Synthesis of light composites reinforced with cenospheres

• Autorzy: Długosz P. , Darłak P. , Purgert R. M. , Sobczak J. J.

Warianty tytułu

PL

Synteza lekkich materiałów kompozytowych zbrojonych cenosferami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a method of casting metal matrix composite materials based on light alloys reinforced with cenospheres.The cenospheres, which are a product of fly ash processing by flotation, were formed into porous ceramic shaped elements and subjected to pressure infiltration with a liquid metal on a specially designed hydraulic press. The infiltration process was recorded with an infra-red camera. The obtained composite samples have been tested with the following inspections: density and hardness, X-ray and microstructure. The thermography inspection showed the temperature distribution on the surface of the preheated ceramic preforms. The X-ray examination revealed in the castings a few cracks caused probably by a high value of squeeze pressure. Numerous spheres filled with a solidified metal in the microstructure images were observed. The degradation of the cenospheres was directly connected to the infiltration process parameters, namely: the temperature of the preform and molten metal, too high squeeze pressure or too invasive process of the preform preparation. Despite the anticipations, only a slight decrease in composite density in comparison to the density of the monolithic alloy has been found. However, an increase in the composite hardness has been observed. As a result of the described work, instructions for further tests, which involve slight changes in the process parameters namely: casting pressure, temperature of the molten metal and the ceramic preforms, in order to achieve proper structural and mechanical characteristics of the composite products have been established.

PL

Zaprezentowano metodę odlewania kompozytów metalowych bazujących na stopach lekkich, zbrojonych materiałami odpadowymi o niskim ciężarze właściwym - cenosferami. Cenosfery, stanowiące produkt uszlachetniania popiołów lotnych metodą flotacji, zostały uformowane w porowate kształtki ceramiczne i poddane ciśnieniowej infiltracji ciekłym stopem aluminium na specjalnie przygotowanej prasie hydraulicznej. Proces infiltracji rejestrowano kamerą termowizyjną. Otrzymane próbki kompozytowe poddano badaniom rentgenowskim oraz mikroskopowym. Wykonano pomiary gęstości oraz mikrotwardości. Analiza termowizyjna dostarczyła danych na temat rozkładu temperatury na powierzchni wygrzewanych wstępnie preform ceramicznych. Badania rentgenowskie ujawniły w odlewach nieliczne pęknięcia wywołane prawdopodobnie wysoką wartością ciśnienia prasowania. W obrazach mikrostruktury zaobserwowano liczne sfery wypełnione zakrzepłym metalem. Za przyczynę degradacji ścianek cenosfer uznano zbyt duże ciśnienie prasowania, wysoką temperaturę i tempo wstępnego nagrzewania preform, nagły kontakt z gorącym stopionym metalem lub zbyt dużą inwazyjność procesu przygotowania preform. Równocześnie, wbrew wcześniejszym założeniom stwierdzono jedynie nieznaczny spadek gęstości kompozytu względem stopu wyjściowego. W ramach badań odnotowano natomiast wzrost twardości kompozytu. Ostatecznie ustalono wytyczne do dalszych prób odlewniczych, przy czym zasugerowano zmianę niektórych parametrów, takich jak: ciśnienie prasowania, temperatura stopu i preformy.

Słowa kluczowe

EN

cenospheres; ALFA composites; pressure infiltration

PL

cenosfery; kompozyty ALFA; infiltracja ciśnieniowa

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 4
• Strony: 288--293
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14, rys., tab.

Twórcy

autor

Długosz P.

autor

Darłak P.

autor

Purgert R. M.

autor

Sobczak J. J.

• Foundry Research Institute, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków, Poland,

Bibliografia

• [1] Kolay P.K., Singh D.N., Physical, chemical, mineralogical, and thermal properties of cenospheres from an ash lagoon, Cement and Concrete Research 2001, 31, 539-542.
• [2] Wei Liu, Xiang-qian Shen, Dong-hong Li, Fabrication of magnetic nanosized alfa-Fe- and Al2O3-Fe- coated cenospheres, Powder Technology 2008, 186, 273-277.
• [3] Sobczak J., Sobczak N., Przystaś G., Zastosowanie materiałów odpadowych w odlewnictwie na przykładzie popiołów lotnych, (The use of waste in foundry industry on the example of fly ash.) Foundry Research Institute 1999 (in Polish).
• [4] Hirajima T., Petrus H.T.M.B., Oosako Y., Nonaka M., Sasaki K., Ando T., Recovery of cenospheres from coal fly ash using a dry separation process: Separation estimation and potential application, International Journal of Mineral Processing 2010, 95, 18-24.
• [5] Matsunaga T., Kim J.K., Hardcastle S., Rohatgi P.K., Crystallinity and selected properties of fly ash particles, Materials Science and Engineering 2002, A 325, 333-343.
• [6] Petrus H.T.M.B., Hirajima T., Oosako Y., Nonaka M., Sasaki K., Ando T., Performance of dry-separation processes in the recovery of cenospheres from fly ash and their implementation in a recovery unit, International Journal of Mineral Processing 2011, 98, 15 23.
• [7] Rohatgi P.K., Guo R.Q., Iksan H., Borchelt E.J., Asthana R., Pressure infiltration technique for synthesis of aluminium- fly ash particulate composite, Materials Science and Engineering 1998, A244, 22-30.
• [8] Rohatgi P.K., Daoud A., Shultz B.F., Puri T., Microstructure and mechanical behavior of die casting AZ91D-Fly ash cenosphere composites, Composites: Part A 2009, 40, 883-896.
• [9] Sobczak J., Kompozyty metalowe, (Metal matrix composites.) A publication of Foundry Research Institute and Motor Transport Institute Cracow - Warsaw 2001 (in Polish).
• [10] Sobczak J., Darłak P., Wojciechowski A., Pietrzak K., Rudnik D., Wybrane aspekty technologii kompozytów alfa. (Selected aspects of alpha composites technology.) Foundry Research Institute, Composites 2005, 5, 3 (in Polish).
• [11] Gupta N., Woldesenbet E., Compression properties of syntactic foams: effect of cenosphere radius ratio and specimen aspect ratio. Composites Part A, Applied Science and Manufacturing 2004, 35, 103-111.
• [12] Deepthi M.V., Madan Sharma, Sailaja R.R.N., Anantha P., Sampath Kumaran P., Seetharamu S., Mechanical and thermal characteristics of high density polyethylene-fly ash cenospheres composites, Materials and Design 2010, 31, 2051-2060.
• [13] Sobczak J., Sobczak N., Rudnik D., Wojciechowski A., Pietrzak K., Infiltracja ciśnieniowa stopami aluminium i magnezu porowatych preform włóknistych na bazie włókien krótkich z tlenku glinu - specyfika strukturalna i chemiczna. (Pressure infiltration with aluminium and magnesium alloys of porous preforms based on short alumina fibres - specific structural and chemical features.) Foundry Research Institute, Composites 2001, 1, 2 (in Polish).
• [14] Mondal D.P., Das S., Ramakrishnan N., Bhasker K.U., Cenosphere filled aluminium syntactic foam made through stir-casting. technique, Composites Part A, Applied Science and Manufacturing 2009, 40, 279-288.