بخشی از مقاله
بررسی تأثیر عنصر منیزیم و عملیات حرارتی رسوب سختی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ پایه Al-Si-Cu
چکیده
در این تحقیق مقادیر مختلف منیزیم به آلیاژ Al-10Si-3.5Cu، افزوده شد و سپس دو عملیات حرارتی رسوبسختی مختلف با شیوه حلسازی متفاوت روی نمونهها اعمال گردید. مشخص شد که حضور منیزیم به عنوان عنصر آلیاژی در این آلیاژها، به شدت عملیات پیرسختی را سرعت می بخشد. بررسیها نشان داد که حضور منیزیم در این آلیاژها دارای مقدار بهینه بوده و بالاتر از این مقدار نه تنها سختی افزایش نمی یابد بلکه تخلخلهایی نیز در ساختار ایجاد خواهد شد. نتایج حاکی از آن است که انجام عملیات حل سازی دومرحله ای نسبت به عملیات حل سازی یک مرحلهای، منجر به حصول سختیهای بالاتر پس از عملیات پیرسازی میگردد.
کلمات کلیدی: آلیاژهای ریختگی آلومینیم، عملیات حرارتی رسوب سختی، پیرسازی
مقدمه
آلیاژهای آلومینیم- سیلیسیم به علت دارا بودن خواصی چون سیالیت بالا، انقباض پایین در حین ریختهگری، مقاومت به خوردگی بالا، جوشپذیری خوب، لحیمکاری آسان و ضریب انبساط حرارتی پایین مهمترین سیستم آلیاژی از آلیاژهای ریختگی آلومینیم هستند .[1-3] این آلیاژها استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) بسیار مناسبی دارند .[2] آلیاژهای آلومینیم-سیلیسیم در صنایعی نظیر صنعت خودروسازی و صنایع هوایی کاربرد فراوانی دارد. هدف اصلی از استفاده این آلیاژها در صنایع خودروسازی کاهش وزن وسایل نقلیه و در نتیجه بهبود اقتصاد مصرف سوخت است 1]و.[2 این آلیاژها برای تولید پیستون، سیلندر، سرسیلندر و دیگر اجزای اصلی خودرو بسیار مناسباند. زیرا دارای قابلیت ریختهگری استثنایی بوده، مقاومت به سایش بالایی دارند و انبساط حرارتی این آلیاژها در دمای بالا با افزودن برخی عناصر آلیاژی خاص بهشدت کاهش مییابد .[2]ساختار و خواص مکانیکی این آلیاژها و یا به عبارت مناسبتر کارایی این آلیاژها به ترکیب آلیاژ، فرایند تولید و عملیات حرارتی اعمالی بستگی دارد 2]و.[4
در سالهای اخیر آلیاژهای ریختگی آلومینیم - سیلیسیم- مس در صنایع خودروسازی جایگاه ویژهای یافتهاند 3]و5و.[6 خواص آلیاژهای طراحی شده در این سیستم آلیاژی مابین خواص آلیاژهای دوتایی آلومینیم- سیلیسیم با قابلیت ریختهگری فوقالعاده و آلومینیم- مس با استحکام بسیار بالا است .[7] آلیاژهای آلومینیم- سیلیسیم- مس در دو حالت ریختهگری در قالب ماسهای و فلزی؛ ترکیبی از استحکام بالا، قابلیت ریختهگری عالی، وزن کم و ماشینکاری پذیری مناسب را دارا هستند 8]و.[9 مزایای ذکر شده، این آلیاژها را برای تولید پیستون، بلوک سیلندر، سر سیلندر و تعداد زیادی از قطعات دیگر اتومبیل مناسب ساخته است.[9] سیستم آلیاژی آلومینیم-سیلیسیم- مس به ندرت در حالت ریختگی1 مورد استفاده قرار میگیرد زیرا در این حالت خواص مکانیکی ضعیفی از خود نشان میدهد. بههمین دلیل فرایندهای مختلفی از جمله عملیات شیمیایی، سختسازی محلول جامد و عملیات حرارتی رسوبسختی با هدف افزایش خواص مکانیکی روی آلیاژهای این سیستم انجام میشود .[9]
به دو دلیل آلیاژهای آلومینیم- سیلیسیم- مس در حین عملیات حرارتی به زمان بیشتری برای تکمیل فرایند حلسازی نسبت به دیگر آلیاژها نیاز دارند 10]و:[11
· سرعت نفوذ مس در آلومینیم پایین است.
· بیشینه دمای مجاز برای حلسازی این آلیاژها به علت خطر ذوب ترکیبات بین فلزی غنی از مس، پایینتر است.
باید اشاره کرد که زمان لازم برای انجام عملیات حلسازی و همگن شدن برای آلیاژهای آلومینیم- سیلیسیم- مس- منیزیم کوتاهتر از آلیاژهای عاری از منیزیم است .[10]
فرایند پیرسازی طبیعی و مصنوعی در حین عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیم- سیلیسیم- مس، بهشدت زمانبر است. اگر مقادیر پایینی منیزیم به عنوان عنصر آلیاژی به این آلیاژها اضافه شود، واکنش آنها به پیرسازی بهطور چشمگیری سرعت مییابد .[10]
مورفولوژی سیلیسیم یوتکتیک در این آلیاژها تأثیر زیادی روی خواص مکانیکی قطعات دارد. بهسازی ساختار سیلیسیم یوتکتیک از سه روش امکانپذیر است: (1) با اضافه نمودن مقادیر بسیار اندکی از عناصر بهساز، (2) با استفاده از سرعت بالای سرد کردن در حین انجماد، (3) عملیات حلسازی در حین عملیات حرارتی .[1]
آلیاژ 380 جزء خانواده آلیاژهای آلومینیم- سیلیسیم- مس است و در ترکیب آن9-%10 سیلیسیم و 3-%4 مس به همراه مقادیر اندکی از دیگر عناصر آلیاژی حضور دارد. این آلیاژ در بین آلیاژهای ریختگی آلومینیم، بیشترین استفاده را در فرایندهای تولید به روش دایکاست دارد 5]و.[7 در این تحقیق سعی بر این است که تأثیر مقادیر مختلف عنصر منیزیم و همچنین عملیات حرارتی رسوبسختی بر ریزساختار و سختی آلیاژهای ریختگی A380.3، مورد بررسی قرار بگیرد.
روش تحقیق
این پژوهش شامل دو مرحله آلیاژسازی بود. در ابتدا 12kg از آلیاژ A380.3 با ترکیبی که در جدول شماره 1 آورده شده است، درون بوته گرافیتی با استفاده از کوره مقاومتی ذوب و در دمای 780±5°c نگه داشته شد. مقدار مناسبی سیلیسیم به صورت خالص به ذوب اضافه و توسط میله فولادی پوشش داده شده با گرافیت، هم زده شد تا به طور کامل حل شود. هدف از این مرحله بالا بردن درصد سیلیسیم موجود در آلیاژ بود.
پس از این مرحله منگنز آلیاژ با اضافه نمودن آمیژان Al-75%Mn، به مقدار دلخواه رسانده شد. در نهایت عملیات شمش ریزی درون قالبهای فولادی پوشش داده شده با گرافیت انجام شد. ترکیب آلیاژ پس از بالا بردن سیلیسیم و منگنز با استفاده از انجام تست کوانتومتری، در جدول 2 آورده شده است.
شمش بدست آمده به چهار قسمت مساوی برش داده شد و هر بار حدود 3kg از آن در بوته گرافیتی با استفاده از کوره مقاومتی ذوب و در دمای 720±5°c نگه داشته شد. عملیات گاززدایی با استفاده از قرصهای دگازور N (پایه نیتروژنی) و با غوطهور سازی مقداری از دگازور به وزن %0/6 وزنی مذاب توسط پلانجر فولادی پوشش داده شده با گرافیت درون مذاب انجام شد. پس از 5 دقیقه زمان دادن برای تکمیل واکنشهای گاززدایی، با استفاده از آمیژان Al-10%Sr، مقدار استرانسیم در آلیاژها به 150ppm رسانده شد. مقادیر مختلف منیزیم یعنی %0، %0/2، %0/4 و %0/7 باحتساب %10 تلفات، با قراردادن منیزیم خالص درون فویلهای آلومینیمی و غوطهور سازی آنها درون مذاب، به آلیاژها اضافه شد. در جدول 3 ترکیب نهایی هر یک از آلیاژها آورده شده است. اعداد آورده شده در این جدول به صورت درصد وزنی هستند.
قطعات جدا شده و از بخش اصلی قطعه هر آلیاژ و به دور از کنارهها، به تعداد 24 نمونه با ابعاد 3x2x2cmبرش داده شد. دو نوع عملیات حرارتی با مرحله حلسازی متفاوت روی نمونهها انجام شد. در نوع اول، 12 نمونه از هر آلیاژ درون سبدهای فولادی به مدت 8 ساعت در دمای 495°c درون کوره مقاومتی قرار داده شد. مدت زمانی که طول کشید تا دمای کوره حاوی نمونهها به دمای مد نظر برسد، جزء زمان حلسازی محاسبه نشد. در نوع دوم، 12 نمونه از هر آلیاژ درون سبدهای فولادی به مدت 8 ساعت در 495°c قرار داده شد و سپس به آرامی دمای کوره افزایش یافته و در 515°c نگه داشته شد. به دلیل اینکه نرخ گرمایش کوره قابل تنظیم نبود، افزایش دمای کوره در حین عملیات حلسازی طی سه مرحله انجام پذیرفت. در مرحله اول دمای کوره روی 505°c تنظیم و به مدت 45 دقیقه در این دما نگه داشته شد. سپس دما به 510°cافزایش یافته و مجدداًَ 45 دقیقه در این دما نگه داشته شد. در نهایت نیز به مدت یک ساعت دمای کوره روی 515°c قرار داده شد.
پس از انجام عملیات حلسازی در هر دو نوع عملیات حرارتی، به سرعت نمونهها درون آب با دمای 20°c کوئنچ شد. علت استفاده از سبدهای فولادی، دستیابی به سرعت بالا برای عملیات کوئنچ بود.
در انتها نمونهها درون آون با دمای 185°c قرار داده شد تا عمل پیرسازی روی آنها انجام شود. برای بدست آوردن نمودار سختی بر اساس زمان پیر-سازی، پس از مدت زمانهای مشخصی (نیم ساعت و یا یک ساعت) از هر آلیاژ با نوع عملیات حرارتی مشخص، یک نمونه از درون آون خارج و تحت سختی سنجی قرار گرفت.
نمونههایی نیز با همین ابعاد پس از ریختهگری، همگنسازی، حلسازی و پیرسازی به مدت 5 ساعت در دمای 185°c انتخاب و تحت بررسی میکروساختاری قرار گرفت.
نتایج و بحث
در شکل 1 نمودار سرد شدن آلیاژ 0Mg به همراه مشتق اول آن آورده شده است. همانطور که مشاهده میشود آخرین واکنش در این آلیاژها در دمای 516°c اتفاق میافتد و آن هم مربوط به تشکیل ترکیبات بین فلزی غنی از مس یعنی Al2Cu است.
در نهایت آلیاژها درون قالبهای استاندارد Y-block فولادی پوشش داده شده با گرافیت و پیشگرم شده تا دمای 250±10°c ریختهگری شد. همچنین حدود 150g از مذاب، درون قالبهای استوانهای فولادی با ضخامت دیواره مشابه با قالب استاندارد Y-block و پیشگرم شده تا دمای 250±10°c، تحت آنالیز حرارتی قرار گرفت. نمودارهای سرد شدن با استفاده از ترموکوپل نوع k و یک سیستم تبدیل داده (مبدل (A/D متصل به کامپیوتر بدست آمد. ترموکوپل در وسط قالب و به فاصله 25mm از کف قالب قرار داده شد.
چهار آلیاژ ریختهگری شده در قالبهای Y-block، پس از انجماد به مدت 10 ساعت در دمای 470°c درون کوره مقاومتی مخصوص عملیات حرارتی قرار داده شد تا ساختار آن به طور کامل همگن شود. سپس قسمت تغذیه از
با توجه به شکل 1 میتوان به این نکته اشاره کرد که دمای مرحله حل-سازی در عملیات حرارتی این نوع آلیاژها را میتوان تا 516°c بالا برد بدون این که ذوب اولیه فازها اتفاق افتاده و در نتیجه خواص مکانیکی کاهش پیدا کند. همانطور که مشخص است، افزایش دمای حلسازی باعث افزایش انحلال ترکیبات بینفلزی میشود. این ترکیبات حاوی عناصری هستند که در طی پیرسازی بعدی با تشکیل رسوبات بسیار ریز در ساختار باعث افزایش استحکام و سختی آلیاژ میشوند. در نتیجه افزایش دمای حلسازی، باعث ایجاد محلول جامد فوق اشباع با مقادیر بالا از عناصر استحکامبخش نظیر مس و منیزیم پس از عملیات کوئنچ میشود و در نتیجه مقدار عناصر استحکامبخش در دسترس برای ایجاد رسوب در حین پیرسازی افزایش یافته، استحکام و سختی نهایی بالا میرود.
دمای مرحله حلسازی در آلیاژهای380 بهطور قراردادی 495°c تعریف شده است و اشاره شده است که بالاتر از این دما امکان ذوب فازهای غنی از مس وجود داشته و در نتیجه خواص مکانیکی آلیاژ به شدت افت میکند. ولی در مورد آلیاژهای مورد بحث در این تحقیق، دمای انجماد و تشکیل آخرین ترکیب بین فلزی حدود 20°c بالاتر از دمای قراردادی برای عملیات حلسازی آلیاژهای ریختگی آلومینیم حاوی مس است. علت این امر شاید حضور برخی عناصر آلیاژی نظیر منگنز به مقادیر بسیار اندک در ترکیبات بینفلزی غنی از مس است که باعث افزایش دمای تشکیل و در نتیجه ذوب این ترکیبات میشود.
در شکل 2 تصویر میکروسکپی نوری از ریز ساختار آلیاژهای 0Mg در حالت ریختگی آورده شده است. با توجه به شکل مشاهده میشود که حضور مقادیر اندکی از عناصر بهساز نظیر استرانسیم در ترکیب آلیاژ باعث میشود که مورفولوژی سیلیسیم که در آلیاژهای ریختگی آلومینیم بهطور طبیعی به صورت صفحهای و خشن است به حالت رشتهای و کروی تغییر یابد. گوشه-های ذرات سیلیسیم در حالت صفحهای و نوک تیز، محل تمرکز تنش هستند و در نتیجه باعث کاهش خواص مکانیکی آلیاژ میشوند.
در شکل 3 تصویر میکروسکپی نوری از ریزساختار هر یک از چهار آلیاژ پس از عملیات حلسازی یک مرحلهای (حلسازی به مدت 8 ساعت در (495°c و به دنبال آن کوئنچ در آب با دمای 20°c، آورده شده است.
