بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر ساخت کامپوزیت زمینه آلومینیوم بوسیله دو تقویت کننده کاربید بور و کاربید تیتانیوم صورت گرفته است که حاوي درصد هاي مختلفی از این دو تقویت کننده است. هدف بکار گیري کامپوزیت هیبریدي در این پروژه استفاده از فواید هر دو تقویت کننده است زیرا کاربید بور به دلیل سختی و استحکام بالا و کاربید تیتانیوم به دلیل ایفا کردن نقش روانکار جامد از اهمیت فراوانی برخوردار هستند. نتایج بدست آمده از آزمایشات مختلف حاکی از تولید و ساخت موفقیت آمیز کامپوزیت مذکور می باشد.نتایج آزمایش میکروسکوپ الکترونی حاکی از عمل کردن کاربید بور و کاربید تیتانیوم به عنوان یک تقویت کننده است .
همچنین بوجود آمدن ترکیبات مفیدي مانند دي بوراید تیتانیوم در جهت بهبود خواص مکانیکی بود .که ترکیبات مختلف موجود در کامپوزیتهاي تولیدي را توسط آزمون پراش اشعه ایکس انجام دادیم.به علاوه آزمایش سختی سنجی چنان نشان داد که با افزایش درصد وزنی تقویت کننده سختی کامپوزیت حاصل افزایش میابد.بطوري که کامپوزیتی که درصد بیشتري از کاربید بور دارد داراي سختی بالاتري است.به منظور بررسی خواص سایشی کامپوزیت ها از روش پین روي دیسک استفاده شد.که نتیجه آزمون مبنی بر بهبود خواص سایشی با افزایش درصد تقویت کننده ها بود.
واژگان کلیدي: کامپوزیت هیبریدي،زمینه آلومینیوم، کاربید بور، کاربید تیتانیوم، ریخته گري نیمه جامد
١- مقدمه
در دهه 70 میلادي در انستیتوي تکنولوژي ماساچوست آمریکا - MIT - اولین دوغاب نیمه جامد تولید شد و از آن پس روش هاي متعددي جهت تولید دوغاب هاي فلزي نیمه جامد ابداع گردیده و مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از متداول ترین روش هاي تولید دوغاب نیمه جامد با ساختار غیردندریتی ایجاد تنش شدید بر مذاب در حال انجماد از طریق به هم زدن مذاب است. در این دسته روش ها، اعمال تنش می تواند به وسیله یک همزن مکانیکی، به وسیله همزن هاي الکترومغناطیسی یا حتی با عبور مذاب از مسیرهاي پرپیچ و خم صورت گیرد. نیروي برش مکانیکی که به این صورتها تولید می شود، مخلوطی که در منطقه ي دو فازي مذاب- جامد قرار دارد را تحت تأثیر خود قرار می دهد.
دندریت هاي تشکیل شده در مذاب در حال انجماد تحت تأثیر این نیروي برشی تکه تکه شده و در نهایت ساختاري شبه کروي به جاي ساختار دندریتی در قطعه منجمد شده، مشاهده می شود. این تغییر ساختار از دندریتی به کروي و تکامل ساختار کروي، به پارامترهاي مختلفی بستگی دارد که از جمله مهمترین آن ها می توان به میزان و نحوه ي اعمال تنش برشی به مذاب در حال انجماد اشاره کرد.1]و[4به طور کلی آلیاژهاي آلومینیوم- سیلیسیم داراي ساختار دندریتی بوده که این نوع ریزساختار باعث کاهش خواص مکانیکی می شود. که با استفاده از روشهاي نیمه جامد که ذکر شد بر این مشکل غلبه می شود.از دیگر مشکلات آلیاژهاي آلومینیوم-سیلیسیم وجود فاز تیغه اي شکل سیلیسیم در ساختار می باشد.
در شرایط طبیعی فاز سیلیسیم یوتکتیکی به صورت نامحلول و با ساختار درشت و سوزنی شکل در زمینه ي آلومینیوم تولید می شوند. صفحات درشت وسوزنی شکل سیلیسیم سبب می شوند آلیاژهاي Al-Si داراي خواص مکانیکی ضعیفی، به خصوص از نقطه نظر خواص ازدیاد طول نسبی و مقاومت به ضربه گردند.که براي غلبه بر این مشکل نیز در این پروژه با استفاده از بهساز استرانسیم مورفولوژي ساختار را اصلاح میکنیم 2] .و[3 ترکیب آلومینیوم و آلیاژهاي آن با کاربید بور - B4C - به عنوان یک ماده تقویت کننده باعث تولید کامپوزیت هاي ذره اي زمینه فلزي با خواص مناسب از جمله استحکام، چقرمگی، سختی و مقاومت به سایش بالا، می شود.
این خواص در دماهاي بالا در صنایع خاصی نظیر صنایع نظامی، هوا- فضا و هسته اي مورد توجه ویژه قرار گرفته اند. یکی از مشکلات مربوط به ساخت این کامپوزیت، عدم ترشوندگی مناسب ذرات کاربید بور با مذاب آلومینیوم می باشد؛ ترشوندگی کاربید بور در مذاب Al از دماي 1000 درجه سانتیگراد شروع می شود که ساخت این ماده در دماهاي بالاي این مقدار باعث ایجاد فازهاي جانبی مضر از قبیل Al3BC, AlB2 می گردد.جهت جلوگیري از این فازهاي مضر تدابیري اندیشیده شد .جهت افزایش ترشوندگی ذرات با مذاب زمینه، از روش اکسیداسیون ذرات توسط حرارت دهی در دماي 200 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت و ایجاد یک لایه B2O3 بر روي آن ها استفاده شد.
تا علاوه بر افزایش ترشوندگی بتوان در دماي پایین تر از 1000 درجه سانتیگراد ریخته گري کرد.در این پروژه سعی می شود تا از مزایاي هر دوتقویت کننده بکار رفته یعنی کاربید بور و کاربید تیتانیم استفاده شود .در ریخته گري این پروژه علاوه برتاثیر اکسیداسیون سعی شد با اضافه کردن عناصري مانند منیزیم ترشوندگی را بهبود داد. 5]و[6 پس از ریخته گري با استفاده از میکروسکوپ نوري و الکترونی به بررسی ساختار و مورفولوژي کامپوزیت تولید شده پرداختهشد . سپس با استفاده از تست برینل سختی کامپوزیت هاي مختلف تولیدي اندازه گیري شد . و همچنین تست سایش و آزمون پراش اشعه ایکس بر روي نمونه ها انجام شد.
-2 روش تحقیق
مشخصات مواد اولیه :
آلیاژ آلومینیوم بکار رفته در این پروژه آلومینیوم A356 است که ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 ذکر شده است و این نوع آلیاژ از شرکت تولیدي صنعتی کیان آلیاژ کاشان تهیه شد.مواد تقویت کننده این مقاله کاربید بور و کاربید تیتانیوم است که اندازه متوسط ذرات کاربید بور 60 میکرون و کاربید تیتانیوم 30 میکرون می باشد.جهت بهسازي دوغاب در ریخته گري ازآمیژان Al-20%Sr استفاده شد که این نوع استرانسیم از شرکت مهد تولید ناب سمنان تهیه گردیدهمچنین براي افزایش ترشوندگی ذرات تقویت کننده از آمیژان Al-20%Mg استفاده شد .
روش تولید دوغاب کامپوزیتی و نحوه ي ریخته گري :
نحوه مخلوط سازي کامپوزیت هیبریدي ما از ذرات تقویت کننده کاربید بور و کاربید تیتانیوم به صورت جدول زیر است.جدول .2 نحوه ترکیب ذرات تقویت کننده در کامپوزیت ساخته شدهدر هر آزمایش 500 گرم آلیاژ A356 درون بوته گرافیتی تحت اتمسفر آرگون در دو مرحله ذوب می شود مرحله اول به مدت نیم ساعت در دماي 250 تا 300 درجه کوره پیشگرم می شود.بدین ترتیب علاوه بر پیشگرم شدن بوته و کاهش تنش هاي حرارتی، گاز هاي موجود در اطراف کوره وبوته و شمش آلومینیوم حذف می شوند. سپس در مرحله دوم به منظور بوجود آمدن شیب حرارتی ملایم ، به مدت 1 الی 2 ساعت جهت رسیدن به دماي مورد نظر 800 - تا 900 درجه سانتیگراد - به کوره زمان داده می شود.
با توجه به افت دما هنگام عملیات ذوب ریزي، عملا دما 50 درجه بالاي دماي مذکورتنظیم می شود. براي افزودن پودر کاربید بور و کاربید تیتانیوم تجربه نشان داده که ریختن مستقیم و یک جاي پودر چندان مناسب نیست و پخش شدن یکنواختی را در پی نخواهد داشت زیرا ذرات مورد استفاده در حد میکرون هستند و تمایل زیادي به آگلومره شدن دارند . لذا پودر هاي مذکور را در درون فویل هاي بسیار نازك آلومینیومی قرار داده و به آرامی به مذاب می افزاییم .سپس اقدام به افزودن مقدار 0/2 درصد استرانسیم از آمیژان Al-20%Sr به مذاب براي بهسازي تیغه هاي سیلیسیم موجود در آلومینیوم می کنیم.
عمل همزدن از دماي 750 درجه سانتیگراد تا منطقه خمیري که حدود دماي 620 درجه سانتیگراد است ادامه می یابد.عمل همزدن بلافاصله پس از قرار گرفتن همزن در مذاب به مدت 5 دقیقه با سرعت 450 دور بر دقیقه - rpm - انجام شد و پس از رسیدن به دماي 620 درجه آماده ریختن در قالب گردید سپس مذاب به درون قالب فلزي که از قبل در کوره ي دومی پیشگرم کرده ایم ریخته می شود.باید دقت میشدکه در هر بارتهیه نمونه مورد نظر، هم زدن مذاب باید با دقت کافی صورت گیرد تا همزن از مذاب خارج نشود و فیلم اکسیدي را به درون مذاب وارد ننماید.
آماده سازي نمونه ها :
جهت تهیه نمونه هاي متالوگرافی ، بررسی ریزساختار و مورفولوژي و وضعیت توزیع ذرات ، نمونه ها را سنگ می زنیم ، سپس توسط سنباده هاي 60 ، 80 ، 120 ، 220 ، 400 ، 600 ، 800 ، 1000 ، 1200 و 2500سمباده زنی می کنیم و با پودر آلومیناي 3 میکرون پولیش دادیم و توسط محلول کلر به مدت 40 ثانیه اچ می کنیم .
آزمایشات مکانیکی :
سختی سنجی نمونه هاي کامپوزیتی با استفاده از دستگاه سختی سنجی برینلERNST مدل TWIN به صورت ماکرو سنجیده شد . از هر ذوب ریزي یک نمونه انتخاب و از هر نمونه سه بار تست به عمل آمد و میانگین اعداد حاصله مد نظر قرار گرفت. براي انجام سختی به روش برینل بار 187/5 kg/f و قطر ساچمه 2/5 میلیمتر انجام گرفت .
