بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه استفاده از کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده به دلیل خواص آن مانند استحکام مخصوص بالا، سختی بالا و مقاومت در برابر سایش خوب در حال افزایش است. فرآیند اصطکاکی اغتشاشی یک روش حالت جامد است که می توان از آن برای ایجاد کامپوزیتهای سطحی استفاده کرد. در این تحقیق، ابتدا تولید کامپوزیت سطحی زمینه فلزی روی سطح آلیاژ آلومینیوم 6061 و مخلوطی از ذرات کاربید تنگستن و کاربید بور و با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی امکان سنجی شده است. سپس در ادامه، کامپوزیت حاصله با متغیر قرار دادن تعداد پاس های گذر ابزار، مورد بررسی های درشت و ریز ساختاری قرار گرفته و توزیع ذرات در زمینه مورد مطالعه قرار می گیرد. بررسی با میکروسکوپ الکترونی گسیل میدان نشان داد که اجرای فرآیند اصطکاکی اغتشاشی با تعداد پاس های بالاتر باعث می شود که عیوب تونلی کمتر گردد و همچنین توزیع پودر نانو در زمینه فلز پایه بهینه شود.
واژگان کلیدی: فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، آلیاژ آلومینیوم، ریز ساختار، کاربید تنگستن و کاربید بور
مقدمه
فرآیند اصطکاکی اغتشاشی شیوه ای است که به تازگی برای بهسازی ریز ساختار و بهبود خواص مکانیکی فلزات بخصوص کامپوزیت های زمینه فلزی ابداع شده که بر اصول روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بنا گردیده است ولی با این تفاوت که در اینجا عمل جوشکاری انجام نمیگیرد، بلکه ابزار غیر مصرفی به درون قطعه کار نفوذ کرده و ماده تقویت کننده را در فلز پایه با هم مخلوط کرده و با تولید کامپوزیت زمینه فلزی، خواص بهینه ای نسبت به فلز پایه حاصل میگردد .[1]
این ابزار استوانه ای شکل از دو قسمت شانه1 و پین2 تشکیل شده است ، بگونه ای که پین بر روی محل از پیش تعیین شده ای از سطح کار میچرخد، زمانی که پین بر روی ماده می نشیند پیشانی و سطوح جانبی آن با سطح تماس پیدا کرده و در اثر چرخش و گذشت زمان، ناحیه انتخاب شده در تماس گرم می شود. در این روش امکان کنترل عمق اغتشاش، سرعت پیشروی و سرعت چرخشی ابزار وجود دارد.
افزودن ذراتی همچون کاربید تنگستن3 و کاربید بور4 به زمینه آلومینیوم تغییر چندانی در دانسیته ماده بوجود نمی آورد، ولی در عوض باعث افزایش قابل توجهی در استحکام کامپوزیت می شود . این بهبود، در نسبت استحکام به وزن در کامپوزیت ها نقش کلیدی در بهسازی و صرفهجویی ماده برای استفاده در کاربرد های سازه ای دارد. به عنوان مثال ژنگ و همکاران [2] در سال 2011 کامپوزیتهای آلومینیومی تقویت شده با نانو ذرات - - Al3Ti و - Al2O3 - تولید شده به روش فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، در یک سیستم - - Al-TiO2 را مورد بررسی قرار دادند. پودرهای - Al - و - TiO2 - برای تولید کامپوزیت آلومینیوم با فرآیند اصطکاکی اغتشاشی چند پاسه براساس آنالیز های ترمودینامیکی بکار گرفته شد.
بررسی های ریز ساختاری نشان داد که فرآیند اصطکاکی اغتشاشی می تواند واکنش بین - Al - و - TiO2 - را تولید نماید. ذرات - - Al3Ti و - Al2O3 - پس از فرآیند چهار پاسه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی با همپوشانی %100 تشکیل شدند.آزمایش کششی نشان داد که کامپوزیت های درجا تولید شده رفتار کار سختی و ترکیبی خوب از شکل پذیری و استحکام را از خود نشان می دهند . همچنین مکسول و همکاران [3] در سال 2012 کامپوزیت هیبریدی - AA6360 / TiC + B4C - را با نسبت های گوناگون ذرات تقویت کننده با یکدیگر ترکیب کردند و عمل - FSP - را بر روی آنها اعمال کردند. برای انجام این عملیات عرض شیار ایجاد شده بر روی سطح آلومینیوم 0/5 میلی متر و عمق آن 5/5 میلی متر و طول آن نیز 100 میلی متر در نظر گرفته شده. دو پاس صورت پذیرفت و در نتیجه افزودن ذرات - TiC + B4C - باعث افزایش مقاومت به سایش گردید که بهترین حالت آن - % 50 B4C + % 50 TiC - بوده است .
مواد و روش آزمایش
در این تحقیق، فرآیند اصطکاکی اغتشاشی بر روی آلومینیوم انجام گرفت. ترکیب آلومینیوم مورد استفاده، از طریق آزمایش کوانتومتری مشخص گردید که جدول 1 نتایج آن را نمایش می دهد. ماده اولیه از ورقی به ضخامت 5 میلی متر به ابعاد70 200 میلیمتر بوسیله تیغه فرز پولکی و توسط دستگاه فرز بریده و تولید گردید. به منظور افزودن نانو ذرات به ورق های آلومینیوم بر روی قطعه کارها، با استفاده از تیغه فرز پولکی به ضخامت یک میلی متر، شیارهایی در وسط قطعه کارها به طول 150 میلی متر ، به عرض 1 میلی متر و عمق 2 میلی متر ایجاد گردید. در این پژوهش پودرهای نانو کاربید تنگستن و کاربید بور با هم مخلوط گشته و هر دو به عنوان ماده تقویت کننده به فلز پایه اضاف می گردد، - شکل - 1 بنابراین میبایست هر دو پودر به میزان مساوی با هم مخلوط گردند.
در این تحقیق از دو ابزار جداگانه استفاده شد. این دو ابزار دارای دو جنس و کارایی متفاوت می باشند. ابزار شماره یک برای پوشاندن سطح شیار ایجاد شده روی آلومینیوم می باشد تا با ایجاد یک لایه نازک بر روی شیار مانع از پاشش پودرهای موجود درون شیار به بیرون شود و ابزار دوم که ابزار اصلی می باشد، انجام فرآیند اصطکاکی اغتشاشی را بر روی قطعه مورد نظر موجب می شود. جنس ابزارشماره 1 از فولاد تند بر با سختی تقریبی 64 HRC انتخاب شد. این ابزار به صورت یک شافت ساده استوانه ای شکل تهیه گردید که دارای شانه - پیشانی - صاف و بدون زائده می باشد. طول این ابزار 100 میلی متر و قطر شانه آن 14 میلی متر است.
جنس ابزار شماره 2 از کاربید تنگستن می باشد که به صورت شافتی به قطر 20 میلی متر و به طول 150 میلی متر می باشد و حدود 20 میلی متر از طول آن دارای قطر 18 میلی متر است و در قسمت پیشانی ابزار یک پین استوانه ای به قطر 5 میلی متر و ارتفاع 3 میلی متر وجود دارد. این پین وظیفه اختلاط پودر با فلز زمینه را در هنگام فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، برعهده دارد. در این پژوهش نتایج حاصل از متغیر قرار دادن تعداد پاس عبوری از قطعات مورد بررسی قرار گرفته است. بنابراین سه نمونه شامل تک پاسه حاوی مخلوط نانو پودرهای کاربید تنگستن و کاربید بور ، دو پاسه حاوی پودر و چهار پاسه حاوی پودر در نظر گرفته شده است.
