بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش ساخت کامپوزیت آهن/نانوسیلیکاي آمورف با استفاده از فرایند متالورژي پودر با موفقیت انجام شد. اثر افزودن 4 درصد وزنی نانوسیلیکاي آمورف روي خواص مکانیکی نانوکامپوزیت زمینه آهنی مورد بررسی قرارگرفت. براي ساخت این نانوکامپوزیت ابتدا پودر نانوسیلیکا به همراه پودر آهن به مدت دو ساعت در آسیاب گلولهاي سیارهاي مخلوط و سپس متراکم شد. نمونهها در شرایط مناسب تفجوشی شده و سپس مورد بررسی قرار گرفت.
به طور مشابه نمونه شاهد از پودر آهن خالص آسیاکاري شده تهیه شد. بررسیهاي ریزساختاري با استفاده از میکروسکوپ نوري انجام گرفت. خواص مکانیکی شامل سختی و استحکام فشاري در دماي اتاق ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که سختی نمونه نانوکامپوزیت حدود 15 درصد در مقایسه با نمونه شاهد افزایش پیدا کرده است. همچنین استحکام فشاري نمونه نانوکامپوزیت به میزان قابل توجهی نسبت به نمونه شاهد افزایش یافت.
مقدمه
فناوري نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتر، موضوع تحقیقاتی جذابی است که در دهههاي اخیر توجه بسیاري را به خود جلب کردهاست. نانوکامپوزیتهاي زمینه فلزي تقویت شده با ذرات سرامیکی به دلیل خواص مکانیکی عالی و قیمت مناسب مورد توجه پژوهشگران قرار گرفتهاند. در نانوکامپوزیتهاي زمینه فلزي، زمینه یک فلز انعطافپذیر و مواد تقویتکننده ممکن است به شکل ذرات، رشتههاي پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند.
[1] با بررسی پژوهشهاي انجام شده در زمینه نانوکامپوزیتهاي زمینه فلزي میتوان گفت که بیشتر تحقیقات از فلزات آلومینیوم، مس و منیزیم به عنوان فاز زمینه استفاده کردهاست. تحقیقات کم در مورد استفاده از فلز آهن به عنوان زمینه براي ساخت کامپوزیتها وجود دارد. تحقیقاتی که انجام شده نشان داده که کامپوزیت حاصل بهبود خواص مکانیکی از خود نشان میدهد .[2] معروفترین ذرات سرامیکی استفاده شده به عنوان تقویت کننده در کامپوزیتهاي زمینه آهنی یا فولادي اکسیدها [3] - Al2O3, ZrO2 - ، نیتریدها [4] - TiN, Si3N4 - و کاربیدها [5] - TiC, Cr3C2, VC, B4C - هستند.
نتایج این تحقیقات نشان داده که استفاده از این ذرات سرامیکی به عنوان تقویت کننده باعث بهبود مقاومت به خوردگی، استحکام، سختی و حفظ استحکام در دماي بالا میشود. یکی از روشهاي ساخت نانوکامپوزیتهاي زمینه فلزي روش متالورژي پودر است. در این روش، پودرهاي آلیاژي یا خالص فلزي با نانوذرات مخلوط شده و سپس با پرس کردن ذرات پودر در داخل قالب و تفجوشی، ذرات پودري به یکدیگر متصل میشوند و با کاهش درصد حفرهها، چگالی افزایش مییابد .[6] با توجه به پژوهشهاي انجام شده در زمینه ساخت نانوکامپوزیتهاي زمینه آهنی می توان گفت که تا کنون گزارشی مبنی بر استفاده از پودر نانوسیلیکاي آمورف به عنوان تقویتکننده در زمینه آهن گزارش نشده است. بنابراین هدف این مقاله بررسی تأثیر نانوسیلیکاي آمورف بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت زمینه آهنی می باشد.
مواد و روش تحقیق
در این پژوهش نانوکامپوزیت آهن/نانوسیلیکاي آمورف به روش متالورژي پودر ساخته و مشخصهیابی شد. مواد اولیه مورد استفاده شامل پودر آهن با خلوص 99/5 درصد و اندازه کمتر از 45 میکرومتر و پودر نانوسیلیکاي آمورف بود. براي ساخت این نانوکامپوزیت ابتدا کامپوزیت آهن/ نانوسیلیکا به روش آسیاکاري تهیه شد. سپس این پودر داخل قالب فلزي ریخته و پرس سرد شد. نمونهي شاهد تهیه شده به روش مشابه و کامپوزیت آهن/نانوسیلیکا در کوره تفجوشی و به محصول نهایی تبدیل شدند.
در فرایند آسیاکاري محفظه آسیاب از جنس فولاد سخت وجنس گلوله ها از فولاد بلبرینگ با قطر 20 میلیمتر انتخاب گردید. پس از توزین پودر مواد اولیه شامل پودر آهن و 4 درصد نانوسیلیکا، مواد داخل محفظه دستگاه ریخته و مخلوط به مدت دو ساعت آسیاکاري شد. نسبت گلوله به پودر 10 در نظر گرفتهشد و آسیاکاري تحت اتمسفر آرگون و با سرعت 250 دور در دقیقه انجام گرفت. براي هر نمونه 12 گرم پودر نانوکامپوزیت آهن/نانوسیلیکاي آسیاکاري شده در قالب ریخته شد.
به منظور فشردن پودر آهن خالص آسیاکاري شده و نانوکامپوزیت و ساخت نمونههاي بالک، فشار 440 مگاپاسکال روي سطح نمونهها اعمال شد و نمونهها با قطر 12 میلیمتر و ارتفاع 15 میلیمتر تهیه شدند. پس از آن نمونهها در کوره لولهاي در دماي 1100 درجه سانتیگراد و به مدت دو ساعت در اتمسفر آرگون تفجوشی شدند. آمادهسازي سطح نمونهها براي مطالعات میکروسکوپی با روشهاي متداول استاندارد انجام شد.
سختی نمونهها به روش برینل مطابق با استاندارد [7] ASTM E10 با استفاده از ساچمه 2/5 میلیمتر و با نیروي 62/5 کیلونیوتن اندازهگیري شد. براي هر نمونه سختی حداقل در 5 نقطه اندازهگیري و میانگین مقادیر بدست آمده بعنوان سختی گزارش گردید. آزمایش فشار طبق استاندارد [8] ASTM E9-89a انجام گرفت. نمونهها با نسبت ارتفاع به قطر 1/1 تهیه شدند. براي هر یک از نمونههاي کامپوزیتی و نمونههاي شاهد حداقل سه آزمایش فشار با سرعت حرکت فکهاي دستگاه 0/5 میلیمتر در دقیقه انجام گرفت. از نوعی روغن صنعتی به منظور روانکاري و کاهش اصطکاك در دو سطح نمونههاي فشار استفاده شد.
نتایج و بحث
نمونه شاهد از پودر آهن خالص آسیاکاري شده و نمونه نانوکامپوزیتی با افزودن 4 درصد نانوسیلیکاي آمورف ساخته شد و اثر پودر نانو سیلیکا به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت زمینه آهنی بررسی گردید. شکل 1 تصاویر میکروسکوپی نوري از نمونهها پس از فرایند تف جوشی را نشان میدهد. همان طور که در ابتدا گفته شد در نمونههاي ساخته شده به روش متالورژي پودر وجود خلل و فرج در ساختار نهایی یکی از دغدغههایی است که بایستی مورد توجه قرار گیرد. از آنجا که موقع فشردهسازي، فشار از سطح به نمونهها وارد میشود، اثر آن در سطح بیشتر میباشد و با حرکت به سمت مرکز از میزان این فشار کاسته میشود. علت عدم مشاهده فاز تقویتکننده در این تصاویر این است که اندازه ذرات تقویت کننده خیلی کم بوده و با میکروسکوپ نوري شده قابل مشاهده نیستند.
به منظور بررسی خواص مکانیکی نمونهها، آزمون سختی سنجی و آزمون فشار انجام گرفت. شکل 2 تغییرات سختی نمونه نانوکامپوزیتی که با 4 درصد پودر نانوسیلیکا تقویت شده در مقایسه با نمونهاي که از پودر آهن خالص آسیاکاري شده ساخته شده، پس از فرایند تفجوشی را نشان میدهد. مشاهده میشود که با افزودن 4 درصد وزنی از پودر تقویت کننده به زمینه آهن سختی نمونه ي نانوکامپوزیتی 15 درصد افزایش پیدا کرده و سختی از 80/9 برینل براي آهن خالص آسیاکاري شده به 93/4 برینل افزایش یافتهاست. این افزایش سختی ناشی از وارد کردن ذرات سخت نانوسیلیکا به زمینه آهن میباشد.
