بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این پژوهش انتخاب طراحی مناسب قطعه و قالب برای ریختهگری آلیاژ آلومینیم 2024 جهت استفاده به عنوان زمینه نانوکامپوزیت هیبریدی تقویتشده با نانوذرات TiO2 و SiO2 بود. بدین منظور پنج طرح مختلف بر اساس ایجاد انجماد جهتدار شامل دو بلوک ساده دارای شیب در عرض و راستای ارتفاع، یک Y بلوک، یک بلوک ساده دارای یک حوضچه کناری در بالا و یک بلوک ساده دارای شیب در ضخامت و راستای ارتفاع و با قالبی دارای کف آبگرد و دیوارههای دارای تغییر ضخامت در راستای ارتفاع، در نظر گرفته شد.
در ادامه از نرمافزار شبیهسازی ProCAST جهت برآورد نحوه انجماد، کاهش عیوب انقباضی و ریختهگری قطعات سالم استفاده شد. نتایج حاکی از تولید قطعهای سالم با راندمان ریختهگری نسبتاً خوب در طرح بلوک ساده دارای شیب در ضخامت و راستای ارتفاع آن و با قالب دارای کف آبگرد و دیوارههای دارای تغییر ضخامت در راستای ارتفاع میباشد.
مقدمه
نانوکامپوزیت های هیبریدی زمینه فلزی دسته ای از کامپوزیت های زمینه فلزی می باشند که از بیش از یک نوع فاز تقویت کننده تشکیل شده اند و ابعاد حداقل یکی از فازهای تقویتکننده آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. اکثر مطالعات انجام گرفته در رابطه با استفاده از نانوذرات به عنوان فاز تقویت کننده در نانوکامپوزیت های زمینه آلومینیمی حول تولید نانوکامپوزیت به روش فرآیندهای حالت جامد بوده و کمتر از فرآیند ریختهگری جهت ساخت این کامپوزیت ها استفاده شده است.
این درحالی است که روشهای ریختهگری به دلیل سهولت تولید، هزینه پایین تر و نزدیک تر بودن قطعه تولیدی به شکل نهایی جهت تولید انبوه، بیشتر موردتوجه قرار می گیرند. البته وجود محدودیت هایی از قبیل مشکلات کنترل کامل پارامترهای تولید و لذا احتمال عدم تکرارپذیری نتایج، واکنش های نامطلوب بین زمینه و تقویت کننده، باقی نماندن تمامی ذرات تقویتکننده در مذاب، مشکلات توزیع کاملاً یکنواخت ذرات تقویت کننده در زمینه، عدم ترشوندگی مناسب ذرات تقویت کننده با زمینه و همچنین وجود تخلخل چالش هایی را برای استفاده از این روش در ساخت قطعات کامپوزیتی به وجود آورده است. این مشکلات با کاهش ابعاد ذرات تقویتکننده به ویژه تا حد نانو به شکل قابل توجهی افزایش مییابند
تحقیقات انجام شده جهت بهبود خواص کامپوزیت های ریختگی، منجر به توسعه روشهای پیشرفتهای برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی شده است. از جمله این روش ها ریخته گری کوبشی[4] و ریخته گری در قالب فلزی می باشد.
در این روش ها، به دلیل سرعت بالای انجماد آلیاژ زمینه، بسیاری از مشکلات فوق الذکر رفع می شوند. همچنین نتایج برخی پژوهش های دیگر حاکی از تأثیر مثبت فرایندهای مکانیکی بعدی همچون نورد تجمعی بر روی خواص ساختاری و مکانیکی کامپوزیت ریخته گری شده می باشد.[8-5] بعد از ریخته گری کامپوزیت، با اعمال تغییر شکل پلاستیک با استفاده از نورد تجمعی هم توزیع ذرات تقویتکننده مناسبتر میشود و هم ساختار زمینه کامپوزیت بهبود مییابد.
یکی از محدودیت های روش ریخته گری ثقلی نسبت به روش های حالت جامد در تولید نانوکامپوزیت های زمینه فلزی عدم سهولت در دسترسی به راندمان بالا در قطعه ریختگی است. به حداقل رساندن پرت و مصرف مواد اولیه به ویژه نانوذرات تقویت کننده با توجه به قیمت بالای این مواد از اهداف اصلی تولید میباشد. در این صورت تولید نانوکامپوزیت ریختگی از لحاظ اقتصادی توجیهپذیر میشود.
در این راستا بهرهجویی از شبیهسازی کامپیوتری به دلیل هزینه بالای مصرف مواد اولیه و همچنین تغییرات پارامترهای فرآیند می تواند یک ضرورت به حساب آید. اخیراً با انجام شبیه سازی کامپیوتری در برخی پژوهش ها [11-9] نتایج مورد توجهی در راستای دستیابی به مقدار مورد نیاز و بهینه تغذیه، انتخاب سیستم راهگاهی مناسب، نحوه پر شدن و نوع قالب ریخته گری، فرآیند انجماد و ساختار نهایی قطعه، نحوه انتقال حرارت و شناسایی عیوب ریختگی حاصل شده است.
در این پژوهش، که مرحله اول یک پژوهش وسیع تر در مورد ساخت نانوکامپوزیت های هیبریدی-Al2024 - TiO2-SiO2 - np است، نحوه انجماد و تشکیل عیب تخلخل انقباضی قطعاتی از جنس آلیاژ آلومینیم 2024 با طراحی های متفاوت قطعه و قالب ریخته گری توسط نرم افزار ProCAST شبیهسازی شد و در نهایت بهترین طراحی از لحاظ بیشترین راندمان ریخته گری و کمترین میزان عیب جهت استفاده در مرحله بعدی پژوهش انتخاب شد.
مواد و روش تحقیق
آلیاژ آلومینیم 2024 به عنوان زمینه کامپوزیت تقویت شده توسط نانوذرات SiO2 و TiO2 انتخاب شد. روش در نظر گرفته شده برای تولید این نانوکامپوزیت هیبریدی شامل ریخته گری همزدنی و در ادامه انجام نورد تجمعی بر روی محصول مرحله ریختهگری و دستیابی به محصول نهایی میباشد.
تعداد دو قطعه مورد نیاز جهت مرحله نورد تجمعی باید دارای ابعاد 5x 6 x 1 cm باشند که این دوقطعه را می توان از یک قطعه با ابعاد cm 10x6x1 یا 5x6 x2 cm حاصل نمود. هر چه قدر راندمان ریخته گری قطعه تولیدی بیشتر و عیب تخلخل انقباضی آن کمتر باشد، در این صورت میزان پرت و دور ریز محصول مرحله ریختهگری کمتر و در نتیجه با توجه به این نکته که هزینه تهیه نانوذرات بالا می باشد هزینه تولید کاهش مییابد.
بر همین اساس و با توجه به ایجاد شیب حرارتی در قطعه در حال انجماد به صورت یک طرفه از کف قطعه به سمت روی قطعه، قطعات و قالبهایی با ابعاد نشان داده شده در شکل1 جهت شبیه سازی رفتار انجمادی آلیاژ در نرمافزار المان محدود ProCAST طراحی و در نظر گرفته شد. ترکیب شیمیایی آلیاژ ریختگی آلومینیم 2024 و قالب از جنس فولاد CK45 در جدول1 آمده است.
جدول.1 ترکیب شیمیایی آلیاژ ریختگی آلومینیم 2024 و قالب از جنس فولاد .CK45
