بخشی از مقاله
چکیده:
با استفاده از تولید کامپوزیتهای ریختگی درجا به روش ریختهگری گردابی میتوان ضمن تولید کامپوزیتهایی با تقویت کنندههای نانومتری به توزیع یکنواخت ذرات تقویت کننده در فاز زمینه و ترشوندگی بالایی رسید که از مهمترین پارامترها در تعیین خواص کامپوزیت هستند. در این پژوهش هدف تولید کامپوزیتهای ریختگی پایه آلومینیومی تقویت شده با ذرات سرامیکی Al2O3 در ابعاد نانو به روش درجا میباشد که این ذرات در اثر فعل و انفعالات شیمیایی بین پودرهای اضافه شده از قبیل ZnO، SiO2 - شیشه بازیافتی - و TiO2 با مذاب آلومینیم تولید شدند. بعد از آماده سازی پودرها، آنها به مذاب آلومینیم اضافه شد و بعد از همزدن در مدت زمان معین، ریختهگری انجام شد. سپس با استفاده از دستگاه SEM و میکروسکوپ FESEM تولید یا عدم تولید، ابعاد و توزیع تقویت کنندهها مورد بررسی قرار داده شد. بررسیها نشان داد که نمونه کامپوزیتی تولید شده از شیشه بازیافتی دارای تقویت کنندههایی ریز و با توزیع مناسب است که علت آن ترد بودن پودر SiO2، آگلومره شدن کمتر نسبت به سایر پودرها به هنگام اضافه شدن به مذاب و توزیع مناسب در داخل مذاب است.
کلمات کلیدی: کامپوزیت زمینه فلزی، ریختهگری گردابی، نانو آلومینا، آلیاژ آلومینیم، روش درجا
-1 مقدمه
در سالیان گذشته، طراحی مواد با تاکید بر وزن سبک، سازگاری با محیط زیست، هزینه کم، کیفیت و قابلیت کارایی تغییر کرده است. به این ترتیب کامپوزیتهای زمینه فلزی مورد توجه قرار گرفته و به طور روز افزونی در حال توسعه میباشند. این نوع کامپوزیتها در صنایع مهمی از جمله صنایع نظامی، صنایع هوایی، حمل و نقل، خطوط انتقال قدرت و ... مورد استفاده میباشند .[1] به طور کلی MMCs شامل فاز زمینه و فاز تقویتکننده میباشد که در آنها فاز زمینه عمدتا آلیاژ و فاز تقویتکننده معمولا از جنس سرامیک میباشد .[2] از مهمترین و ارزانترین کامپوزیتهای زمینه فلزی میتوان به کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی اشاره کرد که به دلیل مزایایی از قبیل دانسیته پایین، استحکام ویژه بالا، مقاومت به سایش عالی و مقاومت به خوردگی و خستگی مناسب، امروزه در صنایع گوناگون دارای کاربرد زیاد هستند. کامپوزیتها به چندین روش تقسیم بندی میشوند:
-1 بر اساس زمینه کامپوزیتها به سه دسته زمینه فلزی - - MMC، زمینه سرامیکی - - CMC و زمینه پلیمری - - PMC دسته بندی میشوند.
-2 بر اساس مورفولوژی و شکل تقویتکننده که بطور کلی به دو گروه تقویتکنندههای ناپیوسته و پیوسته تقسیم میشوند. در گروه تقویتکنندههای ناپیوسته انواع ذرات سرامیکی، فیبرهای کوتاه و ویسکرها مورد استفاده قرار میگیرند. فاز دوم پیوسته اغلب بصورت فیبرهای پیوسته میباشند.
-3 بر اساس جنس تقویتکننده که شامل انواع اکسیدها، کاربیدها، نیتریدها و ترکیبات بین فلزی و ... است.
-4 بر اساس فرآیند تولید آنها .[3]
از میان تقویتکنندههای ذکر شده، تقویتکنندههای ذرهای سرامیکی بدلیل قیمت کمتر، تامین قابلیت شکلپذیری و خواص ایزوتروپیک بهتر در مقایسه با سایر تقویتکنندهها بیشترین کاربرد را دارند. کامپوزیتهای ذرهای ابتدا توسط ایرمن و همکارانش در سال 1942 در محصولات آلومینیم تفجوشی شده مشاهده شد .[4]یک روش شناخته شده برای تولید مواد کامپوزیتی، فرآیند تولید درجا - In-situ - است. در این فرآیند واکنش بین زمینه و محیط در تماس با آن، فاز تقویتکننده را به وجود میآورد. تکنیکهای گوناگونی برای تولید کامپوزیتهای درجا به وجود آمده است. مراحل این تکنیکها از شیوههای ریختهگری و متالورژی پودر متداول مشتق شده است و از طریق کنترل سنتیک و ترمودینامیک واکنشها برای تولید فازهای درجا بهبود یافته است.
این کامپوزیتها به خاطر تشکیل تقویتکننده درون زمینه در طی ساخت مزایایی از قبیل اندازه و توزیع مناسب ذرات، پیوندهای سطحی خوب و اقتصادی بودن فرآیند را با خود دارند. فرآیندهای درجا توانایی تولید تقویتکنندههایی از مرتبه -5 µm 0/5 و حتی در مواردی ریزتر در حد نانومتر را دارند 6]و.[7 توزیع مناسبتر این نوع تقویتکنندههای ریز، استحکامدهی را افزایش میدهد و منجر به بهبود خواص مکانیکی میشود. از آنجایی که در این فرآیند سطح ذرات هیچگونه تماس با هوا یا گاز ندارند، به صورت اتوماتیک یک فصل مشترک زمینه - تقویتکننده تمیز و عاری از هرگونه آلودگی که موجب استحکام فصل مشترکی بالا میشود، به وجود میآید.
کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی تقویت شده با ذرات سرامیکی ساخته شده به روشهای درجا، به طور وسیعی به خاطر هزینههای پایین تولید و مزایای بسیار بالا مورد مطالعه قرار گرفتهاند 8]و.[9در این پژوهش برای تولید کامپوزیت به روش درجا از فرآیند اکسیداسیون مستقیم مذاب - DIMOX - استفاده شده است. فرآیند اکسیداسیون مستقیم مذاب - DIMOX - توسط شرکت Laraide به عنوان روش تولیدی جدیدی در به دست آوردن کامپوزیتهای سرامیک - فلز انعطاف پذیر، توسعه یافته است. از مزایای اولیه این فرآیند میتوان به توانایی تشکیل ترکیبات نسبی اشاره کرد. این تکنیک به طور وسیعی برای تولید فلزات تقویت شده با سرامیکها به کار میرود. در فرآیند DIMOX فلز مذاب مثلا مذاب آلومینیم از طریق اضافه کردن اکسیدهای فلزی مثل ZnO، SiO2 و TiO2 در دماهای بالاتر از طریق واکنش جایگیزینی - 1 - اکسید میشود - معمولا از 1073 K تا 1673 K برای آلیاژهای آلومینیم - و تشکیل ذره Al2O3 را میدهد و به این طریق فاز تقویت کننده تولید میشود .[10]
-2 مواد و روش تحقیق
1-2مواد اولیه
برای انجام فرآیند ساخت کامپوزیت زمینه فلزی تقویت شده با ذرات سرامیکی آلومینا به روش درجا از مواد زیر استفاده شد:
1-1-2 آلومینیم خالص
در این پژوهش شمش آلومینیم با خلوص تجاری 99/8 درصد مورد استفاده قرار گرفت.
2-1-2 اسید استئاریک
اسید استئاریک با ترکیب CH3 - CH2 - 16CO2H برای جلوگیری از آگلومره شدن پودرهای اکسیدی به هنگام آسیابکاری و به عنوان عامل کنترل فرآیند در حین آسیابکاری جهت اصلاح سطح مواد و تجهیزات و جلوگیری از واکنشهای نامطلوب حین واکنش استفاده گردید.
3-1-2 اکسیدهای مورد استفاده
پودرهای اکسیدهای مورد استفاده در این پژوهش عیارتنداز: SiO2 - شیشیه بازیافتی - ، ZnO، . TiO 2 پودر SiO2 از طریق آسیاب کردن خرده شیشهها در آسیاب سیارهای به دست آمد. پودر به دست آمده دارای ذراتی تقریبا کروی با اندازه زیر 70µm بود. اکسید تیتانیم و اکسید روی نیز متعلق به شرکت Millennium که دارای ذرات کروی با اندازه کمتر از 20ʽm بودند.
2-2 تجهیزات مورد استفاده
1-2-2 سیستم ریختهگری گردابی
سیستم ریختهگری گردابی از سه بخش اصلی کوره، همزن و قالب تشکیل شده است.کوره مورد استفاده برای ذوب نمودن شمشهای آلومینیم، یک کوره مقاومتی بوده که با توان 30 کیلووات و تا دمای 1100 درجه سانتیگراد کار میکند. جهت کاهش خطای آزمایش علاوه بر ترموکوپل کوره از یک ترموکوپل دیگر جهت کنترل مستقیم دمای مذاب با قابلیت قرارگیری داخل مذاب استفاده شد. همچنین به منظور عدم تهنشین شدن ذرات تقویتکننده به دام افتاده در مذاب سیستم به صورت کفریز طراحی شده و لوله آلومینیایی به عنوان راهگاه کوره در کف کوره قرار گرفت.دستگاه همزن به کار رفته در این پژوهش که شامل الکتروموتور با دور ثابت 500 درو بر دقیقه و پره گرافیتی است که سوار بر دو راهنمای پایه میباشد.
پروانه این همزن از جنس گرافیت بوده و به صورت پره با زوایای 60 - 30 درجه نسبت به محور دوران ساخته شده است. پس از استفاده از پرههایی با ضخامت 1/5 سانتیمتر و قطر متفاوت به ترتیب 6، 5/5 و 5 سانتیمتر، در نهایت پره مناسب به قطر 5/5 سانتیمتر انتخاب شد. محور گرافیتی پروانه همزن توسط یک میله فولادی به موتور الکتریکی همزن متصل شده است و همانطور که در بالا ذکر شد توسط راهنماها در ارتفاعهای مختلف قابل تنظیم میباشد.در این تحقیق از قالب فلزی Y شکل به منظور نمونهگیری از مذاب کامپوزیتی استفاده گردید. قالب فلزی از جنس فولادCK45 است.
