دانلود مقاله بررسی عوامل موثر بریزدانگی آلیاژهای آلومینیوم

word قابل ویرایش
15 صفحه
4900 تومان

چکیده :
در تحقیق حاضر تاثیر انواع متغیر های ریخته گری را بر روی ریز دانگی آلیاژهای آلومینیوم مطالعه و بررسی شده است. تحقیقات نشان داده است که عوامل متعدد و روشهای گوناگونی جهت ریز دانگی آلیاژهای آلومینیوم وجود دارد. بطور عمده به سه روش گرمایی (۱-سرعت سرد کردن ۲-فوق ذوب ۳-فشار ) ، شیمیایی (۱- مواد جوانه زا ۲-پودر فلزات ) و دینامیکی (۱-لرزانش ۲-حبابهای گازی ۳-پوششهای فرار) تقسیم بندی می شوند. در پروژه حاضر عوامل و روشهای گوناگون به طور مطلوبی بررسی شده و یکی از روشها که لرزانش مذاب است بطور عملی آزمایش گردیده است. به این منظور ۶ نمونه ریخته شده و مورد بررسیهای ماکروسکوپی قرار گرفتند. این بررسی ها نشان داد که در عملیات لرزانش ریزدانگی به صورت بسیار خوبی صورت گرفته است ولی در عین حال سبب افزایش خلل وفرج شده است.

مقدمه
عموما ساختارهای ریز دانه دارای خواص مطلوب تری از ساختارهای درشت دانه می باشند.به این منظور همواره ریخته گران به دنبال یافتن روشهای برای ریز کردن دانه ها می باشند.اضافه کردن جوانه زا به مذاب متداول ترین روش ریز کردن دانه ها می باشد. علاوه بر این روش، عوامل و روشهای دیگری نیز برای ریز کردن دانه ها وجود دارد که در شرایط خاص مورد استفاده قرار می گیرند. این پژوهش در پی آن است که عوامل و روشهای گوناگون مطرح در مقالات منتشر شده را به طور خلاصه بررسی نماید. همچنین روش لرزانش مذاب در همگام انجماد را بصورت عملی مورد آزمایش قرار دهد.

۱-بررسی مقالات علمی :
روشهای ریز کردن دانه بندی آلیاژهای آلومینیوم بطور عمده به سه روش گرمایی (۱-سرعت سرد کردن ۲-فوق ذوب ۳-فشار ) ، شیمیایی (۱- مواد جوانه زا ۲-پودر فلزات ) و دینامیکی (۱-لرزانش ۲-حبابهای گازی ۳-پوششهای فرار) تقسیم بندی می شوند، که در زیر به تفکیک مورد بررسی قرار می گیرند.

۱- ۱- روشهای گرمایی:
۱-۱-۱- تاثیر سرعت سرد کردن بر اندازه دانه:
سرعت سرد شدن به عنوان یک پارامتر مهم در انجماد قطعات ریختگی همواره مورد توجه بوده است . سرعتهای انجمادی مختلف باعث تغییر ریز ساختار ، اندازه دانه ، مورفولوژی سیلیسیم یوتکتیکی ، فاصله بین بازوهای دندریت و فازهای بین فلزی و بطور کلی خواص مکانیکی آلیاژ های آلومینیم می گردد .
برای بررسی اثر سرعت سرد کردن دو گونه آزمایش انجام شده است. تعدادی با استفاده از نمونه پله ای جهت بررسی اثر ضخامتهای مختلف (سرعتهای مختلف سرد شدن ) بر روی ریز دانگی و تعداد دیگری با استفاده از انواع مختلف قالب ( جنس قالب و میزان انتقال حرارت در آن ) به بررسی اثر نوع قالب بر روی ریز دانگی پرداخته اند.

پس از بررسی نمونه ها مشاهده گردیده است با افزایش ضخامت از ۵ تا ۳۰ میلیمتر اندازه دانه ها زیاد می شود علت افزایش اندازه دانه در ضخامتهای بالاتر افزایش زمان انجماد و کاهش سرعت سردشدن می باشد که منجر به ایجاد دانه های درشت تر در انتهای انجماد می گردد . با توجه به نتایج تجربی بدست آمده ( شکل (۱)) مقدار افزایش اندازه دانه حدود ۸ درصد می باشد. [۱]

شکل (۱) نتایج حاصل از اتدازه دانه در ضخامت مختلف نمونه پله ای[۱]

برای بررسی اثر نوع قالب نمونه هایی در قالب های ماسه ای و فلزی ریخته شده و نتایج حاصل را بر روی اندازه دانه در جدول (۱) مشاهده می کنیم:
جدول (۱)تاثیر سرعت سرد شدن با تغییر نوع قالب و دمای فوق گداز بر روی اندازه دانه های نمونه های آلومینیومی ریخته شده:

۱-۱-۲- اثر فوق ذوب بر ریز دانگی آلیاژهای آلومینیوم:
دمای فوق گداز کم سبب کاهش اندازه دانه در قطعات آلومینیومی می گردد. در صورتی که فوق گداز زیاد باعث درشت دانگی می گردد. به خلاصه نتایج آزمایشات تجربی در جدول (۱) توجه کنید.[۲]

۱-۱-۳- تاثیر فشار در ریز کردن دانه ها :
با افزایش فشار نقطه ذوب اکثر آلیاژها در یک دمای مطلق افزایش یافته بنابراین با افزایش فشار یک مادون انجماد حرارتی بوجود آمده و سرعت جوانه زنی به شدت افزایش می یابد و از طرف دیگر با افزایش فشار فاصله هوایی میان قالب و مذاب از میان رفته سرعت انتقال حرارت افزایش یافته و یک ریز دانگی نسبتا مطلوبی را می توان حاصل می شود. [۳]

۱- ۲- روشهای شیمیایی
۱-۲-۱- ریز دانگی با استفاده از ریز کننده ها Ti)،B، Zr، (Sc:
افزایش برخی عناصر آلیاژی،بدون آنکه تاثیر قابل ملاحظه ای از نظر آلیاژی کردن داشته باشند،باعث ریز شدن دانه ها می شوند .
ریز کننده ها ذرات معلق در مذاب هستند که مانند هسته های غیر یکنواخت در انجماد عمل می کنندوبا افزایش مراکز جوانه زنی موجب کوچک و یکنواخت شدن دانه ها می شوند .نقطه ذوب بالا ،شباهت ساختمان کریستالی ونزدیکی ابعاد سلولی آن به ساختمان جامد آلومینیوم، قابلیت چسبندگی وآغشته پذیری بالااز مشخصه های عمومی این ذرات است. [۴]

نتایج حاصل از آزمایشات حاکی از این است که استفاده ازTi در حد ۱/۰ تا ۱۵/۰ درصد، جهت ریزدانگی آلیاژهایAl موثر است. آزمایشات بیشتر نشان داد که B اثر بیشتری در ریز کردن دانه نسبت به Ti دارد. این نتیجه زمانی معکوس میشود که Al خالص یا آلیازهای بالای ۹۸%Al ریخته شود.
اضافه کردن Zr و Sc به صورت مجزا و یا ترکیبی در آلیاژهای ۳۵۶ نتایج مشابهی نسبت به Ti و B داشته است. Zr در محدوده %۳/۰- %۱/۰ بهترین رسوبات وذرات اینترمتالیک را برای جلوگیری از رشد دانه ها و بازیابی آنها در آلیاژهای کارشده Al دارد. افزودن Zr در آلیاژهای ریختگی Al مفید بودن آنرا برروی ریزدانگی ثابت می کند اما تاثیرکمتری نسبت به Ti دارد . Zr را می توان به صورت آمیژان Al- Zr ویا Zr اسفنجی اضافه نمود .افزایش واندازه گیری باقیمانده بعد از عملیات ریزدانگی به عمل ذوب و عملیاتی نظیر گاززدایی و زدن فلاکس بستگی دارد . بطور کلی می توان گفت که تاثیر همه ریز کننده ها با غلظت تغییر می کند . Sc در محدوده ۷۵/۰- ۳۹/. درصد و Zr در محدوده ۶۹/۰ – ۳۷/۰ درصد ریز کننده می باشند.

گزارشات نشان میدهند که Sc بر روی ریزدانگی آلیاژهای کار شده Al موثر است وسبب بهبودی خواص مکانیکی آنها می شود. در سال ۱۹۷۱ مشخص شد که افزایش ۵ – ۰۱ /۰ درصد از Sc در آلیاژهای کار شده Al سبب بهبود خواص فیزیکی و خواص کششی آن می شود . همچنین نشان داده شده که با انتخاب شرایط دما و زمان جهت عملیات پیرسازی Sc در Al ترکیب می شودو فاز AL3 Sc شکل گرفته و پایدار می شود که رسوباتی کاملا کروی شکلی تشکیل می دهند . طبق گزارشات Sc سبب افزایش پراکندگی و نیز افزایش استحکام ریزدانگی ونیز جلوگیری از تبلور مجدد می شود . مسلما کاربرد آن مخصوصا در کشش های عمیق و قطعات کار شده سبب افزایش استحکام تا بالای ۵۰% استحکام آلیاژهای Al می شود. بنابر این سبب بهبودی داکتیله و کاهش و حذف ترکهای گرم در اغلب آلیاژهای Al خواهد شد. [۵]

۱-۲-۲- استفاده از پودر فلزات بعنوان جوانه زا:
در این روش آلیاژ ۷۰۷۵به عنوان آلیاژ مبدا و با توجه به عناصر موجود در این آلیاژ از پودر آلومینیوم، پودر برنج۳۰-۷۰ و پودر آلومینیوم-برنز(۱۰-۹۰) استفاده به عمل آمده است. در زمان ذوب اقدامات لازم برای جلوگیری از آلودگی مذاب انجام گرفت و پس از ذوب با توجه به کنترل دما در محدودهء oC750 با استفاده از قرصهای C2Cl6انجام گرفته و دردمای حدود ۱۰oC+720 جوانه زنی بر حسب ضرورت انجام گرفته است، با کنترل صحیح زمان نگهداری نشان داده شده است که اندازه دانه ها در این روش ریز کردن ، با تلقیح سایر مواد جوانه زا یکی می باشد وبطور کل به دلیل کم بودن زمان میرایی و حل شدن سریع این جوانه ها در مواردی که زمان سرعت ریخته گری بالا است و زمان میرایی نداریم از این روش میتوان استفاده نمود. [۶]

۱- ۳- روشهای دینامیکی
۱-۳-۱- بررسی اثرات لرزانش مذاب در خلال انجماد بر روی ریز دانگی آلیاژهای آلومینیم :
بررسی های به عمل آمده بیانگر مزایای فراوان لرزانش مذاب در حین انجماد است. در اثر این عملیات ساختار دانه بندی قطعات ریختگی از حالت ستونی به محوری ظریف تبدیل می گردد. البته اثرات قابل توجه این عملیات بر اصلاح و ظریف سازی ساختار دانه بندی در شرایطی حاصل می گردد که مذاب در حال انجماد به مدت زمان نسبتا زیاد تحت عملیات لرزانش مکانیکی قرار گیرد .

اثرات قابل ملاحظه لرزانش مذاب بر ساختار میکروسکوپی ناشی از ایجاد جریانات شدید داخلی در مذاب است. با شروع انجماد جوانه های منجمد شده عمدتا در نزدیکی دیواره های قالب جمع می گردند. از طرفی در شرایط طبیعی رشد دندریتی از دیواره ها شروع وبه سمت مناطق داخلی پیش می رود . لرزانش مذاب از یک سو سبب توزیع جوانه های منجمد شده در همان شروع انجماد به سمت مناطق داخلی و مرکزی می گردد . از طرفی تشکیل مجدد جوانه ها در نزدیکی دیواره ها به دلیل انتقال حرارت شدید در این مناطق برای ادامه انجماد ضروری است.

در واقع لرزانش مذاب با جلو گیری از تجمع جوانه ها در نزدیکی دیواره های قالب از رشد آنها جلوگیری کرده و سبب می گردد که انجماد با تعداد بسیار بیشتری از جوانه های توزیع شده در مناطق مختلف قطعه شروع و ادامه یابد که این خود سبب ظریف شدن ساختار میکروسکوپی وماکروسکوپی می گردد. از طرفی لرزانش مذاب با اعمال نیروهای شدید داخلی در مذاب سبب خرد شدن بازوهای دندریتی در حال رشد می گردد این عمل سبب توزیع بیشتر و بهتر و افزایش قابل توجه تعداد جوانه های جامد در مذاب در حال انجماد گردیده و عملیات لرزانش مذاب از این طریق نیز سبب افزایش سرعت جوانه زنی و نهایتا ظریف سازی ساختار می گردد . همچنین ارتعاشات بوجود آمده سبب بوجود آمدن یک موج سینوسی در مذاب می گردد که این امرخود باعث افزایش فشار در برخی از نقاط در داخل مذاب شده و افزایش فشار طبق معادله کلاسیوس کلاپایرون باعث افزایش نقطه ذوب در برخی از نقاط شده و در یک دمای مطلق سبب بوجود آمدن یک مادون انجماد حرارتی در مذاب در حال انجماد شده که این نیز به نوبه خود در تشکیل جوانه و ایجاد ساختاری با دانه های ریز مؤثر می باشد.

لرزانش مذاب همچنین با افزایش انرژی داخلی مذاب و حرکت بهتر سیال سبب بهبود شرایط در مذاب رسانی به منظور جبران تخلخل های انقباضی می گردد و از این طریق سبب کاهش تخلخل در قطعات ریختگی می گردد. البته به منظور رسیدن به بهترین شرایط از نظر کاهش تخلخل می بایست پارامترها در لرزانش مذاب در شرایط بهینه تنظیم گردند . بر اساس تحقیق به عمل آمده در بسیاری از موارد افزایش شدید دامنه ارتعاشات در لرزانش مذاب آلیاژهای Al – Si می تواند بجای کاهش تخلخل سبب افزایش تخلخل گردد. [۷]

۱-۳-۲ – ریز کردن دانه ها از طریق هم زدن مذاب با استفاده از حبابهای گاز در خلال انجماد :
آزمایشات نشان داده است که فرآیند ایجاد حباب گاز (بوسیله دمش گاز) در هنگام انجماد می تواند در تولید شمشهای با ساختار هم محور در شرایط تجربی بطور وسیعی مؤثر باشد . با استفاده از تجربیات موجود باید نتیجه گیری کرد که هم زدن فلز مذاب در قالب موجب افزایش و تشویق تشکیل ساختار هم محور می شود .

در حال حاضر مکانیزم تشکیل دینامیکی ساختارهای هم محور با چهار نظریه مختلف بیان می شود این مکانیزمها عبارتند از :
۱- مکانیزم حفره ای، که در سیستم های تحت انرژی ارتعاشی بالا قرار گرفته باشد، عمل می کند.
۲- مکانیزم تکثیر بلوری، که می تواند در اثر تشدید انتقال حرارت از مذاب و در نتیجه تولید نوسانات درجه حرارت که باعث ذوب شدن جزئی شاخه های انجماد می شود فعالتر گردد.

۳- مکانیزم بارشی، که با تشکیل یک منطقه هم محور در سطح آزاد مذاب شروع شده واز آنجا ذرات بلوری در اثر هم زدن مکانیکی بصورت بارشی بطرف پایین سرازیر می شوند تا تشکیل یک منطقه هم محور مرکزی را بدهند.
۴- مکانیزم جدایش بلورها، که در مراحل اولیه انجماد اتفاق می افتد و در آن بلورهای هم محور از دیواره قالب و یا از سطح سرد شده مذاب شروع شده و بصورت یک شکل ساده رشد کرده و قبل از تشکیل پوسته جامد پایدار از هم جدا می شوند . این بلورها رسوب کرده و به هم آمده و تشکیل منطقه هم محور مرکزی را می دهند.

بجز مکانیزم حفره ای که تاثیر ضعیفی بر روی تشکیل بلورهای هم محور دارد سایر مکانیزمها می توانند بوجود آمده و هر یک از طریق مکانیزم خاص خود در تشکیل بلورهای هم محور نقش داشته باشند.
در کل توسط این چهار مکانیزم ریز دانگی حاصل می شود و افزایش دبی گاز بیشتر از یک لیتر در دقیقه فقط در افزایش منطقه ریز شده نقش داشته و در ریز کردن بیشتر دانه ها نقشی ندارد.[۸]

۱-۳-۳ – ریز کردن دانه ها با استفاده از پوششهای فرار:
پوششهای فرار بر روی دیواره داخلی قالب میتواند باعث ریز شدن دینامیکی دانه های شمش آلومینیومی شود. در اینجا عملکرد پوششهای فرار را بر روی ریز دانگی و استحکام نهایی وبررسی های میکروسکوپی از قبیل ریز مک (micro porosity) بررسی میگردد.
این روش بر اساس به کار گیری یک پوشش فرار مناسب بر روی سطوح قالب استوار است پوشش مذکور از مخلوط هگزا کلرور اتان (C2Cl6)و پودر آلومینا با نسبت مشخصی از آب تهیه می گردد.

هنگامی که مذاب وارد قالب می گردد بلا فاصله جوششی از حبابهای گازی در حین انجماد مذاب به وجود می آید که مربوط به هگزاکلرور اتان فرار و بخار مرطوب در پوشش است.

این جریانات اغتشاشی باعث فعال شدن جوانه زنی شده ودر نتیجه ریز شدن دینامیکی دانه ها را در پی خواهد داشت . این روش را می توان برای ریخته گری فلزات و آلیاژهای غیرآهنی به خوبی مورد استفاده قرار داد . اگر چه موادی که بتوانند به عنوان ناقل مناسبی برای هگزاکلرور اتان در پوشش دادن قالب به کار روند متعددند ولی تجربه نشان داده است که بهترین مخلوط به عنوان ناقل هگزاکلرور اتان پودر آلومینا همراه با آب است. جهت فعال کردن مخلوط حداقل ۱۰% هگزاکلرور اتان مورد نیاز است. اگر چه برای اطمینان از ایجاد شدن کامل حبابهای گازی مقدار ۵۰% هگزا کلرور اتان توصیه می شود تجربه نشان میدهد که هیچ تمایزی نمی توان بین گازهای متصاعد شده از پوشش فوق و گازهایی که از مواد دیگر بدست می آید قایل شد . اثر پوشش مورد بحث دراین فرآیند در فوق گدازهای پایین زیادتر بوده و به تدریج با افزایش دیواره قالب فوق گداز ثابت می ماند هنگامی که فوق گداز افزایش می یابد با وجود آن که در ابتدای دیواره قالب مقدار ناچیزی از نواحی ستونی وجود دارد اما به تدریج اثر ریز کنندگی دانه ها از بین خواهد رفت . دامنه فوق گداز جهت موثر بودن این روش از مقادیر خیلی کم تا ۸۰ درجه سانتیگراد مشاهده شده است. [۹]

۲- روش آزمایش عملی بررسی اثر لرزانش مذاب بر روی ریزدانگی :
جهت ریختن نمونه های آزمایشی از شمش Al-5%Si استفاده شده است.ذوب شمش در بوته گرافیتی و در کوره زمینی صورت گرفت. پس از اینکه شمش در بوته ذوب گردید با قرار دادن ترموکوپل در آن دمای ذوب کنترل شده و طی تمام آزمایشات دمای ۷۵۰oC بوده است.

قالبهای تهیه شده از جنس ماسه CO2 بوده که جهت طولانی بودن زمان انجماد از آنها بهره گرفته شده است. طی این آزمایش ۶ نمونه ریخته گری شد که سه تای آنها در حالت Static (عادی) و سه تای دیگر در خالت لرزش ریخته گری شدند. برای ایجاد لرزش قالب بر روی دستگاه ویبره قرار داده می شد. دستگاه ویبره مورد استفاده در این آزمایش دارای فرکانس Hz15 و ارتفاع موج ۵ میلیمتر بود.
پس از عملیات ریخته گری نمونه ها را از وسط بریده وپس از پولیشکاری نمونه ها آنها رادر محلول اچ با ترکیب شیمیایی زیر اچ کرده و نمونه ها را ماکرو اچ نمودیم :
H2O 25ml , HNO3 45ml
HCL 25ml , HF 25 ml

نحوه تعیین درصد تخلخل به این صورت بوده است که ابتدا قسمتی از نمونه تعیین شده و سپس نسبت سطح تخلخل را به سطح کل قسمت مذکور محاسبه نمودیم و تعیین اندازه دانه ها به این شکل بوده است که نمونه هایی که ویبره نشده بودند راتوسط خط کش و نمونه هایی را که عمل ویبره روی آنها انجام شده بود در زیر میکروسکوپ وبا بزرگنمایی ۵۰× اندازه آنها را بدست آوردیم.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4900 تومان در 15 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد