تأثير اندازه ذرات تقويت كننده و دماي بارريزي بر ريزساختار و خواص
مكانيكي كامپوزيت زمينه فلزي
3Al-Al2O توليد شده به روش ريختهگري گردابي

حميدرضا بهاروندي1، زينب نصيري*2، مينا سعيدي حيدري3 و حسن ماهري2
دانشيار، مجتمع مواد و فناوريهاي ساخت، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران، ايران
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد مركب، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران، ايران
دانشجوي دكتري مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران، ايران
* [email protected]
(تاريخ دريافت: 12/05/91، تاريخ پذيرش: 13/06/91)

چكيده
در اين مقاله كامپوزيت زمينه فلزي 3Al-Al2O با استفاده از فرآيند ريختهگري گردابي توليد گرديد. با استفاده از اين روش پودر آلومينا با اندازه ذرات μm ،300μm50 و nm50 به آلياژ مذاب A356 اضافه و سپس مخلوط حاصل در دو دماي 750 و 850 درجه سانتيگراد در قالب فلزي ريختهگري شد. تأثير اندازه ذرات تقويتكننده و دماي بارريزي بر سختي، استحكام كششي و ريزساختار كامپوزيت در شش حالت مختلف مورد بررسي قرار گرفت. جهت ارزيابي ريزساختار از ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي و براي بررسي خواص مكانيكي از آزمون كشش و سختي در هر شش حالت استفاده شد. نتايج حاصل نشان داد كه افزايش دماي بارريزي تأثير چنداني بر سختي ندارد اما باعث افت استحكام كششي نمونهها ميشود. علاوه بر اين، كاهش سايز ذرات تقويتكننده در هر دو دما باعث افزايش سختي و استحكام كششي
گرديد.

واژههاي كليدي:
كامپوزيت 3Al-Al2O، آلياژ A356، آلومينا، زمينه، تقويتكننده

1- مقدمه
كامپوزيتهاي زمينه آلومينيمي تقويت شده با ذرات سـراميكي به دليل خواص مكانيكي و فيزيكي مناسب بـه طـور گسـتردهاي در صنايع مختلف مانند صنايع نظـامي، خودروسـازي و هوافضـا مورد استفاده قرار ميگيرند. اين كامپوزيتهـا خـواص ويـژهاي نظيـر : نسـبت اسـتحكام بـه وزن بـالا، اسـتحكام و مـدول زيـاد، ضريب انبساط حرارتي كم ، مقاومـت بـه سـايش و خـوردگي عالي، استحكام خسـتگي بـالا و مقاومـت خزشـي زيـاد از خـودنشان مـي دهنـد . در واقـع در ايـن كامپوزيـت هـا زمينـه داكتيـل آلومينيمي بـا ذرات آلومينـا تقويـت مـي شـود كـه تركيبـي از خـواص فلـزي (داكتيليتـي و تـافنس ) و خـواص سـراميكي (استحكام و مدول بـالا ) را بـه وجـود مـي آورد [1-2]. از بـينذرات س راميكي، آلومين ا ب ه دلي ل داش تن ويژگ يه ايي مث ل مقاومت سايشي عالي، سختي و مقاومت بالا در برابرخوردگي و پايداري حرارتي زياد، بسيار مورد توجه قرار گرفتـه اسـت. از طرف ديگر ذرات آلومينا در دماهاي بـالا بـا زمينـه آلومينيـوميواك نش ن داده و فازه اي ت رد ك ه منج ر ب ه ك اهش خ واصمكانيكي كامپوزيت ميشوند توليد نميكند [3].
سه روش عمده براي ساخت اين كامپوزيتهـا وجـود دارد كـهشامل روشهاي حالت جامد (مانند متالورژي پودر و آلياژسازي مك انيكي [3 -7])، روشه اي نيم هجام د [8 -9] و روشه اي حالت مايع (مانند ريختهگـري گردابـي و ريختـهگـري كوبشـي
[10-12]) ميباشد.
از بين اين روشها، فرآيندهاي حالت مايع اقتصاديتـرين روشب راي س اخت اي ن كامپوزي ته ا محس وب م يش وند. فرآين د ريختهگري گردابي كـه يكـي از انـواع روشهـاي حالـت مـايعاست داراي مزايايي مانند اتصال خوب ذره/ زمينه، امكان كنترل ريزساختار، سادگي و كم هزينه بودن، انعطافپـذيري و قابليـتاستفاده براي رنج وسيعي از مـواد مـيباشـد . بـا ايـن وجـود ايـنروش مشــكلاتي نيــز دارد ، ماننــد ترشــوندگي كــم و توزيــعغيريكنواخت ذرات تقويت كننده در زمينه. روشهاي مختلفـيبراي افزايش قابليت ترشوندگي ذرات سراميكي وجود دارد كه يكي از آنها پوششدهي ذرات با يك فلز (معمولاً فلز زمينه) و يا عمليات حرارتي ذرات به منظور حـذف گازهـا و رطوبـت از سطح آنها ميباشد. از طرف ديگر توزيـع غيريكنواخـت ذراتتقويتكننده با كاهش سايز ذرات تقويـت كننـده از ميكـرو بـهنانو شديدتر ميشود. دليل اين مسئله افـزايش سـطح ذرات و درنتيجه افزايش انرژي سطحي ميباشـد كـه باعـث تشـديد تمايـل ذرات به آگلومره شدن ميشود [1، 13-14]. در اين مقاله بـرايبهبود خاصيت ترشـوندگي و توزيـع ذرات از يـك فرآينـد سـهمرحلهاي استفاده شـده اسـت. ايـن مراحـل عبارتنـد از: مخلـوطك ردن ذرات آلومين ا و پ ودر آلوميني وم ب ا اس تفاده از آس يابمـــاهوارهاي، عمليـــات حرارتـــي ذرات و در نه ايـــت ذوب و ريختهگري.

مواد و روش تحقيق
تركيب شيميايي آلياژ A356 مورد اسـتفاده در ايـن پـژوهش درجدول (1) نشان داده شده است.

جدول (1) : تركيب شيميايي آلياژ A356
عنصر درصد وزني
Al 91/73
Si 7/23
Fe 0/32
Cu 0/18
Mg 0/38
Mn 0/02
Zn 0/05
Ti 0/01
Ni 0/05

سيستم ريختهگري شامل كوره مقاومتي، همزن گرافيتي و قالـبفولادي براي توليد نمونـه هـاي كـامپوزيتي مـورد اسـتفاده قـرارگرفت (شكل 1).

شكل(1): تصوير شماتيك فرآيند ريختهگري گردابي

پـودر آلومينـا نيـز بـا انـدازه ذرات μm ،300μm50 و nm 50 (μm05/0) به ميزان 2 درصد وزني براي افزودن به مذاب آليـاژA356 اس تفاده ش د. فرآين د آم ادهس ازي ذرات تقوي تكنن ده شامل آسياب كـردن پـودر آلومينـا بـه همـراه پـودر آلومينيـوم، اتانول و گلولههاي كاربيـد تنگسـتن (بـا نسـبت گلولـه بـه پـودر(1:10) در آس ياب م اهوارهاي ب ه م دت ي ك س اعت و س پس عمليات حرارتـي ذرات آلومينـا در دمـايC o250 بـه مـدت 30 دقيقه (به منظور حذف رطوبت و ناخالصي از سطح ذرات پـودرو بهبود خاصيت ترشـوندگي ) قبـل از افـزودن ذرات بـه مـذابانجام شد. سپس نمونـه هـاي كـامپوزيتي در دو سـري سـه تـايي (6 حالت مختلـف ) توليـد و خـواص آن هـا مـورد مقايسـه قـرارگرفت. به عبارت بهتر در مرحله اول، با افزودن پودر آلومينـا بـا سه اندازه μm ،300μm50 و (nm(0/05μm 50 بطـور جداگانـهبه آلياژ مذاب در دماي Co750 سه نمونه كامپوزيتي توليـد و درمرحله دوم همين فرآيند اما در دمـايC o850 تكـرار شـد. لازم به ذكر است كه مدت زمان همزدن مذاب كامپوزيتي 12 دقيقـهبوده است.
در پايان، در هر 6 حالت، آزمون كشش و سختي روي نمونههـاانجام شده و ريزساختار آنها مورد بررسي قـرار گرفـت. نمونـهآزمون كشش طبق استاندارد ASTM B557 تهيه گرديد. بـرايمش اهده ريزس اختار از ميكروس كوپ ن وري و ميكروس كوپالكترون ي روبش ي اس تفاده ش د . ب راي اي ن منظ ور ميل هه اي ريختهگري شده ابتدا از وسط برشـ كاري و پـوليش و سـپس درمحلول 5%HF به مدت 20 ثانيه اچ شدند. آزمون سختي برينـلنيز با قطر ساچمه 5/2 ميليمتر و نيروي 5/62 كيلـوگرم بـر روي همين نمونهها انجام شد.

نتايج و بحث
3-1- ريزساختار
شكلهاي (2)، (3) و(4) به ترتيب تصوير ريزساختار نمونههـايريختهگري شـده در دمـايC o750 را بـا انـدازه ذراتμm 300، μm50 و nm50 نشان ميدهند.
همانطور كه ديده ميشود به دليل نزديـك بـودن دانسـيته پـودرآلومينا به آلياژ زمينه، مشـكل جـدايش در سـاختار تـا حـدوديبرطرف شده است [15]. اما با اين حـال در حـين انجمـاد مـذابكامپوزيتي، ذرات تقويتكننده در هر سـه حالـت توسـط جبهـه
١١٣
انجماد پس زده شده و در مرزدانهها محبوس ميشـوند . بنـابرايندر ريزساختار هر سه نمونه، ذرات تقويتكننده در مرزدانههـايزمينه ديده ميشوند. با توجـه بـه ريزسـاختار نمونـههـا مـيتـوا ن گف ت اگرچ ه در ه ر س ه حال ت توزي ع يكن واختي از ذراتسراميكي در زمينه فلزي مشاهده ميشود، اما بايد توجـه داشـتكه با كـاهش انـدازه ذرات، پديـده آگلـومره شـدن نيـز تشـديد ميشـود ، بطوريكـه ايـن مسـئله در مـورد ذرات نانوسـايز بسـيارشديدتر رخ ميدهد.

الف

ب

پ

الف

ب

پ

شكل(2): ريزساختار نمونههاي ريختهگري شده در دماي Co750 با اندازه ذرات μm300: (الف) تصوير SEM با بزرگنمايي 200 ، (ب) تصوير
SEM با بزرگنمايي X2000 و (پ) تصوير ميكروسكوپ نوري با بزرگنمايي
امر باعث كاهش يكنواختي توزيع ذرات و نيز ايجاد تخلخل در فصل مشترك ذره/ زمينه ميشود [2].

ف
ال
ب
پ

ف

ال

ب

پ

شكل (3): ريزساختار نمونههاي ريختهگري شده در دماي Co750 با اندازه
آلومينا تمايل به جدايش در مناطق بين دندريتي دارند. البته لازم به ذكر است كه به جز آلومينيوم و آلومينا فازهاي ديگري ماننـد
ذرات μm50: (الف) تصوير SEM با بزرگنمايي X200، (ب)تصوير SEM با بزرگنمايي X2000 و (پ) تصوير ميكروسكوپ نوري با بزرگنمايي X400

الف

ب

پ



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید