania przy zastosowaniu elektronowej mikroskopii transmisyjnej wykazały, że granice rozdziału SiCp/Mg były czyste, pozbawione wydzieleń (rys. 4). Kompozyty wytworzone na osnowie stopów Mg-9%Al (oraz około 0,8% Mn) i Mg-6%Zn (około 1% Zr) charakteryzowały się również takim samym typem powierzchni rozdziału miedzy komponentami (rys. 5). Nie zostały również wykryte żadne reakcje pomiędzy komponentami w tych materiałach. W przypadku kompozytów otrzymanych na osnowie stopu Mg-3%RE obserwowano natomiast utworzenie grubych warstw reakcyjnych na granicy pomiędzy cząstkami SiC a osnową (rys. 6). Analizy TEM pozwoliły określić obecność wydzieleń RE3Si2 na granicy rozdziału pomiędzy komponentami, jak również w osnowie o charakterystycznej iglastej morfologii (rys. 7). Całość pierwiastków ziem rzadkich uległa reakcji z cząstkami SiC, tworząc wydzielenia RE3Si2 i powodując destrukcję fazy umacniającej. Wpływ poszczególnych pierwiastków stopowych na rodzaj połączenia komponentów przedstawiono schematycznie na rysunku 8.

EN

Magnesium matrix composites have attracted considerable interest mainly due to their low density and increased specific modulus, stiffness, strength and wear resistance. Factors affecting the structure and properties of magnesium matrix composites reinforced with ceramic particles are schematically presented in Figure 1. In this work microstructural analyses of composites produced on the base of different magnesium alloys reinforced with silicon carbide particles are presented. Pure magnesium and magnesium alloys containing: (i) 9 wt.% Al (0.8 wt.% Mn), (ii) 6 wt.% Zn (and l wt.% Zr) and (iii) 3 wt.% rare earth elements (RE) were used as the matrix. Composite samples containing about 20 wt.% of hexagonal SiC particles of the 6H type and the maximum diameter 32 [micro]m were obtained by gravity casling of the mechanically mixed suspension. All composites were characterised by a very good wetability of SiC particles by molten magnesium and a uniform distribution of the reinforcing phase within the matrix (Fig. 2). The presence of the Mg2Si intermetallic phase as a component of the Mg+Mg2Si divorced eutectic was determined in the composite matrix (Fig. 2). This compound forms as a product of the reaction between the magnesium and the SiO2 film covering the SiC particles from natural process of the oxidising them. The transmission electron microscopy investigations showed that the SiCp/Mg interfaces had an adhesive character of the joint and were free of precipitates and strongly connected (Fig. 3). Composites prepared on the base of the Mg-9 wt.% Al (and also about 0.8 wt.% Mn) and Mg-6 wt.% Zn (about l wt.% Zr) were also characterised by the same type of the interfaces between components (Fig. 5). Any reactions between components in these materials were determined. In the case of composites obtained on the base of Mg-3 wt.% RE the formation of wide reaction layers at the interfaces between the SiC particles and matrix alloy was observed (Fig. 6). TEM analyses allowed the determination of the presence of RE3Si2 precipitates at the interfaces between components and also in the matrix with characteristic needle-like morphology (Fig. 7). All the rare earth elements reacted with SiC particles to created the RE3Si2 precipitates and caused the destruction of the reinforcing phase. Influence of the particular alloying elements on the type of the component interfaces in magnesium matrix composites is presented schematically in Figure 8.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt magnezowy; cząstki SiC; osnowa; pierwiastki stopowe; mikrostruktura

EN

magnesium matrix composites; SiC particles; alloying elements; microstructure

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2003
• Tom: R. 3, nr 8
• Strony: 353--358
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Braszczyńska K.N.

• Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa, al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa

autor

Zyska A.

• Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa, al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa

autor

Braszczyński J.

• Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa, al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Luo A., Procesing, Microstructure nad Mechanical Behavior of Cast Magnesium Metal Matrix Composites, Metl. and Met. Trans. 1995, A, 26A, 2445.
• [2] Yang W., Weatherly G.C., McComb D.W., Lloyd D.J., The structure of SiC - reinforced Mg casting alloys, Journ. of Microscopy 1997, 185, February, 292.
• [3] Ebart T., Moll F., Kainer K.U., Spray Forming of Magnesium Alloys and Composites, Powder Metalurgy 1997, 40, 126-130.
• [4] Kainer K.U., Aluminium and Magnesium Based Metal Matrix Composites, Metals Alloys Technologies 1997, 10, 509.
• [5] Krishnader M.R., Angers R., Krishnadas Nair C.G., Huard G., The Structure and Properties of Magnesium - Matrix Composites, Journal of Metals 1993, August, 52-54.
• [6] Schroder J., Kainer K.U., Processing, Properties and Application of P/M Magnesium-SiC-Composites, JCCM-9, Abington 1993, 340-346.
• [7] Roos U., Kainer K.U., Mordike B.L., Influence of the geometrically particle shape on the mechanical properties of P/M produced QE22 - SiCp - composites with various volume fraction of particles, Powder Metallurgy Wold Congerss, Les Ullis 1994, 2249-2252.
• [8] Schroder J., Kainer K.U., Mordike B.L., Correlation Between Structure and Mechanical Properties of SiC Particle Reinforced Magnesium Alloys, 2nd European Conf on Advanced Materials and Process, London 1991, 2, 81-91.
• [9] Kainer K.U., Schroder J., Mordike B.L., Influence of Various P/M Production Methodes on the Properties of Magnesium - SiC - Composites, Int. Conf. Advances Composites’93, Warrendale 1993, 1061-1065.
• [10] Braszczyński J., Odlewnicze stopy Mg umacniane cząstkami SiC - czynniki fizykochemiczne i technologiczne kształtujące strukturę i własności, Projekt badawczy KBN, Nr 7 T08B 005 17
• [11] Braszczyńska K.N., Bochenek A., Contribution of the silicon carbide particles to the formation of the structure of magnesium cast composites, La Revue de Metallurgie - CIT/Science et Génie des Matériaux, 2000, 12, 1455-1462.
• [12] Braszczyńska K.N., Lityńska L., Zyska A., Baliga W., TEM analysis of the interfaces between the components in magnesium matrix composites reinforced with SiC particles, Materials Chemistry and Physics 2002, 9773, 1-3.
• [13] Cai Y., Tan M.J., Shen G.J., Su H.Q., Microstructure and heterogeneous nucleation phenomena in cast SiC particles reinforced magnesium composite, Materials Science and Engineering 2000, A282, 232-239.
• [14] Luo A., Development of matrix grain structure during the solidification of a Mg(AZ91)/SiCP composite, Scripta Met-allurgica et Materiala 1994, 31, 9, 1253-1258.