بخشی از مقاله
ساخت و بررسی خواص کامپوزیت Al-B4C
چکیده
در این تحقیق، ساخت کامپوزیت Al/B4C به روش ریخته گری گردابی مورد بررسی قرار گرفته است. جهت بررسی تأثیر دما بر خاصیت تر شوند کی کاربید بور، نمونه ها در دو دمای ۸۰۰ و ۱۰۰۰ درجه ی سانتیکراد ریخته شدند. همچنین به منظور بررسی تأثیر میزان کارید پور بر برخی خواصی استحکامی کامپوزیت، آزمایش هایی بر روی نمونه های ساخته شده با ۵، ۱۰ و 15 درصد حجمی B4C انجام شد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با افزایش درصد کاربید بور به عنوان ماده ی تقویت کننده، خواص استحکامی نظیر سختی و استحکام کششی افزایش مییابد؛ همچنین افزایش درصد حجمی کاربید بور بیش از حدود 10% کاهش دهد و نیز بهبود خواص با افزودن کاربید بور در دمای C ۱۰۰۰ بیشتر از C ۸۰۰ دیده شد.
واژه های کلیدی: ریخته گری گردابی، کامپوزیت زمینه فلزی، آلومینیم، کاربید بور، سختی، استحکام کششی
مقدمه
نیاز صنعت به مواد سبک با استحکام بالا باعث پیدایش ایده ی ساخت مواد خاصی به نام کامپوزیت شد که می توان ابداع آن را به دهه ی ۶۰ میلادی نسبت داد. به طور کلی می توان گفت از ادغام حداقل دو ماده که از نظر ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت بوده، مرز بین آنها قابل تشخیص باشد، ماده ای بدست می آید که خواص آن متفاوت با خواص هریک از اجزای تشکیل دهنده ی آنهاست و به آن، ماده ی مرکب یا کامپوزیت گفته می شود . بخش زیادی از مطالعات تحقیقاتی که در سالهای اخیر بر روی کامپوزیت های زمینه فلزی صورت گرفته، در زمینه ی توسعه ی کامپوزیت های زمینه آلومینیمی بوده است. در این بین کامپوزیتهای Al-B4C به دلیل خواص مطلوبی نظیر استحکام، سفتی و سختی مناسب و حفظ این خواص در دماهای بالا، در صنایع خاصی نظیر صنایع نظامی، هوا-فضا و هسته ای مورد توجه ویژه قرار گرفته اند. این خواص به عوامل متعددی نظیر روش تولید، نوع زمینه و نوع فاز تقویت کننده بستگی دارد ۲و۳. در این بین روش تولید از اهمیت ویژه ای برخوردار است؛ چرا که توزیع فاز سرامیکی در زمینه و استحکام فصل مشترک سرامیک / زمینه را تحت تأثیر قرار می دهد. کامپوزیت ها را می توان با توجه به نوع زمینه (ماتریس) به سه دسته ی عمده ی زمینه پلیمری، زمینه سرامیکی و زمینه فلزی تقسیم کرد. با توجه به کاربردهای بسیار زیاد نوع زمینه فلزی، این دسته از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین می توان کامپوزیت ها را بر حسب شکل فاز تقویت کننده به سه دسته ی الیافی، لایه ای و ذره ای تقسیم بندی کرد. در کامپوزیتهای زمینه فلزی معمولا از فلزات خالص استفاده نمی شود و بیشتر از آلیاژهای آلومینیم، مس، آهن، تیتانیم و منیزیم بعنوان فاز زمینه استفاده می شود ۳ و ۴. کامپوزیت های زمینه فلزی در مقایسه با آلیاژ زمینه تقویت نشده دارای استحکام و مدول ویژه بالا، مقاومت خستگی خوب، خواص حرارتی مناسب، ضریب انبساط حرارتی پایین و مقاومت سایشی مناسب هستند. با افزودن درصد کمی از فاز تقویت کننده سرامیکی به آلیاژهای فلزی متداول می توان برخی از خواص استحکامی را به مقدار زیادی افزایش داد. در مقایسه با کامپوزیتهای زمینه پلیمری، این کامپوزیت ها در درجه حرارتهای نسبتاً بالا مقاوم هستند. علاوه بر مدول الاستیسیته بالا، جاذب رطوبت نیستند، هدایت حرارتی و الکتریکی مناسبی دارند و با تجهیزات متداول فراوری فلزات ساخته می شوند || ۵ |. در پژوهش اخیر، ساخت کامپوزیت AI/B4C به روش ریخته گری گردابی مورد بررسی قرار گرفته است. جهت بررسی تأثیر دما بر خاصیت تر شوندگی کاربید بور، نمونه ها در دو دمای ۸۰۰ و ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد ریخته گری شدند. همچنین به منظور بررسی تأثیر میزان کاربید بور بر برخی خواص استحکامی کامپوزیت، آزمایش ها بر روی نمونه های ساخته شده با ۵، ۱۰ و ۱۵ درصد حجمی let B4C شد. در پایان، نتایج مربوط به آزمایش کششی، آزمایش سختی، نمودارهای پراش اشعه ی ایکس، فازهای تشکیل شده ی جانبی و تصاویر میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفته است.
روش تحقیق
برای ساخت نمونه ها از آلیاژ 356-Al استفاده شد. همچنین از پودر کاربید بور میکرون به عنوان ماده تقویت کننده استفاده شد. برای ساخت دوغاب کامپوزیتی و تهیه ذوب، کوره به گونه ای تنظیم شد که در مرحله اول به مدت نیم ساعت به دمای ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد برسد. بدین ترتیب علاوه بر پیش گرم شدن بوته و کاهش تنش های حرارتی، گازهای موجود در اطراف قطعات All نیز قابل حذف شدن خواهد بود. سپس در مرحله دوم به منظور بوجود آمدن شیب حرارتی ملایم، به مدت ۱ الی ۲ ساعت جهت رسیدن دما به دمای مورد نظر ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد به کوره زمان داده می شد (با توجه به افت دما هنگام عملیات ذوب ریزی، عملاً دما ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد بالای دمای مذکور تنظیم می شد). پس از ذوب کامل Al، مقدار ۱۰ تا ۱۵ گرم پودر کریولیت به منظور محافظت از سطح مذاب در مقابل اکسیداسیون، اضافه شده، توسط یک همزن گرافیتی دستی هم زده می شد. برای افزودن پودر B4C تجربه نشان داد که ریختن یک جای پودر چندان مناسب نیست و پخش شدن یکنواختی را در پی نخواهد داشت، لذا پودر B4C درون فویل های بسیار نازک آلومینیمی قرار داده شده به آرامی به مذاب اضافه گردید ۶ و ۷]. همزن گرافیتی به گونه ای درون کوره و بوته قرار گرفت که فاصله آن تا کف بوته ۳/" ارتفاع کل بوته باشد. با توجه به باز بودن در کوره و اتلاف حرارتی بسیار زیاد، از آجر نسوز و پنبه نسوز دور همزن استفاده گردید. پس از عمل هم زدن به مدت ۱۰ دقیقه، مذاب آماده ریختن در قالب می گردید. قالب فولادی به صورت مکعب مستطیل بوده که از پنج قطعه قابل انفصال تشکیل می شد. این قالب فولادی برای تهیه ۸ نمونه استوانه ای شکل به ارتفاع ۲۰cm و قطر ۱۵mm در هر ذوب ریزی طراحی گردید. بدین ترتیب نمونه ها طی ۶ بار ذوب ریزی، برای دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد سه نمونه با ۵٪، ۱۰٪ و ۱۵٪ کاربید بور و برای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد نیز به همین ترتیب تهیه شد. پس از بار ریزی مذاب در قالب، نمونه های استوانه ای از قالب در آورده شده برای انجام آزمایش های مختلف مانند تست کششی، تست سختی، XRD و SEM آماده سازی شدند.
نتایج و بحث همانگونه که در جدول ۱ مشاهده میشود استحکام کششی مربوط به نمونه با ۱۰٪ - B4C در ۸۰۰ درجه سانتیگراد بیشتر از نمونه ساخته شده با ۵٪ -B4C می باشد، این مورد در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد نیز صدق می کند. عموماً کاربید بور در شرایط معمولی (بدون اکسیداسیون قبلی، عملیات حرارتی قبلی و یا پوشش دهی) از ترشوندگی مناسبی برخوردار نیست. افزایش دمای آزمایش یکی از راههای ازدیاد ترشوندگی و اختلاط مناسب تر است. لذا همانگونه که مشاهده می شود استحکام کششی در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد بالاتر از ۸۰۰ درجه سانتیگراد است زیرا ذرات بهتر با زمینه اختلاط پیدا کرده است. به طور کلی انتظار می رود در ساخت کامپوزیت با افزایش درصد ماده تقویت کننده خواص استحکامی آن نظیر استحکام کششی افزایش یابد. اما همانگونه که در جدول ۱ مشاهده می شود علیرغم اینکه در هر دو دما بین نمونه با ۱۰٪-B4C و نمونه با ۵٪- B4C اختلاف فاحشی در استحکام کششی وجود دارد، با افزایش درصد کاربید بور به ۱۵٪ این مقدار، تغییر چندانی نکرده و حتی در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد مقدار کمی کاهش پیدا کرده است. بدین ترتیب می توان دید که با افزایش میزان B4C بیش از حدود ۱۰٪، استحکام کششی تغییر چندانی نخواهد کرد و دلیل آن عدم اختلاط مناسب پودر B4C بدلیل حجم بالای آن و رفتن آن به کناره ها است، ضمن اینکه عدم تر شوندگی B4C به خصوص در ۸۰۰C نیز مزید بر علت خواهد بود. لازم به ذکر است تخلخل نمونه ها بدلیل برخی شرایط آزمایشگاهی می تواند تاثیر منفی روی نتایج گذاشته، ضمن افزایش تردی، استحکام را نیز کمتر از حد مطلوب نشان دهد. در شکل ۱ مقایسه ی نتایج UTS در دماهای ۸۰۰ و ۱۰۰۰ درجه ی سانتیگراد دیده می شود. نتایج آزمایش سختی نشان می دهد که سختی کامپوزیت حاصل نسبت به فلز تقویت نشده افزایش یافته است و به وضوح می توان تأثیر کاربید بور را بر سختی مشاهده کرد. با توجه به اینکه سختی اندازه گیری شده برای آلیاژ خالص، ۵۱ ویکرز می باشد، افزایش سختی در تمام کامپوزیت های ساخته شده، در جدول ۲ مشهود است. همانطور که در این جدول مشاهده می شود، برای هر درصد خاص B، C ، سختی در دمای ۱۰۰۰C بیشتر از دمای ۸۰۰C است که مانند استحکام کششی، تر شوندگی بهتر B4C را در دمای بالاتر می توان توجیهی برای این مطلب دانست. مقایسه ی سختی در دو دما و در صدهای متفاوت JS x B4C ۲ نشان داده شده است. با وجود اختلاف قابل توجه بین سختی کامپوزیت با ۱۰٪ -B4C و ۵٪-B4C در یک دمای خاص، بین سختی نمونه ی (A. . . تفاوت چندانی دیده نمی شود و نه تنها افزایش زیاد نیافته بلکه بعضاً (در دمای B4C-٪۱۰ و B4C-٪۱۵ حاوی به مقدار بسیار کمی کاهش یافته است. همانطور که مشاهده می شود، سختی نیز مانند استحکام کششی، تقریباً پس از ۱۰ درصد حجمی کاربید بور روند افزایشی چندانی نخواهد داشت و ثابت می ماند. دلیل احتمالی آن عدم اختلاط B4C بیش از حدود ۱۰ درصد حجمی می باشد.
به منظور بررسی فازهای تشکیل شده در نمونه های کامپوزیتی که با مقادیر مختلف B4C و در دو دمای متفاوت ساخته شده، از نمودارهای پراش اشعه ی X استفاده گردید که نشان دهنده ی شدت (I) بر حسب زاویه ی پراش (۲0) می باشد. قله های B، C را در شکل های ۳، ۴ و ۵، که مربوط به دمای ۸۰۰C و شکل های ۶، ۷ و ۸ که مربوط به دمای ۱۰۰۰C است می توان مشاهده کرد. همانطور که در نمودارهای مربوط مشاهده می شود، به طور کلی با افزایش مقدار B4C چه در دمای ۸۰۰C و چه در دمای ۱۰۰۰C میانگین شدت پیک ها بیشتر می شود که گویای بیشتر شدن مقدار فاز B، C است. با بررسی شکل ۵ مربوط به ۱۵٪-B4C در دمای ۸۰۰C می توان دید که شدت پیک ها نسبت به حالت ۱۰٪-B4C (شکل ۴) افزایش نیافته است که خود دلیل دیگری بر عدم اختلاط همگن پودر کابید بور در بالای حدود ۱۰ درصد حجمی می باشد. همانطور که در شکل های ۶، ۷ و ۸ ملاحظه می شود، در دمای C ۱۰۰۰ نیز تا حدود زیادی روند پیک ها به صورت ذکر شده است. از دیگر مشاهدات میتوان به وجود
