Josef Pošta, technická fakulta, Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha, ČR

Zdeněk RAJTMAJER, technická fakulta, Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha, ČR

 

 

 

Některé vlastnosti částicových kompozitů s epoxidovou matricí

 

With an increasing content of hard filling mass in composite particles with tough plastical dies, resistance increases it`s wear, unless it goes the straight contact with the particles to as a result of the increasing content of the filling mass. For verification of this assumption and findings of the values, experiments were held with composites on the bases of epoxide resin. Some results of the experiments are stated in this paper.

 

Podle současných představ je materiálem, optimálně odolávajícím abrazívnímu opotřebení, takový materiál, který je tvořen houževnatou plastickou matricí, ve které jsou izolovaně umístěny částice velmi tvrdého plniva. Je-li obsah plniva dostatečný a je-li současně tvrdost částic plniva větší než tvrdost abraziva, odolává takový materiál velmi dobře jak mechanickému namáhání, tak abrazívnímu opotřebení. Za rozhodující faktor, určující výsledné vlastnosti takového kompozitu je považován poměr množství materiálu matrice a plniva. Jestliže se tento poměr mění tak, že roste podíl plniva, dojde ke kvalitativní změně tehdy, jestliže podíl matrice se sníží natolik, že není schopna souvisle pokrýt veškerý povrch částic plniva. Částice plniva se tak dostávají do přímého kontaktu a kompozit ztrácí mechanickou odolnost - částice se vydrolují. Uvolněné částice pak mohou případně i zrychlovat opotřebení.

Pro ověření oprávněnosti těchto předpokladů byly provedeny experimenty s dvousložkovými částicovými kompozity na bázi epoxidové pryskyřice. Jako plnivo byl použit tříděný korund a tříděný křemičitý písek.

Příprava zkušebních vzorků.

Zkušební vzorky byly připravovány ve tvaru hranolů o rozměrech 25 x 25 x 4 mm. Hranoly byly vyráběny odléváním směsi epoxidové pryskyřice CHS Epoxy 1200, tvrdidla P (7% hm. ke hmotnosti základní pryskyřice) a příslušného množství plniva (v hmotnostním poměru k pryskyřici s tvrdidlem).

Použitá pryskyřice i tvrdidlo byly získány nákupem v maloobchodě, v balení 2 kg základní pryskyřice + příslušná dávka tvrdidla P. Materiál byl před použitím dva roky skladován v neotevřených originálních obalech, při pokojové teplotě.

 

Plnivem byl:

a) tříděný korund, získaný nákupem v podniku Carborundum Benátky n. Jizerou. Z dodávky byla na sítech s velikostí ok 0,25 mm, 0,40 mm a 0,50 mm vytříděna frakce o zrnitosti 0,25 až 0,40 mm, která byla použita jako plnivo.

b) křemičitý plavený písek z pískovny Horní Bříza. Na stejných sítech byla vytříděna stejná rozměrová frakce jako v případě korundu.

Postup výroby vzorků byl tento:

vážením byla určena dávka základní pryskyřice, tvrdidla a plniva,

byla smísena pryskyřice a tvrdidlo, po promíchání byla pryskyřice ponechána v klidu 45 minut,

do odstáté pryskyřice bylo vmícháno odvážené množství plniva,

směs byla litím a zarovnáním stěrkou plněna do připravených forem, na všech plochách opatřených samolepicí PVC folií,

naplněné formy byly přiklopeny víkem, zatíženy a ponechány 24 hodin v klidu při pokojové teplotě,

formy byly rozebrány, byly odstraněny přetoky a vyřazeny tvarově nepřesné vzorky.

Zkoušky tvrdosti

Zkoušky tvrdosti byly prováděny na tvrdoměru HP 250 s měřením hloubky vtisku, kuličkou o průměru 10 mm, při zatížení 306 N, [2]. Hloubka vtisku byla odměřována po 10 s, 30 s, 60 s a 180 s působení zatížení. Měření byla prováděna opakovaně, na horní i spodní straně vzorku. Horní strana vzorku byla ta, která byla horní po dobu vytvrzování epoxidové pryskyřice při výrobě vzorků. Z naměřených hodnot byly spočteny aritmetické průměry a z nich běžným způsobem stanoveny hodnoty tvrdosti. Získané výsledky jsou v tabulce 1 a 2.

Tabulka 1 Tvrdost vzorků epoxid + korund, v MPa

Obsah

horní strana vzorku

spodní strana vzorku

plniva

10 s

30 s

60 s

180 s

10 s

30 s

60 s

180 s

% hm.

                

0

11,93

9,72

8,70

7,28

9,68

7,40

6,53

5,33

200

18,57

14,90

13,17

11,15

15,80

12,98

11,73

10,04

280

18,78

15,18

13,68

11,59

16,80

13,59

12,08

10,01

320

22,21

17,80

16,21

14,06

18,38

14,77

13,13

10,96

360

21,51

17,77

16,17

14,02

17,94

14,30

12,83

10,81

400

21,71

18,12

16,59

14,51

18,68

14,62

12,87

10,67

Tabulka 2 Tvrdost vzorků epoxid + křemičitý písek, v MPa

Obsah

horní strana vzorku

spodní strana vzorku

plniva

10 s

30 s

60 s

180 s

10 s

30 s

60 s

180 s

% hm.

                

0

11,93

9,72

8,70

7,28

9,68

7,40

6,53

5,33

100

12,96

10,38

9,27

7,81

11,57

9,14

8,12

6,86

190

15,11

12,54

11,36

9,79

13,82

11,28

10,13

8,58

210

16,91

14,10

12,79

11,12

15,04

12,29

11,05

9,34

230

16,31

13,24

12,03

10,27

14,38

11,56

10,33

8,67

250

20,46

17,12

15,61

13,66

15,77

12,35

11,17

9,52

Zkoušky odolnosti proti opotřebení

Zkoušky odolnosti proti opotřebení byly provedeny jako porovnávací, podle [1], na přístroji s brusným plátnem. Velikost opotřebení byla zjišťována vážením, objemy vzorků měřením objemu vytlačené kapaliny. Podmínky zkoušení, tj. zatížení, rychlost, dráha opotřebení, byly pro všechny vzorky stejné. Střídavě byly zkoušeny vzorky a etalony. Jako etalon byly použity vzorky z oceli 12 014.20 (ČSN 41 20 14, tvrdost HV = 95 - 105). Poměrná odolnost proti opotřebení byla stanovena podle vztahu

kde = poměrná odolnost proti opotřebení

He = úbytek hmotnosti etalonu e = měrná hmotnost etalonu

Hv = úbytek hmotnosti vzorku v = měrná hmotnost vzorku

Měření byla prováděna opakovaně, [2]. Z naměřených hodnot byly vypočteny aritmetické průměry, z průměrných hodnot byly vypočteny hodnoty . Výsledky jsou shrnuty v tabulce 3.

Tabulka 3 Výsledky zkoušek odolnosti proti opotřebení vzorků epoxid+korund

Obsah

Vzorek

Etalon

Poměrná

plniva

Hv

v

He

e

odolnost

% hm.

g

g.cm-3

g

g.cm-3

0

1,341960

1,25

0,206522

7,74

0,0249

200

0,087453

2,39

0,207440

7,74

0,7324

280

0,055539

2,45

0,201084

7,74

1,1461

320

0,058819

2,63

0,205592

7,74

1,1877

360

0,057344

2,69

0,219867

7,74

1,3325

400

0,063152

2,78

0,212369

7,74

1,2078

 

Analýza výsledků

Z tabulky 1 a 2 je zřejmé, že:

s rostoucím obsahem plniva se tvrdost zvyšuje. Tato skutečnost je v souladu s očekáváním a potvrzuje představy o postupně se zvyšujícím vlivu plniva na výsledné vlastnosti kompozitu.

s dobou působení zatížení se tvrdost mírně snižuje. Tato skutečnost je rovněž v souladu s očekáváním a potvrzuje představy o sklonu plastické matrice k tečení pod působícím zatížením.

tvrdost vzorků na horní straně je o málo vyšší než tvrdost na spodní straně. Tato skutečnost je v rozporu s očekáváním. Bylo očekáváno, že vlivem rozdílné měrné hmotnosti matrice a plniva se projeví tendence k sedimentaci plniva, tedy že místní obsah plniva bude na spodní straně vyšší než na straně horní, což se projeví vyšší tvrdostí na spodní straně vzorků. Vysvětlení tohoto neočekávaného zjištění dosud nebylo nalezeno a tato skutečnost je důvodem pro zopakování experimentů.

 

 

 

 

Z tabulky 3 je zřejmé, že:

závislost poměrné odolnosti proti opotřebení na obsahu tvrdého plniva se s rostoucím obsahem zvyšuje až do lokálního maxima. Tato skutečnost je v souladu s očekáváním a potvrzuje ověřovanou výchozí hypotézu.

měrná hmotnost kompozitu roste s rostoucím obsahem specificky těžší složky. To je samozřejmý jev, který nepřímo potvrzuje správnost provedených měření.

Závěry

Lze konstatovat, že provedené experimenty prokázaly platnost výchozí hypotézy, tj. že s rostoucím obsahem tvrdého plniva v částicovém kompozitu s houževnatou matricí se zvyšuje jeho odolnost proti opotřebení, ne však lineárně, a že tato závislost nabývá svého lokálního maxima.

Lze rovněž konstatovat, že experimenty nedaly uspokojivé odpovědi na všechny dílčí otázky a nepotvrdily všechna původní očekávání. To je důvodem pro případné zopakování a pokračování experimentů.

 

Literatura

[1] ČSN 01 50 84 Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazívnímu opotřebení na brusném plátně.

[2] RAJTMAJER Z.: Ověření vlastností částicových kompozitů pro opravy strojů. /Diplomová práce/. TF VŠZ, Praha, 1994.