ISSN 1318-0010
KZLTET 32(3-5)165(1998)
KOMPOZITI, IZDELANI S SINTEZO DVOFAZNIH (S+L)
MEŠANIC
COMPOSITES PRODUCED WITH THE SYNTHESIS OF TWO-PHASE (S+L) MIXTURES
IVAN ANŽEL, G. LOJEN, A. KRIŽMAN
Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor
Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19
Kompoziti s kovinsko osnovo so sestavljeni iz kovinske matice in utrjevalne faze, ki ima lahko različno morfologijo (kontinuirna ali nekontinuirna vlakna, lamele, delci...). Do sedaj so bile razvite številne tehnologije izdelave teh materialov, med katerimi je še posebej zanimiv postopek tvorbe kompozita in situ. Ta postopek rešuje problem omočljivosti, ne omogoča pa poljubne izbire vrste in variiranja deleža utrjevalne faze v kompozitu v dovolj širokih mejah. V tem prispevku predstavljamo model novega postopka izdelave kovinskih kompozitov, utrjenih z delci, ki rešuje tako problem omočljivosti, kot tudi problem spreminjanja deleža utrjevalne faze v kompozitu.
Ključne besede: kovinski kompoziti, sinteza dvofaznih mešanic
Metal matrix composites (MMCs) consist of metal matrix and reinforcing phase, which can take one of several morphologies including continuous or discontinuous fibre, whiskers, or particulates. To date, many different technologies of production the MMCs have been developed. Especially atractive becomes in-situ composite technology which solves the problem of wettability of the reinforcing particulates by the matrix. On the other hand, a problem of the reinforcing phase fraction variation in the composite arises at this technology. In this paper we present the model of a new processing route, which can be used for the fabrication of particulate reinforced metal matrix composites and which solves both, the problem of wettability and the problem of the reinforcing phase fraction variation in the composite.
Key words: metal matrix composites, synthesis of two phase mixtures
1 UVOD
Kompoziti s kovinsko osnovo so dokaj nova generacija materialov, ki postajajo vse bolj uporabni v vsakdanji industrijski praksi. Sestavljeni so iz kovinske matice in utrjevalne faze, ki ima lahko različno morfologijo (kontinuirna ali nekontinuirna vlakna, lamele, delci...). Z dodatkom utrjevalne faze spremenimo materialu njegove mehanske lastnosti, modul elastičnosti, električno in toplotno prevodnost ter obrabno obstojnost. Na lastnosti kompozita vplivajo poleg kemijske sestave obeh faz predvsem velikost, morfologija, porazdelitev in delež utrjevalne faze.
Zaradi nižjih stroškov se je v zadnjem desetletju razvoj kovinskih kompozitnih materialov usmeril predvsem na kompozite, utrjene z delci. Med postopki izdelave so najbolj razširjeni: mehansko legiranje, dodajanje delcev utrjevalne faze v talino ali dvofazno (S+L) mešanico matice ter tvorba kompozita "in-situ"1. Pri prvih dveh postopkih mehansko zmešamo matico in utrjevalno fazo v zmes želene sestave, ki jo nato pri prvem konsolidiramo in visokotemperaturno sintramo, pri drugem pa kompozitno zmes z ohlajanjem popolnoma strdimo. Prednost obeh postopkov je predvsem v tem, da lahko vrsto in delež matice oziroma utrjevalne faze izbiramo poljubno, neodvisno od termodinamskih zakonitosti faznega sistema elementov, ki tvorijo matico in utr-jevalno fazo. Slabost teh postopkov pa je stanje mejnega področja oziroma adhezivnost med utrjevalno fazo in
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4	165
matico ter problem omočljivosti, predvsem pri postopku dodajanja delcev utrjevalne faze v talino ali dvofazno (S+L) mešanico matice2. Problem omočljivosti delcev utrjevalne faze s kovinsko matico je bil dokaj uspešno rešen s tehnologijo izdelave tako imenovanih kompozi-tov "in-situ", pri kateri nastane utrjevalna faza z kemijsko reakcijo in izločanjem reakcijskega produkta iz matice3. Slabost te tehnologije pa je, da ne omogoča izbire vrste in variiranja deleža utrjevalne faze v kompozitu v dovolj širokih mejah. Namreč, pri izbrani kovinski matici se lahko le nekatere utrjevalne faze od potencialnih kandidatk (oksidi, karbidi, nitridi, intermetalne faze...) tvorijo s kemijsko reakcijo in izločanjem iz trdne raztopine. Prav tako je maksimalen delež utrjevalne faze AmBn v matici M pri tehnologiji izdelave kompozita "in-situ" praktično določen s konstitucijo faznega diagrama M-A-B. Novejše raziskave na področju izdelave kom-pozitov so zato usmerjene tudi v iskanje novih tehnologij, ki bi uspešno rešile zgoraj omenjene probleme4-6.
V tem prispevku predstavljamo model novega načina izdelave kovinskih kompozitov, utrjenih z delci, v katerem sta združeni prednosti mehanskega legiranja ter tvorbe kompozita "in-situ". Postopek rešuje problema omočljivosti in spreminjanja deleža utrjevalne faze v kompozitu. Prikazani so tudi rezultati preliminarnega eksperimentalnega dela, ki so potrdili realne možnosti izdelave kompozita po opisanem modelnem postopku.

I. Anžel, et al.: Kompoziti, izdelani s sintezo dvofaznih..
2 PREDSTAVITEV MODELA
Modelni postopek izdelave kompozita s sintezo dvofaznih me{anic je sestavljen iz treh korakov.
a)	Izdelava dvofaznih (S+L) mešanic
Zlitini sestave M1 in M2, ki lahko pripadata istemu faznemu diagramu (slika 1) ali pa razli~nim faznim diagramom, ohladimo v dvofazno področje S+L in jih med ohlajanjem me{amo. V podhlajeni talini nukleirajo kali primarnih faz. Zaradi me{anja prehaja morfologija delcev rastoče primarne faze iz dendritne v sferoidizirano. Delež teh faz v dvofazni me{anici je odvisen od sestave zlitin ter od izbrane temperature me{anja (Tm). Stopnja sferoidiziranosti in velikost delcev pa sta odvisni predvsem od časa me{anja. Po prvem koraku imamo dve dvofazni me{anici. Prva je sestavljena iz globulitov primarne faze a in taline Li, druga pa iz globulitov primarne faze ß (v primeru na sliki 1 so to kristaliti čiste kovine B) in taline L2.
b)	Sinteza mešanic
Dvofazni (S+L) me{anici Mi in M2 mehansko zme{amo:
(a + U) + (ß + LZ) Ll + Lz = L> a + ß + L
Pri tem se tvori termodinamsko neravnotežna kom-pozitna me{anica, v kateri je dosežena koeksistenca dveh ali več termodinamsko nekompatibilnih faz. Delež posamezne faze je odvisen od deleža te faze v izhodni dvofazni me{anici ter od količinskega razmerja me{anic v kompozitni me{anici. Omočljivost trdnih faz v talini L kompozitne me{anice je dobra, saj je vsak delec v svoji bližnji okolici obdan s prehodno sestavo taline, ki ima na meji delec/talina termodinamsko ravnotežno kemijsko sestavo.
c)	Strjevanje kompozita
Kompozitno me{anico ohladimo tako, da ohranimo termodinamsko nekompatibilne faze do sobne temperature. Preostala talina L, ki je nastala s sintezo talin Li in L2, pa se strdi glede na sestavo po zakonitostih binarnega (A-B) (če sta obe me{anici iz istega binarnega faznega diagrama) ali pa ternarnega (A-B-C) oziroma kvatarnega (A-B-C-D) faznega diagrama (če sta obe me{anici iz različnih binarnih faznih diagramov).
Opisan model izdelave kompozita združuje prednosti mehanskega legiranja ter tvorbe kompozita "in-situ". Problem omočljivosti je re{en z izločanjem faz iz ter-modinamsko ravnotežnih talin ter s tvorbo prehodne, termodinamsko ravnotežne mejne plasti taline ob delcu v kompozitni me{anici. Delež posamezne faze v kompoz-itu lahko spreminjamo v dokaj {irokem območju s spreminjanjem razmerja me{anja dvofaznih me{anic in s spreminjanjem deleža primarnih faz v posamezni dvofazni me{anici. Na lastnosti tako izdelanega kompozit-nega materiala pa lahko, razen z izbiro deležev faz, vplivamo tudi z izbiranjem velikosti in oblike delcev
Slika 1: Shematičen prikaz izdelave kompozita pri sintezi dvofaznih me{anic iz sistema A - B
Figure 1: Shematic presentation of composite production in the case of synthesis of a two phase mixtures from the binary system A - B
primarnih faz. Z različnimi hitrostmi ohlajanja ter s spreminjanjem hitrosti, časa in temperature me{anja spreminjamo obliko in velikost posamezne primarne faze v ločenih dvofaznih me{anicah. Tako lahko ustvarimo v kompozitu želeno velikost delcev utrjevalne faze, neodvisno od velikosti druge, primarne faze - matice.
Glede na sestavo zlitin, ki jih uporabljamo za izdelavo dvofaznih (S+L) me{anic imamo veliko različic modelnega načina. Če se omejimo le na binarne izhodne zlitine, razlikujemo:
a)	sintezo dvofaznih me{anic s sestavo Mi in M2 iz faznega diagrama A-B (slika 1; podan je primer izdelave kompozita, ki je sestavljen iz evtektične matice ter mehkih delcev faze a in čiste kovine B)
b)	sintezo dvofazne me{anice Mi iz faznega diagrama A-B in me{anice M2 iz faznega diagrama A - C
c)	sintezo dvofazne me{anice Mi iz faznega diagrama A - B in me{anice M2 iz faznega diagrama C - D.
3 EKSPERIMENTALNA POTRDITEV MODELA
Modelni postopek izdelave kompozitnih materialov smo eksperimentalno potrdili s sintezo dvofaznih me{anic iz binarnega sistema Al-Si. Pri navadnih postop-
3i0
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (i998) 5
I. Anžel, et al.: Kompoziti, izdelani s sintezo dvofaznih..
Slika 2: Eksperimentalna naprava Figure 2: Experimental set-up
kih izdelave teh zlitin imamo pri podevtekti~ni sestavi mikrostrukturo sestavljeno iz globulitov primarne faze aAl in evtektika (aAl + Si), pri nadevtekti~ni sestavi je mikrostruktura iz kristalitov primarne faze Si in evtek-tika (aAl + Si), zlitine evtekti~ne sestave pa vsebujejo le evtekti~ni zlog (aAl + Si). S sintezo dvofaznih me{anic, od katerih ima prva podevtekti~no sestavo (AlSi7), druga pa nadevtekti~no sestavo (AlSi40), lahko ustvarimo kompozitno mikrostrukturo, sestavljeno iz sferoidizira-nih globulitov primarnih faz aAl in Si ter evtektika (aAl + Si).
Zlitino AlSi7 smo pretalili pri temperaturi 700°C, jo prelili v grafitni lonec eksperimentalne naprave (slika 2), ogret na temperaturo taline, in jo ob me{anju ohladili do 590°C. Z me{anjem v dvofaznem (S+L) področju smo prepre~ili dendritno morfologijo rasti primarnih globuli-
tov aAl faze in ustvarili enakoosne aglomerate te faze (slika 3a). Po 30 minutah izotermnega me{anja smo dvofazno me{anico (aAl + Li) prelili v hladno grafitno kokilo in jo ohladili do sobne temperature. Pri tem se je preostala talina strdila evtektično.
Zlitino AlSi40 smo pretalili pri temperaturi 1100°C, jo prav tako prelili v grafitni lonec eksperimentalne naprave in jo med me{anjem ohladili do 590°C. Tudi pri tej zlitini smo z me{anjem spremenili morfologijo izločenih kristalov primarnega silicija, ki nimajo več običajne ostrorobe oblike, ampak so močno zaobljeni (slika 3b). Dvofazno me{anico smo po 30 minutah izotermnega me{anja ohladili v grafitni kokili do sobne temperature, pri čemer se je preostala talina prav tako strdila evtektično.
Obe me{anici smo ponovno ogreli na temperaturo 590°C in ju zme{ali v kompozitno me{anico s sestavo AlSi20, ki smo jo nato s hitrim ohlajanjem v vodi ohladili do sobne temperature. V primerjavi z mikrostruk-turo običajno izdelane zlitine AlSi20, ki je sestavljena iz primarnih kristalov Si in evtektika (slika 4b), imamo v mikrostrukturi tako izdelanega kompozita z enako sestavo koeksistenco dveh termodinamsko nekompatibilnih faz aAl in primarnega Si (slika 4a). Mikrostruktura vsebuje poleg enakoosnih aglomeratov primarne faze aAl in zaobljenih delcev primarnega Si ter evtektika (aAl + Si) tudi drobne dendrite primarne faze aAl, ki so nastali pri neravnotežnem strjevanju preostale taline med hitrim ohlajanjem kompozitne me{anice.
4 TERMODINAMSKA NEKOMPATIBILNOST FAZ
Pri sintezi me{anic Mi in M2 vsebuje kompozitna me{anica v splo{nem termodinamsko nekompatibilne
Slika 3: Mikrostruktura strjene dvofazne me{anice AlSi7 (a) in AlSi20 (b)
Figure 3: Microstructure of solidified two-phase mixture AlSi7 (a) and AlSi20 (b)
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5
311
I. Anžel, et al.: Kompoziti, izdelani s sintezo dvofaznih..
Slika 4: Kompozitna trofazna mešanica AlSi20 (a) in klasično lita zlitina AlSi20 (b) Figure 4: Composite three-phase mixture AlSi20 (a) and conventionally casted AlSi20 (b)
faze, ki težijo k razpadu. Ker sta obe primarni trdni fazi bistvena elementa mikrostrukture načrtovanega kompoz-ita, je treba ta razpad po sintezi preprečiti. Problem lahko rešujemo:
a)	kineti~no - proces mešanja in strjevanja izpeljemo dovolj hitro, da preprečimo razpad trdnih faz. Ta način je bil uporabljen tudi pri preprečevanju razpada termodi-namsko nekompatibilnih faz aAl in Si pri sintezi dvofaznih mešanic iz binarnega sistema Al-Si.
b)	s termodinamsko stabilizacijo - z dodatkom elementa X (lahko tudi zlitine X-Y, ali spojine XmYn) kom-pozitni mešanici a+ß+L modificiramo v fazi sinteze sestavo taline L v L' tako, da postane sistem primarnih faz in taline nove sestave (a+ß+L') termodinamsko stabilen.
Pri sintezi dvofaznih mešanic AlSi7 (aAl + L1) in AlSi40 (Si + L2) iz diagrama Al - Si, ki je bil uporabljen za eksperimentalno potrditev modela, lahko dosežemo takšno stabilizacijo primarnih faz aAl, Si ter taline L z dodatkom ustrezne količine bakra. S tem preide sestava kompozitne mešnice v trofazni prostor aAl+Si+L ter-narnega faznega diagrama Al-Si-Cu in sestave vseh treh konjugiranih faz so pri tej temperaturi določene pri a'Al, Si in L'. Ker se pri temperaturi sinteze v aAl raztaplja le malo Cu v Si pa nič, sta fazi a'Al in Si, iz ternarnega faznega ravnotežja praktično enaki primarno izločenim fazam aAl in Si v kompozitni mešanici. Tako je potrebno za doseganje termodinamskega ravnotežja med fazami v kompozitni mešanici modificirati le sestavo taline L v L' kar dosežemo z raztapljanjem ustrezne količine Cu v talini L, ki je nastala pri sintezi z mešanjem talin L1 in L2.
312
5 SKLEP
V prispevku je bil predstavljen model novega postopka izdelave kovinskih kompozitov, utrjenih z delci, v katerem sta združeni prednosti mehanskega legiranja ter tvorbe kompozita "in-situ". Postopek rešuje problema omočljivosti in spreminjanja deleža utrjevalne faze v kompozitu.
Rezultati preliminarnega eksperimentalnega dela, potrjujejo realne možnosti izdelave kompozita po opisanem modelnem postopku. Pri zlitini AlSi20, kjer je po običajnem postopku izdelave mikrostruktura sestavljena iz primarnih kristalov Si in evtektika, dosežemo s tem mikrostrukturo, ki vsebuje poleg zaobljenih delcev primarnega Si ter evtektika (aAl + Si) še enakoosne aglomerate primarne faze aAl.
Glavni problem, ki se pojavi pri tej tehnologiji izdelave, je ohranitev termodinamsko nekompatibilnih faz, ki težijo k razpadu po sintezi. Reševanje tega problema s termodinamsko stabilizacijo kompozitne mešanice pa pomeni tudi jedro našega nadaljnjega raziskovalnega dela.
6 LITERATURA
1	B. Ralph, H.C. Yuen, W.B. Lee: Journal of materials processing technology, 63 (1997)
2	F. Delannay, L. Froyen, A. Deruyttere: Journal of materials science, 22 (1987)
3	J. Liu, A. Wang, Z. Shi, G. An: Journal of materials processing technology, 63 (1997)
4	P. J. Ward, H. V. Atkinson, D. H. Kirkwood, C. M. Sellars: Journal de physique, 3 (1993)
5R. A. Varin: Zeitschrift für Metallkunde, 81 (1990)
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5	311