بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر نانو کامپوزیتها به عنوان یکی از زمینههای تحقیقاتی بسیار مناسب و جدید مطرح بودهاند و پیشرفتهای بسیاری نیز در مورد ساخت و به کارگیری آنها حاصل شده است. در این پژوهش کامپوزیت زمینهی A356 با نسبت یک درصد وزنی تقویت کننده نانو ذرات Sic به روش ریخته گری با مدل فومی فداشونده تولید شده است. سپس درصد تخلخل و مقاومت کششی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از بررسی تصاویر میکروسکپ الکترونی SEM و آنالیز ترکیب شیمیایی با EDX پراکندگی مناسب نانو ذرات و تشکیل فازهای ناشی از واکنش شیمیایی درفصل مشترک نانوذرات SiC با زمینه را نشان میدهد. همچنین مقاومت کششی نمونه ها نشان داد که بیشترین استحکام تسلیم برای نمونهها در نمونه نانوکامپوزیت A356/SiC به مقدار 174MPa است.
-1 مقدمه
شناخت و توسعه مواد جدید با قابلیتهای بالا یکی از نیازهای اساسی و از شروط لازم برای پیشرفت تکنولوژی محسوب میشود. در همین راستا در حال حاضر مطالعات فراوانی بر روی گسترش مواد جدید که از جمله آنها میتوان به نانو کامپوزیتها اشاره کرد، انجام میپذیرد.[1] این مطالعات به منظور به حداقل رساندن محدودیتها، سهولت ساخت این گونه مواد و اقتصادی نمودن آنها برای ورود به صنعت در مقیاس وسیع صورت میگیرد.
در سالهای اخیر نانو کامپوزیتها به عنوان یکی از زمینههای تحقیقاتی بسیار مناسب و جدید مطرح بودهاند و پیشرفتهای بسیاری نیز در مورد ساخت و به کارگیری آنها حاصل شده است.[2] کامپوزیت زمینه آلومینیم تقویت شده با نانو ذرات کاربیدسیلیسیم در چنددهه اخیر با توجه به خواص عالی مانند وزن سبک، استحکام بالا، مقاوم به سایش ضریب انبساط حرارتی کم و تنوع روشهای موجود برای ساخت آنها بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند .
3[] معمولاً استفاده از ذرات سرامیکی در ابعاد میکرومتری باعث بهبود در استحکام کششی و فشاری فلزات میشوند ولی شکلپذیری آنها با افزایش درصد ذرات سرامیکی کاهش مییابد. به همین دلیل از ذرات سرامیکی در ابعاد نانومتری به منظور جلوگیری از کاهش انعطاف-پذیری به جای ذرات میکرومتری استفاده میشود.[4] فرآیند ساخت کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی شامل روشهای مایع، نیمه جامد و متالورژی پودر است. ریختهگری گردابی یک روش حالت مایع تولید کامپوزیت است که درآن ذرات سرامیکی میتواند برای ریختهگری تحت فشار، ریختهگری با قالبهای دائمی یا ریخته-گری ماسهای استفاده شود.[5]
آلیاژهای Al-Si-Mg بهویژه معروفترین آلیاژ این گروه یعنیA356 کاربرد گستردهای در صنایع خودروسازی و هوا فضا دارند. ازجمله دلایل این کاربردها را میتوان به مواردی چون نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به خوردگی مناسب، سیالیت و قابلیت ریختگی عالی، مقاومت به ترک گرم، قابلیت جوشکاری مناسب و همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین اشاره نمود.[6] آلیاژ A356 بطور معمول دارای 5ر6 تا 5ر7 درصد وزنی سیلیسیم و 25ر0 تا 7ر0 درصد وزنی منیزیم بوده و از طریق فرآیندهای معمول ریختهگری تولید میشوند.
[7] انجماد آهسته این آلیاژ تولید ریز ساختار بسیار درشتی میکند که در نتیجه آن ساختار یوتکتیکی متشکل از تیغههای بزرگ سیلیسیم در یک زمینه پیوسته آلومینیومی مشاهده میشود. آلیاژهای این نوع یوتکتیک به علت طبیعت صفحات سیلیسیم درشت دارای انعطافپذیری و داکتیلیته پایین هستند.[8] در کامپوزیتهای زمینه فلزی، آلیاژ نسبتاً نرم مانند آلومینیم را میتوان با استفاده از ذرات سرامیکی سخت و شکننده معمول مانند کاربیدسیلیسیم، اکسید آلومینیم و کاربید بور مستحکم نمود.[9]
فرآیند ریختهگری با مدل فومی یک تکنولوژی جدید برای تولید قطعات پیچیده فلزی میباشد. فرآیند ریختهگری با مدل فومی اولین بار در سال 1958 تحت عنوان ریختهگری توپر ابداع شد 10]و.[11 تحقیقات گسترده دانشگاهی در سال 1959 در دانشگاه MIT آمریکا آغاز شد و سپس در سال 1964 استفاده از ماسه بدون چسب در این روش مورد استفاده قرار گرفت12]و.[13 پس از آن فعالیتهای تحقیقاتی گستردهتری در زمینهی شناسایی متغییرهای فرآیند و حل مشکلات آن و یافتن روشهای صنعتی تولید به این روش آغاز گردید. این روش ریختهگری از چندین مرحله با اهمیت تشکیل میشود که بایستی به منظور ایجاد ریختهگری با کیفیت کنترل شود[14] در این فرآیند فوم در شکل قطعه مورد نظر تهیه شده و در ماسه ریختهگری قرار داده میشود.
فلز مذاب از راهگاه مورد نظر وارد شده، مدل فومی را تبخیر و خارج کرده و شکل قطعه مورد نظر را به خود میگیرد.[15] کریمیان چنین بیان نمود میزان حذف گاز به چندین فاکتور مثل حجم گازهای تولید شده، قابلیت نفوذموثرپوشش وماسه،خواص حرارتی پوشش ودرجه حرارت ذوب وابسته است. میزانی که درآن گازها به داخل ماسه جریان می یابند وقابلیت نفوذپذیری لایه پوششی وماسه به کار رفته درفرآیندریخته گری بافوم فداشونده یک نقش حیاتی درمکانیزم پرکنندگی قالب ایفا می کنند.[16]
-2آزمایشات
در این پژوهش از مدل فومی ساخته شده از جنس پلیاستایرن با ابعاد - 40*40*40 - mm استفاده شد. بلوک منبسط شده پلی استایرن با ابعاد - 100*350*900 - mm - ارتفاع، عرض، طول - و دانسیته اسمی 20 - kg/m3 - برای آماده سازی مدلها استفاده شده است که توسط برش سیم داغ به اندازه مورد نظر تهیه میشدند. دوغاب پایه آبی متشکل از %75 زیرکونیم و %25 سیلیکات سدیم با ویسکوزیته 20sec مورد استفاده قرار گرفته است.[16] دمای ذوب زیرکون 1700 C میباشد که به شدت تحت تاثیر درصد افزودن سیلیکات سدیم است. ویسکوزیته دوغاب به وسیله ویسکوزمتر ریزشی - کاپ فورد - با شماره دهانه 5 اندازه-گیری شد.
پس از خشک شدن پوشان در این مرحله مدلهای فومی پوشاندهی شده در قالبی از جنس آلومینیم قرار داده میشوند و اطراف آنها توسط ماسه بدون چسب به آهستگی پر میگردد و بعد از پر شدن قالب با ماسه آنرا بر روی میز ارتعاشی با فرکانس 50 Hz به مدت 60 s قرار میدهیم.[16] به منظور ذوب-ریزی ابتدا آلومینیم در بوتهای از جنس گرافیت در دمای 740° C ذوب شد و نانو ذرات به کمک دمش گاز به داخل مذاب تزریق شد. پس از تزریق نانو ذرات به داخل مذاب به مدت 15 دقیقه با کمک همزن تحت 600rpm مذاب همزده شد و بعد به داخل مدل فومی ریخته شد. به منظور بررسی درصد تخلخل از روش ارشمیدس و برای آزمون کشش از دستگاه Universal Test Machine STM-50 استفاده شد.
-3بحث و نتایج
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه Al-1%SiC ریختهگری شده، درشکل - - 1 نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، نانو ذرات فاز تقویت کننده SiC است که متفاوت از رنگ زمینه میباشد. نانو ذرات SiC به علت داشتن عدد اتمی بالاتر از آلومینیم به رنگ سفید دیده میشوند.[17] مطابق شکل - - 1 پخش شوندگی مناسب ذرات تقویت کننده در فاز زمینه به خوبی مشخص است. تصاویر نشان میدهد که نانو ذرات به صورت یکنواخت در ریزساختار توزیع شدهاند. وجود برخی از ذرات با ابعاد بزرگتر، بیانگر این امر است که اتصال بین ذرات فلزی و سرامیکی قوی نبوده است و ذرات فلزی نتوانستهاند تاثیر خاصی بر ترشوندگی ذرات داشته باشند. چنین رفتاری در تحقیقات قبلی نیز گزارش شده است.[18]
