Επίδραση της προσθήκης ιπτάμενης τέφρας λιγνίτη και λιθάνθρακα στις ιδιότητες σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας κραμάτων αλουμινίου

Abstract

In the this PhD study, Hellenic, Class C fly ashes were utilized for the synthesis of Al- and Al-alloy-matrix composites by means of Powder Metallurgy, Pressure Infiltration, and Stir Casting techniques. In the case of Powder Metallurgy (P/M), aluminum–fly ash and aluminum/silicon alloy (Al-12Si)-fly ash mixtures, containing 5, 10, 15, and 20 wt.% fly ash were prepared and compacted. The green products were sintered for 2 and 6 hours in inert atmosphere. The composites are tested for: a) their microstructure, b) chemical composition, c) mineralogy, d) tribological performance, e) hardness, and f) corrosion behavior. The microscopic studies of green and sintered compacts clearly indicated the effectiveness of sintering process. Moreover, it was shown that the addition of both types of ash enhanced the tribo-performance of Al, with the optimum metal powder replacement determined to the point of 15% wt., in the case of high-Si and 10% wt., in the case of high-Ca ash particles. Corrosion resistance of P/M Al- and Al-alloy composites is declined compared to the matrix materials. In the case of pressure infiltration, KFA and MFA were separated into their particle fractions by means of manual screening. Narrow-sized particle fractions were selected so as to better facilitate homogeneity into the composites. Before they are incorporated into composites, the various fractions are characterized in terms of their chemical, mineralogical composition and thermal properties. Moreover, so as to investigate the effect of using ground ash particles on the composite properties, one specific particle fraction (25-40μm) is ground and the final specimens are comparatively examined on the basis of the effect of “as received” and ground ash particles. The composite specimens underwent the same series of characterization tests with the P/M products, with the exception of corrosion behavior. It was concluded that using fine, high-Ca ash particles can improve the properties of composites, and that using ash particles in a ground form can better facilitate the production process of MMCs. In the case of stir casting, it was verified that conducting stir mixing of fine, gradually pre-heated calcareous FA particles at a higher molten alloy-temperature (Tmelt > 900ºC, while previous attempts referred to ~700ºC) can eventually result in the incorporation of high-Ca FA particles into the melt and in the subsequent successful synthesis of lightweight Al alloy composites containing at least 10 wt. % FA, with enhanced tribo properties.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την παρασκευή συνθέτων υλικών με μητρική φάση Al και κράματά του, και ενισχυτική φάση ιπτάμενες τέφρες από τους λιγνιτικούς ατμοηλεκτρικούς σταθμούς (ΑΗΣ) της Καρδιάς και της Μεγαλόπολης. Για την παρασκευή των συνθέτων υλικών εφαρμόζεται η τεχνική της κονιομεταλλουργίας (powder metallurgy), καθώς επίσης και τεχνικές με τη μητρική (μεταλλική) φάση υπό μορφή τήγματος: η έγχυση-υπό-πίεση (pressure infiltration) και η χύτευση-υπό-ανάδευση (stir casting). Στην περίπτωση της κονιομεταλλουργίας, το κ.β. ποσοστό αντικατάστασης της μητρικής από την ενισχυτική φάση φθάνει στο 20%, στη χύτευση-υπό-ανάδευση το 10%, ενώ στην έγχυση-υπό-πίεση το 50%, όπου πρακτικά δεν αναφερόμαστε πλέον σε καθεστώς μητρικής-ενισχυτικής φάσης, αλλά σε ισόποση συμμετοχή δυο διαφορετικών υλικών εντός του συνθέτου. Τα σύνθετα υλικά που προκύπτουν, υποβάλλονται σε έλεγχο: α) της μικροδομής τους β) της χημικής και ορυκτολογικής τους σύστασης, γ) των τριβολογικών ιδιοτήτων τους, δ) της επιφανειακής σκληρότητάς τους και ε) της ανθεκτικότητάς τους στη διάβρωση. Στην περίπτωση της παρασκευής των συνθέτων με τη χρήση τεχνικών τηγμένου μετάλλου, οι τέφρες διαχωρίζονται στα σωματιδιακά κλάσματά τους με τη χρήση των αντιστοίχων κοσκίνων. Αφότου διαπιστωθεί ότι στις συγκεκριμένες θερμοκρασίες που θα λάβουν χώρα οι διαδικασίες της έγχυσης-υπό-πίεση και της χύτευσης-υπό-ανάδευση δε συμβαίνουν φυσικοχημικές μεταβολές στις τέφρες, κατόπιν αξιολογείται η χημική και ορυκτολογική τους σύσταση σε σχέση με την πιθανή επίδρασή τους στη μορφολογία και τη μικροδομή των συνθέτων, και κατ’ επέκταση στις ιδιότητές τους. Επίσης, διερευνάται ί η επίδραση της χρήσης αλεσμένων τεφρών στα σύνθετα. Με τη χρήση της τεχνικής της έγχυσης-υπό-πίεση, παρασκευάζονται οχτώ διαφορετικές σειρές δοκιμίων με ιπτάμενη τέφρα Καρδιάς και Μεγαλόπολης, εισάγοντας στο κράμα A356 (Al-7Si-0.35Mg) σωματίδια διαμέτρου έως 90 μm. Με τη χρήση της χύτευσης-υπό-ανάδευση, παρασκευάζονται δύο σειρές δοκιμίων, η μία με τα πολύ λεπτά σωματίδια της ιπτάμενης τέφρας Καρδιάς (<25μm) και η άλλη με τα πολύ λεπτά σωματίδια της ιπτάμενης τέφρας Μεγαλόπολης (<25μm). Τα σύνθετα υλικά που παρασκευάσθηκαν με τις τεχνικές τηγμένου μετάλλου υποβλήθηκαν στις ίδιες διαδικασίες χαρακτηρισμού όπως και στην κονιομεταλλουργία, με την εξαίρεση του ελέγχου της διάβρωσης. Διαπιστώνεται ότι η ασβεστούχος σύσταση των ελληνικών ιπταμένων τεφρών δεν συνιστά εμπόδιο στην επιτυχή παρασκευή συνθέτων μήτρας Al και κραμάτων του με τις προαναφερθήσες τεχνικές.