بخشی از مقاله


بررسی افزایش کسر حجمی ذرات تقویت کننده سرامیکی TiB2 برریز ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیتهای پایه آلومینیمی Al - TiB2 تهیه شده به روش ریخته گری


چکیده

کامپوزیتهای پایه آلومینیمی َ)(Al MMC به دلیل وزن سبک ، استحکام بالا ،مـدول الاستیـسیته ویـژه بـالا و مقاومـت بـه سایش عالی و ضریب انبساط حرارتی کم در مقایسه با سایر آلیاﮊهای رایج بسیار مورد توجه قرار گرفتـه اسـت.در ایـن تحقیـق ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت پایه آلومینیمی از آلیاﮊ A356.1 با افزودن ذرات تقویت کننـدهTiB2 بـا درصـدهای حجمی 5 ، 10 و 15 و ریخته گری شده در دمای 750 C بررسی شده است .در تهیه کامپوزیت از روش ریخته گری ( stir (casting استفاده شده و جهت ایجاد تلاطم در مذاب یک پروانه گرافیتی که نقش همزن و بوجود آورنده جریان گردابی حین افزودن ذرات تقویت کننده را ایفا می کند بکار برده شده است .ریز ساختار نمونه ها توسـط میکروسـکوﭖ الکترونـی روبـشی1 مورد بررسی قرار گرفت.برای بررسی ترکیب فازی نمونه ها ازروش آنالیزدستگاهی پراش پرتو X استفاده شد..به منظور بررسـی تغییرات سختی روش سختی سنجی ویکرز انجام گرفت. با انجام تست استحکام مکانیکی تغییرات حاصله در استحکام کشـشی مورد بررسی قرار گرفت .بررسی نتایج بدست آمده بیانگر تاثیر مثبت افزودن ذرات سرامیکی و ایجاد شرایط بهینه توسط ذرات TiB2 در کامپوزیت و بهبود خواص آلیاﮊ پایه میباشد.بـا افـزایش ذرات TiB2 سـختی 96 ویکـرز در کامپوزیـت Al-%15 TiB2 حاصل شده ودرکامپوزیت Al-%10 TiB2 استحکام کششی در حدود32 درصد نسبت به آلیاﮊ پایه بهبود یافته است


-1مقدمه و مرور منابع مطالعاتی


در چند دهه اخیر تکامل قابل توجهی در تکنولوﮊی تولید و بکارگیری کامپوزیت ها حاصل شده است. از این دسته جدید مـواد مرکب که با ادغام اجزای گوناگون ساخته میشود به منظور دستیابی به قابلیـت هـایی کـه از توانـایی هریـک از اجـزائ آن بـه تنهایی خارج است استفاده میشود [1]. علاوه بر آن ،خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینـه فلـزی همیـشه در نتیجـه حـضور تقویت کننده ها بهبود می یابد.[2,3] استفاده از کامپوزیت با زمینه آلومینیمی (AlMC) در بسیاری از کاربردهای ویژه نظیر صنعت هوافضاو صنایع نظامی به دلیل هزینه بالای تولید محدود شده است.اخیرآ،کامپوزیت های پایه آلـومینیمی1-SEM قطعات اتومبیل نظیر پیستون موتور ، بوش سیلندر ،دیسک ترمز و غیره بکار برده شده است.[4] روشهای مختلفی برای تولیـد کامپوزیتهای پایه آلومینیمی وجود دارد که درسه گروه زیر طبقه بندی میشود: (1)فرایند تولید در حالت مایع (2)فرایند تولید

نیمه جامد (3)متالورﮊی پودر[5,6]

کامپوزیتهای آلومینیمی تقویت شده ذره ای، به سهولت میتوانند بوسیله حالت مایع یعنـی فراینـد ذوب همزمـان بـا هـم زدن تولید شوند. روش ریخته گری با هم زدن ماده ذوب شده یکی از روشـهای جـذاب اسـت زیـرا یـک روش بـسیار ارزان بـوده و میتواند برای موادمخت ف و شرایط فرایند متفاوت بکاربرده شود.وظیفه اولیه ذرات تقویت کننده در MMCs ، انتقال نیروهای وارد شده به قطعه است.این ذرات در محلی به نام فصل مشترک زمینه و تقویت کننده ها ، بارهای اعمالی خارجی را به تقویت کننده های مجزا منتقل و توزیع می کنند.[7] تر شوندگی خوب یکی از شرایط اساسی برای تولید یک پیوندشیمیایی مطمئن بین ذرات تقویت کننده و مذاب زمینه آلومینیمی در طول ریخته گری کامپوزیت است و این به منظوراجازه دادن به انتقـال و توزیع بار از زمینه به تقویت کننده ها بدون ایجاد شکست میباشد. پیوند های قوی در فصل مشترک برای آغشته پذیری خوب نیاز میباشد . این پیوندها ممکن است بوسیله انحلال یا واکنش ذرات و فلز زمینه تشکیل شـوند. [8] بـرای تولیـد کامپوزیـت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات ، روشهای ذوبی ارجحیت بیشتری دارنـد.علیـرغم ظـاهر سـاده ایـن روش ، پارامترهـای زیادی در این روش دخالت دارند که می توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد : (1) پارامترهایی که متـاثر از مـواد مـصرفی در فرایند تولید کامپوزیت است مانند سیالیت مخلوط کامپوزیتی، میانکنش ذرات با مذاب و مهـاجرت آنهـا (2) پارامترهـایی کـه متاثر از روش تولید کامپوزیت است که می توان به پارامترهای درجه حرارت هم زدن ، سرعت هم زدن ، موقعیت و شـکل هـم زن و زمان هم زدن اشاره کرد [9,10]. مقاومت سایشی نسبتآ پایین آلـومینیم، اسـتفاده آن را در کـاربرد هـای تریبولـوﮊیکی محدود کرده است . کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی بهبود قابل توجهی در خواص سایشی در مقایسه با آلیاﮊهای زمینه از خـود نشان داده اند.تحقیقات بسیاری بر بهبود خواص مکانیکی آلیاﮊهای تقویت شده انجام شده است.[11,18] آلیاﮊ A356.1 کـه در این تحقیق از آن استفاده شده است به دلیل قابلیت ریخته گری و سیالیت مناسب کاربرد وسیعی در تولید کامپوزیت هـای
زمینه فلزی دارد [19]. در این تحقیق ساختار وخواص مکانیکی کامپوزیت های تقویـت شـده بـا TiB2 مـورد بررسـی قـرار

گرقته است.

-2 مواد مصرفی و روش تحقیق

در این تحقیق، از آلیاﮊ آلومینیم A356.1 که ترکیب آن بشرح جدول ذیل است به عنوان زمینـه کامپوزیـت واز ذرات (1-3) میکرونی TiB2 غنی از تیتانیوم به عنوان ذرات سرامیکی تقویت کننده استفاده شده است .


جدول -1 ترکیب شیمیایی شمش مصرفی

برای ریخته گری نمونه کامپوزیتها یک کوره مقاومتی به همراه یک مجموعه همزن بکار گرفته شد. بوته شاموتی مناسب بـرای یک کیلو گرم ذوب در داخل کوره قرار گرفت .سپس شمش آلومینیمی بریده شد و چربـی و روغـن آن زدوده شـد تـا از ورود ناخالصیها به مذاب جلوگیری شود . قطعات توزین شده شمش در داخل بوته قرار گرفتند .دهانه کوره طوری طراحی و سـاخته شده است تا امکان قراردادن همزن در داخل بوته براحتی میسر باشد.مجموعه همزن متشکل از یـک پروانـه گرافیتـی و میلـه

فولادی و موتور الکتریکی میباشد.بعد از ذوب شدن شمش آلومینیمی در دمای 780درجه سلسیوس ، مقدار 3 گرم کریولیـت

که نقش محافظت مذاب از اکسید شدن را دارد واز ورود گاز به داخل مذاب جلوگیری میکند به مذاب افزوده شده و به مدت 3دقیقه هم زده می شود. سپس مقادیر5 و 10 و 15 در صد حجمی از ذرات تقویت کننده TiB2 کهبه صورت پودرسیاه رنـگ

(1-3) میکرونی به صورت جداگانه جهت تولید کامپوزیتهای Al-TiB2 در دمای 750 C به مذاب افزوده میشود.

شکل - 1 همزن گرافیتی بکار رفته در این تحقیق

همزن بصورت عمودی داخل بوته وارد شده و در ارتفاع یک سوم بـالای تـه بوتـه قـرار مـی گیـرد .سـرعت دورانـی همـزن در 400rpm تثبیت می گردد . جهت کمک به توزیع یکسان وهمگن ذرات و جلوگیری از آگلومره شدن و خوشه ای شدن ذرات تقویت کننده، مذاب بمدت 12 دقیقه هم زده میـشود. پـس از سـرباره گیـری، نمونـه هـا در یـک قالـب فلـزی ریختـه گـری میشود.استفاده از قالب فلزی فولادی به جهت پایین آودرن شرایط ناخواسته ریخته گری ،بالا بـردن سـرعت انجمـاد و کـاهش اثرات مخرب قالب هایی از جنس دیگر میباشد .

شکل -2 تجهیزات سیستم گردابی طراحی شده و ساخته شده در این تحقیق

برای آزمایش XRD از دستگاه پراش اشـعه X ، سـاخت شـرکت Philips مـدل PW-1800 و جهـت SEM ، از دسـتگاه میکروسکوﭖ الکترونی روبشی OXFORD مدل CAMSCAN-MV2300 گردید. برای نمونه سازی SEM ، ابتدا نمونه ها مانت شده و سپس سنباده زنی و پولیش نهایی شده و با عامل KELLER ،عمـل

اچ کردن انجام گرفت.برای سختی سنجی ازهر نمونه 2 قطعه آمـاده شـد و سـپس 5 مرتبـه سـختی سـنجی انجـام گرفتـه و

میانگین منظور گردید. سختی نمونه ها با استفاده از روش ویکرز 30 اندازه گیری شد. جهت تست کشش نیز 2 نمونـه جهـت هر درصد حجمی از تقویت کننده بر طبق استاندارد ASTMB.557 به صورت می گرد ساخته شد و میانگین اعـداد بدسـت آمده استحکام کششی و نیز درصد ازدیاد طول مد نظر قرارگرفت.


شکل - 3 نقشه نمونه تست کشش. (G) طول گردنی، (D) قطر گردنی، (R) شعاع انحنای گردنی و (A) طول قسمت باریک شده.

شکل -4 نمونه تست کشش ساخته شده در این تحقیق

-3 نتایج بحث

تصاویر الگوهای آنالیز XRD نمونه ها در شکل 6 تا 9 آمده است .در این تصاویر پیـک هـای مربـوط بـه فـاز TiB2 مـشاهده میشود که مبین حضور ذرات تقویت کننده ها و جذب ذرات TiB2 در هر سه نمونه کامپوزیتی می باشد. با افـزایش درصـد

حجمی ذرات TiB2 شدت پیکها بیشتر شده و در واقع بیانگر حضور بیشتر ذرات در مذاب میباشـد. بعبـارت دیگـر مـی تـوان

گفت با افزایش درصد حجمی TiB2 ، تعداد بیشتری از آن ذرات با مذاب آغشته شده و وارد زمینه آلومینیمی میشوند .


شکل-5 نمودار پراش اشعه x در کامپوزیـت A l -%5TiB2 ریختـه گـری شـده در دمـای



شکل -6 نمودار پراش اشعه x در کامپوزیت Al-%10TiB2 ریخته گری شده در دمای 750

شکل - 7 نمودار پراش اشعه x در کامپوزیت Al-%15TiB2 ریخته گری شده در دمای 750


-1-3 مشاهدات میکروسکوپی

تصاویر میکروسکوﭖ الکترونی که از نمونه های کامپوزیت آلومینیمی در سه درصد حجمی تهیه شده است ، در شکل های 8 تا10 آمده است . نقشه پرتو X تصاویر نیز بدنبال این تصاویر دیده می شود که در آن، عناصر احتمالی موجود توسط نـرم افـزار موجود در دستگاه تشخیص داده شده است در حین بررسی نمونه ها آنچه در ابتدا به وضوح به چـشم مـی خـورد تیغـه هـای سیلیسیم به رنگ خاکستری روشن در زمینه آلومینیم می باشد. آلومینیم نیز به رنگ خاکستری تیره در زمینه بـه چـشم مـی خورد. توده ای از ذرات دی بوراید تیتانیوم به رنگ سفید نیز در زمینه تصاویر وجود دارد. هدف از تهیـه تـصاویر میکروسـکوﭖ الکترونی در این نمونه ها، بررسی کیفی توزیع دی بوراید تیتانیوم در آلومینیم بوده است. در این تصاویر توزیع ذرات TiB2 بـه صورت همگن در زمینه آلومینیمی دیده میشودو همچنین اجتماعی از توده های ذرات نیز در بعضیها نقاط وجود داشته و بـه عبارت دقیق ترپدیده آگلومره شدن مشاهده میگردد. با توجه به اینکه ابعاد پودرهای بکار رفته در حـدود یـک میکـرون اسـت تشکیل آگلومره ها کاملا طبیعی است. با این وجود مشاهده میشود که با افزایش درصد حجمی تعدادذرات وارد شده به مـذاب آلومینیمی افزایش می یابد. بعبارت دیگر با افزایش درصد حجمی مقدار ترشوندگی ذرات زیاد شده و ذرات بیشتری در زمینـه وارد شده است. با مقایسه تصاویر میکروسکوپی کامپوزیتهای حاوی ذرات نتیجه میشود که توزیع ذرات در نمونـه هـا بـصورت یکسان و همگن صورت گرفته است.عدم وجود حفره های گازی در فصل مشترک زمینه و ذره نشان دهنده تاثیر مثبـت ایجـاد شرایط گردابی در فرایند ریخته گری میباشد.از طرفی تاثیر مقدار تقویت کننده بر مورفولوﮊی دانه ها در تصاویر بوضـوح دیـده میشود.مشاهده شده است که اندازه دانه آلیاﮊ آلومینیم خالص در مقایسه با کامپوزیت بزرگتر است.این مساله موئد ایـن مطلـب میباشد که ذرات سرامیکی به عنوان مراکز جوانه زا ، سرعت انجماد را افزایش داده و منجر به ریزدانگی میشود.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید