تولید و مشخصه یابی کامپوزیت Al-15%Si تولید شده با روش ریخته گری گریز از مرکز
چکیده:
یکی از روشهای تولید مواد کامپوزیت با ترکیب شیمیایی متفاوت روش ریخته گری گریز از مرکز می باشد. در این پژوهش از روش ریخته گری گریز از مرکز جهت تولید آلیاژ Al-15%Si استفاده شد. با این روش کسر حجمی ذرات سیلیکون در نواحی سطحی نمونه ها به حدود 25 درصد می رسد و متعاقباً سختی سطحی آلیاژ تولیدی افزایش می یابد که برای کاربردهای مقاوم به سایش مناسب می باشد. در این راستا نتایج به دست آمده از آزمون های سایش مشخص کرد که تشکیل ذرات سیلیکون در فاصله mm 20 از سطح نمونه های تولیدی باعث افزایش کلی سختی نمونه ها به میزان HV95 و متعاقباً افزایش مقاومت به سایش در این نواحی می گردد. علاوه بر این مقادیر میکروسختی یک کاهش تقریباً خطی را با افزایش فاصله از سطح نشان دادند. همچنین بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی نشان داد که سطوح سایش ترکیبی ازذرات سیلیکون جدا شده از سطح و همچنین لایه های تریبولوژی به هم چسبیده می باشند. این دو مورد هر دو بیانگر مقاومت به سایش بالای نمونه های تولید شده توسط این روش می باشد.
کلمات کلیدی: کامپوزیت، آلیاژ Al-15%Si، ریخته¬گری گریز از مرکز
1. مقدمه
كامپوزیت های زمینه فلزی (MMCs) تقویت شده با سرامیك یا ذرات فلزی به دلیل استحكام و مقاومت سایش بالا به صورت گسترده ای استفاده میشوند. علاوه بر این، كامپوزیت های زمینه فلزی به عنوان یك جایگزین برای مواد فلزی مونولیتیك یا آلیا‍ژهای متداول در كاربردهای ویژه نیز در نظر گرفته میشوند. گزارش شده است كه كامپوزیت های زمینه آلومینیومی (AMCs) با افزایش كسر حجمی ذرات استحكام دهنده خواص مقاومت به سایش و ضریب اصطكاك كمتری در مقایسه با آلیاژهای آلومینیوم بدون ذرات تقویت شونده پیدا می كنند.
مواد كامپوزیت با خواص متغیر توزیع كسر حجمی از مواد استحكام دهنده را در بر میگیرند كه به صورت پیوسته از بخش های داخلی تا بخش های خارجی تغییر می كنند و یك ریزساختار غیر یكنواخت كنترل شده با خواص متتغیر پیوسته حاصل میگردد.
اصلاح سازیهای سطحی و روشهای پوشش دهی میتوانند چنین خواصی را فراهم كنند و به صورت گسترده ای برای بهبود خواص تریبولوژی سطح استفاده می شوند. با این وجود اعمال این عملیات سطحی هزینه های تولید را افزایش میدهد.بنابراین روش ریخته گری گریز از مركز به عنوان یك روش برتر و كم هزینه در ساخت مواد كامپوزیت با خواص متغیر به كار برده میشود. این روش ریخته گری شامل ریختن مذاب در یك قالب میباشد و همزمان قالب و متعلقات آن تحت یك نیروی گریز از مركزی قرار دارند كه توسط یك حركت چرخشی بوجود می آید.
مواد کامپوزیت زمینه آلومینیومی با خواص متغیر که با سیلیکون استحکام یافته اند یک جایگزین مناسب در کاربردهای هوافضا به شمار می روند به ویژه زمانی که وزن پایین و مقامت به سایش بالا مورد نیاز می باشد. علاوه بر این روش ریخته گری گریز از مرکز یکی از بهترین روشها برای تولید مواد کامپوزیت زمینه آلومینیومی میباشد زیرا تحت نیروهای گریز از مرکز ذرات سرامیک محفوظ در فلز مذاب به سمت سطوح خارجی جابجا می شوند مزیت اصلی روش ریخته گری گریز از مرکز پر کردن خوب قالب است که کنترل خوب ریز ساختار به دست آمده که منجر به بهبود خواص مکانیکی قطعه حاصله را سبب میشود.
این مقاله فرایند ساخت مشخصات ریزساختار اولیه نتایج آزمونهای سختی و سایش انجام شده روی کامپوزیت های زمینه آلومینیومی که توسط روش ریخته گری گریز از مرکز تولید شده اند و توسط ذرات استحکام دهنده از نوع سیلیکون استحکام یافته را تشریح می کند. همچنین مقایسه ای بین روش ریخته گری گریز از مرکز با روشهای ریخته گری ثقلی متداول نیز انجام شده است.
2. مواد و روش تحقیق برای تولید مواد کامپوزیت با خواص متغیرروش ریخته گری گریز از مرکز به عنوان بهترین روش در نظر گرفته میشود. ترکیب شیمیایی آلیاژ تولیدی میباشد. ریزساختار کامپوزیت تولیدشده به دو روش کیفی و کمی مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز تصویری کمی برای ارزیابی توزیع ذرات سیلسیم برای آلیاژ Al-Si در حالتهای ریخته گری ثقلی و نقاط داخلی و خارجی نمونه ریخته گری شده به صورت گریز از مرکز مورد استفاده قرار گرفت. برای انجام آنالیز تصویری از میکروسکوپ آنالیز تصویری Olympus مدل BX51RF با نرم افزار Olysia m3 analySIS استفاده شد. این نتایج با نتایج آزمون های میکروسختی ویکرز، که روی کامپوزیت های تولید شده اجرا شده بود، ارتباط داده شد.
جدول1: ترکیب شیمیایی آلیاژ مورد استفاده در تحقیق بر حسب درصد وزنی که با استفاده از آنالیز EDAX حاصل از میکروسکوپ SEM به دست آمده است. %Ti %Zn %Mg %Mn %Cu %Fe %Si %Al
2/0< 1/0< 35/0 1/0< 2/0< 2/0< 15 Bal.
در فرایند ریخته گری گریز از مرکز به دلیل اعمال نیروی گریز از مرکز قطعه تولیدی دارای دانسیته بالاتری در نواحی خارجی خود می باشد. در این تحقیق جهت اجرای فرایند ریخته گری گریز از مرکز از یک قالب در حال چرخش با طول mm100 و قطری برابر با mm 80 استفاده شد. در این راستا مقدار 340 گرم از مذاب آلیاژ فوق الذکر توسط پیمانه پیشگرم شده ای به درون قالبی انتقال داده شد. این قالب، که توسط ریخته گری دقیق ساخته شده بود قبل از ریختن مذاب درون آن تحت عملیات پیش گرم در درجه حرارت C˚400 به مدت یک ساعت قرار گرفته بود. فرایند ریخته گری گریز از مرکز در ابتدا با سرعت چرخشی برابر با rpm 200در حالی که درجه حرارت مذاب درون قالب برابر با C˚780 بود آغاز شد. این سرعت چرخش در فرایندهای ریخته گری گریز از مرکز سرعتی متداول محسوب می شود.در فرایند ریخته گری گریز از مرکز سرعت قبل از اینکه قالب تحت نیروی گریز از مرکز از حرکت باز ایستد به بالاترین مقدار خود میرسد. زمان چرخش و سرعت قالب وابسته به استحکام تسمه مورد استفاده و مقدار ماده مورد استفاده در آزمایش است.
در فرآیند ریخته گری ثقلی عملیات ذوب با استفاده از یک بوتة گرافیکی و توسط کورة القایی با فرکانس متوسط انجام شد و متعاقباً نمونه هایی مشابه با نمونه های حاصل از ریخته گری گریز از مرکز در یک قالب فولادی ریخته گری شدند.
پس از اجرای فرایند نمونه های استوانه ای با طول mm 20 و قطری برابر با mm 16 تولید شدند.به منظور تهیه نمونه هایی از قسمتهای خارجی میانی و درونی قطعات ریخته گری شده به صورت گریز از مرکز این نمونه ها بریده شدند. این نمونه گیری از نقاط مختلف باعث بررسی دقیق ریزساختار میکروسکوپی در نقاط مختلف قطعات تولیدی می شود. فرایند متالوگرافی به صورت دقیق انجام شد تا قابلیت تجدید پذیری نتایج بدست آمده بررسی شود.
در ابتدا مراحل سنباده زنی با کاغذهای سنباده 320، 400، 600 و 800 از جنس SiC انجام شد.درحین عملیات سنباده زنی از آب به عنوان روان ساز و خنک کننده استفاده شد و در نهایت عملیات پولیش با استفاده از امولسیون SiO2انجام شد. سپس ریزساختار میکروسکوپی نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ نوری بررسی شدند.
برای تعیین میکروسختی آلیاژ در مقیاس ویکرز از آزمون استاندارد ASTM تحت استاندارد E384 استفاده شد.برای انجام این آزمون از یک ماشین کالیبره شده برای اعمال نیروی kgf5 به یک فرورونده الماسی به شکل هرم مربع القاعده با زاویة رأس 136 درجه استفاده شد. در نهایت اثر باقیمانده روی سطح نمونه به صورت نوری اندازه گیری می شود. عدد ویکرز در نهایت با تقسیم بار اعمالی بر حسب kgf بر اثر سطح به دست آمده توسط میکروسکوپ نوری بر حسب میلیمتر مربع بدست می آید. در نهایت عدد متوسط سختی های به دست آمده به عنوان سختی گزارش شد.
به منظور بررسی مقاومت به سایش نمونه های تولیدی از آزمون سایش pin-on-disk استفاده شد. در این آزمون از یک پین با راس کروی که به صورت عمود بر یک نمونه دیسکی شکل قرار گرفته بود استفاده شد. حرکت دستگاه به نحوی تنظیم شده بود که هر دوی پین و نمونه به دور مرکز نمونه دیسکی شکل حرکت کروی داشته باشند. این آزمون با سرعت لغزش ثابتی برابر با 1- ms0066/0 انجام شد. قطر پین مورد استفاده برابر با mm175/3 و از نوع فولاد زنگ نزن مارتنزیتی از نوع AISI410 بود. مدت زمان انجام تست و میزان بار اعمالی به ترتیب برابر با 45 دقیقه و 15/0 نیوتن (15 گرم) بود. مسافت لغزش برای نمونه های مورد بررسی برابر با 5/18 متر بود. شرایط دستگاه سایش به گونه ای بود که حجم سایش نمونه ها با دقت 5%± اندازه گیری شد. در نهایت به منظور مطالعه بیشتر شرایط سایش،سطح مقطع نمونه ها پس از آزمون سایش توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد.
3. نتایج و آنالیز ریزساختار میکروسکوپی نمونه های آلیاژ Al-15%Si را در نواحی مرکزی و خارجی نمونه ریخته گری شده به صورت گریز از مرکز نشان می دهد. در این شکل ذرات سیلیکون هایپریوتکتیک درون زمینه آلومینیومی دیده می شوند. همانطوری که به صورت ماکروسکوپی قابل مشاهده است میزان کسر حجمی ذرات سیلیکون در نمونه تهیه شده از نواحی خارجی (نمونه ب) در شکل1 زیادتر از نمونه تهیه شده از نواحی درونی (نمونه الف) در شکل1 می باشد. به عبارت دیگر نیروهای گریز از مرکز اعمالی باعث حرکت ذرات سیلیکون از نواحی درونی نمونه در حال چرخش به سمت نواحی خارجی آن می گردند.
1. ریز ساختار میکروسکوپی آلیاژ Al-15%Si در دو ناحیه (الف) مرکزی و (ب)خارجی
2 .نحوه توزیع کسر حجمی ذرات سیلیکون در نمونه های مختلف مورد مطالعه در این پروژه را نشان میدهد که با استفاده از آنالیز تصویری ریزساختار میکروسکوپی مقاطع مختلف نمونه های تولیدی حاصل شده است. به صورت طبیعی همانطوری که در شکل2 مشاهده می شود، نمونه های به دست آمده از قطعات ریخته گری شده به صورت ثقلی (gravity cast) توزیع یکنواختی از ذرات استحکام دهنده سیلیکون را نشان می دهند. در مقابل نمونه های مورد بررسی از کامپوزیتهای تولید شده توسط روش ریخته گری گریز از مرکز دانسیته بالاتری از ذرات سیلیکون را در نواحی خارجی در مقایسه با نواحی داخلی قطعه ریخته گری نشان میدهد. این امر ناشی از این موضوع می باشد که ذرات سیلیکون در اثر اعمال نیروی گریز از مرکز تحت تاثیر جدایش قرار میگیرند و ضخامت ناحیه غنی از این ذرات به صورت شدیدی تابع سرعت چرخش و زمان انجماد موضعی و اختلاف دانسیته بین آلیاژ پایه و ذرات استحکام دهنده می باشد.
2: تغییرات کسر حجمی ذرات سیلیکون بر حسب فاصله ازمرکز نمونه های استوانه ای شکل3.تغییرات میکروسختی نمونه های ریخته گری شده به صورت ثقلی و نمونه Al-15%Si ریخته گری شده به صورت گریز از مرکز را نشان میدهد. همانطوری که مشاهده میشود میزان تغییرات سختی در نمونه ریخته گری شده به صورت ثقلی و بدون اعمال نیروی گریز از مرکز تقریباً در نقاط مختلف نمونه برابر میباشد ولی در مورد نمونه ریخته گری شده به صورت گریز از مرکز با دور شدن از سطح قطعه میزان سختی کاهش مییابد]8-7[ که این موضوع با توجه به نتایج بدست آمده قابل توجیه میباشد. به عبارت دیگر با دور شدن از سطح همانطوری که مشاهده میشود کسر حجمی ذرات استحکام دهنده کاهش مییابد و در نتیجه انتظار می رود که میزان سختی نیز متعاقباً کاهش یابد]9[ که نتایج به دست آمده این پیش بینی را تایید میکند.
نتایج آزمون سایش انجام شده روی نمونه آلیاژ Al-15%Si تولید شده توسط روش ریخته گری گریز از مرکز را نشان میدهد. این نمودار در برگیرنده مقادیر حجم سایش به دست آمده در فواصل 5، 10، 15 و 20 میلیمتری از مرکز نمونه های استوانه ای تولید شده می باشد.
بیشترین حجم سایش مواد در مرکز نمونه های تولید شده مشاهده می شود. نرخ سایش به صورت تابعی از فاصله کاهش می یابد به نحوی که حجم سایش در فاصله mm 20 دارای کمترین مقدار خود می باشد. این موضوع تایید میکند که مقاومت به سایش قطعات تولید شده توسط این روش بوسیله مقدار سیلیکون کنترل میشود. همانطوری که مشاهده میشود با افزایش میزان سیلیکون از بخش های مرکزی قطعات تولیدی به سمت نواحی خارجی با میزان بالاتر ذرات سیلیکون حجم سایش کاهش یافته است.
همانطور که در ریخته گری گریز از مرکز در فواصل تقریباً mm5 از مرکز نمونه میزان ذرات سیلیکون به یک مقدار ثابت میرسد. اما مشخص است که سختی همواره تا مرکز قطعه روند کاهشی نشان می دهد. البته گرادیان تغییرات سختی از مرکز نمونه تا سطح در حال تغییر است. استمرار روند کاهشی میزان سایش را از مرکز نمونه تا سطح آن نشان میدهد. ارتباط این تغییرات به یکدیگر از آن جهت است که سختی هر منطقه علاوه بر درصد فازهای موجود در آن و میزان ذرات سیلیکون و نحوة پراکندگی آنها به سرعت انجماد آن منطقه نیز بستگی دارد. به عبارتی سرعت انتقال حرارت بیشتر سطح نمونه نسبت به مرکز آن در مرحلة انجماد دلیلی بر کاهش میزان سایش از مرکز تا سطح نمونه علی رغم عدم تغییر اساسی در میزان ذرات سیلیکون موجود می باشد.
تغییرات حجم سایش بر حسب فاصله از مرکز نمونه های استوانه ای تولید شده با روش ریخته گری گریز از مرکز.

میکروسکوپ الکترونی سطح سایش نمونه های به دست آمده از قسمت های مختلف نمونه های تولیدشده توسط روش ریخته گری گریز از مرکز و ثقلی را نشان میدهد.
درسطوح سایش غیر یکنواخت نشان دهنده ذرات سیلیکون جدا شده از سطح نمونه ها میباشد و از سوی دیگر وجود لایه های تریبولوژی با ظاهر صاف در نمونه های ریخته گری شده توسط روش ریخته گری گریز از مرکز مشهود میباشد. هر دو مورد یعنی ذرات سیلیکون جدا شده از سطح و همچنین لایه های تریبولوژی به هم چسبیده نشان دهنده مقاومت به سایش بالای نمونه های تولیدشده توسط روش ریخته گری گریز از مرکز میباشد.
مطابق الکترونی به دست آمده از سطوح سایش نمونه ها میتوان نتیجه گرفت که نمونه های به دست آمده از فاصله mm10 قطعات تولید شده توسط روش ریخته گری گریز از مرکز دارای یک نرخ سایش بالاتر در مقایسه با نمونه های به دست آمده از فواصل mm 20 میباشند. این موضوع این نظریه را تایید میکند که مقاومت به سایش میتواند با افزایش میزان کسر حجمی ذرات سخت افزایش یابد]9[.
تصویر SEM سطح سایش نمونه های Al-15%Si ریخته گری شده با روش گریز از مرکز در فواصل (الف)mm 10، (ب) mm20 و (ج) نمونه ریخته گری شده به صورت ثقلی.
در نهایت به نظر میرسد توزیع نهایی کسر حجمی ذرات استحکام دهنده توسط نیروهای گریز از مرکز داخلی کنترل میشود. جدایش اجباری ذرات سیلیکون به سمت نواحی خارجی قطعات ریخته گری شده به صورت گریز از مرکز موجب بهبود قابل توجه سختی سطحی و مقاومت به سایش کامپوزیت تولیدی میشود.
4.بر اساس نتایج به دست آمده روش ریخته گری گریز از مرکز روش خوبی جهت تولید مواد کامپوزیت با ترکیب شیمیایی متغیر می باشد. در طی انجام این فرایند ذرات سیلیکون در اثر نیروی گریز از مرکز به سمت لایه های خارجی حرکت داده می شوند. علاوه بر این مقادیر میکروسختی یک کاهش تقریباً خطی را با افزایش فاصله از سطح نشان دادند که تاییدکننده این موضوع میباشد که با استفاده از این روش میتوان مواد کامپوزیت با سختی سطحی بالا جهت کاربردهایی که مقاومت به سایش زیاد مورد نیاز میباشد را تولید کرد. نتایج به دست آمده از آزمونهای سایش نیز تایید کننده این موضوع هستند که قطعات تولید شده با روش ریخته گری گریز از مرکز دارای مقاوت به سایش بالاتری در مقایسه با قطعات به دست آمده توسط سایر فرایندهای تولید هستند.