بررسی خواص مکانیکی و ریزساختار کامپوزیت زمینه فلزی Al-nano MgO

امروزه صنایع خودروسازی و هوافضا نیازمند مواد سبک با خواص مکانیکی بالا هستند. این امر علاوه بر کاهش هزینههای تولید باعث کاهش مصرف سوخت نیز میشود. از جمله مواد پیشرفتهای که در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفتهاند کامپوزیتهای زمینه فلزی ذرهای هستند. این مواد ترکیبی از خواص آلیاژ نرم زمینه به همراه خواص فاز تقویت کننده سرامیکی را به همراه دارند. از جمله روشهای اقتصادی و انعطاف پذیر تولید این دسته از مواد، ریختهگری گردابی است. در این پژوهش کامپوزیت زمینه فلزی Al-nano MgO به روش ریختهگری گردابی با درصدهای حجمی متفاوت از فاز تقویت کننده MgO تهیه شد. پس از بررسی ریزساختار نمونههای تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مشخص شد که توزیع ذرات فاز تقویت کننده به صورت مطلوب و قابل قبولی است. بررسی خواص مکانیکی کامپوزیتهای تولید شده نیز نشان داد که افزودن مقدار اندکی از ذرات پودر MgO با ابعاد نانومتری باعث بهبود خواص مکانیکی آلیاژ زمینه میشود.
کلمات کلیدی: کامپوزیت زمینه فلزی، Al-nano MgO، ریزساختار، خواص مکانیکی، ریختهگری گردابی.


1-مقدمه

کامپوزیتها موادی مرکب با یک ساختار همگن هستند که کارآیی کاملتری از اجزای سازندهی خود دارند. این مطلب بدان معنا است که هر جزء علاوه بر دارا بودن خواص خود، میتواند کاستیهای جزء دیگر را پوشش دهد. این اجزا توسط پیوند شیمیایی یا به صورت مکانیکی به هم متصل میشوند [1]. در سالهای اخیر کامپوزیتهای زمینه فلزی به دلیل استحکام و سختی بالا و وزن کم مورد توجه خاصی قرار گرفتهاند [2]. هدف از تولید کامپوزیتهای زمینه فلزی ترکیب خواص مطلوب فلزات و سرامیکها است. اضافه کردن ذرات با استحکام و دیرگدازی بالا به یک زمینهی فلزی داکتیل (نرم) منجر به تولید مادهای میشود که خواص مکانیکی آن بین آلیاژ زمینه و سرامیک تقویتکننده است. فلزات از خواص مفیدی نظیر استحکام بالا، داکتیلیته و مقاومت حرارتی بالا برخوردارند، اما در مواردی سختی آنها پایین است. در حالی که سرامیکها سخت، محکم و در عین حال ترد هستند. به عنوان مثال، آلومینیم و کاربید سیلیسیم خواص مکانیکی بسیار متفاوتی دارند. مدول یانگ آنها به ترتیب 70 و 400 گیگا پاسکال و ضریب انتقال حرارت آنها °C/1 6-10×24 و °C/1 6-10×4 است. با ترکیب این مواد، به طور مثال A6061/SiC/17p (شرایط T6)، یک کامپوزیت زمینه فلزی با مدول یانگ GPa6/96 و استحکام تسلیم MPa510 بدست میآید [3].
در سالهاي اخير، روشهاي زيادي براي ساخت و توليد کامپوزيتهاي زمينه فلزي ذرهاي ابداع شدهاند. برحسب نوع ذرهي تقويتکننده، تکنيکهاي توليد ميتوانند متنوع باشند. اين روشها شامل ريختهگري گردابي[4]، رخنهدهي فلز مذاب[5]، ريختهگري کوبشي[6]، تجزيهي پاششي[7] و متالورژي پودر[8] هستند [4 و 5]. در بين تکنيکهاي موجود براي توليد کامپوزيتهاي زمينه فلزي ذرهاي، ريختهگري گردابي يکي از روشهاي مورد قبول براي توليد انبوه به صورت تجارتي است. اين روش به دليل سادگي، تغييرپذيري (انعطاف پذيري) و صرفهي اقتصادي بالا براي توليد انبوه ترکيبهاي مختلف مورد توجه است [5]. براساس تحقيقات Sikbo و همکارانش [6]، قيمت کامپوزيتهاي توليد شده به روش ريختهگري، تا نصف روشهاي ديگر است.
تحقیق حاضر به بررسی خواص مکانیکی و ریزساختار نمونههای کامپوزیت زمینه فلزی Al-nano MgO که به روش ریختهگری گردابی تهیه شدهاند پرداخته است.
2- مواد و روش تحقیق

در این پژوهش از آلیاژ آلومینیم A356 به عنوان مادهی زمینه و پودر اکسید منیزیم با ابعادی در حدود nm80 به عنوان فاز تقویت کننده استفاده شد. شمشهای آلیاژ زمینه پس از توزین در دماهای 800، 850 و °C950 ذوب شدند و پس از ذوب کامل آلیاژ، یک همزن گرافیتی وارد بوته شد و با سرعت rpm420 شروع به همزدن مذاب نمود. سپس پودر MgO در حین همزدن مذاب، به میزان 5/1 و 5/2 درصد حجمی به شکل بستههایی که در فویل آلومینیم پیچیده شده بودند وارد مذاب شد. عملیات هم زدن به مدت 13 دقیقه ادامه پیدا کرد و به منظور حذف ذرات اکسیدی در دقیقهی دوازدهم، 12 گرم پودر کریولیت به مخلوط اضافه شد. در نهایت نمونهها در قالب فلزی پیش گرم شده به شکل میلههایی استوانهای به قطر 14 و ارتفاع 150 میلیمتر ریختهگری شدند.
به منظور بررسی ریزساختار نمونههای کامپوزیتی تولید شده استوانههایی به ارتفاع 20 میلیمتر از وسط میلههای ریختهگری شده بریده شد و پس از پرداخت با کاغذ سنباده تا شماره 2500 و پولیش با پودر آلومینای 1 میکرومتر، به مدت 7 ثانیه در محلول کلر اچ شدند [7]. همچنین جهت دستیابی به وضوح بیشتر در تصاویر SEM سطح نمونهها با لایهای از طلا پوشش داده شد.
به منظور بررسی توزیع ذرات فاز تقویت کننده در طول میلههای ریختهگری شده، سه نمونهی استوانهای از بالا، وسط و پایین میلههای ریختهگری شده با نسبت ارتفاع به قطر بین 5/1-4/1 بریده و دانسیتهی آنها اندازهگیری شد. در نهایت جهت بررسی خواص مکانیکی، نمونههای دانسیته سنجی شده مورد آزمون سختی سنجی برینل با قطر ساچمه mm5/2 تحت بار kgf25/31 (نسبت ) و آزمون فشار در دمای محیط قرار گرفتند.
3- یافتهها

چنانکه در شکل 1 نشان داده شده است، توزیع ذرات فاز تقویت کننده در زمینهی کامپوزیت تولید شده در دماهای ریختهگری 800 و °C850 مطلوب و قابل قبول است، اما در دمای °C950 چنین نیست.



(الف)

(ب) (ج)
شکل 1- نحوه توزیع ذرات فاز تقویت کننده در کامپوزیتهای تولیدی با 5/1 درصد حجمی MgO، ریختهگری شده در دماهای الف) 800، ب) 850 و ج) °C950.

دانسیتهی تجربی اندازهگیری شده برای نمونههای کامپوزیتی در طول میلههای ریختهگری شده، در جدول 1 آمده است.
جدول 1- دانسیته نمونههای کامپوزیتی Al-nano MgO
مقدار MgO (%vol)
دمای ریختهگری (°C)
دانسیته تجربی اندازهگیری شده در طول نمونه (g/cm3)
دانسیته تئوری (g/cm3)
بالا
وسط
پایین
5/1
800
68/2
64/2
68/2
66/2
850
66/2
64/2
61/2
950
65/2
64/2
68/2
5/2
800
69/2
68/2
69/2
67/2
850
67/2
67/2
66/2
950
67/2
67/2
66/2
دانسیتهی تئوری نمونهها با استفاده از قانون مخلوطها محاسبه شده است.
(1)
در رابطهی 1 که به قانون مخلوطها موسوم است، و به ترتیب چگالی آلیاژ آلومینیم زمینه و پودر MgO و VAl و VMgOدرصد حجمی این دو ماده هستند.
شکلهای 2 و 3 به ترتیب نمودارهای عدد سختی برینل و استحکام فشاری نمونهها را برحسب درصد حجمی فاز تقویت کننده MgO در دماهای ریختهگری متفاوت نشان میدهند.


شکل 2- عدد سختی برینل نمونههای کامپوزیتی Al-nano MgO.



شکل3- استحکام فشاری نمونههای کامپوزیتی Al-nano MgO.


4- بحث

همان طور که در شکل 1 دیده میشود، توزیع ذرات فاز تقویت کننده در زمینهی کامپوزیت تولید شده برای دماهای ریختهگری 800 و °C850 مطلوب است. در دمای ریختهگری °C950 (شکل 1-ج)، این ذرات در کنار هم تجمع میکنند. این مسأله را میتوان به فوق تبرید بالا و در نتیجه طولانیتر شدن زمان انجماد نسبت داد که در نتیجهی آن فاصلهی بازوهای دندریتی ثانویه، که محل مناسبی برای تجمع ذرات ناخالصی و آخالها هستند، افزایش مییابد. لذا شرایط برای تجمع ذرات تقویت کننده در کنار یکدیگر فراهم میشود.
همان طور که از رابطهی 1 (قانون مخلوطها) بر میآید، دانسیتهی تئوری نمونههای کامپوزیتی مستقل از دمای ریختهگری است و فقط به کسر حجمی مواد تشکیل دهنده بستگی دارد. اما از آنجایی که در فرایند ریختهگری کامپوزیتها جدایش ذرات فاز تقویت کننده به دلیل اختلاف بین دانسیتهی مذاب آلیاژ زمینه و ذرات تقویت کننده رخ میدهد، لذا دانسیتهی تجربی محاسبه شده در طول میلههای ریختهگری شده در این پژوهش متفاوت است. به علاوه، حضور حفرات گازی و انقباضی نیز باعث ایجاد پراکندگی در دانسیتهی تجربی نمونههای کامپوزیتی میشود. با وجود این، در کل تطابق خوبی بین مقادیر تئوری و تجربی مشاهده میشود که حاکی از پراکندگی مناسب ذرات فاز تقویت کننده در طول میلههای ریختهگری شده است.
شکل 2، عدد سختی برینل نمونههای کامپوزیتی ریختهگری شده در کنار آلیاژ آلومینیم ریختگی A356 زمینه را جهت مقایسه نشان میدهد. همان طور که ملاحظه میشود، افزودن مقدار اندکی از ذرات سرامیکی و سخت پودر MgO با ابعاد نانومتری باعث افزایش قابل ملاحظه در سختی آلیاژ زمینه میشود. این افزایش به دلیل پراکندگی خوب ذرات فاز تقویت کننده است.
شکل 3 استحکام فشاری نمونههای کامپوزیتی را در دمای اتاق نشان میدهد. در این نمودار استحکام فشاری آلیاژ زمینهی ریختگی نیز جهت مقایسه آورده شده است. همان طور که از این نمودار بر میآید، افزودن مقادیر 5/1 و 5/2 درصد حجمی از ذرات MgO باعث افزایش استحکام فشاری آلیاژ زمینه میشود. همان طور که در شکل دیده میشود، برای نمونههای کامپوزیتی با افزایش دمای ریختهگری استحکام فشاری کاهش مییابد. این امر را میتوان به بیشتر شدن مقدار گازهای جذب شده و در نتیجه افزایش حفرات گازی در نمونه نسبت داد. ذرات تقویت کننده در کامپوزیتهای ذرهای، آخال و ناخالصی به حساب میآیند که محلهای مناسبی برای جوانهزنی حفرات گازی هستند. از این رو، در نمونههای حاوی 5/2 درصد حجمی از ذرات فاز تقویت کننده محلهای بیشتری برای جوانهزنی حفرات گازی وجود دارد که باعث کمتر شدن استحکام فشاری این نمونهها نسبت به نمونههای حاوی 5/1 درصد حجمی فاز تقویت کننده MgO میشود. با این وجود، استحکام فشاری نمونههای کامپوزیتی تولید شده بیشتر از آلیاژ زمینه است.

5- نتیجه گیری

1- کامپوزیت زمینه فلزی ذرهای Al-nano MgO به روش ریختهگری گردابی با موفقیت تولید شد.
2- مشاهدهی ریزساختار نمونههای کامپوزیتی نشان داد که توزیع ذرات فاز تقویت کننده در آلیاژ زمینه برای دماهای ریختهگری 800 و 850 درجهی سانتیگراد مطلوب و مناسب است.
3- دانسیته تجربی نمونههای تولید شده با مقادیر تئوری محاسبه شده تطابق خوبی دارد.
4- افزایش مقدار ناچیزی از ذرات فاز تقویت کننده باعث افزایش سختی و استحکام فشاری آلیاژ زمینه میشود.

منبع:انجمن فنی مهندسی