بخشی از مقاله
تاثیر عملیات حرارتی پیرسازي بر مقاومت به سایش آلیاژهاي و بررسی
چکیده
در تحقیق حال حاضر، براي بهینهسازي خواص سایشی آلیاژهاي Al-Si از عملیات حرارتی پیرسازي استفاده گردید. براي رسیدن به این هدف، منیـزیم در هنگام ریختهگري به آلیاژ مربوطه افزودهشد و بعد از همگنسازي، عملیات حرارتی رسوب سختی در آلیاژ Al-4Si-1Mg انجام گرفت، نمونـههـاي مورد نظر بعد از عملیات محلولسازي در دماي 540°C تحت عملیات پیرسختی در دماهاي180 -240°C و زمان 1-8 ساعت قرارگرفتنـد. نمونـههـا در دو حالت ریختگی (as cast) و عملیات حرارتی شده مورد تست سایش قرارگرفتنـد. تسـت سـایش از نـوع پـین و دیسـک مـیباشـد و بـار اعمـالی در محدوده 5-30N انتخاب شد. از سطح سایش تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی به عمل آمد و مشاهده گردید که نمونههاي رسوب سـخت شـده نرخ سایش پایینتري نسبت به نمونهها بدون عملیات حرارتی دارند و تغییرات قابل ملاحظهاي در مکانیزمهـاي سـایش ایجـاد شـدهاسـت کـه دلیـل آن ازبین رفتن ساختارهاي بین دندریتی و تشکیل رسوبات پایدار و نیمه پایدار در حالت عملیات حرارتی میباشد که در نتیجـه آن سـختی و اسـتحکام بـه مقدار قابل ملاحظهاي افزایش مییابد. بهترین خواص سایشی در دماي پیرسختی 210°C و زمان 8 ساعت بهدست آمد. همچنین، پیکهاي پراش اشـعه ایکس در اثر تغییر فرم پلاستیک و افزایش دانسیته نابجاییها در سطوح زیرین سایش پهن تر شدند.
-1 مقدمه
آلیاژهاي آلومینیوم به دلیل قابلیت ریختهگري عالی، مقاومت خوردگی خوب و نسبت استحکام به وزن بالا کاریرد گستردهاي در صنعت پیدا کردهاند1] و .[2 استفاده از آلیاژهاي آلومینیوم سیلسیم به علت کاربرد گسترده در صنایع اتومبیلسازي در سالهاي اخیر مورد توجه فراوان قرار گرفتهاست از آن جمله قطعاتی نظیر سرسیلندر، پیستون، چرخها را میتوان نام برد.
گسترش این آلیاژها در صنایع، نیازمند بهبود کیفیت صنعت ریخته گري و عملیات بعد از آن شدهاست.[3] تلاشهاي فراوانی انجام شده تا خواص مکانیکی و سایشی بهینه آلیاژ را از طریق کنترل فرایند ریختهگري و عملیات حرارتی بهدست آورند.[4] Lingaurd و[5]Chuenge نشان دادند مقدار بار انتقالی و مقاومت سایشی با حضور عناصر آلیاژي از قبیل مس، نیکل و منیزیم افزایش مییابد. رسوب سختی یکی از مهمترین روشهاي سخت کردن براي آلیاژهاي آلومینیم میباشد، در این عملیات فاز ثانویه در داخل زمینه رسوب کرده و باعث افزایش سختی و استحکام میشود. Shah و همکاران[6] با تحقیق بر روي آلیاژهاي Al–(4,12-20%)Si–0.3% Mg دریافتند در هر سه آلیاژ، عملیات حرارتی باعث بهبود مقاومت سایشی میشود، ساختارهاي دندریتی به دلیل این عملیات تخریب میشوند.
همچنین افزایش در دماي پیرسازي از 150- 230°C همراه با کاهش قابل ملاحظهاي در نرخ سایش میباشد.
Bauri و [7]Surappa با تحقیق بر روي آلیاژ Al8090 تقویت شده با ذرات SiCp اثباتکردند که در آلیاژهاي تقویت نشده، مقاومت سایشی به دلیل پیرسازي در تمام نیروهاي اعمالی افزایش مییابد اما در مورد کامپوزیتها فقط تا 20N این شرایط صادق است و در بالاتر از آن مقاومت سایشی کامپوزیتها در شرایط پیک سختی نسبت به بدون عملیات حرارتی پایینتر است و کاهش وزن بیشتر در آنها به تغییر فرمهاي شدیدتر در شرایط پیرسختی نسبت داده میشود Dwivedi. رفتار سایشی آلیاژهاي Al-17Si و Al-17Si-0/8Ni-0/6Mg مطالعه کرد و مشاهده کرد که حضور عناصر آلیاژي باعث کاهش ضریب اصطکاك و در نتیجه افزایش مقاومت به سایش میگرددOtt .[8] و همکاران[9]
تاثیر عملیات حرارتی را بر عملکرد تریبولوژي آلیاژهاي A390 پوشش داده شده با عملیات جوشکاري و مقایسه آن با حالت بدون پوشش مطالعه کردند و دریافتند که بهبود قابل ملاحظهاي در مقاومت به سایش هر دو نوع آلیاژ بعد از عملیات حرارتی پیرسازي بهوجود میآید. Sawla و[10]Das مشاهده کردند که ثابت سایش آلیاژهاي یوتکتیک LM13 با اضافه شدن بار تماسی کاهش مییابد، ثابت سایش براي آلیاژهاي ریختگی به مقدار قابل ملاحظهاي بالاتر از آلیاژهاي عملیات حرارتی شدهاست. Haque و [11]Sharif دریافتند عملیات حرارتی کامل تاثیر بسزایی در رفتار سایشی آلیاژهاي پیستون Al-Si دارد. Song و همکاران اثر پیرسازي حرارتی را بر رفتار سایشی آلیاژ 2014 Al/SiC و کامپوزیت 6061 Al/SiC بررسی کرده و دریافتند که با افزایش دماي پیرسازي از 50 -200°C سختی و مقاومت سایشی بهبود مییابد و با افزایش بیشتر در دماي پیرسازي مقاومت سایشی بهطور معکوس کاهش مییابد.[12]
بهطورکلی افزایش قابل توجه در استحکام این آلیاژها در طی فرایند پیرسختی اتفاق میافتد. در طی این فرآیند میزان فوق اشباع بودن به مرور کاهش یافته و با افزایش دانسیته رسوبات کوهیرنت و نیمه کوهیرنت بسیار ریز، استحکام افزایش مییابد.
در این تحقیق، مقدار سیلسیم نسبت به آلیاژ A356 کاهش دادهشد، زیرا در مقادیر کمتر سیلسیم، سختی و استحکام با عملیات پیرسازي افزایش بیشتري نسبت به حالت ریختگی مییابد و مقاومت به سایش تابعی از سختی میباشد، همچنین براي افزایش دانسیته رسوبات مقدار منیزیم به حدود %1/2 رسانیده شد. رفتار سایشی این آلیاژ در شرایط ریختگی و پیرسازي مورد بررسی قرارگرفت و نتایج با میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس تائید گردید.
-2 روش تحقیق
آلیاژ موردنظر با ترکیب نشان دادهشده در جدول (1) در کوره مقاومتی ذوب گردید. براي رسیدن به این منظور آلومینیم خالص به همراه آمیژان Al-Si وAl-Mg در داخل بوته گرافیتی تحت عملیات ذوب قرار گرفتند، ریختهگري در قالب با ماسه سیلیسی انجام شد. اندازه قطعات ریخته شده 20×8×1cm3 انتخاب گردید.
بعد از هر 50m، نمونهها از دستگاه خارج شده و کاهش وزن آنها محاسبه گردید. از سطح سایش نمونهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی((SEM تصاویري تهیه شد.
الگوي پراش از سطح نمونهها قبل و بعد از سایش بهوسیله دستگاه XRD مدل فیلیپس با تابش Cukα، دیفرآکتومتر pw1710
طول موج λ=0/154178، گام 0/02 (1Step Size) و زاویه 35-140 در دماي اتاق بهدست آمد.
-3 نتایج و بحث
شکل (1) مقدار کاهش وزن بر حسب مسافت طی شده براي نمونههاي ریختگی را نشان میدهد، مقدار بار اعمالی بین -30N 5 میباشد. مشاهده میشود با افزایش بار اعمالی مقدار کاهش وزن افزایش یافته است، در بارهاي اعمالی کم با زیاد شدن مسافت، حالت پایا2 ایجاد میگردد درحالیکه با افزایش بار اعمالی این روند کاهش مییابد.
شکل (2) سطح سایش براي نمونههاي بدون عملیات حرارتی براي بار 10N و مسافتهاي500 و 1000 متر را نشان میدهد، مشاهده میشود که با افزایش مسافت تغییرات قابل ملاحظهاي در مکانیزم سایش ایجاد نشدهاست. اما با افزایش بار اعمالی تا N 30 تغییرات چشمگیر است. شکل(-3الف و ب)
شــکل (4) نمــودار مقایســه کــاهش وزن نهــایی بــین نمونــههــاي پیرســازي شــده و نمونــه بــدون پیرســازي در بــار30 N را نشــان میدهد. میتوان مشاهده نمود کـه اخـتلاف قابـل ملاحظـهاي در مقدار کاهش وزن ناشی از سایش بین نمونههاي عملیات حرارتی شده با نمونههاي ریختگی وجود دارد. بهطورکلی رسوب سختی در آلیاژهاي با مقـدارکم سیلسـیم، بهبـود قابـل ملاحظـهاي را در مقاومت سایشی (نسبت به حالت ریختگی) موجب میشود.
شکل (5) مقدار کاهش وزن بر حسب مسافت را براي نمونههایی که در دماي 210ºC و بهمدت1- 8 hr تحت عملیات پیرسازي قرار گرفتهاند نشان میدهد.
الف ب
شdebri
شکل :(3) تصاویر میکروسکوپی از سطح سایش براي نمونههاي بدون عملیات حرارتی الف) بار 30N ومسافت 500m ب) بار 30N و مسافت1000m
شکل :(4) کاهش وزن نهایی بر حسب مسافت براي نمونههاي ریختگی و پیرسازي شده در بار30 N
شکل (6) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح سایش از عملیــات بـراي نمونــهاي کــه در دمــاي 210ºC بــهمــدت 8 ســاعت تحــت عملیـات پیرسـازي قـرار گرفتـه اســت نشـان مـیدهـد.شــکل (7) الگــوي پــراش اشــعه ایکــس نمونــههــا را قبــل و بعــد حرارتــی و ســایش نشــان مــیدهــد. همــانطورکــه در شــکل (1) مشـاهـده مـیشود بـا افـزایش بـار اعمـالــی میزان سایش افزایش
مییابد در تمامی بارها نرخ سایش در ابتدا سریعاً افزایش یافته اما بعد از طی مسافت مشخصی تقریباً تغییر محسوسی در آن مشاهده نمیشود و مقدار ثابتی را طی میکند که دلیل آن وجود لایههاي اکسیدي بر روي سطح سایش و انتقال ماده از زمینه آلومینیوم بـر
