تاثیر عملیات حرارتی و مس بر خواص کششی و اندیس کیفیت آلیاژهای -Al
7Si-0.35Mg-xFe

رضا تقی آبادی1*، محمد تلافی نوغانی1، یلدا کریمی2، مهسا ایرانشاهی2، مریم نظری3
استادیار، گروه مهندسی مواد و سرامیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی )ره(، قزوین، ایران
کارشناس مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و سرامیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی )ره(، قزوین، ایران
کارشناس ارشد مهندسی مواد ،گروه مهندسی مواد و سرامیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی )ره(، قزوین، ایران
*[email protected]
)تاریخ دریافت: 08/07/1394، تاریخ پذیرش: 22/09/1394(

چکیده
در این تحقیق تاثیر افزودن مس )5/0، 1 و 5/1 درصد( و عملیات حرارتی )6T( بر خواص کششی و اندیس کیفیت آلیاژ 356A حاوی آهن )5/0 تا 5/1 درصد وزنی( بررسی شده است .بر اساس نتایج حاصله، در شرایط ریختگی، افزودن مس به آلیاژهای حاوی آهن موجب افزایش نسبی استحکام کششی )تا حدود 25 درصد( و افت قابل توجه درصد ازدیاد طول )تا حدود 80 درصد( می شود اما در صورت انجام عملیات حرارتی ،استحکام کششی و اندیس کیفیت آلیاژ حاوی 1 درصد مس و 5/1 درصد آهن نسبت به آلیاژ پایه، به ترتیب رشد 100 و 35 درصدی را تجربه می نماید. بر اساس بررسیهای انجام شده ،بهبود اندیس کیفیت آلیاژ را می توان ناشی از تاثیر مشترک استحکام دهی رسوبی زمینه توسط ذرات Al2Cu و Mg2Si و بهسازی حرارتی ذرات سیلیسیم یوتکتیک و ترکیبات بین فلزی صفحه ای شکل غنی از آهن دانست که ضمن افزایش قابل توجه استحکام کششی ،
موجب بهبود انعطاف پذیری آلیاژ می شوند.

واژه های کلیدی:
آلیاژ 356A، عملیات حرارتی، مس، خواص کششی، اندیس کیفیت.

1- مقدمه
آلیاژهای Al-Si-Mg به واسطه قابلیت عملیات حرارتی و استحکام ویژه بالا، جزء مهمترین آلیاژهای ریختگی آلومینیم به شمار میآیند ]1-4[. قابلیت عملیات حرارتی این آلیاژها ناشی از حضور منیزیم و شکلگیری رسوبات Mg2Si طی عملیات حرارتی است اما تحقیقات نشان میدهد که در صورت افزودن مقادیر مناسب از عنصر مس به این آلیاژها، پتانسیل رسوب سختی و متعاقبا خواص کششی و سختی آنها به دلیل شکلگیری رسوبات Al2Cu، به میزان قابل توجهی بهبود مییابد ]5-6[. یکی از ناخالصیهای مهم در آلیاژهای ریختگی Al-Si، آهن است .با توجه به افت قابل ملاحظه حلالیت این عنصر در هنگام انجماد و ترغیب تشکیل رسوبات بین فلزی ترد و شکننده در زمینه، مقدار این عنصر معمولا در کمترین حد ممکن به لحاظ اقتصادی کنترل میشود ]7-9[. مهمترین رسوبات غنی از آهن در آلیاژهای هیپویوتکتیک Al-Si فاز بتا )-Al5FeSi( با مورفولوژی صفحهای و فاز آلفا )2-Al15Fe3Si( با مورفولوژیحروف چینی هستند. مورفولوژی این فازها اثر تعیین کننده ای برخواص مکانیکی آلیاژ داشته و در صورت شکلگیری فاز بتا بامورفولوژی صفحهای، خواص مکانیکی آلیاژ به ویژه انعطاف-پذیری و چقرمگی آن به میزان قابل توجهی افت مینماید
.]11-10[
نظر به اهمیت صنعتی این آلیاژها، تاثیر منفی ناخالصی آهن بر خواص کششی این آلیاژها توسط محققین متعددی مورد بررسی قرار گرفته است ]9-13[. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیقات، با افزایش میزان آهن تا یک حد بحرانی )که غالبا به ترکیب شیمیایی و شرایط انجمادی آلیاژ وابسته است( به دلیل شکل-گیری ترکیبات بین فلزی و سخت غنی از آهن در نواحی بین دندریتی، سختی و خواص کششی آلیاژ بهبود مییابد اما اگر غلظت آهن از غلظت بحرانی فراتر رود، علیرغم افزایش سختی زمینه، به دلیل افزایش ابعاد و کسر حجمی ترکیبات صفحهای شکل بتا، استحکام و بهویژه انعطافپذیری آلیاژ شدیدا کاهش مییابد. بر این اساس، روشهای مختلفی جهت بهینهسازی و کاهش تبعات منفی حاصل از حضور این عنصر در آلیاژهای -AlSi توسعه یافتهاند که از جمله میتوان به بهسازی شیمیایی آلیاژ توسط عناصر بهساز مانند منگنز، برلیم، استرانسیم و غیره، بهسازی تبریدی از طریق افزایش سرعت انجماد، فرآوری حرارتی مذاب) اعمال فوق گداز( و بهسازی حرارتی اشاره نمود ]12-17 و 7-9[.
از میان روشهای فوق ،بهسازی حرارتی از طریق عملیات حرارتی، روشی بسیار مناسب جهت کاهش اثرات منفی حضور ترکیبات غنی از آهن بتا و همزمان استحکامدهی رسوبی آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر آلومینیم است .در این پدیده، آهن و سیلیسیم موجود در ترکیبات بتا پس از کسب انرژی لازم، از داخل ترکیبات به درون زمینه نفوذ کرده و این مهاجرت اتمی موجب انحلال تدریجی و خرد شدن صفحات مخرب میشود ]18-19[. با این حال نظر به حلالیت بسیار کم آهن در آلومینیم
)05/0 درصد در دمای C540( و اشباع سریع زمینه اطراف ذرات بتا توسط آهن، عملیات حرارتی قادر به انحلال کامل این ذرات در زمینه نبوده و صرفا از طریق خرد شدن، کاهش ابعاد، کاهش کسر حجمی و تغییر مورفولوژی ترکیبات از حالت صفحهای شکل به حالت کروی، موجب بهبود نسبی خواص میشود
]18-19[. بر این اساس هدف از انجام این تحقیق بررسی تاثیر همزمان بهسازی حرارتی و توسعه استحکام دهی رسوبی از طریق افزودن مس بر خواص مکانیکی آلیاژ غنی از آهن 356A، به عنوان یکی از مهمترین آلیاژهای Al-Si-Mg می باشد.

2- مواد و روش انجام تحقیق
ترکیب شیمیایی آلیاژ پایه مورد استفاده در این تحقیق در جدول 1 ارائه شده است. عملیات ذوب آلیاژ در دمای Co750 تحت فلاکس پوششی و در یک بوته گرافیتی/کوره مقاومتی انجام شد. پس از ذوب شارژ و سرباره گیری ،مقدار آهن مذاب از طریق افزودن قرصهای غنی از آهن )80 درصد( در محدوده 5/0، 1و 5/1 درصد وزنی تنظیم گردید .به منظور بررسی تاثیر مس، مقادیر معین از این عنصر به صورت ورقهای نازک مس با خلوص تجاری به مذاب افزوده گردید به گونهای که مقدار نهایی آن در ترکیب آلیاژ به 25/0 و 5/0 و1 درصد وزنی رسانده شد. در ادامه مذاب به آرامی هم زده شد و پس از حصول اطمینان از همگن شدن ترکیب، عملیات گاززدایی با استفاده از قرصهای گاززدای پایه نیتروژن صورت پذیرفت و بعد از سرباره گیری، بارریزی نمونه ها در یک قالب فولادی نمونه کشش)ASTM B108-03a( پیش گرم شده تا دمای Co200 انجام شد. اندازه نمونه کششی حاصله بر اساس استاندارد
.)1 است )شکل ASTM B 557M-02a

جدول )1(: ترکیب شیمیایی (%wt) آلیاژ 356 آلومینیم
درصد وزنی عنصر
7/01 Si
0/35 Mg
0/01 Cu
0/18 Fe
هر کدام حداکثر 01/0 Zn, Mn, Ni
0/13 Ti
حداکثر 03/0 Other
باقیمانده Al

پس از انجام عملیات حرارتی 6T شامل محلولسازی در دمای C540 به مدت 8 ساعت، سرد کردن سریع در آب دمای محیط و پیرسازی در دمای C150 به مدت 6 ساعت، آزمون کشش تحت نرخ کرنش mm/min 1 توسط یک دستگاه کشش یونیورسال Zwickroell صورت پذیرفت. همچنین به منظور بررسی ساختار نمونه ها ،پس از عملیات آماده سازی سطحی به روشهای استاندارد، حکاکی نمونه ها با استفاده از محلول HF 5/0درصد انجام شد.

شکل )1(: مشخصات ابعادی نمونه کشش

چگالی واقعی نمونهها به روش غوطهوری در سیال ارشمیدس محاسبه شد. در این روش پس از تعیین جرم نمونه در هوا و آب مقطر توسط یک ترازوی دیجیتال با دقت gr 10-4، با بهرهگیری از رابطه )1( چگالی واقعی نمونه تعیین گردید:

)1(

در این رابطه m جرم نمونه ،mw جرم نمونه در آب، r چگالیواقعی نمونه و w چگالی آب مقطر است .همچنین برای تعییندرصد تخلخل نمونهها از رابطه )2( استفاده شد:

)2(

که در آن r چگالی واقعی و th چگالی تئوری نمونهها است که با بهره گیری از آنالیز شیمیایی آلیاژ و چگالی دقیق عناصر مختلف تعیین گردید .
به منظور تسهیل معرفی و بررسی نمونه های مورد آزمایش، در این مقاله معرفی آلیاژها توسط کدهای اختصاری شامل درصد وزنی مس و آهن و وضعیت عملیات حرارتی آلیاژ صورت می پذیرد. به عنوان مثال کد Cu1Fe-HT1 به معنی آلیاژ 356A حاوی 1 درصد مس و 1 درصد آهن در شرایط عملیات حرارتی شده و کد Cu1.5Fe-AC0.5 به معنی آلیاژ 356A حاوی 5/0 درصد مس و 5/1 درصد آهن در شرایط ریختگی است.

نتایج و بحث
3-1- تاثیر مس بر خواص کششی آلیاژهای-Al-7SiMg-xFe0.35 در شرایط ریختگی تاثیر افزودن مقادیر مختلف مس بر استحکام کششی و درصد ازدیاد طول آلیاژ 356A حاوی مقادیر مختلف آهن در دو شکل )2-الف( و )3-الف( نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود )شکل 2-الف( در یک غلظت آهن مشخص، افزودن مس تا حدود 5/0 درصد وزنی موجب بهبود استحکام کششی می شود اما پس از آن، روند افزایش استحکام کند شده و بسته به غلظت آهن ،حداکثر استحکام کششی در محدوده 7/0 الی 1 درصد مس مشاهده می شود. همچنین با توجه به شکل )3-الف( افزایش غلظت مس موجب افت پیوسته و قابل توجه درصد ازدیاد طول آلیاژهای حاوی مقادیر مختلف آهن می شود .این نتایج در توافق با نتایج حاصل از تحقیقات شبستری و همکاران بر روی آلیاژ 356A حاوی حدود 3/0 درصد آهن است ]5[. حضور مس در آلیاژهای Al-Si ریختگی چه به صورت محلولجامد )استحکام دهی محلول جامد( و چه به صورت ترکیباتبین فلزی غنی از مس )استحکام دهی با رسوبات پراکنده وسخت Al2Cu( موجب افزایش سختی و استحکام کششی می شود ]5 و 6 و 8[.

A
شکل )2(: تغییرات استحکام کششی آلیاژ 356 با غلظت مس و آهن:
)الف(: قبل از عملیات حرارتی و )ب(: بعد از عملیات حرارتی

با این حال این افزایش تا زمانی است که کسر حجمی رسوبات غنی از مس از حد معینی فراتر نرود و این به صورت پیوسته در مرزهای دانه رسوب ننماید .

شکل )3(: تغییرات درصد ازدیاد طول با غلظت مس و آهن: )الف(: قبل از عملیات حرارتی و )ب(: بعد از عملیات حرارتی

حضور مس میزان تخلخل آلیاژ را نیز افزایش میدهد. پیدایش تخلخل در قطعات حاوی مس را می توان ناشی از تاثیر چند پدیده دانست. افزایش دامنه انجماد و ترغیب انجماد خمیری در حضور مس، وقوع واکنش یوتکتیک سه تایی در دمای C 525، )با افزایش غلظت مس در فاز یوتکتیک، میزان انقباضات حجمی در طول انجماد و به تبع آن میزان تخلخلهای نمونه افزایش می-یابد( و کاهش حد حلالیت و تسهیل رسوب هیدروژن محلول در مذاب با افزایش غلظت مس ]2-5 و 20[.
بررسی تغییرات چگالی و کسر حجمی تخلخلها آلیاژهای مختلف با تغییر غلظت مس )شکل 4( موید این مطلب است .
همانگونه که مشاهده میشود با افزایش مس و آهن علیرغم افزایش حداکثر چگالی نمونهها، میزان تخلخل افزایش مییابد .بر این اساس روند کاهشی افزایش استحکام با افزایش غلظت مس )پس از 5/0 درصد وزنی مس( را می توان ناشی از تاثیرمنفی افزایش میزان تخلخلهای بین دندریتی در نمونه های موردبررسی و افزایش کسر حجمی رسوبات سخت و شکننده غنی ازمس در مرزهای دانه دانست.
نوع و میزان اثر گذاری آهن به مورفولوژی، ابعاد و نحوه توزیع رسوبات غنی از آهن در زمینه بستگی دارد .به منظور بررسی چگونگی تاثیر ترکیبات -Al5FeSi بر خواص کششی آلیاژ 356A، واکنشهای انجمادی به وقوع پیوسته طی انجماد این آلیاژ
356 در حضور مس، مورد بررسی قرار میگیرد .مهمترین واکنشهایی که طی انجماد به وقوع می پیوندند را میتوان به شرح ذیل خلاصه نمود ]21-22[:

همانگونه که مشاهده میشود در حضور آهن، ترکیبات -Al5FeSi پس از توسعه ساختار دندریتی، در فواصل بین دندریتی آلیاژهای Al-Si رسوب می نمایند .تحقیقات نشان داده است که در صورت شکلگیری ذرات سخت بتا در نواحی بین دندریتی، این ذرات صفحه ای شکل می توانند به صورت مانعی در برابر حرکت نابجاییها عمل نموده و با افزایش مراکز انباشتگی نابجاییها و سخت شدن لغزش، موجب افزایش سختی و خواص کششی شوند ]23-24[. با این حال نقش استحکامدهی ذرات فاز دوم در شرایطی حاصل می شود که استحکام فصل مشترک این ذرات با زمینه نیز جهت مقابله با تمرکز تنش ایجاد شده، به اندازه کافی بالا باشد .بررسی ها نشان می دهد که ذرات -Al5FeSi ذاتا دارای پیوند ضعیفی با زمینه بوده و فصل مشترک بین دو فاز بسیار مستعد به ایجاد ترکهایمیکروسکپی است ]23[. علاوه بر این نشان داده شده است کهپس از گسستن پیوند ذرات بتا با زمینه، این ذرات به صورت یک نقص دو بعدی در زمینه عمل مینمایند] 24[.

شکل )4(: )الف(: تغییرات میزان دانسیته و )ب(: درصد تخلخل با غلظت مس و آهن

بر این اساس انتظار میرود که در صورت تجاوز غلظت آهن از یک حد بحرانی و در پی آن افزایش کسر حجمی ترکیبات غنی از آهن، خواص کششی به ویژه نرمی و درصد ازدیاد طول آلیاژ افت نماید. این مطلب در توافق با نتایج به دست آمده است. با توجه به شکلهای )2 و 3(، میتوان دریافت که افزایش آهن تا حدود یک درصد وزنی موجب بهبود استحکام کششی آلیاژ شده است اما افزودن مقادیر بیشتر این عنصر موجب افت حدودا 9 درصدی استحکام میشود ضمن-آنکه شکلگیری ترکیبات بین فلزی غنی از آهن، انعطاف پذیری را نیز تحت تاثیر منفی قرار میدهد به گونهای که در غلظتهای مختلف مس، درصد ازدیاد طول آلیاژهای حاوی 5/1 درصد آهن به طور متوسط بین 15 الی 60 درصد کمتر ازآلیاژهای حاوی 5/0 درصد آهن است. تاثیر مثبت آهن برخواص کششی آلیاژهای ریختگی Al-Si و وجود غلظت بحرانیآهن، قبلا توسط محققین دیگر به اثبات رسیده است ]25[.

3-2- تاثیر مس و عملیات حرارتی بر خواص کششی آلیاژهای Al-7Si-0.35Mg-xFe بررسی خواص کششی آلیاژهای عملیات حرارتی شده )شکل 2-ب( حاکی از آن است که پس از اعمال سیکل حرارتی 6T، به سبب استحکام دهی زمینه توسط رسوبات Mg2Si و بهسازی حرارتی ذرات سیلیسیم یوتکتیک) شکل 5(، استحکام کششی آلیاژ پایه حدود 40 درصد نسبت به شرایط ریختگی بهبود می-یابد. تاثیر عملیات حرارتی در بهبود خواص، با افزایش غلظت مس بیش از پیش نمایان می شود .با توجه به شکل )2-ب( استحکام کششی کلیه آلیاژها با افزایش غلظت مس، به صورت خطی افزایش مییابد. رشد 22 و 70 درصدی استحکام کششی آلیاژ پایه حاوی 1 درصد مس به ترتیب در مقایسه با آلیاژهای مشابه حاوی 01/0 درصد مس در شرایط عملیات حرارتی شده و ریختگی، موید این مطلب است .مهمترین علت این مطلب را میتوان تقویت استحکام دهی زمینه از طریق رسوبات Al2Cu در کنار رسوبات Mg2Si عنوان نمود.

A
شکل )5(: تصویر میکروسکپی آلیاژ356، نشان دهنده چگونگی بهسازی حرارتی ذرات سیلیسیم یوتکتیک
در شرایط عملیات حرارتی، در حضور هم زمان مس و آهن)حتی 5/1 درصد وزنی( استحکام کششی افزایش مییابد )شکل
2-ب(. میزان بهبود استحکام کششی آلیاژ 356 به واسطه افزودن
1 درصد مس ،5/1 درصد آهن و عملیات حرارتی در مقایسه یا شرایط مختلف در شکل 6 نشان داده شده است. میتوان مشاهده نمود که استحکام کششی آلیاژ Cu1.5Fe-HT1 نسبت به چهار
آلیاژ Fe-HT ،1Cu1.5Fe-AC ،1Cu-HT1.5 و آلیاژ پایه به ترتیب حدود 15، 45، 40 و 100 درصد بهبود یافته است. در واقع افزودن 1 درصد مس موجب بهبود 70 درصدی و افزودن هم زمان 1 درصد مس و 5/1 درصد آهن موجب بهبود 100 درصدی استحکام کششی آلیاژ پایه در شرایط عملیات حرارتی ،شده است.
بررسی و مقایسه سطوح شکست نمونههای کشش )شکل 7( نیز کمک شایانی به توجیه رفتار مکانیکی نمونه ها می نماید. حضور دیمپلهای متعدد بر روی سطح شکست آلیاژ Cu1.5Fe-HT1 )شکل 7-الف( حاکی از بروز شکست نرم با جذب انرژی بالا در این نمونه است در حالیکه سطح شکست نمونه Base-AC و بهویژه نمونه Cu-1.5Fe-AC1 بیانگر وقوع شکست ترد یا کلیواژی در این نمونهها است )شکل 7-ب.(

شکل )6(: تاثیر عملیات حرارتی، افزودن مس و آهن بر: )الف(: استحکام کششی و )ب(: درصد ازدیاد طول آلیاژ 356A
تاثیر مثبت عملیات حرارتی بر ترکیبات بین فلزی غنی از آهن ازدو جنبه قابل بررسی است. نخست آنکه با توجه به بالا بودنسرعت انتقال جرم و نرخ نفوذ عناصر در لبه های تیز و نقایصسطحی واقع در سطوح جانبی صفحات بتا )که جزء مناطق با انرژی سطحی بالا به شمار می آیند( در صورت عملیات حرارتی ،این ذرات با مکانیزم گلویی شدن به تدریج خرد شده ،طول متوسط آنها کاهش یافته و لبه های تیز آنها گرد میشود ]17-19[. بر این اساس پس از عملیات حرارتی ،توزیع ظریف و پراکندهای از صفحات بتا در زمینه ایجاد میشود )شکل 8( که ضمن بهبود سختی و استحکام، تاثیر منفی به مراتب کمتری بر انعطافپذیری آلیاژ دارد .علاوه بر این نفوذ عناصر تشکیل دهنده صفحات بتا طی عملیات حرارتی ،علاوه بر کاهش ابعاد و تیزی لبههای صفحات بتا، با ایجاد پیوند نفوذی قوی بین ذرات و زمینه، ضمن افزایش استحکام فصل مشترک، نقش بسیار مهمی در بهبود خواص نهایی آلیاژ ایفا میکند .وجود میدانهای کرنشی در فصل مشترک ذرات بتا با زمینه که با بهرهگیری از TEM توسط گروزلسکی و همکاران وی به اثبات رسیده است ،تاییدی بر نقش ذرات بتا در ممانعت از حرکت نابجاییها است ]23[. علاوه بر این با توجه به انحلال و کاهش کسر حجمی ترکیبات بین فلزی طی عملیات حرارتی، سهم این رسوبات در اشاعه ترکهای ایجاد شده بسیار کم بوده و رشد ترک عمدتا مستلزم عبور از فاز نرم زمینه و مناطق بین دندریتی است.

3-3- بررسی تغییرات اندیس کیفیت با غلظت مس و آهن و عملیات حرارتی
با توجه به بررسیهای انجام شده )شکلهای 2 و 3( به طور کلی با افزایش غلظت مس و آهن، استحکام کششی آلیاژ 356A افزایش یافته و درصد ازدیاد طول کاهش مییابد. با این حال روند و میزان تغییر خواص بسته به انجام یا عدم انجام عملیات حرارتی، متفاوت است. به منظور بررسی تاثیر خالص افزودنی-های آلیاژی و عملیات حرارتی بر خواص و کیفیت نهایی آلیاژ، میتوان از پارامتری موسوم به اندیس کیفیت بهره گرفت. اندیس کیفیت معیاری است که به منظور بررسی کیفیتمتالورژیکی آلیاژهای ریختگی Al-Si-Mg مورد استفاده قرارگرفته و به صورت Q=UTS+150log(El) تعریف میشود
.]27-26[

شکل )7(: تاثیر عملیات حرارتی بر مورفولوژی سطح شکست: )الف(: آ لیاژ
.1Cu1.5Fe-HT و )ب(: آلیاژ 1Cu-1.5Fe-AC

بر این اساس، اندیس کیفیت هم زمان در برگیرنده استحکام کششی) UTS( و درصد ازدیاد طول) El%( ماده است. این اندیس متاثر از پارامترهای متالورژیکی و فرایندی مانند اندازه دانه، فاصله بین بازوهای دندریتی، میزان تخلخل، میزان آخال ،غلظت آهن، سرعت انجماد، عملیات حرارتی و غیره بوده و ابزار بسیار مناسبی جهت بررسی تاثیر عملیات حرارتی و/یا ترکیب شیمیایی بر بهبود کیفیت متالورژیکی آلیاژهای ریختگی -Al-SiMg به شمار میآید.

A
شکل )8(: تصویر میکروسکپی آلیاژ356: )الف(: قبل از عملیات حرارتی
)برخی از صفحات بتا توسط فلش بر روی شکل مشخص شدهاند( و )ب(:
خردایش ترکیبات غنی از آهن بتا در اثر بهسازی حرارتی

تغییرات اندیس کیفیت آلیاژ 356A با تغییر غلظت مس و آهن قبل و بعد از عملیات حرارتی در شکل 9 نشان داده شده است .در شرایط ریختگی )شکل 9-الف( با افزایش غلظت مس تا حدود 5/0 درصد و صرفنظر از غلظت آهن، اندیس کیفیت افزایش نسبی را تجربه نموده اما پس از آن کاهش مییابد. تغییرات اندیس کیفیت آلیاژ 356A با تغییر غلظت مس و آهن قبل و بعد از عملیات حرارتی در شکل 9 نشان داده شده است.

A
شکل )9(: تغییرات اندیس کیفیت آلیاژ 356: )الف(: قبل از عملیات حرارتی و )ب(: بعد از عملیات حرارتی

در شرایط ریختگی )شکل 9-الف( با افزایش غلظت مس تا حدود 5/0 درصد و صرفنظر از غلظت آهن، اندیس کیفیت افزایش نسبی را تجربه نموده اما پس از آن کاهش مییابد .همانگونه که قبلا نیز عنوان گردید، افزایش غلظت مس از یک سو سختی و استحکام آلیاژ را از طریق استحکام دهی محلول جامد و افزایش کسر حجمی ترکیبات بین فلزی غنی از مس افزایش داده و از سوی دیگر موجب افزایش میزان تخلخلهای انقباضی/گازی در ساختار میگردد .بر این اساس میتوان گفت تا حدود 5/0 درصد وزنی، تاثیر مثبت مس در استحکام دهی زمینه بر تاثیر منفی آن در افزایش کسر حجمی تخلخلهای ساختاری، غلبه نموده و اندیس کیفیت اندکی بهبود مییابد اما در غلظتهای بالاتر این عنصر، احتمالا در اثر افزایش کسر حجمی تخلخلهای گازی/انقباضی و/یا شکلگیری تدریجی شبکه پیوسته Al2Cu در مرزهای دانه و افت قابل ملاحظه درصد ازدیاد طول )شکل 3-ب(، اندیس کیفیت افت می نماید.
پس از عملیات حرارتی، اندیس کیفیت کلیه نمونهها با افزایش غلظت مس افزایش مییابد به گونهایکه اندیس کیفیت آلیاژ Cu-1.5Fe-HT1 بیش از 30 درصد در مقایسه با آلیاژ Base-AC افزایش یافته است )شکل 9-ب(. بهبود اندیس کیفیت در آلیاژهای عملیات حرارتی شده نشان میهد که افزایش استحکام کششی در اثر استحکامدهی رسوبی ذرات Al2Cu و Mg2Si، بهسازی حرارتی ذرات سیلیسیم یوتکتیک و بهسازی حرارتی ترکیبات بین فلزی غنی از آهن، بر افت انعطافپذیری آلیاژ پس از عملیات حرارتی، غلبه نموده است .
علیرغم وجود برخی تفاوت ها در مکانیزمهای حاکم ،بهبود مشاهده شده در اندیس کیفیت آلیاژهای حاوی آهن پس از عملیات حرارتی، در توافق با نتایج سایر محققین است ]32-28[.
بر اساس نتایج حاصل از این تحقیقات، افزایش غلظت آهن موجب کاهش اندیس کیفیت در آلیاژهای ریختگی Al-Si می-شود اما در صورت افزودن مقادیر مناسب از عناصر تصحیح کننده اثر آهن مانند منیزیم ،کرم ،استرانسیم و برلیم و/یا اعمال سیکل عملیات حرارتی مناسب، میتوان اندیس کیفیت آلیاژ را بهبود بخشید. این در حالی است که در تحقیق حاضر، بهبود اندیس کیفیت بدون استفاده از عناصر بهساز و از طریق افزودن مس و توسعه استحکامدهی رسوبی، حاصل شده است.

4- نتیجه گیری
با افزایش غلظت مس، استحکام نهایی افزایش می یابد به طوریکه پیش از انجام عملیات حرارتی نمونه حاوی یک درصد آهن و یک درصد مس بهترین استحکام کششی را دارا است. بعد از عملیات حرارتی به دلیل انحلال صفحات فاز بتا، نمونه حاوی 5/1 درصد آهن به ویژه در درصدهای بالاتر از 2/0 درصد مس استحکام کششی بهتری نشان میدهد.
درصد ازدیاد طول نمونه ها با افزایش غلظت مس )و آهن( به طور پیوسته کاهش مییابد با این حال در صورت انجام عملیات حرارتی میزان افت انعطافپذیری با افزایش مس و آهن کمتراست.
تاثیر مشترک افزودن مس و آهن و عملیات حرارتی بهبود اندیس کیفیت است. بهترین اندیس کیفیت مربوط به نمونه حاوی یک درصد مس و 5/1 درصد آهن در شرایط عملیات حرارتی شده است که نسبت به آلیاژ پایه در شرایط ریختگی و عملیات حرارتی شده به ترتیب 35 و 20 درصد بیشتر است.

5- مراجع
[1] J. R. Davis, ASM Specialty Handbook, Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, OH, 1993.

]2[ ع. نعمتی، ا. حلوایی، ا. مباشرپور و ا. ر. عباسیان ،”تاثیر پارامترهای ریختهگری و سلامت قطعات هوا فضایی از آلیاژ 356 به روش ریختهگری دقیق”، فصلنامه علمی-پژوهشی فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 2، شماره 1، 17 تا 24، 1387.

]3[ ن – ال. عرب، ص. حبیبی، م. سودمند و ا. شریفی ،”بررسی تاثیر نوع جوانهزا بر ریزدانگی و پارامترهای انجماد آلیاژ 356 به کمک آنالیز حرارتی منحنیهای سرد شدن”، فصلنامه علمی-پژوهشی فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 2، شماره 3، 43 تا 52، 1387.

H. Ye, “An Overview of the Development of Al-
Si-Alloy Based Material for Engine Applications”, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 12, pp. 288-297, 2003.

S. G. Shabestari & H. Moemeni, “Effect of Copper and Solidification Condition on the microstructure and mechanical properties of Al-Si-Mg alloysˮ, Journal of Materials Processing Technology, Vol.
153-154, pp. 193-198, 2004.

M. S. Prabhudev, T. M. Chandra shekharaiah & S. A. Kori, “Effects of Copper Addition on the Microstructure, Mechanical and High Temperature Wear Behavior of A356 Alloyˮ, International Journal of Advanced Engineering Applications, Vol. 2, Issue 2, pp. 17-23, 2009.

J. A. Taylor, “Iron-containing intermetallic phases in Al-Si based casting alloys”, Procedia Materials Science, Vol. 1, pp. 19–33, 2012.

R. S. Rana, R. Purohit & S. Das, “Reviews on the Influences of Alloying elements on the Microstructure and Mechanical Properties of Aluminum Alloys and Aluminum Alloy Composites”, International JOURNAL OF Science Res. Pub, Vol. 2, No. 6, pp. 1-7, 2012.

T. O. Mbuya, B. O. Odera & S. P. Ng’ang’a, “Influence of Iron on Castability and Properties of Aluminium Silicon Alloys: Literature Review”, International Journal of Cast Metal Researches, Vol. 16, pp. 451-462, 2003.

N. A. Belov, A. A. Aksenov & Dmitry G. Eskin, “Iron in Aluminium Alloys: Impurity and Alloying Element”, Taylor and Fransis, New York, 2002.

C. M. Dinnis, J. A. Taylor & K. Arne, “As-cast Morphology of Iron-Intermetallics in Al–Si Foundry Alloysˮ, Scripta Materialia, Vol. 53, pp.
955-958, 2005.

P. S. Wang, S. L. Lee, C. Y. Yang & J. C. Lin, “Effect of Beryllium and Non-equilibriums Heat Treatment on Mechanical Properties of B319 Alloy with 1.0% Feˮ, Materials Science and Technology, Vol. 20, pp. 539-545, 2004.

S. S. Sreeja Kumari, R. M. Pillai, T. P. D. Rajan &
B. C. Pai, “Effects of Individual and Combined Additions of Be, Mn, Ca and Sr on the
Solidification Behaviour, Structure and Mechanical Properties of Al–7Si–0.3Mg–0.8Fe Alloy”, Materials Science and Engineering, Vol. 460– 461A, pp. 561–573, 2007.

S. Seifeddine & I. L. Svensson, “The Influence of Fe and Mn Content and Cooling Rate on the Microstructure and Mechanical Properties of A380-Die Casting Alloys”, Materials Science and Technology, pp. 27-1, .9002

K. Liu, X. Cao & X. G. Chen, “Effect of Cooling Rate on Iron-rich Intermetallic Phases in 206 Cast Alloys”, Light Metals, pp. 311-317, 2013.

S. G. Shabestari, “The Effect of Iron and Manganese on the Formation of Intermetallic Compounds in Al-Si Alloysˮ, Materials Science and Engineering, Vol. 383A, pp. 289-298, .4002

L. Y. Pio, “Effect of T6 Heat Treatment on the Mechanical Properties of Gravity Die Cast A356 Aluminum Alloyˮ, Journal of Applied Science, Vol. 11, pp. 2048-2052, 2011.

C. Villenveuve & F. H. Samuel, “Fragmentation and Dissolution of AlsFeSi Phase uring Solution Heat Treatment of Al-13wt%Si-Fe Alloysˮ, International Journal of Cast Metals Researches., Vol. 12, pp. 145-160, 1999.

]19[ ا. اسحاقی، ج. راثی زاده غنی، ح. ر. قاسمی و ر. ض. تقیآبادی، “بررسی اثر عملیات حرارتی محلول سازی بر ریزساختار و خواص سایشی آلیاژ آلومینیم 332″، نشریه دانشکده فنی دانشگاه تهران، دوره 43، شماره 2، 139 تا 148، 1388.

C. H. Caceres, I. L. Svensson & J. A. Taylor, “Strength-Ductility Behavior of Al-Si-Cu-Mg
Casting Alloys in T6 Temper”, International Journal of Cast Metals Researches, Vol. 15, pp.
531-543, .3002

L. Backerud, G. Chai & J. Tamminen,
“Solidification Characteristics of Aluminium
Alloys: Foundry Alloys”, AFS Skan Aluminium, USA, 1990.

T. Bogdanoff, “The Influence of Copper on an AlSi-Mg Alloy (A356)-Microstructure and
Mechanical Properties”, B.Sc. Thesis, Jonkoping University, 2009.

M. H. Mulazimoglu, A. Zaluska, J. E. Gruzleski &
F. Paray, “Electron Microscope Study of Al-Fe-Si Intermetallics in 6201 Aluminum Alloy”, Metallurgical and Materials Transactions, Vol.
27A, pp. 929-936, .6991

O. Vorren, J. E. Evensen & T. B. Pedersen, “Microstructure and Mechanical Properties of AlSi (Mg) Casting Alloysˮ, AFS Transaction, Vol.
92, pp. 459-466, 1984.

R. Taghiabadi, H. M. Ghasemi & S. G. Shabestari, “Effect of iron-rich intermetallics on the sliding wear behavior of Al–Si alloys”, Materials Science and Engineering, Vol. 490A, pp. 162–170, .8002

S. Jacob, “Quality index in predicting of properties of aluminum castings-a reviewˮ, AFS Transaction, Vol. 108, pp. 811–818, .0002

K. A. Ragab, M. Bournane, A. M. Samuel, A. Al-
Ahmari, F. H. Samuel & H.W. Doty, “Mechanical characterisation and quality index of A356-type aluminium castings heat treated using fluidised bed quenching”, Materials Science and Technology, Vol. 29, No. 4, pp. 412-425, 2003.

M. F. Ibrahima, S. A. Alkahtani, Kh. A. Abuhasel & F. H. Samuel, “Effect of intermetallics on the microstructure and tensile properties of aluminum based alloys: Role of Sr, Mg and Be addition”, Materials and Design, Vol. 86, pp. 30–40, 2015.

E. Samuel, A. M. Samuel, H. W. Doty, S. Valtierra & F. H. Samuel, “Intermetallic phases in Al–Si based cast alloys: new perspective”, International Journal of Cast Metals Research, Vol. 27, No. 2, pp. 107-114, 2014.

P. Moldovan, G. Popescu & M. Butu, “Heat Treatment of Al-7Si-0.3Mg alloy previously inoculated with a new type of quaternary master alloy”, U.P.B. Science Bulletin Series, Vol. 69B, No. 2, pp. 91-98, 2007.

Z. MA, A. M. Samuel, F. H. Samuel, H. W. Doty & S. Valtierra, “Effect of Fe content and cooling rate on the impact toughness of cast 319 and 356 aluminum alloy”, AFS Transaction, Vol. 101, pp. 255-265, 2003.

C. H. Caceres, “Microstructure design and heat treatment selection for casting alloys using the
Quality Index”, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 92, pp. 215-221, 2000.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید