Napięcia międzyfazowe w procesie recyklingu metalowych tworzyw kompozytowych z osnową aluminiową
[ 1 ] Instytut Technologii Materiałów, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
[ 1 ] Instytut Technologii Materiałów, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
[ 1 ] Instytut Technologii Materiałów, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
EN Interfacial tensions in recycling process of metal composites with aluminum matrix
polish
- napięcia międzyfazowe
- stopione sole
- recykling
- interfacial tensions
- melted salt
- recycling
PL Skromne dane dotyczące wartości napięć międzyfazowych obecnych na granicach ciekłych stopów i ciekłych żużli a jednocześnie duże znaczenie tych napięć w przebiegu procesów metalurgicznych, spowodowały podjęcie tematu pracy w odniesieniu do procesów recyklingu odlewanych metalowych materiałów kompozytowych (MMK) na osnowie stopów aluminium, drogą rozdzielania komponentów. Jest to najbardziej radykalny sposób recyklingu tych materiałów, polegający na oddzieleniu materiału zbrojenia od stopu stanowiącego osnowę kompozytową. Zabiegi te wymagają stosowania tzw. ośrodków recyklingowych, złożonych ze stopionych mieszanin soli o składach identycznych lub zbliżonych do stosowanych w konwencjonalnych zabiegach metalurgicznych dotyczących stopów aluminium. Dokonano wyboru metody określania napięć międzyfazowych na granicach stopów aluminium i stopionych wybranych mieszanin soli. Skonstruowano proste, ale skuteczne w działaniu stanowisko pozwalające na ich zmierzenie. W oparciu o jonową teorię żużli, opracowano liczbowy wskaźnik właściwości powierzchniowych, charakteryzujący skład chemiczny mieszanin soli stosowanych nie tylko w procesach recyklingu MMK na osnowie stopów aluminium, ale również w obróbce metalurgicznej tych stopów. Wykorzystując wyniki analiz termicznych stopionych mieszanin soli, dobrano zestawy (mieszanin) o zbliżonych właściwościach termicznych i zróżnicowanych wartościach wskaźnika właściwości powierzchniowych. W wyniku bezpośrednich pomiarów określono wartości napięć międzyfazowych na granicach ciekłego stopu osnowy kompozytowej i stopionych mieszanin soli zwanych ośrodkami recyklingowymi. Wykonane badania dowiodły, że wartości napięć międzyfazowych w badanych układach są niższe od dotychczas szacowanych i w zależności od składu chemicznego mieszanin, wahają się w granicach 250÷450 [mN/m]. Stwierdzono również przypadki spadku wartości tych napięć towarzyszące spadkom temperatury układu, co sugeruje przeprowadzanie zabiegów (recyklingu, rafinacji) w możliwie niskich temperaturach. Stwierdzono bardzo wyraźny związek między zmierzonymi wartościami napięć a wartościami opracowanych wskaźników. Z przeprowadzonych badań wynika, że chcąc uzyskać możliwie niskie wartości napięć międzyfazowych, w układzie metalurgicznym (recyklingowym), należy stosować składy mieszanin solnych o jak najniższych wartościach opracowanego wskaźnika. Wyniki badań pozwalają na sugestię, że wartości tego wskaźnika nie powinny przekraczać jedności (WS≤1.0000). Niskie jego wartości zapewniają duży udział w stopionej mieszaninie kationów o dużym promieniu jonowym i małym potencjale jonowym. Najkorzystniejszy wpływ na niską wartość wskaźnika właściwości powierzchniowych posiadają kationy potasu. Do najbardziej niepożądanych kationów w mieszaninie należą kationy aluminium posiadające mały promień jonowy i dużą wartość potencjału jonowego. Oznacza to, że w racjonalnie dobranym składzie mieszanin solnych stosowanych w metalurgii aluminium, winna być ograniczona zawartość np. kriolitu lub fluorku aluminium. Ponieważ sole o czystości technicznej mogą zawierać zróżnicowane domieszki, w tym nośniki kationów o niepożądanej charakterystyce, zaleca się producentom topników przeznaczonych do obróbki metalurgicznej stopów aluminium, podawanie użytkownikom informacji o wartości wskaźnika właściwości powierzchniowych preparatów oferowanych odlewniom np. topników.
EN Only few data related to the values of interfacial tension arising at the boundaries of liquid alloys and slags and, at the same time, high significance of these tensions for the course of metallurgical processes, were conducive to initiating the studies aimed at the recycling processes of casted metal composite materials (MCM) based on the aluminum alloys matrix with the method of separation of the components. It is the most radical way of recycling of these materials, that consists in separation of the reinforcement material from the alloy coonstituting the composite matrix. These operations require the use of so-called recycling media, composed of melted salt mixtures of the compositions equal or approximating the ones used in conventional metallurgical operations applied to the aluminum alloys. A method was chosen for determining the interfacial tension at the boundaries between the aluminum alloys and selected mixtures of melted salts. A simple and effective stand has been designed allowing to measure these tensions. Based on ionic theory of slags a numerical index of surface properties has been developed, that provides characteristics of chemical composition of the salts used not only for purposes of MCM recycling of aluminum alloy matrices but also in metallurgical treatment of these alloys. The results of thermal analyses of melted salt mixtures served as a basis for selection of the sets of the mixtures of similar thermal properties and differentiated values of the surface property index. Direct measurements allowed to determine the values of interfacial tension at the boundaries of liquid alloy of the composite matrix and melted salt mixtures, called the recycling media. The conducted tests have shown that the values of interfacial tension in the considered systems are below earlier estimated level and, according to chemical composition of the mixtures, oscillate in the range 250450[mN/m]. Moreover, it was observed that the values of interfacial tension decrease in line with dropping temperature of the system. This suggests to conduct the operations (i.e. recycling, refining) in low temperature. A very clear interrelation has been found between the measured values of the tensions and the values of the indexes developed. The research shows that in order to obtain possibly low values of interfacial tension in the metallurgical (recycling) system, the composition of the salt mixtures should be distinguished by the lowest value of the developed index. Results of the research allow to assume that the index value should not exceed unity (WS1.0000). Low index value ensures high share of cations of large ionic radius and small ionic potential in the melted mixture. The most advantageous effect of reduction of the surface property index is exerted by potassium cations. On the contrary, among the most undesirable cations in the mixture there are aluminum cations, characterized by small ionic radius and high ionic potential. It means that reasonably selected composition of the salt mixture used in aluminum metallurgy should contain only delimited cryolite or aluminum fluoride content. Since the salt of technical purity may include various admixtures, inclusive of carriers of the cations of undesired characteristic, the manufacturers of the fluxes designed for metallurgical treatment of aluminum alloys are advised to disclose the value of the surface property index of the preparations offered to the foundries.
88
mechanical engineering
construction and operation of machinery
DrOIN 1769
public
Janusz Grabian
Szczecin, Polska
21.11.2016
polish
public
Mariusz Holtzer
Kraków, Polska
21.11.2016
polish
public
dissertation
Poznań, Polska
14.12.2016
Rada Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej
doktor nauk technicznych w dyscyplinie: budowa i eksploatacja maszyn, w specjalności: technologia odlewnictwa