بررسي وابستگي خواص فيزيكي و مكانيكي آلياژ Cu -20Zn توليد شده از پودر پيشآلياژي به تغييرات جزئي دماي تفجوشي

عباس صباحي*1، مازيار آزادبه2 و شيدا شادپور1
كارشناس ارشد مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي سهند تبريز
استاديار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي سهند تبريز
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 14/04/89، تاريخ پذيرش: 29/06/89)

چكيده
در اين پژوهش براي افزايش قابليت كنترل خواص و تركيب شيميايي در فرآيند توليد آلياژ Cu -20Zn، شرايط بهينة توليد اين آلياژ به روش متالورژي پودر مورد بررسي قرار گرفت. بدين منظور پودر برنج پيشآلياژي توليد شده به روش اتميزاسيون آبي با اندازة ذرات 40 الي 100 ميكرون تحت فشار 600 مگاپاسكال فشردهسازي و سپس نمونههاي فشرده شده در دماهاي مختلف در محدوده 800 الي 1000 درجة سانتيگراد تحت اتمسفر آرگون تفجوشي شدند. نتايج حاصل از آزمايشات چگاليسنجي و تعيين سختي و استحكام ضربه نشان داد كه دماي بهينة تفجوشي 930 درجة سانتي گراد است. بهبود خواص در دماي بهينه به دليل ايجاد پيوستگي بيشتر بين ذرات و كاهش تعداد حفرات در نتيجه انجام فرآيند تفجوشي در حضور فاز مايع حاصل گرديده است.

واژههاي كليدي:
آلياژ Cu -20Zn، متالورژي پودر، خواص مكانيكي، پودر پيشآلياژي، تفجوشي در حضور فاز مايع، دماي بهينه تفجوشي.

1- مقدمه
آلياژهاي برنجي به دليل دارا بودن استحكام و چقرمگي مناسـب،خ واص غي ر مغناطي سي و مقاوم ت ب ه خ وردگي ب الا ب ه ط ورگ ستردهاي در قطع ات ص نعتي م ورد اس تفاده ق رار م ي گيرن د [1 و 2]. برنجهـاي تجـاري معمـولاً بـه دو گـروه بـرنجα و بـرنج α + β تقسيم بندي مي شوند. برنج زرد با ساختارα حـاوي 20 الـي36 درصد روي است و داراي اسـتحكام بـه همـراه نرمـي بـالاييميباشد. ايـن آلياژهـا در توليـد بعـضي از قطعـات خـودرو ماننـد دندههاي هماهنـگكننـد ة خـودرو و درپـوشهـاي بـاتري مـورداستفاده قرار ميگيرند [3]. در حال حاضر اغلـب قطعـات برنجـيدر ايران به روش ريختهگـري توليـد مـيشـوند و كنتـرل درصـدروي، يكي از مـشكلات توليـد ايـن آلياژهـا توسـط ايـن فرآينـد ميباشد. توانايي روش متالورژي پودر در ساخت قطعات پيچيـدهبا شكل و اندازه نهايي، قابليت بالاي كنترل فرآيند توليد و مزيتاقتصادي قابل توجه آن، باعث جايگزيني مناسب اين روش توليدبه جاي روشهاي ديگر شده است.
در اين پژوهش به منظور افزايش قابليت كنترل خواص و تركيبشيميايي آلياژهاي برنجي، چگونگي توليد ايـن آلياژهـا بـه روشمتالورژي پودر و تأثير پارامترهـاي توليـد بـر خـواص فيزيكـي ومكانيكي آن ها مورد بررسي قرار گرفت. معمولاً قطعـات برنجـيتوليد شده به روش متالورژي پودر از پودرهاي پيش آلياژ شده به روش اتميزاس يون س اخته م يش وند ك ه تركيب ات معم ول اي ن آلياژهاي برنجي شامل 10، 20 و 30 درصد روي به همراه مقاديرمشخصي از عناصر ديگر ميباشـند [4]. مزيـت پـودر پـيشآليـاژشــده در مقايــسه بــا مخلــوط پــودري دســتيابي بــه ريزســاختاريكنواختتر و در نتيجه خواص فيزيكي و مكانيكي يكسان تـر درتمام نقاط قطعه است.
اين قطعات به روشهاي مختلفي پرس ميشوند. پرس سرد پـودربرنج يكي از روشهاي مرسـوم اسـت كـه مـيتـوان توسـط ايـنروش بــا اســتفاده از فــشارهاي فــشردن 800 -600 مگاپاســگال قطعات خامي با چگالي 6/7-3/7 گـرم بـر سـانتيمتـر مكعـب راتولي د ك رد [4 و 5]. روانس ازهاي م ورد اس تفاده در آلياژه اي برنجي استئارات روي و ليتيم مـيباشـد . از مزايـاي اضـافه كـردناستئارات ليتيم به عنوان روانسـاز بـه آلياژهـاي برنجـي، كـاهشميزان از دسـت رفـتن روي، توزيـع يكنواخـت حفـرات و ايجـادمحيط احيايي در طول تفجوشي ميباشد [4، 5 و 6].
تفجوشـي قطعـات پـرس شـده مهمتـرين بخـش توليـد قطعـاتبرنجي به روش متالورژي پودر اسـت. مـشكلات ايـن مرحلـه بـهوجود عنصر روي در آلياژ بر ميگردد كه فشار بخار بالا و تمايلشديد به اكسايش دارد. در واقع تبخير شـدن روي موجـب تغييـرتركيب شيميايي و خواص قطعه تفجوش شده ميشـ ود، بـا ايـنوجود در صورتي كه فرآيند تفجوشي قطعه در شـرايطي انجـامگيرد كه نمونه درون پوشـشي از پـودر گرافيـت يـا آلومينـا قـرارگيرد، كاهش وزن به 2-1 درصد و در شرايط بدون پوشش بـه 8 درصد ميرسد [5 و 7].
شكلگيري فاز مايع در طول تفجوشي، تكنيكي رايج براي افزايش چگالش است. زماني كه پودر پيشآلياژي در محدودة دمايي بين خطوط ساليدوس و ليكوئيدوس گرم ميشود، فاز مايع در درون دانهها، مرزدانهها و مناطق گلويي بين ذرات تشكيل ميشود. فاز مايع تشكيل شده، يك نيروي موئينگي بين ذرات ايجاد ميكند و موجب افزايش چگالش ميگردد. اين فرآيند، تفجوشي سوپرساليدوس ناميده ميشود كه در اين متن از اين پس با مخفف SLPS1 به كار ميرود.
در اين فرآيند، دما (كه نسبت جامد – مذاب را كنترل ميكند) تعيينكنندة اصلي چگالي تفجوشي و تغييرات ابعادي است. در واقع با رسيدن دماي تفجوشي به يك مقدار بحراني و شكلگيري مذاب به ميزان كافي، ذرات پودري خرد شده و به دانههاي ريزي تبديل ميشوند. سپس اين دانهها تحت فرآيند آرايش مجدد قرار گرفته و موجب افزايش چگالي تفجوشي ميگردند [8 و 9].
به طور كلي مشخص است كه خواص فيزيكـي و مكـانيكي ايـنآلياژها تحـت تـأثير تركيـب شـيميايي و مشخـصات پـودر مـورداستفاده، روان ساز به كار برده شده و پارامترهاي ساخت از جملـهفشار فشردن، دما و زمان تفجوشي مي باشد و با انتخاب صـحيحاين متغيرها ميتوان قطعه تفجوشي شده با خـواص بهينـه توليـدكرد.

2- مواد و روش تحقيق
پودر از پيشآلياژي برنج با تركيب شيميايي Cu -20Zn به روش اتميزاسيون آبي در شركت متالورژي پودر تبريز توليد شد. از محصول پودري حاصله، ذرات با اندازه 40 الي 100 ميكرون مطابق استاندارد ASTM E11 به روش جداسازي با غربال تفكيك شدند.
پس از تعيين خواص نمونه پودري، پودر فلزي به همراه 75/0 درصد وزني استئارات ليتيم به مدت 20 دقيقه در همزني با سرعت 65 دور در دقيقه مخلوط شد. اين مخلوط، به عنوان پودر اوليه مصرفي براي ساخت تمامي نمونهها مورد استفاده قرار گرفت. نمونههاي آزمايشي به ابعاد 10 × 10 × 55 ميليمتر توسط پرس هيدروليكي تكمحوره تحت فشار 600 مگاپاسكال ساخته شدند. چگالي خام نمونهها با اندازهگيري جرم و تعيين ابعاد نمونهها به روش هندسي محاسبه شد.
براي جلوگيري از چسبيدن نمونهها به يكديگر و همچنين به منظور كاهش تبخير عناصر آلياژي موجود در نمونه نظير روي، نمونهها در يك بوته سراميكي كه با پودر اكسيد آلومينيم پر شده بود، قرار گرفتند. براي خارج نمودن روانساز از نمونهها، بوته حاوي نمونهها در يك كوره آزمايشگاهي در دماي 540 درجه سانتيگراد به مدت 30 دقيقه قرار داده شد و سپس بوته به منطقه گرم كوره منتقل گرديد و نمونهها در دماهاي مختلف در بازه 800 تا 1000 درجه سانتيگراد به مدت 60 دقيقه تحت اتمسفر آرگون با دبي 2 ليتر بر دقيقه تفجوشي شدند. چگالي تفجوشي نمونهها با استفاده از روش ارشميدس مطابق استاندارد ASTM C373-72 محاسبه گرديد. براي ممانعت از نفوذ آب به داخل حفرهها در هنگام غوطهوري، سطح نمونهها توسط يك لايه نازك روغن آغشته شد، سپس چگالي تفجوشي طبق رابطه (1) محاسبه شد:
ρ =s

M MM−1 (1)
23
كه در اين رابطه:
ρs= چگالي تفجوشي
1M= جرم نمونه وزن شده در هوا
2M= جرم نمونه آغشته به روغن وزن شده در هوا
3M= جرم نمونه غوطهور در آب
طول نمونه هاي خام و تفجوشي شـده توسـط كـوليس بـا دقـتابعادي 02/0 ميلي متر اندازه گيري شد و سپس تغييرات ابعادي نيزمحاسبه گرديد . سختي نمونه ها به وسيله سختيسـنجي ويكـرز بـابار 30 كيلوگرم نيرو از ميانگين 6 اندازه گيري براي هر نمونـه بـهوسيله دستگاه ماكروسختيسنج مدل ESEWAY تعيين گرديد.

جدول (1): مشخصات پودر برنج توليد شده.
خواص پودر برنج
3/2 چگالي ظاهري [g/cm³]
28 [sec/50g] سياليت
نامنظم شكل ذرات
تركيب آناليز شيميايي
20/5 Zn (wt.%)
0/52 Pb (wt.%)
0/4 Sn (wt.%)
0/5 < Al-Fe-Ni (wt.%)
باقيمانده Cu (wt.%)

استحكام ضربه نمونهها مطابق استاندارد ASTM En 23-01 با استفاده از دستگاه تست چارپي مدل ROELL AMSLER RKP 300 اندازهگيري شد. ريزساختار نمونههاي تفجوشي شده توسط ميكروسكوپ نوري و الكتروني مورد بررسي قرار گرفت.
مطالعات شكستنگاري نمونههاي تفجوشي شده نيز توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي مدل CAM SCAN MV2300 انجام گرفت.

3- نتايج و بحث
نتايج آناليز شيميايي پـودر فلـزي كـه بـه روش شـيمي تـر تعيـينگرديــده و خــواص آن كــه بــه روشهــاي اســتاندارد متــداول اندازهگيري شده، در جدول (1) آورده شـده اسـت. مورفولـوژيپودر برنج توليد شده نيز در شكل (1) نشان داده شده است.
در اين تحقيق، دماي بهينه تفجوشي نمونه هاي مورد بررسـي بـااندازهگيري تغييرات چگالي تفجوشي، تغييرات ابعادي، سختيو مقاومت به ضربه با دماي تـفجوشـي تعيـين گرديـده اسـت وتغييرات خـواص فيزيكـي و مكـانيكي مـذكور بـر حـسب دمـاي تفجوشي به صورت گرافيكي در شـكل (2) نمـايش داده شـده است. به منظور يافتن مكانيزم و دلايل تغييرات به وجود آمـده در

شكل (1): مورفولوژي پودر برنج توليد شده.

خواص نمونههاي تفجوشي شده با افزايش دماي تفجوشي، بررسيهاي ريزساختاري و شكستنگاري نيز بر روي نمونهها انجام گرفته است.
3-1- چگالي
چگالي خام نمونههاي آزمايشي كه با اندازهگيري جرم و تعيين ابعاد نمونهها به روش هندسي محاسبه شد، برابر با 3/7 گرم بر سانتيمتر مكعب بود. همانطور كه در شكل (2- الف) مشاهده ميشود، با تفجوشي نمونهها در دماي 900 درجه سانتيگراد چگالي تفجوشي به 43/7 گرم بر سانتيمتر مكعب افزايش مييابد. بر اساس رابطة (2)، چگالش (ψ) محاسبه شده در نمونهها ي تفجوشي شده در اين دما، 9 درصد است. با افزايش دماي تفجوشي تا 930 درجه سانتيگراد، چگالي تفجوشي نيز افزايش يافته و در 930 درجه سانتيگراد به ماكزيمم مقدار خود رسيده است. دليل افزايش چگالي در اين محدودة دمايي با مطالعه مكانيزم تفجوشي اين آلياژ و بررسي ريزساختارهاي حاصله و سطح شكست نمونهها كه در قسمتهاي بعدي توضيح داده شده، كاملاً مشهود است. در دماي 930 درجه سانتيگراد چگالي تفجوشي به 99/7 گرم بر سانتيمتر مكعب افزايش يافته است. در اين دما چگالش حاصله برابر با 50 درصد ميباشد.
ماكزيمم مقدار چگالش نمونههاي آزمايشي در همين دما حاصل گرديده است. در دماهاي بالاتر از 930 درجه سانتيگراد چگالي تفجوشي كاهش مييابد. اين تغيير در تطابق مناسبي با ساختار حفره و ريزساختار نمونههاي آزمايشي است.
ρ −ρ ψ=

ρ −ρs g ×100 (2)
tgكه در اين رابطه:
ρs= چگالي تفجوشي ρg= چگالي خام ρt= چگالي تئوري
3-2- تغييرات ابعادي
تغييرات ابعادي نمونههاي تفجوشي شده در دماهاي مختلف كه در شكل (2- ب) نشان داده شده است، مشابه تغييرات چگالي تفجوشي ميباشد، به اين صورت كه تا دماي 930 درجه سانتيگراد همراه با افزايش چگالش، انقباض قابلتوجهي در حدود 43/3 درصد در نمونه تفجوشي شده نسبت به نمونة خام به وجود آمده است، در حالي كه در دماهاي 940 و 950 درجه سانتيگراد ميزان انقباض در مقايسه با دماي 930 درجه سانتيگراد كمتر ميباشد. در واقع با افزايش دما تا 930 درجه سانتيگراد همراه با كاهش تعداد حفرات، فاز مذاب تشكيل شده تحت تأثير نيروي موئينگي به درون حفرات كشيده شده و در نتيجة تغيير آرايش دانهها، انقباض در نمونه رخ داده است. ولي در دماهاي بالاتر از 930 درجه سانتيگراد، در نتيجة افزايش اندازة دانهها و رشد حفرات، مقداري تورم در نمونه رخ داده است.
3-3- سختي و انرژي ضربه
با توجه به نتايج سختيسنجي نمونههاي تفجوشي شده در دماهاي مختلف كه در شكل (2- ج) نشان داده شده است، سختي نيز در نمونهي تفجوشي شده در دماي 930 درجه سانتيگراد به حداكثر مقدار خود رسيده است. مقدار سختي در اين دما برابر با 49 ويكرز ميباشد. اين افزايش در سختي به دليل

)
ب
(

)
الف
(

)
د
(

)
ج
(

)

ب

(

)

الف

(

)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید