بررسي تاثير نوع جوانهزا بر ريزدانگي و پارامترهاي انجماد آلياژ A356 به كمك آناليز حرارتي منحنيهاي سرد شدن

نجم الدين عرب1، صفدر حبيبي2، مهدي سودمند3، احمد شريفي1
1- كارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد ساوه
2-استاديار، دانشگاه بوعلي سينا همدان
3-استاديار، دانشگاه پيام نور اروميه
Najmeddin Arab@yahoo.com

چكيده
ريزدانه كردن آلياژهاي آلومينيم از متداولترين عمليات در صنايع شمش ريزي و ريختهگري آليا ژهاي آلومينيوم است. اين كار بهطور معمول با اضـافهكردن جوانهزا به مذاب صورت ميگيرد. لذا استفاده از ج وانهزاي مناسب جهت ريزدانگي آلياژهاي آلومينيومي مي تواند تـاثير زيـادي بـر كيفيـت ايـنگونه قطعات داشتهباشد. پژوهش حاضر به بررسي تاثير نوع جوانه زا بر ريزشدن دانه ها و پارامترهاي انجماد آلياژهاي آلومينيوم به كمك آناليز حرارتي منحنيهاي سرد شدن ميپردازد. به اين منظور نمونه هايي از آلياژ A356 را بدون افزودن جوانه زا به مذاب و ساير نمونه ها را با افزودن انواع مواد جوانهزا به مذاب تحت عمليات جوانهزايي قرار داده و پس از ذوب ريزي ب هداخل قالب، منحنيهاي سرد شدن آنها ترسـيم گرديـد. بـا محاسـبه و رسـم منحنـيمشتق اول و منحني صفر، پارامترهاي انجماد در قطعات بررسي شد. بررسيهاي صورت گرفته نشان داد كه جوانهزني و نوع جوانـه زا تـاثير چنـداني بـردرجه حرارت شروع و پايان انجماد و ميزان گرماي نهان انجماد ندارد. همچنين بررسيهاي متالوگرافي و آنـاليز حرارتـي نشـان داد كـه در نمونـههـاي
جوانهزني شده بيشترين ريزدانگي در فراسرديc °4 بهدست ميآيد.

واژه هاي كليدي:
ريختهگري، جوانهزائي، آناليز حرارتي، A356.

1- مقدمه
اغلب فلزات و آلياژها در شرايط متداول ريختهگري و انجماد داراي دانه هايي ستوني ميباشند مگر آنكه فرآيند انجماد با دقت كنترل گردد. رسيدن به ساختار دانهاي ريز در ساختار بعد از ريختهگري با افزايش تعداد موقعيت هاي جوانهزني و يا به وسيله تكثير دانه امكان پذير است. Mc Cartney ريزدانگي را بهعنوان جلوگيري سنجيده و عمدي از رشد دانههاي ستوني در شمشها و قطعات ريختگي و شكل گيري ساختار انجماد محوري ريز در ميان ماده تعريف كرد هاست[1].

توجه به ريزدانه كردن آلومينيوم به سال 1930 برميگردد و به تحقيق Rosenhain كه نشان داد كه اضافه كردن تيتانيم به مذاب آلومينيوم قبل از ريخته گري باعث ايجاد ساختار دانه اي هممحور بعد از انجماد مي گردد و سايز دانهها را كاهش مي دهد[2].
Sicha و Boehm اولين كساني بودند كه نشان دادند ريزدانه كردن تحت تاثير اضافه كردن تيتانيم مي باشد و به طور مشخص باعث بهبود استحكام كششي و ازدياد طول در آلياژ ريختگي Al-4.5Cu ميشود[3].
اما به هر حال اين Cibula بود كه ب هدليل كا ر برنامه ريزي شده و هدفمند برروي ريزدانه كردن آلياژهاي آلومينيم به كمك عناصري نظيرW ,V ,Nb ,Zr ,B ,Ti ,Ce ,Ta و تكنيكهاي ديگـر جوان ـهزني، بهعنوان پيشگام در اين زمينه شناخته ميشود[4 و 5].
يكي از راههاي بررسي ريزدانگي در آلياژهاي آلومينيوم استفاده از تكنيك آناليز حرارتي منحنيهاي سرد شدن ميباشد. آناليز حرارتي بر مبناي توزيع سطوح حرارتي در سرد شدن يا گرم شدن قطعات صورت ميگيرد كه مستقيما به دگرگونيهاي فازي كه در نمونه اتفاق ميافتد مربوط مي شود.
بسته به نوع آناليز، اطلاعات متفاوتي نظير گرماي نهان انجماد، كسر حجمي جامد و مقدار و نوع فازهايي كه در حين انجماد بهوجود ميآيند را ميتوان ب هدست آورد[6 و 7].
اولين بار محققين در سال 1950 روش آناليز حرارتي را مورد استفاده قرار داده و نشان دادند كه از منحني سرد شدن مي توان براي بررسي ريزدانگي و بهسازي ساختار يوتكتيك در آلياژهايAl-Si استفاده كرد[6]. در سال1970 ميلادي Baekerud براي اولين بار از مشتق منحني سرد شدن در فرآيند آناليز حرارتي استفاده كردند[7]. Apelian اولين كسي بود كه كاربرد كامپيوتر در آناليز منحني هاي سرد شدن و محاسبات ديفرانسيلي آنرا به نام خود ثبت كرد[8].
اين بررسيها نشان داد كه استفاده از مشتق اول باعث افزايش دقت در ثبت پديدههايي ميشود كه در منحني سرد شدن اصلي ديده نميشوند. محاسبه دقيق پارامترهاي انجماد نظير دماي شروع و پايان انجماد، گرماي نهان و كسر انجماد به شدت به محاسبه منحني صفر (ZC)1 وابسته است، لذا محاسبه منحني صفر يكي از مراحل مهم و تاثيرگذار در نتايج آناليز حرارتي و در نتيجه كنترل كيفيت مذاب مي باشد.
محاسبه منحني صفر (Zero Curve) يكي از كاربردهاي جديد آناليز منحنيهاي سرد شدن، محاسبه خواص ترموفيزيكي است.
مهمترين مبحث در اين كاربرد، محاسبه منحني صفر (ZC) ميباشد. منحني صفر در واقع مشتق منحني سرد شدن است، با اين فرض كه در آن تغيير فاز وجود نداشته است. بنابراين منحني صفر يك منحني فرضي است[9].
در سال 1989 ميلاديUpadhya و همكارانش گرماي نهان و كسر حجمي جامد را بهعنوان تابعي از دما و زمان محاسبه كردند. اين روش عددي براساس آناليز رياضي انتقال حرارت در حين انجماد استوار است. آنها از روش آناليز نيوتني جهت بررسي نحوه سرد شدن نمونه ها استفاده كردند[6]. در سال 1993 Fras روش جديدي را براساس آناليز حرارتي فورير (fourier) به كار برد كه در آن گراديان حرارتي داخلي يك نمونه در حال انجماد محاسبه ميشد[10]. در سال 1997 Stefanescu و Barlow گرماي نهان انجماد و كسر حجمي جامد را از هر دو روش محاسبه كردند[11].
– آناليز نيوتني
در اين روش، چگونگي سرد شدن نمونه ها براساس الگوي انتقال حرارت نيوتني محاسبه ميگردد. در اين روش فرض ميشود كه گراديان حرارتي در طول نمونه برابر صفر است حال آنكه انتقال حرارت با جريان همرفت در قالب با دماي ثابت 0T صورت ميگيرد. بنابراين كاهش آنتالپي در فلز، با مقدار حرارت

dT/dt(c/s)

dT/dt(c/s)

شكل(1): منحني سرد شدن نمونه 1 بههمراه منحنيهاي مشتق اول و صفر منحني كسر انجماد در برابر زمان نمونه 1

انتقال يافته از قالب برابر است. معادلات رياضي آناليز حرارتي نيوتني بهصورت زير است.
174498713357

(1) (0LρV

dFsdt −VρCp

dTdt = hA(T −T و يا (2) ⎦⎥⎤(0dTdt ⎟⎞⎠cc = Vρ1Cρ⎣⎢⎡LVρdFdts −hA(T −T ⎝⎛⎜ كه ρ دانسيته و V حجم نمونه و Cp ظرفيت گرمايي ويژه فلز است. اگر استحاله فازي رخ ندهد از معادله (2) ميتوان به معادله منحني صفر رسيد.
16230690919

(0dTdt ⎞⎟⎠zc = hAV(TρC−ρT ⎝⎜⎛ با انتگرالگيري از اين معادله خواهيم داشت:
30251450044

160477250044

t∫ ⎣⎢⎢⎡⎝⎛⎜ dTdt ⎞⎠⎟cc −⎝⎜⎛ dTdt ⎠⎞⎟zc ⎥⎥⎦⎤dt = 0t∫⎜⎜⎝⎛ LdFsCpdt ⎞⎟⎟⎠dt = CpL 0t∫ dFs0 با فرض عدم تغيير فاز در حين انجماد و ساده كردن معادله 4 معادله 5 بهدست ميآيد:
169011664835

L = Cp0t∫ ⎣⎢⎢⎡⎝⎛⎜ dTdt ⎠⎞⎟cc −⎜⎛⎝ dTdt ⎞⎟⎠zc ⎤⎥⎥⎦dt در اين تحقيق براي رسم منحني صفر از معادله 5 استفاده شدهاست.

شكل(2): منحني كسر انجماد در برابر زمان نمونه 1

جوانهزني و ريزكردن دانهها، يكي از مراحل مهم در ريخته گري آلياژهاي آلومينيوم است. از مقدار جوانهزاي اضافه شده به مذاب، قسمتي از آن به فازهاي اكسيدي و بخشي ديگر به فازهاي نيترايدي يا هيبريدي تبديل شده و به سرباره ميرود و فقط قسمتي از آن در مذاب باقي مانده و عمل جوانهزني و ريزكردن دانهها را انجام مي دهد. كيفيت مذاب، نوع شارژ، روش ذوب و مواد كمك ذوب مصرفي، ميتوانند بر ميزان ناخالصيهاي موجود در مذاب تاثير گذارده و لذا بر نحوه عملكرد جوانهزا و موفقيت جوانهزني تاثير ميگذارد.
جوانهزاها بيشترين اثر را بر روي تحت انجماد يوتكتيك و همچنين دامنه انجماد ميگذارند، لذا توجه به اين دو پارامترها و دقت در محاسبه آنها ميتواند ما را در تعيين جوانه زاي مناسب براي آلياژهاي آلومينيوم ياري كند. در نمونه هايي كه در آنها عمليات جوانهزايي به خوبي صورت نگيرد، مقدار تحت انجماد يوتكتيك بالا بوده و لذا ساختار به صورت ستوني و با دانههاي درشت ظاهر مي شود.

شكل (3): تصوير ساختار ماكروسكوپي نمونه 1

در صورتي كه با افزايش جوانه زا به مذاب، موقعيتهاي جوانهزني افزايش يافته و با كاهش ميزان تحت انجماد يوتكتيك موجب ريز شدن و هم محور شدن دانهها مي گردند اين مكانيزم در مرجع 15 توضيح داده شدهاست.

2- روش تحقيق
آليـاژ A356 بـا تـــركيب شيميايي(Al-7%Si-0.3%Mg) به علت قابليت ريختهگري بسيار عالي، خواص فيزيكي و مكانيكي مناسب و همچنين اهميت زيــادي كـه در صنــايع خودروسازي صنايع خودروسازي دارد، انتخاب گرديد. اين آلياژ در يك كورة سقفي شفتي با ظرفيت ذوب 2 تن در ساعت و ظرفيت نگهداري 6 تن ذوب گرديد و درجه حرارت مذاب در C7600 تنظيم شد. سپس مذاب در پاتيل با ظرفيت 300 كيلوگرم كه تا دماي 500 درجه سانتيگراد پيشگرم شدهبود، تخليه گرديد. پس از سربارهگيري، مذاب بهمدت 6 دقيقه تحت عمليات گاززدايي بهروش گاززدايي چرخشي با استفاده از گاز خنثي ازت (2N) قرار گرفت و مجددا سربارهگيري شد. قالبها از جنس فولاد ساده كربني و به ظرفيت حدود 100 گرم ساخته شده بودند كه سطح داخلي آنها توسط دايكوت و در دماي 170 درجه سانتيگراد پوشش داده شد.

dT/dt(c/s)

dT/dt(c/s)

شكل (4): منحني سرد شدن به همراه مشتق اول آن و منحني صفر براي نمونه

براي ثبت تغييرات دمايي در حين انجماد، در مركز قالب ترموكوپل نوعKromel–Alumel) K) قرار داده شد كه اين ترموكوپل توسط يك Thermo-Analyzer نوع MW 100 به كامپيوترP5 متصل شد. براي رسم منحنيها نيز از برنامه Tac Plote 10 استفاده گرديد. براي ذوب ريزي ب هداخل قالب، از بوته با ظرفيت 5 كيلوگرم و با دماي پيشگرم 00 5 درجه سانتيگراد استفاده شد. نمونه اول بدون افزودن جوانهزا ذوبريزي شد. در مورد جوانهزاهاي فلزي، مقدار لازم از سه نوع جوانه زاي موجود در كف پاتيل قرار داده شد و مذاب در دماي 705 درجه سانتيگراد ب هداخل قالب تخليه گرديد.
در جوانه زني با قرص جوانهزا، مقدار لازم از جوانه زا توسط يك فروبرنده به مذاب افزوده شد. در هر آزمايش تعداد 4 قالب و مجموعا 20 قالب ذوبريزي شد و منحني هاي سرد شدن آنها ثبت گرديد. تمام نمونهها از يك موقعيت يكسان برش خورده و براي بررسي ريزدانگي متالوگرافي شدند. همچنين براي تعيين درصد تيتانيوم و بر باقيمانده در مذاب نمونه ها تحت آزمايش كوانتومتري قرار گرفتند.
اطلاعات ثبت شده منحني سرد شدن نمونهها ب هوسيله يك برنامه كامپيوتري نوشته شده به زبان + +Turbo C مورد آناليز قرار گرفتند. اين برنامه وظيفه شناسايي نقاط شروع و پايان انجماد، محاسبه مشتق اول و دوم منحني سرد شدن، محاسبه منحني صفر

شكل (5): منحني كسر انجماد در برابر زمان نمونه 2

dT/dt(c/s)

dT/dt(c/s)

شكل(6): منحني سرد شدن به همراه مشتق اول آن و منحني صفر براي نمونه3

بهروش آناليز نيوتني كه بهصورت يك تابع خطي است و همچنين محاسبه گرماي نهان انجماد و كسر انجماد به عنوان تابعي از دما و زمان و در نهايت تعيين ميزان ريزدانگي را انجام ميدهد براي بررسي ساختار ماكروسكوپي از محلول اچ با
(60%HCl, 30%HNO3, 5%HF and 5%H2O) تركيب
استفاده شد.

3- نتايج و بحث
نمونههايي كه در اين مقاله مورد بحث قرار ميگيرد بهصورت زير است:
– نمونه شماره (1): بر روي اين نمونه از آلياژ A356 هيچ گونه عمليات جوانهزايي و اصلاح انجام نگرفته است.

شكل(7): منحني كسر انجماد در برابر زمان نمونه3

dT/dt(c/s)

dT/dt(c/s)

شكل(8): منحني سرد شدن به همراه مشتق اول آن و منحني صفر براي نمونه4

– نمونه هاي شماره (4،3،2و5): اين نمونه ها به ترتيب با جوانه زاهاي Al-5Ti-1B، قرص TiBloy ،Nucleant2 و Al-
10Ti مورد جوانه زايي قرار گرفته و سپس به درون بوته منتقل شده و كار ثبت اطلاعات روي آنها انجام گرديد.
الف- نمونه شماره 1:
در اي ن نمون ه انجم اد از دم ايC °ْ 615.7 در ثاني ه 18 ش روع ميشـود و در دمـايC ° 568.8 در ثانيـه 216 كليـه قسـمت هـاينمونه منجمد مي گردد. مقدار گرماي نهان اين نمونه برابـر 5J/gr ميباشد كه در مقايسه با سـاير نمونـههـا كمتـرين مقـدار را دارد.
همچنين فراسردي اين نمونـه مقـدارC ° 7.9 بـهدسـت آمـد. ايـنمق دار بس يار بالاس ت و نش ان م ي ده د ك ه نمون ه جوان ه زاي ي نگرديدهاست.

شكل (9): منحني كسر انجماد در برابر زمان نمونه 4

شكل (2) منحني سرد شدن نمونه 1 را به همراه منحني مشتق اول و منحني صفر آن و شكل (3) منحني كسر انجماد در برابر زمـانرا نشان ميدهند.
بعد از انجام آناليز حرارتي و بررسي نتايج ب هدست آمده از آن، لازم است تا نتايج حاصل از آناليز حرارتي را با تصاوير متالوگرافي مقايسه شوند. در نمونه 1 چون عمليات جوانهزني و ريز شدن دانهها انجام نشده، لذا ساختاري با دانههاي درشت براي آن پيشبيني ميگردد.اين ساختار در شكل (3) آورده شدهاست.
همانطوركه از شكل(3) مشخص است، نمونه 1 داراي ساختاري با دانهبندي درشت و تا حدودي هممحور است كه دليل هممحوري آن سرعت سرد شدن بالا در قالب فلزي ميباشد.
نمونه شماره 2:
اين نمونه توسط آلياژساز Al-5Ti-1B جوانهزايي گرديد. به دليل حضور ذرات TiAl3 و TiB2 و همچنين قطر كم اين ذرات، عمليات جوانه زايي در اين نمونه به خوبي صورت گرفت. در اين نمونه دماي شروع انجماد C°ْ615.8 و در ثانيه 25 و همچنين دماي پايان انجماد C ْ°565.6 و در ثانيه 330 ميباشند.
همچنين دامنه انجماد كه اختلاف دماي شروع و پايان انجماد ميباشد در اين نمونه برابر 50.2C بود.

شكل (10): تصوير ماكروسكوپي نمونه 4

در شكل (4) منحني سرد شدن نمونه 2 بههمراه منحني مشتق اول و منحني صفر نشان داده شدهاست.
مقدار گرماي نهان براي اين نمونه352 J/gr و ميزان فراسردي يوتكتيك برابر Cْ3.125 ميباشد. بهمنظور تعيين كسر انجماد در هر لحظه از زمان، منحني كسر انجماد بر حسب زمان رسم شدهاست. مطابق شكل (5) نمونه در ابتدا با سرعت تقريبا ثابتي منجمد ميشود ولي با شروع تشكيل فاز يوتكتيك و آزاد شدن گرماي نهان سرعت انجماد كاهش يافته و در نتيجه شيب منحني نيز كاهش مي يابد.
در اين نمونه كه تحت تبريد برابرCْ 3.125 است انتظار مي رود كه جوانهزني به خوبي صورت گرفته باشد. تصاوير متالوگرافي تهيه شده از اين نمونه مؤيد اين نتيجه است.
نمونه شماره 3:
اين نمونه توسط قرص جوانهزاي Nucleant2 شركت فوسيكو جوانهزايي گرديد. نتايج حاصل از آناليز حرارتي براي اين نمونه نشان ميدهد كه دماي شروع انجماد برابر C ْ°614.8 در ثانيه 26 بوده و پايان انجماد در ثانيه 327 و در دمايC ْ°568.4 رخ داده است. دامنه انجماد در اين نمونه نيز برابر 46.2C بهدست آمد.

شكل (11): منحني سرد شدن به همراه مشتق اول آن و منحني
dT/dt(c/s)

dT/dt(c/s)

شكل(11): منحني سرد شدن به همراه مشتق اول آن منحني صفر براي نمونه5

همچنين در اين نمونه گرماي نهان انجماد برابر 387J/gr و مقدار فراسردي يوتكتيك برابر C°ْ2.69 ميباشد كه در مقايسه با نمونههاي ديگر كمترين مقدار را داراست.
لذا ميتوان به اين نتيجه رسيد كه راندمان جوانه زني در اين نمونه به نسبت ديگر نمونههاي جوانهزني شده كمتر بودهاست.
بررسيهاي متالوگرافي از نمونههاي تهيه شده اين نتيجهگيري را تائيد ميكند. شكلهاي (6) و (7) بهترتيب منحني سردن و مشتق اول آن و منحني كسر انجماد در برابر زمان را براي اين نمونه نشان م يدهند.
د– نمونه شماره4 :
در شكل (8) منحني سرد شدن نمونه 4 به همراه منحني مشتق اول و منحني صفر نشان داده شدهاست. اين نمونه توسط آلياژساز TiBloy با تركيب Al-1.6%Ti-1.4%B تحت عمليات جوانهزايي قرار گرفت. وجود مخلوط بوريد ها 2(Al,Ti)B در تركيب اين جوانه زا ، كارايي ريزدانگي را افزايش مي دهد. دماي شروع انجماد Cْ614 و در ثانيه 25 و همچنين دماي پايان انجمادC ْ 569.5 و در ثانيه 338 ميباشد. همچنين دامنه انجماد اين نمونه 44.5C بهدست آمد كه نسبت به ساير نمونهها كمترين مقدار را داشت. مقدار گرماي نهان انجماد براي اين نمونه 350J/gr و ميزان فراسردي يوتكتيك برابر C°ْ3.3 ميباشد. بنابراين ميتوان گفت كه بازدهي اين جوانه زا نسبت به ساير جوانهزاها بيشتر بوده است. بهمنظور تعيين كسر انجماد در هر لحظه از زمان ميتوان از منحني شكل (9) استفاده كرد.
مطابق شكل (9) نمونه در ابتدا با سرعت تقريباً ثابتي منجمد ميشود ولي با شروع تشكيل فاز يوتكتيك سرعت انجماد كاهش يافته و در نتيجه شيب منحني نيز كاهش مييابد. دليل اين موضوع مي تواند آزاد شدن حجم زيادي از گرماي نهان باشد كه دماي مذاب را افزايش ميدهد. در اثر اين اتفاق سرعت انجماد كاهش مييابد. در اين نمونه فراسردي برابر با C°3/3 بوده لذا انتظار ميرود كه جوانه زني به خوبي صورت گرفته باشد.
بررسي متالوگرافي از نمونه مؤيد اين موضوع است كه دلالت بر ريز شدن دانهها دارد. شكل (10) تصوير متالوگرافي از نمونه را به نمايش مي گذارد.
با مقايسه شكل (10) با شكل (3) مشخص ميشود كه دانههاي ستوني در اثر اضافه كردن جوانه زا به دانههاي هممحور تبديل گرديده و در واقع عمليات جوانه زني با موفقيت به انجام رسيده است، كه اين موضوع تاييدي بر نتايج حاصله از آناليز حرارتي ميباشد. در مقايسه با تصاوير ماكروسكوپي ساير نمونهها، ميزان ريز دانگي در اين حالت بيشتر از ساير جوانهزاها است.
س- نمونه شماره 5 :
در اين نمونه كه توسط آلياژساز Al-10Ti جوانهزايي شدهبود، دماي شروع انجماد برابر C°ْ603 و در ثانيه 16 و همچنين پايان انجماد در دماي C° 548 در ثانيه 337 محاسبه گرديد. (شكل 11). ميزان برد انجماد در اين نمونه 55°C محاسبه گرديد. گرماي نهان و فـراسردي محـاسبه شـده بـراي ايـن نمونه بهترتيب 373 J/gr و C°2.8 بهدست آمد.

مقدار فراسردي اين نمونه از نمونه شماره 3 بيشتر ولي نسبت به نمونههاي 2و 4 كمتر ميباشد لذا ميتوان انتظارداشت كه عمليات جوانه زايي و ريزدانگي در اين نمونه نسبت به نمونه 3 بهتر ولي از نمونه هاي 2 و4 ضعيفتر



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید