بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از ذرات تقویت کننده در مقیاس نانو در زمینه آلومینیومی، بدلیل افزایش نسبت سطح به حجم ذرات و ایجاد فصل مشترك بیشتر با زمینه و افزایش دانسیته نا بجایی ها، باعث ارتقاء خواص مکانیکی می شود. باتوجه به نقش عملیات حرارتی - T6 - بر روي افزایش استحکام وسختی در آلیاژهاي آلومینیوم، در این تحقیق نمونه هایی از آلیاژ A356 و کامپوزیت زمینه ي A356 با نسبت 3/5 درصد وزنی تقویت کننده نانو SiC را باروش ریخته گري گردابی تولید و تحت عملیات حرارتی پیرسازي مصنوعی - T6 - قرار داده شدند. سپس اثرات دماي محلول سازي وپیرسازي مصنوعی و زمان پیرسازي را بر روي سختی، انرژي شکست ضربه و ریز ساختار حاصل بررسی کردیم. نتایج حاصل از بررسی تصاویر میکروسکپی الکترونی روبشی - SEM - و آنالیز ترکیب شیمیایی با - EDX - و آنالیز فازي با - XRD - ، پراکندگی مناسب نانو ذرات و تشکیل فازهاي ناشی از واکنش شیمیایی در فصل مشترك نانو ذرات SiC با زمینه را نشان می دهد. آزمون سختی سنجی نمونه ها نشان می دهد که سختی نانو کامپوزیت A356/SiC عملیات حرارتی شده در مدت زمانهاي پیرسازي کمتر می تواند با پیک سختی آلیاژ آلومینیوم A356 عملیات حرارتی شده قابل رقابت باشد.
همچنین انرژي شکست نانو کامپوزیت عملیات حرارتی شده بیشتر از انرژي شکست آلیاژ زمینه است.
واژههاي کلیدي:
نانو کامپوزیت، ریخته گري گردابی، محلول سازي جامد، پیر سازي مصنوعی، خواص مکانیکی.
-1 مقدمه
استحکام آلومینیوم تقویت شده با نانو ذرات سرامیکی به طور قابل ملاحظه اي افزایش می یابد اما داکتیلیته زمینه آلومینیوم بدون تغییر باقی می ماند. به دلیل ویسکوزیته بالا، ترشوندگی ضعیف در زمینه فلزي و نسبت سطح به حجم بالاي نانو ذرات سرامیکی، توزیع یکنواخت ذرات بسیار مشکل است. افزودن ذرات نانو باعث افزایش سختی کامپوزیت ها نسبت به آلیاژ زمینه می شود و سختی کامپوزیت با 3 درصد از ذرات میکرو برابر با سختی کامپوزیت با 1 درصد ذرات نانو است. این افزایش سختی به ذرات تقویت کننده سخت نسبت داده می شود که به صورت مانع در برابر حرکت نابجایی ها در زمینه عمل می کند و مقاومت زیادي را در برابر فرو رونده دستگاه سختی سنج نشان می دهد .[1]
تهیه کامپوزیت ها در زمینه آلیاژ A356 با استفاده از نانو ذرات SiC بروش ریخته گري گردابی نیز توسط محققین زیادي انجام گرفته است. در بعضی از کارهاي صورت گرفته براي تولید نانو کامپوزیت A356/SiC، علاوه بر افزایش استحکام و سختی بر ثابت ماندن درصد ازدیاد طول در اثر ورود نانو ذرات اشاره شده است. از طرفی در بعضی از تحقیقات با افزایش استحکام و سختی، کاهش درصد ازدیاد طول دیده شده است. این تفاوت در خواص داکتیلیته به میزان واکنش در فصل مشترك و تخلخل مربوط است که کنترل آن به هنگام استفاده از نانو ذرات مشکل تر است 1]و.[2
در مقایسه با روش هاي دیگر تولید نانو کامپوزیت هاي زمینه فلزي، از روش ریخته گري گردابی استفاده می شود، که مزایاي زیادي دارد. مثل تنوع انتخاب مواد، پیوند خوب بین زمینه و ذره، کنترل آسانتر ساختار زمینه، سادگی و ارزانی روش تولید در تیراژ بالا و قابلیت تولید قطعات در حد شکل نهایی. وقتی ذرات سرامیکی به مذاب افزوده می شود در سطح مذاب شناور می شوند که این به دلیل تنش سطحی، سطح ویژه بالا و انرژي فصل مشترك بالاي ذرات تقویت کننده، وجود فیلم هاي اکسیدي روي سطح مذاب و وجود لایه هاي گازي بر سطح ذرات سرامیکی می باشد. هم زدن مکانیکی به منظور مخلوط کردن ذرات در مذاب به کار برده می شود اما زمانی که همزدن متوقف می شود ذرات تمایل دارند که به سطح مذاب برگردند.[2]
مهمترین مشکلات در روش ریخته گري گردابی براي تهیه کامپوزیت هاي زمینه آلومینیومی، تر شوندگی ضعیف و توزیع غیر یکنواخت مواد تقویت کننده است. زمانی که ذرات در مذاب فلزي تر می شود، تمایل به ته نشین شدن یا شناور شدن دارد که ناشی از تفاوت دانسیته بین ذرات تقویت کننده و فلز مذاب است، بنابراین توزیع ذرات سرامیکی یکنواخت نیست و ذرات تمایل زیادي به آگلومره شدن و خوشه اي شدن دارند. در روش هاي گردابی، براي توزیع و یکنواختی ذرات نانو در مذاب مشکلات بیشتري وجود دارد که به خاطر تر شوندگی ضعیف و سطح ویژه بالاي ذرات نانو است و باعث تشدید آگلومره شدن و چسبندگی ذرات به یکدیگر می شود 2]و.[3
در آلیاژ A356 که مقدار سیلیسیم به حد کافی بالاست، مذاب در دماهاي ریخته گري براي مدت زمان هاي مشخص بدون آنکه مقدار زیادي Al4C3 تشکیل شود، می تواند در حالت مایع باقی بماند. منیزیم جهت بهبود ترشوندگی به مذاب افزوده می شود. اهداف افزودن منیزیم زیاد است که شامل تقویت ترشوندگی ذرات SiC بخاطر تشکیل اسپینل MgAl2O4 یا MgO در فصل مشترك SiC اکسید شده می باشد. بنابراین ذرات SiC را از واکنش با آلومینیوم محافظت می کند و باعث تقویت پیوند فصل مشترك و استحکام دهی زمینه آلومینیوم با سخت کاري محلول جامد می شود .[4]
عملیات حرارتی - T6 - بر روي آلیاژهاي A356 باعث بهبود خواص مکانیکی مانند سختی، استحکام کششی، استحکام تسلیم، و انرژي شکست می شود. دلیل اصلی بهبود خواص مکانیکی در اثر عملیات حرارتی، تشکیل Mg₂Si و کرویت ذرات سیلیسیم یوتکتیک می باشد. از طرفی وارد کردن ذرات سرامیکی به داخل زمینه فلزي براي تولید کامپوزیت، امروزه بسیار متداول است. تهیه کامپوزیت در زمینه آلیاژ A356 با تقویت کننده هایی در مقیاس میکرو، با استفاده از روش ریخته گري گردابی توسط محققین زیادي انجام شده است. ورود ذرات میکرو SiC باعث افزایش سختی، استحکام تسلیم و استحکام کششی می شود ولی باعث کاهش انرژي شکست می شود. یکی از دلایل کاهش انرژي شکست، واکنش در فصل مشترك تقویت کننده با مذاب و تولید فازهاي ترد است که با کاهش اندازه ذرات تشدید می شود .[5]
در عملیات پیرسازي مصنوعی انجام شده بر روي کامپوزیت با زمینه A356 و تقویت کننده SiC در مقیاس میکرو، زمان پیرسازي مصنوعی براي بدست آوردن پیک سختی نسبت به آلیاژ A356 بدون ذرات افزایش یافته است. ولی زمان پیرسازي طبیعی این کامپوزیت با زمان پیرسازي آلیاژ بدون ذرات یکسان است. در کامپوزیت با زمینه A6013 با تقویت کننده هاي SiC و گرافیت در مقیاس میکرو، کاهش زمان پیرسازي مصنوعی براي بدست آوردن پیک سختی را نشان می دهد. یعنی خواص پیرسختی این آلیاژ با ورود ذرات تقویت کننده بهبود یافته است 6]و.[7
هدف از انجام این تحقیق اینست که با ورود نانو ذرات SiC به زمینه آلیاژ A356 خواص پیرسازي کامپوزیت بهبود یابد. در این تحقیق نانوکامپوزیت هاي A356/SiC تهیه شده بروش ریخته گري گردابی تحت عملیات حرارتی پیر سازي مصنوعی قرار می گیرد و دما و زمان پیرسازي لازم براي پیک سختی آن با دما و زمان پیرسازي لازم براي پیک سختی آلیاژ بدون ذرات مورد مقایسه قرار می گیرد. همچنین با اندازه گیري انرژي شکست نمونه هاي نانوکامپوزیت A356/SiC و آلیاژ A356 عملیات حرارتی شده و بدون عملیات حرارتی، تأثیر حضور نانو ذرات بر داکتیلیته مورد بررسی قرار می گیرد.
-2 فعالیتهاي تجربی
نانو کامپوزیت در زمینه آلیاژ A356 با تقویت کننده هاي نانو 60-80 - SiC نانومتر - و با استفاده از روش ریخته گري گردابی تهیه شد. شمش A356 استفاده شده محتوي %7/24 سیلیسیم، %0/35 منیزیم و %0/34 آهن می باشد. آلیاژ زمینه در داخل بوته گرافیتی قرار گرفته و توسط کوره مقاومتی - با توان - 4/2 K ذوب گردید. پودر نانو SiC به ازاي 3 الی 4
درصد از وزن مذاب داخل بوته، به داخل قیف پودر پاش متصل به گاز آرگون ریخته شد. نانوذرات SiC قبل از استفاده در دماي 600°C و به مدت 2 ساعت پیشگرم شده و بعد از خنک شدن به همراه گلوله هاي 10 میلی متري به داخل الک شیکر ریخته شده تا کلوخه هاي ناشی از پیشگرم خرد شود. انتخاب دماي 600°C براي گاززدایی سطح نانوذرات انجام گرفت. به دلیل احتمال چسبیدن نانوذرات به یکدیگر دماي بالا براي پیشگرم انتخاب نشد.
بعد از رسیدن دماي مذاب به دماي مورد نظر، دهانه نسوز قیف پودر پاش در داخل مذاب قرار گرفته و فشار گاز آرگون طوري تنظیم شد که ذرات پودر با سرعت 3gr/min به داخل مذاب وارد شود. همزمان با ورود ذرات به داخل مذاب، همزن گرافیتی با سرعت 300rpm مخلوط مذاب و ذرات را هم می زند. در تمامی مدتی که ذرات پودر نانو SiC به داخل مذاب تزریق می شود سرعت هم زدن 300rpm حفظ می شود. بعد از اتمام تزریق، سرعت هم زدن را به 700rpm رسانده و به مدت 5 الی 15 دقیقه هم زدن در محیط گاز آرگون ادامه می یابد. شماتیکی از روند آماده سازي مذاب و تزریق ذرات نانو SiC در شکل - 1 - نشان داده شده است. همزن از جنس گرافیت براي جلوگیري از چسبیدن مذاب به همزن انتخاب شد. گاز آرگون نیز براي به حداقل رساندن اکسیداسیون عناصر آلیاژي موجود در مذاب و محافظت از سطح به هنگام هم زدن استفاده شد. منیزیم موجود در مذاب آلیاژ A356 تمایل زیادي به اکسیداسیون دارد و با افزایش سرعت هم زدن اکسیداسیون تشدید می شود.
بعد از مخلوط کردن ذرات در مذاب و اتمام زمان هم زدن، مذاب به داخل قالب فلزي از جنس فولاد کم کربن به ابعاد 12×55×120 میلی متر ریخته شد. استفاده از قالب فلزي براي افزایش سرعت انجماد و کاهش جدایش ذرات نانو در مذاب می باشد. ذرات نانو در دماها و زمانهاي مختلف به مذاب تزریق و همزده شد. سرعت تزریق ذرات به مذاب، سرعت همزدن به هنگام تزریق ذرات و سرعت هم زدن بعد از تزریق براي تمام نمونه هاي ریخته شده ثابت است. جدول - 1 - مشخصات فاکتورهاي متغیر بکار برده شده در تهیه نمونه هاي نانوکامپوزیت را نشان می دهد.
