Drut kompozytowy Al-stal

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI SlĄSKIEJ 1991

S e ria » HUTNICTWO » .3 6 Nr k o l . 1063

I z a b e l l a HYLA J ó z e f SLEZIONA

DRUT KOMPOZYTOWY Al-STAL

Streszczenie. W prac y om ówiono sposób wytwarzania drutu ko m p o z y ­ towego Al - drut stalowy m e to dą ciągnienie. Przedstawiono własności k o mp oz yt u w zależności od parame tr ów procesu ciągnienia.

Pokazano ró wn ie ż m o żl iw oś ci doboru parametrów procesu opartych na zależnościach ma te ma t y c z n y c h o p i s uj ąc yc h naprężenia w komponentach.

Prace ba da wc ze w zakresie o p an ow an ia technologii produkcji drutu kom­

pozytowego, podjęte w Zakładzie Kompozytów w Instytucie Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej/, doprowadziły do zamierzonego celu, co znalazło ró wnież swój wyra z w Uzys ka ni u stosownego patentu. Zapotrze­

bowanie na taką po staó komp oz yt u Al-stal wy ni ka z możliwości wy ko r z y s t a ­ nia go albo w postaci prze wo dó w elektrycznych, albo też jako półproduktu do dalszego pr ze twórstwa (metodą prasowania na gorąco bądź zbrojenia odlewów aluminiowych). Stosowane technologie wytwarzania drutu kompozyto­

wego podzielió możn a na technologie z ud ziałem fazy ciekłej £1] i techno­

logie prze ró bk i plastycznej [2J.

W pr zy pa dk u ko rz ystania z me to d z ud zi ał em fazy ciekłej najczęściej wykorzystywana jest metoda ciągłego odlewania £1]. Przy jej stosowaniu wymagane jest spełnienie w i e l u waru nk ów technologicznych, do kt órych za­

liczyć należy przede w s zy st ki m właś ci we dobranie temperatury ciekłego m e ­ talu, pręd ko śc i przeciągania dr ut ów przez ciekłe Al oraz szybkości k r y ­ stalizacji. Właściwe ustalenie p o wy żs zy ch parametrów pozwala bowiem u n i­

knąć niebez pi ec ze ńs tw a tworzenia się ro zb ud ow an yc h warstw dyfuzyjnych na granicy komp on en tó w [Y] oraz ujemnego wpływu temperatury i czasu kontaktu z ci ek ły m Al na w ł as no śc i stosowanego drutu stalowego [4j .

W pr zy p a d k u stosowania me t o d pr ze ró bk i plastycznej, np. ciągnienie, niezbędne jest stosowanie drutów stal ow yc h z na ni es io ną na nie uprzednio warstwą al um i n i u m o odpowiedniej gr ub oś ci zapewniającej zapełnienie p r z e ­ strzeni m i ęd zy w ł ó k na mi oraz zabezpieczenie pr ze d bezpośrednim kontaktem włókien zbrojących.

Znane te ch nologie pokryw an ia drutów stalowych wa rstwą aluminium, takie jak np. alumin io wa ni e ogniowe £5~\, pokrywanie elektrolityczne w st op io­

nych s o la ch U 3 l u b p o kr yw an ie w wy ni ku ro zkładu termicznego związków gli- n o o r g a n ic z n y c h l n i e zapewniają uzyskania w krótkim c z a s i e po kryć o grubo­

ś c i ró w n e j 1/5 ś r e d n i c y d r u tu ( u d z i a ł o b j . z b r o j e n i a w ynosi wówczas o k o ło 50% ) , a t e c h n o l o g i e i c h n a n o s z e n ia s p r a w ia ją w ie l e trudności.

W IIH opracow ano p r o s t s z ą te c h n o lo g i ę n a n o s z e n ia w arstw alum inow ych n ie z b ę d n y c h w p r o c e s i e c i ą g n i e n i a d r u t u kompozytowego A l- d r u t s ta lo w y , co z o s t a n i e p r z e d s ta w io n e w d a l s z e j c z ę ś c i p r a c y .

T e c h n o lo g ia w y tw a rz a n ia kom pozytu

Do w y tw a rz a n ia d r u tu kompozytowego u ż y to i

a ) d r u t s ta lo w y ze s t a l i H25N20S2 o ś r e d n ic y 0 ,4 mm, w y trz y m a ło ś c i na r o z c i ą g a n i e Hffl- 1 , 9 GPa i w y d łu ż e n iu 256,

b) pr oszek a l u m i n i u j płatkowy o czystości 99,97 56 Al.

|0snowę p ro szk o w ą n an o szo n o na p o je d y ń c z e d r u t y s ta lo w e w p o s t a c i gęstwy u z y s k u ją c ś r e d n i c ę o k o ło 0 ,8 mm. Po w y su sz e n iu d r u ty w prow adzano do o tu ­ l i n y , k t ó r ą s t a n o w iła r u r k a alu m in io w a o ś r e d n ic y z e w n ę trz n e j 6 mm i g ru ­ b o ś c i 1 mm. Tak p rzy g o to w a n y m a t e r i a ł poddawano s p ie k a n i u w te m p e r a tu rz e 550 lu b 620°C p r z e z 1 /2 g o d z in y w a tm o s f e r z e p r ó ż n i . Po s p ie k a n i u m a te - I r i a ł poddawano z a g ę s z c z a n iu p o p rz e z c i ą g p i e n i e . Stosow ano n a s tę p u j ą c y

z e sta w ciągów d o b ran y e k s p e r y m e n ta ln ie ! 5 , 5 i 5 ,2 5 t 5 ,0 « 4 , 9 t 4 ,6 5 t 4 ,5 4 t 4 , 3 i 4 , 0 5 . C ią g n ie n ie prow adzono n a c i ą g a r c e ławow ej je d n o ż y ło w e j z p r ę ­ d k o ś c ią 0 ,0 5 m /s s t o s u j ą c c i ą g a d ł a z w ęglików s p ie k a n y c h w k ą c ie z g n io tu równym 2 4 ° . Ja k o ś ro d e k s m a r u ją c y 's to s o w a n o p r o s z e k m y d lan y . D la k a ż d e j [ ś re d n ic y , po z a g ę s z c z e n iu d r u tu kompozytowego o k r e ś la n o je g o w ytrzy m ało ść n a r o z c i ą g a n i e i u d z i a ł o b j . z b r o j e n i a .

D r u t k o m p o z y to w y ... 169

G n io t sum aryczny w p r o c e s i e c i ą g n i e n i a d r u tu kompozytowego o s t r u k t u ­ rze p o r o w a te j s k ła d a s i ę z g n io tu z a g ę s z c z a ją c e g o , , do g ę s t o ś c i t e o ­ r e t y c z n e j i g n i o t u w y d łu ż a ją c e g o E^. W ie lk o ść g n io tu £ 1 o k r e ś lo n a j e s t porowatością w sadu kom pozytow ego, n a to m ia s t w ie lk o ś ć g n io tu w y d łu ż a ją c e g o

£„ z a le ż n a jest od wł as no śc i p la s ty c z n y c h komponentów i z r e g u ły o s ią g a w a rto ś ć k i l k a d z i e s i ą t p r o c e n t .

gniot całkowity, Z

R y s.2 Wpływ g n i o t u c a łk o w ite g o na n a p r ę ż e ­ n ie w k o m p o z y cie : 1- n a p r ę ż e n i e w yznaczone d o ś w ia d c z a ln ie , 2 - n a p r ę ż e n ie o b lic z o n e ,

i w o snow ie c i ą g ł o ś c i p r o c e s u , r e l a c j a

Ze w zg lęd u na m a łą p la s ty c z n o ś ć d r u tu z b ro ­ ją c e g o ( E -2% ), po z a g ę s z c z e ­ n i u m a t e r i a ł u wsadowego o b s e r ­ w uje s i ę p o c i e n i a n i e o t u l i n y .

Podstawowym w arunkiem p ro ­ c e s u c i ą g n i e n i a m a t e r i a ł u kom­

pozytow ego po wstępnym z a g ę­

s z c z e n iu do g ę s t o ś c i t e o r e t y ­ c z n e j j e s t z a le ż n o ś ć [1 ]

62 " 8o a n £ w ( 1 ) g d z i e : n - i l o ś ć e le m e n ta r ­

nych d ru tó w ,

£ w - o d k s z t a ł c e n i e d r u t u .

G n io t z a g ę s z c z a ją c y d la n=39 dru tó w p o k r y ty c h g ęstw ą A l, d a j ą c ą pow łokę o g r u b o ś c i 0 ,1 mm, w yn o si 2 2 ,8 % . W z a l e ­ ż n o ś c i od końcow ej ś r e d n ic y c ią g n io n e g o d r u t u kom pozyto­

wego d l a za sto so w a n e g o u k ła d u A l - s t a l g n i o t w y d łu ż a ją c y wy­

n o s i ł od 8 ,2 % p r z y ś r e d n ic y 5 mm, do 3 1 ,2 # p rz y ś r e d n ic y 4 ,0 5 mm.

W p r o c e s i e c i ą g n i e n i a w o sn o w ie i we w łó k n ie p o w s ta ją n a p r ę ż e n i a , k t ó r e n a j i s t o t n i e j ­ s z e z n a c z e n ie m a ją w o b s z a r z e w y jś c ia z c i ą g a d ł a . Z achodzić m usi bowiem, d l a u trz y m a n ia

g d z ie :

* ^ k

\ - 6 w *w ♦ 6 o

(1

V

(2)

( 3 )

6 „ „ -* naprężenie niszczące włókno i osnowę,

W | U

Vw - udział obj. drutu .zbrojącego,

indeksy 1,11 oznaczają wytrzymałość ko mp oz yt u w dwu kolejnych ciągach.

k k

Odpowiednie wa rtości na prężeń we wł ók na ch 6 w i w osnowie 6 Q w strefie wyjścia z ciągadła można wy zn ac zy ć z zależności

6 w ■ ^* V8 n i . [ ’ h % & - ) ( 4 :

2b 2b

^ ^ « ¡ . i . [ , * ] . 6 ° (5 )

g d z i e : C = 1 - Vw - V0 ( 6 )

V 0SCt/2 , Vw Dh cos o? 4d cinoc/2

b = c o s f (1 + ¿ u c t g c * - =— + — --- - VQ ( 7 )

8 = COS ( 1 + 4 j - ~\j Vw‘ ) - C O8d i ( 8 )

f - k ą t t a r c i a ,

¿u - wspó łc zy nn ik tarcia, 6^ - na pr ęż en ie przeciwciągu, D fc - średnica wyjściowa pręta,

- ś r e d n i c a w e jś c io w a p r ę t a .

P o sz c z e g ó ln e w ie l k o ś c i g e o m e try c z n e w p r o c e s i e c i ą g n i e n i a d r u tu kompo­

zytow ego p r z e d s ta w io n o na r y s . 1 .

Z a le ż n o ś c i ( 3 ) , ( 4 ) i ( 5 ) u m o ż liw ia ją w y z n a c z e n ie n a p r ę ż e ń w o sn o w ie i we w łó k n ie po wstępnym z a g ę s z c z e n iu m a t e r i a ł u w sadowego. Na r y s . 2 p r z e d s t a ­ wiono w y n ik i o b l i c z e ń n a p r ę ż e ń w o snow ie i n a p rę ż e ń w kom pozycie w p o ró ­ w naniu z w a r to ś c ia m i n a p rę ż e ń w yznaczonych e k s p e r y m e n ta ln ie w p r o c e s i e c i ą g n i e n i a .

Dla o b l i c z e ń p r z y j ę t o n a s tę p u j ą c e w a r t o ś c i : oC=24°, ,u = 0 ,0 6 .

Z ałożono ró w n ie ż , że d r u ty z b r o ją c e n i e u l e g a j ą o d k s z t a ł c e n i u p l a s t y c z n e ­ mu. J a k w id ać z r y s . 2 , i s t n i e j e b a rd z o d o b ra zgodność pom iędzy w a r t o ś c i a ­ mi n a p rę ż e ń w kom pozycie wyznaczonym i d o ś w ia d c z a ln ie (krzyw a 1) i o b l i ­ czonym i ze wzorów ( 3 ) do ( 5 ) (k rzy w a 2 ) . P r z y j ę t e do o b l i c z e ń w zory m o gą być zatem sto so w a n e do p r o je k to w a n ia t e c h n o l o g i i c i ą g n i e n i a d ru tó w k o m­

pozytowych.

D ru t k o m p o z y to w y .. 171

Tablica 1 W ła sn o śc i komponentów i kom pozytu A l - s t a l

o trzy m an eg o na d ro d z e c i ą g n i e n i a

Lp,

M a te r ia ł T e c h n o lo g ia

Vw

% dk mm

e0

%

£c

%

*m MPa

cC 10' 6K" 1 20-500°C

61 m?

1 Al 100 6 /4 - - 120 2 6 ,7 5 0,026

2 d r u t H25N20S2 100 0 ,4 - - 1900 / f i , 50 0,1058

3 kompozyt

s p i e k a n i e

6 2 0 ° C /0 ,5 h 25 5 31 8 , 2 388 1 8,75 0 ,0 2 8

4 kompozyt

s p i e k a n i e

5 5 0 °C /O ,5h 25 5 31 8 , 2 417 18,75 0 ,0 2 8

5 j . w 26 4 ,9 3 3 ,3 1 0 ,5 435 1 8 ,5 0 0 ,0 2 8

6 j .w 29 4 ,6 5 40 1 7 ,2 470 17,35 0,030

7 j.w 31 4 ,5 4 43 20,2 495 - -

8 j .w 34 4 ,3 48 2 5 ,2 520 - -

9 j .w 38 4 ,0 5 54 3 1 ,2 590 - -

S tr u k tu r a i w ła s n o ś c i d r u t u kompozytowego

W ła sn o śc i d r u t u kompozytowego o r a z p a r a m e tr y c i ą g n i e n i a p r z e d s ta w io n o w t a b l i c y 1. Z p r z e d s ta w io n y c h d an y c h w y n ik a , że kompozyt s p ie k a n y w w y so k ie j te m p e r a tu r z e (6 2 0 °C ) d a j e n i ż s z e w ła s n o ś c i m e ch a n icz n e p rz y ty c h sam ych w ła s n o ś c ia c h f iz y c z n y c h . P rz y c z y n ą te g o z ja w is k a s ą p ro c e sy z d ro w ie n ia z a c h o d z ą c e p o d c z a s w y g rzew an ia d r u tu s ta lo w e g o .

Wzrost u d z ia łu o b j . dru tu o 456, uzyskany w wynika w zr o stu g n io tu wydłuża­

jącego (u su w an ie m a te r ia łu o t u l i n y ) , prow adzi do bardzo znaczego w zrostu w ytrzym ałości na r o z c ią g a n ie kompozytu z 417 MPa do 470 MPa.

R y s .3 S t r u k t u r a kom pozytu Al - d r u t s ta lo w y . S t r e f a p o łą c z e n ia kompozyt o t u l i n a ; pow. 50x

R y s .4 S t r u k t u r a kom pozytu A l - s t a l ; pow. 100x

R y s .5 P rzełom kom pozytu A l - s t a l po r o z c i ą g a n i u ; pow. 100x

D r u t k o m p o z y to w y .. « 173

P rzy z m ia n ie u d z i a ł u o b j . d r u tu z b r o ją c e g o o bserw uje] s i ę ró w n ie ż zm iany w ła s n o ś c i f iz y c z n y c h ( z m n i e js z e n i e w s p ó łc z y n n ik a r o z s z e r z a l n o ś c i i w z ro st o p o r n o ś c i ) . W z a l e ż n o ś c i w ięc od p r z e z n a c z e n ia d r u t u kom pozytowego można d o b raó ta k ą w a r to ś ć g n io tu w y d łu ż a ją c e g o , ja k a p ozw ala u z y s k a ć pożąd an e je g o w ła s n o ś c i.

S t r u k t u r ę d r u t u kom pozytowego u zy sk an e g o po c i ą g n i e n i u z g n io te m ca łk o w ity m 40% p o k azan o n a r y s . 3 - 5 . R y s .3 p o k a z u je s t r e f ę p r z e j ś o i a k o m p o z y t- o tu lin a , r y s . 4 s t r u k t u r ę k om pozytu, n a to m ia s t r y s. 5 -przełom kom pozytu po p r ó b ie r o z c i ą g a n i a . Ha z d j ę c i a c h w id ać b a rd z o d o b re z a g ę ­ s z c z e n ie osnowy p r o s z k o w e j, d o b re p o łą c z e n ie m iędzy osnow ą i z b ro je n ie m o ra z o t u l i n ą . W idoczne j e s t ró w n ie ż rów nom ierne r o z m i e s z c z e n ie drutów z b r o ją c y c h w o sn o w ie A l.

U zyskane w y n ik i św ia d c z ą o p raw id ło w o d o b ra n y c h p a r a m e tr a c h p r o c e s u te c h n o lo g ic z n e g o i p e ł n e j p r z y d a t n o ś c i m etody c i ą g n i e n i a do w y tw a rz a n ia drutów kom pozytow ych.

¿ITERATURA

f~1 M a tu sie w ic z A .S .! Kom pozycyonnyje m a t i e r i a ł y na m i e t a l i c z e s k o j o sn o w ie . Nauka i T ie c h n ik a , M ińsk 1378.

[2] H yla I , ZN P o lite c h n ik a Ś lą s k a , H u tn ic tw o , z . 2 8, G liw ic e , 1987.

[3] H yla I . , S le z io n a J . j " I n ż y n i e r i a M a te ria ło w a " n r 3 , 1983

P4I H yla X ., S le z io n a J . , ZN P o l i t e c h n i k i S l . H u tn ic tw o , z . 26, G liw ic e

L 1985.

P5~î S t e i n i n g e r Z. s C ią g n ie n ie d ru tó w s ta lo w y c h , Wyd. Ś lą s k , K a to w ic e , 1975.

F e l l n e r P . , C h re n k o v a -P a n c iro v a M ., i i n . "K oroze a O chrana M a t e r i a ł u " , 1982, t . 4 , n r 2 6 .

COMPOSITE WIRE AL-STEEL Summary

Al c o m p o site w i r e - s t e e l p r o d u c t i o n m ethod h a s b e e n d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . C om posite p r o p e r t i e s d e p e n d in g on d ra w in g p r o c e s s p r o p e r t i e s have b e e n p r e s e n t e d . P ro c e s p a r a m é tr é s e l e c t i o n b a s e d on i t s m a th e m a tic a l d e p e n d e n c e s w h ich r e v e a l s t r e s s i n com ponents have a l s o b e e n p r e s e n t e d .

K0MnO3MUHOHHAH nPOBOJTOKA AL - CTAJTh

P e 3 to m e

B paôoTe o 6 c y > a e H O c t t o c o ó irojiyneHHSi K0MTT0 3HUH0HH0ft ^{t t p o6}o j î o k h A l -

c r a i b H6TOÎOM BOjioneHHM npeacTaBJieHO cBOMCTBa K O M t i o 3 n r a B

3aBMCTHMOCTH o r itapaMerpoB mpouecca BonoweHHH. IloKa3aHO TO*e

60 3MOXHOCTK Trocôopa napaMBTpoB iTpouecca Bojto-aeHHS Ha ocHOBe

n a i e n a i M n e c K H X j a B H C T n n o c e f t H a n p a a w e H H H b K O M i r o H e H T a x .