P/M composites of Al-Si-Fe-Cu alloy with SiC particles hot-extruded after preliminary compaction

• Autorzy: Wojtaszek M.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty stop Al-Si-Fe-Cu - cząstki SiC formowane na gorąco przez wyciskanie wstępnie zagęszczonych mieszanin

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The objective of the research work was to evaluate the possibility of forming high quality composites based on the Al17Si5Fe3Cu1.1Mg0.6Zr alloy, reinforced with silicon carbide particles, by means of preliminary hot compaction and hot extrusion processes. The mixtures were prepared with a matrix alloy powder and reinforcing phase, with a volume fraction of SiC particles maintained at 5, 10 and 15%. The feedstock to be extruded was prepared by preliminary hot compaction of the powders and composite mixtures. Subsequently, the semi-finished products were subjected to forward extrusion in isothermal conditions. For the obtained materials, both after compaction and after extrusion, their relative densities and hardness were determined. For the extruded materials, their compressive strength was determined, stress-strain curves were constructed, and their microstructure was analysed as well. The obtained materials showed high relative density and mechanical properties depending on the amount of deformation and volume fraction of the reinforcing phase. As a result of introducing SiC particles into the matrix or increasing their volume fraction, an increase of hardness was observed. Hot extrusion resulted in decreased hardness as compared to the material after preliminary compaction. With a volume fraction of SiC maintained not higher than 10%, the compressive strength of the extruded materials increased, while at 15% the average compressive strength was lower when compared to the matrix alloy. Based on room temperature stress-strain curves it was found that introducing particles into the matrix or increasing their volume fraction caused a decrease of the strain level at which failure of the specimen occurred. Increasing the volume fraction of SiC particles up to 10% resulted in a strengthening of the matrix, while in the case of a composite containing 15% of particles, a lowering of strength was observed. Specimens subjected to compression at a temperature of 200°C were deformed plastically, and the stress value at which the deformation occurred increased with an increasing volume fraction of the reinforcing phase. The microstructure of the matrix obtained as a result of extrusion realized with the assumed parameters was fine-grained. In the case of composites, the observations revealed a uniform distribution of SiC particles in the matrix. Based on the obtained results of the investigations, it was concluded that in the case of products formed with the assumed parameters, the introduction of SiC particles into the matrix, with a volume fraction maintained not higher than 10%, has a favourable effect, while at 15% a decrease of the analysed material properties at room temperature and their increase at an elevated temperature is observed. The obtained results of investigations allow us to conclude that the decision to introduce SiC particles into the Al17Si5Fe3Cu1.1Mg0.6Zr alloy matrix as a reinforcing phase, as well as of their volume fraction, should depend on the foreseen working conditions of the element made of this material.

PL

Celem badań była ocena możliwości formowania wysokiej jakości tworzyw na osnowie stopu Al17Si5Fe3Cu1,1Mg0,6Zr umocnionych cząstkami węglika krzemu, przy wykorzystaniu procesów wstępnego zagęszczania na gorąco i wyciskania na gorąco. Przygotowano mieszaniny proszków stopu osnowy i fazy umacniającej, przy udziałach objętościowych wynoszących odpowiednio 5, 10 i 15% cząstek węglika krzemu. Proces mieszania składników prowadzono w temperaturze pokojowej, przy prędkości obrotowej mieszalnika 0,9 s-1 i w czasie 60 minut. Wsad do wyciskania przygotowano przez wstępne zagęszczenie na gorąco proszków i mieszanin kompozytowych. Proces realizowano przy temperaturze 485°C oraz nacisku 150 MPa, który przetrzymywano przez 5 minut. Tak przygotowane półwyroby były wyciskane współbieżnie z prędkością 0.15 mm s-1 i przy współczynniku wyciskania 4,1. Podczas wyciskania stopu osnowy i kompozytów rejestrowano przebieg zmiany siły w funkcji przemieszczenia stempla. Dla półwyrobów po zagęszczaniu i dla wyciskanych tworzyw wyznaczono ich gęstość względną i twardość. Dla materiałów w stanie po wyciskaniu określono wytrzymałość na ściskanie i opracowano krzywe naprężenie - odkształcenie. Równomierność rozłożenia węglika krzemu w osnowie kompozytów oceniano przez obserwacje ich mikrostruktury. W efekcie zastosowania proponowanej technologii formowania otrzymano tworzywa o wysokiej gęstości względnej oraz o właściwościach mechanicznych zależnych od stopnia przetworzenia materiału i udziału cząstek fazy umacniającej w osnowie. Wzrost twardości próbek obserwowano w wyniku wprowadzenia do osnowy cząstek węglika krzemu lub zwiększenia ich udziału objętościowego, proces wyciskania na gorąco przy przyjętych parametrach powodował spadek twardości wsadu. W wyniku wprowadzenia do osnowy 5 i 10% cząstek węglika krzemu stwierdzono zwiększenie wytrzymałości na ściskanie tworzyw wyciskanych, wyznaczona dla kompozytu o zawartości 15% średnia wartość RC była niższa niż dla materiału osnowy. Na podstawie wyznaczonych w temperaturze pokojowej krzywych naprężenie rzeczywiste - odkształcenie stwierdzono, iż wprowadzenie do osnowy cząstek lub zwiększanie ich udziału objętościowego w osnowie powodowało spadek wielkości odkształcenia, przy którym następowało zniszczenie próbek. Podwyższenie zawartości cząstek węglika krzemu w osnowie do 10% prowadziło do umocnienia osnowy, dla kompozytu o zawartości 15% cząstek obserwowano spadek wytrzymałości. Próbki ściskane przy temperaturze 200°C odkształcały się plastycznie, wartość naprężenia, przy którym następowało odkształcenie materiału, rosła wskutek wprowadzenia do osnowy cząstek fazy umacniającej i zwiększania jej udziału w osnowie. Otrzymana w wyniku wyciskania przy przyjętych parametrach mikrostruktura osnowy była drobnoziarnista, w przypadku kompozytów obserwacje wykazały równomiernie rozlokowanie cząstek węglika krzemu w osnowie. Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że w przypadku wyrobów formowanych przy przyjętych parametrach wprowadzenie do osnowy cząstek węglika krzemu do ich udziału objętościowego wynoszącego 10% jest korzystne, zastosowanie 15% fazy umacniającej powoduje spadek badanych właściwości materiału w temperaturze pokojowej oraz ich polepszenie w podwyższonej temperaturze. Dlatego decyzja o zastosowaniu cząstek węglika krzemu do umocnienia wykonanej ze stopu Al17Si5Fe3Cu1.1Mg0.6Zr osnowy oraz o ich udziale objętościowym w osnowie powinna zależeć od przewidywanych warunków pracy wykonanego z tego materiału elementu.

Słowa kluczowe

EN

powder metallurgy; forming; aluminium alloy powder; SiC particles; composites; compaction; hot extrusion; mechanical properties; microstructure

PL

metalurgia proszków; przeróbka plastyczna; proszek stopu aluminium; cząstki węglika krzemu; kompozyty; zagęszczanie; wyciskanie na gorąco; właściwości mechaniczne; mikrostruktura

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 4
• Strony: 336--341
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wojtaszek M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• [1] Blicharski M., Inżynieria materiałowa, WNT, Warszawa 2006.
• [2] Pippan R., Weinert P., Stüve H.P., Threshold of fatigue crack propagation in Al and Al –composites, The 4th European Conference an Advanced Materials and Processes EUROMAT 95, Padua/Venice 113.
• [3] Wojtaszek M., Badania własne, nr w AGH 10.10.110.864.
• [4] Wojtaszek M., Szczepanik S., Doniec K., Kształtowanie na gorąco w procesach zagęszczania i wyciskania proszku stopu Al-Si-Fe-Cu oraz mieszaniny tego proszku i 10% cząstek SiC. Hot forming by consolidation and extrusion of Al-Si-Fe-Cu powder and mixture of this powder and 10% SiC particles, Kompozyty (Composites) 2006, 6, 2, 44-49.
• [5] Ramanathan S., Karthikeyan R., Gupta M., Development of processing maps for Al/SiC composite using fuzzy logic, Journal of Materials Processing Technology 2007, 183, 104-110.
• [6] Wojtaszek M., Durak J., Pernal F., Badanie i analiza metodą logiki rozmytej parametrów procesu mieszania pod kątem poprawy własności kompozytów otrzymanych z proszków - The research and analysis of mixing process parameters with application of fuzzy logic method for the improvement of properties of PM composites, Kompozyty (Composites) 2009, 9, 4, 327-331.
• [7] Wojtaszek M., Dudek P., Influence of closed-die hot compaction parameters on selected properties of PM Al-Si-Fe- Cu materials, Metallurgy and Foundry Engineering MaFE 2010, 36, 2, 91-96.