تاثير عمليات حرارتي پيرسازي بر مقاومت به سايش آلياژهاي Al-Si و بررسي تغييرات الگوهاي پراش اشعه ايكس

مرتضي زندرحيمي1و علي رضواني فر2
دانشيار، دانشگاه شهيد باهنر كرمان
كارشناسي ارشد، دانشگاه شهيد باهنر كرمان
Rezvanifar.ali@gmail.com

چكيده
در تحقيق حال حاضر، براي بهينه سازي خواص سايشي آلياژهاي Al-Si از عمليات حرارتي پيرسازي استفاده گرديد. براي رسيدن به اين هدف، منيـزيمدر هنگام ريختهگري به آلياژ مربوطه افزودهشد و بعد از همگنسازي، عمليات حرارتي رسوب سختي در آلياژ Al-4Si-1Mg انجام گرفت، نمونـه هـايمورد نظر بعد از عمليات محلولسازي در دماي °C540 تحت عمليات پيرسختي در دماهاي°C240- 180 و زمان 8-1 ساعت قرارگرفتنـد . نمونـه هـا دردو حالت ريختگي (as cast) و عمليات حرارتي شده مورد تست سايش قرارگرفتنـد. تسـت سـايش از نـوع پـين و ديسـك مـيباشـد و بـار اعمـالي درمحدوده N30-5 انتخاب شد. از سطح سايش تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي به عمل آمد و مشاهده گرديد كه نمونههاي رسوب سـخت شـدهنرخ سايش پايينتري نسبت به نمونه ها بدون عمليات حرارتي دارند و تغييرات قابل ملاحظهاي در مكانيزم هـاي سـايش ايجـاد شـده اسـت كـه دليـل آنازبين رفتن ساختارهاي بين دندريتي و تشكيل رسوبات پايدار و نيمه پايدار در حالت عمليات حرارتي مي باشد كه در نتيجـه آن سـختي و اسـتحكام بـهمقدار قابل ملاحظهاي افزايش مييابد. بهترين خواص سايشي در دماي پيرسختي °C210 و زمان 8 ساعت ب هدست آمد. همچنين، پيكهاي پراش اشـعهايكس در اثر تغيير فرم پلاستيك و افزايش دانسيته نابجايي ها در سطوح زيرين سايش پهن تر شدند.

واژه هاي كليدي:
پير سختي، سايش، آلياژ ريختگي آلومينيوم، اشعه ايكس.

1- مقدمه
آلياژهاي آلومينيوم به دليل قابليت ريختهگري عالي، مقاومت خوردگي خوب و نسبت استحكام به وزن بالا كاريرد گستردهاي در صنعت پيدا كردهاند[1 و 2]. استفاده از آلياژهاي آلومينيوم- سيلسيم به علت كاربرد گسترده در صنايع اتومبيلسازي در سالهاي اخير مورد توجه فراوان قرار گرفتهاست از آن جمله قطعاتي نظير سرسيلندر، پيستون، چرخها را ميتوان نام برد.
گسترش اين آلياژها در صنايع، نيازمند بهبود كيفيت صنعت ريختهگري و عمليات بعد از آن شدهاست[3]. تلاشهاي فراواني انجام شده تا خواص مكانيكي و سايشي بهينه آلياژ را از طريق كنترل فرايند ريخته گري و عمليات حرارتي ب هدست آورند[4].
Lingaurd وChuenge[5] نشان دادند مقدار بار انتقالي و مقاومت سايشي با حضور عناصر آلياژي از قبيل مس، نيكل و منيزيم افزايش مييابد. رسوب سختي يكي از مهمترين روشهاي سخت كردن براي آلياژهاي آلومينيم ميباشد، در اين عمليات فاز ثانويه در داخل زمينه رسوب كرده و باعث افزايش سختي و استحكام ميشود. Shah و همكاران[6] با تحقيق بر
روي آلياژهايAl–(4,12-20%)Si–0.3% Mg دريافتند در هر سه آلياژ، عمليات حرارتي باعث بهبود مقاومت سايشي مي شود، ساختارهاي دندريتي به دليل اين عمليات تخريب مي شوند.
همچنين افزايش در دماي پيرسازي از °C230 -150 همراه با كاهش قابل ملاحظهاي در نرخ سايش ميباشد.
Bauri و Surappa[7] با تحقيق بر روي آلياژ Al8090 تقويت شده با ذرات SiCp اثباتكردند كه در آلياژهاي تقويت نشده، مقاومت سايشي به دليل پيرسازي در تمام نيروهاي اعمالي افزايش مييابد اما در مورد كامپوزيت ها فقط تا N20 اين شرايط صادق است و در بالاتر از آن مقاومت سايشي كامپوزيت ها در شرايط پيك سختي نسبت به بدون عمليات حرارتي پايين تر است و كاهش وزن بيشتر در آنها به تغيير فرمهاي شديدتر در شرايط پيرسختي نسبت داده مي شود .Dwivedi رفتار سايشي آلياژهاي
Al-17Si و Al-17Si-0/8Ni-0/6Mg مطالعه كرد و مشاهده كرد كه حضور عناصر آلياژي باعث كاهش ضريب اصطكاك و در نتيجه افزايش مقاومت به سايش ميگردد[8].Ott و همكاران[9] تاثير عمليات حرارتي را بر عملكرد تريبولوژي آلياژهاي 390A پوشش داده شده با عمليات جوشكاري و مقايسه آن با حالت بدون پوشش مطالعه كردند و دريافتند كه بهبود قابل ملاحظهاي در مقاومت به سايش هر دو نوع آلياژ بعد از عمليات حرارتي پيرسازي ب هوجود مي آيد. Sawla وDas[10] مشاهده كردند كه ثابت سايش آلياژهاي يوتكتيك LM13 با اضافه شدن بار تماسي كاهش مي يابد، ثابت سايش براي آلياژهاي ريختگي به مقدار قابل ملاحظهاي بالاتر از آلياژهاي عمليات حرارتي شدهاست. Haque و Sharif[11] دريافتند عمليات حرارتي كامل تاثير بسزايي در رفتار سايشي آلياژهاي پيستون Al-Si دارد.
Song و همكاران اثر پيرسازي حرارتي را بر رفتار سايشي آلياژ 2014 Al/SiC و كامپوزيت 6061 Al/SiC بررسي كرده و دريافتند كه با افزايش دماي پيرسازي از °C200- 50 سختي و مقاومت سايشي بهبود مييابد و با افزايش بيشتر در دماي پيرسازي مقاومت سايشي بهطور معكوس كاهش مييابد[12]. بهطوركلي افزايش قابل توجه در استحكام اين آلياژها در طي فرايند پيرسختي اتفاق ميافتد. در طي اين فرآيند ميزان فوق اشباع بودن به مرور كاهش يافته و با افزايش دانسيته رسوبات كوهيرنت و نيمه كوهيرنت بسيار ريز، استحكام افزايش مي يابد.
در اين تحقيق، مقدار سيلسيم نسبت به آلياژ A356 كاهش دادهشد، زيرا در مقادير كمتر سيلسيم، سختي و استحكام با عمليات پيرسازي افزايش بيشتري نسبت به حالت ريختگي مييابد و مقاومت به سايش تابعي از سختي مي باشد، همچنين براي افزايش دانسيته رسوبات مقدار منيزيم به حدود 2/1% رسانيده شد. رفتار سايشي اين آلياژ در شرايط ريختگي و پيرسازي مورد بررسي قرارگرفت و نتايج با ميكروسكوپ الكتروني روبشي و پراش اشعه ايكس تائيد گرديد.

2- روش تحقيق
آلياژ موردنظر با تركيب نشان داده شده در جدول (1) در كوره مقاومتي ذوب گرديد. براي رسيدن به اين منظور آلومينيم خالص به همراه آميژان Al-Si وAl-Mg در داخل بوته گرافيتي تحت عمليات ذوب قرار گرفتند، ريختهگري در قالب با ماسه سيليسي انجام شد. اندازه قطعات ريخته شده 3cm1×8×20 انتخاب گرديد.

براي همگن نمودن ساختار ريختهگري، نمونهها در دماي °C500 به مدت 1 ساعت حرارت داده شدند تا بازوهاي بين دندريتي از بين رفته و ساختاري كاملاً همگن ايجاد شود.
براي مطالعه تاثير فرآيند رسوب سختي بر روي آلياژ مورد نظر نمونههايي با ابعاد 3cm1×1×1 از قطعات ريخته گري جهت انجام عمليات پيرسختي تهيه شد. نمونهها در كوره عمليات حرارتي تا دمايºC540 حرارت داده شده و بهمدت 2 ساعت در اين دما نگاه داشته شدند. سپس سريعاً در آب با دماي محيط سرد شدند تا محلول جامد فوق اشباعي ايجاد گردد. براي جلوگيري از پيرسختي طبيعي، نمونه ها بدون تاخير در محيط آزاد، مورد پيرسازي مصنوعي قرارگرفتند.
بدين منظور نمونه ها در دماهاي ºC150، 180، 210 و 240 براي زمانهاي متفاوت (15 دقيقه تا 24 ساعت) در كوره تحت عمليات پيرسختي قرار گرفتند. از تمام نمونهها تست سختي به عمل آمد.

as cast شكل(1): تغييرات كاهش وزن بر حسب مسافت اعمالي براي نمونههاي ريختگي( ).

با انجام عمليات حرارتي مشاهده شد كه دماي ºC210 بهترين خواص مكانيكي را در اين آلياژ ميدهد، به همين علت، عمليات پيـرسـازي بـراي نمـ ونههاي سايش فقط در اين دما و براي زمان 8 -1 ساعت انجام شد، تعدادي از نمونه ها نيز در حالت ريختگي مورد بررسي قرار گرفتند. تست سايش از نوع پين برروي ديسك انجام گرديد، پين از فولاد ابزار با سختي (HRC60) تهيه شد، ديسك مربوطه از آلياژ مورد نظر با اندازه3cm 1×8×8 جدا گشت.
بار اعمالي براي نمونههاي ريختگي N30- 5 و براي نمونههاي پيرسازي N30 انتخاب شد. مسافت اعمالي براي هر تست m1000 در نظر گرفتهشد. قبل از انجام تست، نمونهها در دستگاه التراسونيك به مدت 20 دقيقه در درون استون غوطه ور شدند تا ناخالصيها و اكسيدها سطحي تا حد امكان از بين برود. بعد از خشك شدن كامل، نمونهها با ترازويي با دقت mg 1 وزن شدند.
من توذار يلبلصيتبييتبيات

بعد از هر m50، نمونهها از دستگاه خارج شده و كاهش وزن آنها محاسبه گرديد. از سطح سايش نمونهها توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي(SEM) تصاويري تهيه شد.
الگوي پراش از سطح نمونه ها قبل و بعد از سايش ب هوسيله دستگاه XRD مدل فيليپس با تابش Cukα، ديفرآكتومتر pw1710طول موج 154178/0=λ، گام (Step Size1) 02/0 و زاويه 140-35 در دماي اتاق ب هدست آمد.

3- نتايج و بحث
شكل (1) مقدار كاهش وزن بر حسب مسافت طي شده براي نمونههاي ريختگي را نشان ميدهد، مقدار بار اعمالي بين N30- 5 ميباشد. مشاهده ميشود با افزايش بار اعمالي مقدار كاهش وزن افزايش يافته است، در بارهاي اعمالي كم با زياد شدن مسافت، حالت پايا2 ايجاد م يگردد درحاليكه با افزايش بار اعمالي اين روند كاهش مييابد.

مكابتلابيبتيبزاحبعخعفلعغشبيلاّ
َ
»«
آ

Wear
الف

ب

مكابتلابيبتيبزاحبعخعفلعغشبيلاّ

َ

»«

آ

Wear

الف

ب

شكل (2): تصاوير ميكروسكوپي از سطح سايش براي نمونههاي بدون عمليات حرارتي الف) بار N10 و مسافت m500 ب) بار N10 و مسافتm1000
شكل (2) سطح سايش براي نمونههاي بدون عمليات حرارتي براي بار N10 و مسافتهاي500 و 1000 متر را نشان ميدهد، مشاهده مي شود كه با افزايش مسافت تغييرات قابل ملاحظه اي در مكانيزم سايش ايجاد نشده است. اما با افزايش بار اعمالي تا N 30 تغييرات چشمگير است. شكل(3 -الف و ب) ش كل (4) نم ودار مقايس ه ك اهش وزن نه ايي ب ين نمون ه ه اي پيرس ازي ش ده و نمون ه ب دون پيرس ازي در ب ارN 30 را نش ان ميدهد. ميتوان مشاهده نمود كـه اخـتلاف قابـل ملاحظـهاي در مقدار كاهش وزن ناشي از سايش بين نمونههاي عمليات حرارتي شده با نمونههاي ريختگي وجود دارد. بهطوركلي رسوب سختي در آلياژهاي با مقـداركم سيلسـيم، بهبـود قابـل ملاحظـهاي را در مقاومت سايشي (نسبت به حالت ريختگي) موجب ميشود.
شكل (5) مقدار كاهش وزن بر حسب مسافت را براي نمونههايي كه در دماي ºC210 و بهمدتhr 8-1 تحت عمليات پيرسازي قرار گرفتهاند نشان مي دهد.

شكل (6) تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح سايش بـراي نمون ه اي ك ه در دم اي ºC210 ب هم دت 8 س اعت تح ت عمليـات پيرسـازي قـرار گرفتـه اس ت نشـان مـيدهـد .ش كل (7)

نگحهعخهكلامبمتاسبتنما
ِّ
نبانتلمتَ

يطلتملاتباشلسبنمشگعهغعقلصتابتلصبعن

سگبتلابنتثخقلشقلبشنغاحهشعقعخفشثقب

كمسامنتسلابشتنيضعثقلاهقسلنابشستعلغها

الف

ب

debri

نگحهعخهكلامبمتاسبتنما



قیمت: تومان


پاسخ دهید