بررسی عوامل موثر برریز دانگی آلیاژهای آلومینیوم

[anjello 2427]

چكيده :

در تحقيق حاضر تاثير انواع متغير هاي ريخته گري را بر روي ريز دانگي آلیاژهای آلومینیوم مطالعه و بررسي شده است. تحقيقات نشان داده است كه عوامل متعدد و روشهاي گوناگوني جهت ريز دانگي آلياژهاي آلومينيوم وجود دارد. بطور عمده به سه روش گرمايي (1-سرعت سرد كردن 2-فوق ذوب 3-فشار ) ، شيميايي (1- مواد جوانه زا 2-پودر فلزات ) و ديناميكي (1-لرزانش 2-حبابهاي گازي 3-پوششهاي فرار) تقسيم بندي مي شوند. در پروژه حاضر عوامل و روشهاي گوناگون به طور مطلوبي بررسي شده و يكي از روشها كه لرزانش مذاب است بطور عملي آزمايش گردیده است. به اين منظور 6 نمونه ریخته شده و مورد بررسيهاي ماكروسكوپي قرار گرفتند. این بررسی ها نشان داد كه در عمليات لرزانش ريزدانگي به صورت بسيار خوبي صورت گرفته است ولي در عين حال سبب افزايش خلل وفرج شده است.

 

مقدمه

عموما ساختارهای ریز دانه دارای خواص مطلوب تری از ساختارهای درشت دانه می باشند.به این منظور همواره ریخته گران به دنبال یافتن روشهای برای ریز کردن دانه ها می باشند.اضافه کردن جوانه زا به مذاب متداول ترین روش ریز کردن دانه ها می باشد. علاوه بر این روش، عوامل و روشهای دیگری نیز برای ریز کردن دانه ها وجود دارد که در شرایط خاص مورد استفاده قرار می گیرند. این پژوهش در پی آن است که عوامل و روشهاي گوناگون مطرح در مقالات منتشر شده را به طور خلاصه بررسی نماید. همچنین روش لرزانش مذاب در همگام انجماد را بصورت عملی مورد آزمایش قرار دهد.

 

 

1-بررسی مقالات علمي :

روشهای ریز کردن دانه بندی آلیاژهای آلومینیوم بطور عمده به سه روش گرمايي (1-سرعت سرد كردن 2-فوق ذوب 3-فشار ) ، شيميايي (1- مواد جوانه زا 2-پودر فلزات ) و ديناميكي (1-لرزانش 2-حبابهاي گازي 3-پوششهاي فرار) تقسيم بندي مي شوند، که در زیر به تفکیک مورد بررسی قرار می گیرند.

 

1- 1- روشهاي گرمايي:

 

1-1-1- تاثير سرعت سرد كردن بر اندازه دانه:

سرعت سرد شدن به عنوان يك پارامتر مهم در انجماد قطعات ريختگي همواره مورد توجه بوده است . سرعتهاي انجمادي مختلف باعث تغيير ريز ساختار ، اندازه دانه ، مورفولوژي سيليسيم يوتكتيكي ، فاصله بين بازوهاي دندريت و فازهاي بين فلزي و بطور كلي خواص مكانيكي آلیاژ های آلومينيم مي گردد .

براي بررسي اثر سرعت سرد كردن دو گونه آزمايش انجام شده است. تعدادی با استفاده از نمونه پله اي جهت بررسي اثر ضخامتهاي مختلف (سرعتهاي مختلف سرد شدن ) بر روي ريز دانگي و تعداد دیگری با استفاده از انواع مختلف قالب ( جنس قالب و ميزان انتقال حرارت در آن ) به بررسی اثر نوع قالب بر روي ريز دانگي پرداخته اند.

پس از بررسي نمونه ها مشاهده گرديده است با افزايش ضخامت از 5 تا 30 ميليمتر اندازه دانه ها زياد مي شود علت افزايش اندازه دانه در ضخامتهاي بالاتر افزايش زمان انجماد و كاهش سرعت سردشدن مي باشد كه منجر به ايجاد دانه هاي درشت تر در انتهاي انجماد مي گردد . با توجه به نتايج تجربی بدست آمده ( شکل (1)) مقدار افزايش اندازه دانه حدود 8 درصد مي باشد. [1]

 

 

 

شکل (1) نتايج حاصل از اتدازه دانه در ضخامت مختلف نمونه پله اي[1]

 

 

براي بررسی اثر نوع قالب نمونه هايي در قالب هاي ماسه اي و فلزي ریخته شده و نتايج حاصل را بر روي اندازه دانه در جدول (1) مشاهده مي كنيم:

 

 

جدول (1)تاثير سرعت سرد شدن با تغيير نوع قالب و دمای فوق گداز بر روي اندازه دانه های نمونه های آلومینیومی ریخته شده:

 

 

1-1-2- اثر فوق ذوب بر ريز دانگي آلياژهاي آلومينيوم:

دماي فوق گداز کم سبب کاهش اندازه دانه در قطعات آلومينيومي مي گردد. در صورتي كه فوق گداز زیاد باعث درشت دانگي می گردد. به خلاصه نتایج آزمایشات تجربی در جدول (1) توجه کنید.[2]

 

 

1-1-3- تاثير فشار در ريز كردن دانه ها :

با افزايش فشار نقطه ذوب اكثر آلياژها در يك دماي مطلق افزايش يافته بنابراين با افزايش فشار يك مادون انجماد حرارتي بوجود آمده و سرعت جوانه زني به شدت افزايش مي يابد و از طرف ديگر با افزايش فشار فاصله هوايي ميان قالب و مذاب از ميان رفته سرعت انتقال حرارت افزايش يافته و يك ريز دانگي نسبتا مطلوبي را مي توان حاصل مي شود. [3]

 

1- 2- روشهاي شيميايي

1-2-1- ريز دانگي با استفاده از ريز كننده ها Ti)،B، Zr، (Sc:

افزايش برخي عناصر آلياژي،بدون آنكه تاثير قابل ملاحظه اي از نظر آلياژي كردن داشته باشند،باعث ريز شدن دانه ها مي شوند .

ريز كننده ها ذرات معلق در مذاب هستند كه مانند هسته هاي غير يكنواخت در انجماد عمل مي كنندوبا افزايش مراكز جوانه زني موجب كوچك و يكنواخت شدن دانه ها مي شوند .نقطه ذوب بالا ،شباهت ساختمان كريستالي ونزديكي ابعاد سلولي آن به ساختمان جامد آلومينيوم، قابليت چسبندگي وآغشته پذيري بالااز مشخصه هاي عمومي اين ذرات است. [4]

نتايج حاصل از آزمايشات حاکی از اين است که استفاده ازTi در حد 1/0 تا 15/0 درصد، جهت ريزدانگی آلياژهایAl موثر است. آزمایشات بیشتر نشان داد که B اثر بیشتری در ریز کردن دانه نسبت به Ti دارد. این نتیجه زمانی معکوس میشود که Al خالص یا آلیازهای بالای 98%Al ریخته شود.

اضافه کردن Zr و Sc به صورت مجزا و يا ترکيبی در آلياژهای 356 نتايج مشابهی نسبت به Ti و B داشته است. Zr در محدوده %3/0- %1/0 بهترين رسوبات وذرات اينترمتاليک را برای جلوگيری از رشد دانه ها و بازيابی آنها در آلياژهای کارشده Al دارد. افزودن Zr در آلياژهای ريختگی Al مفيد بودن آنرا برروی ريزدانگی ثابت می کند اما تاثيركمتري نسبت به Ti دارد . Zr را می توان به صورت آميژان Al- Zr ويا Zr اسفنجی اضافه نمود .افزايش واندازه گيری باقيمانده بعد از عمليات ريزدانگی به عمل ذوب و عملياتی نظير گاززدايی و زدن فلاکس بستگی دارد . بطور کلی می توان گفت که تاثير همه ريز کننده ها با غلظت تغيير می کند . Sc در محدوده 75/0- 39/. درصد و Zr در محدوده 69/0 - 37/0 درصد ريز کننده می باشند.

گزارشات نشان میدهند که Sc بر روی ريزدانگی آلياژهای کار شده Al موثر است وسبب بهبودی خواص مکانيکی آنها می شود. در سال 1971 مشخص شد که افزايش 5 – 01 /0 درصد از Sc در آلياژهای کار شده Al سبب بهبود خواص فيزيكی و خواص کششی آن می شود . همچنين نشان داده شده که با انتخاب شرايط دما و زمان جهت عمليات پيرسازی Sc در Al ترکيب می شودو فاز AL3 Sc شكل گرفته و پايدار می شود که رسوباتی کاملا کروی شکلی تشکيل می دهند . طبق گزارشات Sc سبب افزايش پراکندگی و نيز افزايش استحکام ريزدانگی ونيز جلوگيری از تبلور مجدد می شود . مسلما کاربرد آن مخصوصا در کشش های عميق و قطعات کار شده سبب افزايش استحکام تا بالای 50% استحکام آلياژهای Al می شود. بنابر اين سبب بهبودی داکتيله و کاهش و حذف ترکهای گرم در اغلب آلياژهای Al خواهد شد. [5]

 

1-2-2- استفاده از پودر فلزات بعنوان جوانه زا:

در اين روش آلياژ 7075به عنوان آلياژ مبدا و با توجه به عناصر موجود در اين آلياژ از پودر آلومينيوم، پودر برنج30-70 و پودر آلومينيوم-برنز(10-90) استفاده به عمل آمده است. در زمان ذوب اقدامات لازم براي جلوگيري از آلودگي مذاب انجام گرفت و پس از ذوب با توجه به كنترل دما در محدودهء oC750 با استفاده از قرصهاي C2Cl6انجام گرفته و دردماي حدود 10oC+720 جوانه زنی بر حسب ضرورت انجام گرفته است، با كنترل صحیح زمان نگهداري نشان داده شده است که اندازه دانه ها در اين روش ريز كردن ، با تلقيح ساير مواد جوانه زا يكي مي باشد وبطور كل به دليل كم بودن زمان ميرايي و حل شدن سريع اين جوانه ها در مواردي كه زمان سرعت ريخته گري بالا است و زمان ميرايي نداريم از اين روش ميتوان استفاده نمود. [6]

 

1- 3- روشهاي ديناميكي

1-3-1- بررسي اثرات لرزانش مذاب در خلال انجماد بر روي ريز دانگي آلياژهاي آلومينيم :

بررسي هاي به عمل آمده بيانگر مزاياي فراوان لرزانش مذاب در حين انجماد است. در اثر اين عمليات ساختار دانه بندي قطعات ريختگي از حالت ستوني به محوري ظريف تبديل مي گردد. البته اثرات قابل توجه اين عمليات بر اصلاح و ظريف سازي ساختار دانه بندي در شرايطي حاصل مي گردد كه مذاب در حال انجماد به مدت زمان نسبتا زياد تحت عمليات لرزانش مكانيكي قرار گيرد .

اثرات قابل ملاحظه لرزانش مذاب بر ساختار ميكروسكوپي ناشي از ايجاد جريانات شديد داخلي در مذاب است. با شروع انجماد جوانه هاي منجمد شده عمدتا در نزديكي ديواره هاي قالب جمع مي گردند. از طرفي در شرايط طبيعي رشد دندريتي از ديواره ها شروع وبه سمت مناطق داخلي پيش مي رود . لرزانش مذاب از يك سو سبب توزيع جوانه هاي منجمد شده در همان شروع انجماد به سمت مناطق داخلي و مركزي مي گردد . از طرفي تشكيل مجدد جوانه ها در نزديكي ديواره ها به دليل انتقال حرارت شديد در اين مناطق براي ادامه انجماد ضروري است. در واقع لرزانش مذاب با جلو گيري از تجمع جوانه ها در نزديكي ديواره هاي قالب از رشد آنها جلوگيري كرده و سبب مي گردد كه انجماد با تعداد بسيار بيشتري از جوانه هاي توزيع شده در مناطق مختلف قطعه شروع و ادامه يابد كه اين خود سبب ظريف شدن ساختار ميكروسكوپي وماكروسكوپي مي گردد. از طرفي لرزانش مذاب با اعمال نيروهاي شديد داخلي در مذاب سبب خرد شدن بازوهاي دندريتي در حال رشد مي گردد اين عمل سبب توزيع بيشتر و بهتر و افزايش قابل توجه تعداد جوانه هاي جامد در مذاب در حال انجماد گرديده و عمليات لرزانش مذاب از اين طريق نيز سبب افزايش سرعت جوانه زني و نهايتا ظريف سازي ساختار مي گردد . همچنين ارتعاشات بوجود آمده سبب بوجود آمدن يك موج سينوسي در مذاب مي گردد كه اين امرخود باعث افزايش فشار در برخي از نقاط در داخل مذاب شده و افزايش فشار طبق معادله كلاسيوس كلاپايرون باعث افزايش نقطه ذوب در برخي از نقاط شده و در يك دماي مطلق سبب بوجود آمدن يك مادون انجماد حرارتي در مذاب در حال انجماد شده كه اين نيز به نوبه خود در تشكيل جوانه و ايجاد ساختاري با دانه هاي ريز مؤثر مي باشد. لرزانش مذاب همچنين با افزايش انرژي داخلي مذاب و حركت بهتر سيال سبب بهبود شرايط در مذاب رساني به منظور جبران تخلخل هاي انقباضي مي گردد و از اين طريق سبب كاهش تخلخل در قطعات ريختگي مي گردد. البته به منظور رسيدن به بهترين شرايط از نظر كاهش تخلخل مي بايست پارامترها در لرزانش مذاب در شرايط بهينه تنظيم گردند . بر اساس تحقيق به عمل آمده در بسياري از موارد افزايش شديد دامنه ارتعاشات در لرزانش مذاب آلياژهاي Al - Si مي تواند بجاي كاهش تخلخل سبب افزايش تخلخل گردد. [7]

 

 

1-3-2 - ريز كردن دانه ها از طريق هم زدن مذاب با استفاده از حبابهاي گاز در خلال انجماد :

آزمايشات نشان داده است كه فرآيند ايجاد حباب گاز (بوسیله دمش گاز) در هنگام انجماد مي تواند در توليد شمشهاي با ساختار هم محور در شرايط تجربي بطور وسيعي مؤثر باشد . با استفاده از تجربيات موجود بايد نتيجه گيري كرد كه هم زدن فلز مذاب در قالب موجب افزايش و تشويق تشكيل ساختار هم محور مي شود .

در حال حاضر مكانيزم تشكيل ديناميكي ساختارهاي هم محور با چهار نظريه مختلف بيان مي شود اين مكانيزمها عبارتند از :

1- مكانيزم حفره اي، كه در سيستم های تحت انرژي ارتعاشي بالا قرار گرفته باشد، عمل می کند.

2- مكانيزم تكثير بلوري، كه مي تواند در اثر تشديد انتقال حرارت از مذاب و در نتيجه توليد نوسانات درجه حرارت كه باعث ذوب شدن جزئي شاخه هاي انجماد مي شود فعالتر گردد.

3- مكانيزم بارشي، كه با تشكيل يك منطقه هم محور در سطح آزاد مذاب شروع شده واز آنجا ذرات بلوري در اثر هم زدن مكانيكي بصورت بارشي بطرف پايين سرازير مي شوند تا تشكيل يك منطقه هم محور مركزي را بدهند.

4- مكانيزم جدايش بلورها، كه در مراحل اوليه انجماد اتفاق مي افتد و در آن بلورهاي هم محور از ديواره قالب و يا از سطح سرد شده مذاب شروع شده و بصورت يك شكل ساده رشد كرده و قبل از تشكيل پوسته جامد پايدار از هم جدا مي شوند . اين بلورها رسوب كرده و به هم آمده و تشكيل منطقه هم محور مركزي را مي دهند.

بجز مكانيزم حفره اي كه تاثير ضعيفي بر روي تشكيل بلورهاي هم محور دارد ساير مكانيزمها مي توانند بوجود آمده و هر يك از طريق مكانيزم خاص خود در تشكيل بلورهاي هم محور نقش داشته باشند.

در كل توسط اين چهار مكانيزم ريز دانگي حاصل مي شود و افزايش دبي گاز بيشتر از يك ليتر در دقيقه فقط در افزايش منطقه ريز شده نقش داشته و در ريز كردن بيشتر دانه ها نقشي ندارد.[8]

 

1-3-3 - ريز كردن دانه ها با استفاده از پوششهاي فرار:

پوششهاي فرار بر روي دیواره داخلی قالب میتواند باعث ريز شدن ديناميكي دانه هاي شمش آلومينيومي شود. در اينجا عملكرد پوششهاي فرار را بر روي ريز دانگي و استحكام نهايي وبررسي هاي ميكروسكوپي از قبيل ريز مك (micro porosity) بررسي ميگردد.

اين روش بر اساس به كار گيري يك پوشش فرار مناسب بر روي سطوح قالب استوار است پوشش مذكور از مخلوط هگزا كلرور اتان (C2Cl6)و پودر آلومينا با نسبت مشخصي از آب تهيه مي گردد.

هنگامی که مذاب وارد قالب می گردد بلا فاصله جوششی از حبابهای گازی در حين انجماد مذاب به وجود می آيد که مربوط به هگزاکلرور اتان فرار و بخار مرطوب در پوشش است.

اين جريانات اغتشاشی باعث فعال شدن جوانه زنی شده ودر نتيجه ريز شدن ديناميکی دانه ها را در پی خواهد داشت . اين روش را می توان برای ريخته گری فلزات و آلياژهای غيرآهنی به خوبی مورد استفاده قرار داد . اگر چه موادی که بتوانند به عنوان ناقل مناسبی برای هگزاکلرور اتان در پوشش دادن قالب به کار روند متعددند ولی تجربه نشان داده است که بهترين مخلوط به عنوان ناقل هگزاکلرور اتان پودر آلومينا همراه با آب است. جهت فعال کردن مخلوط حداقل 10% هگزاکلرور اتان مورد نياز است. اگر چه برای اطمينان از ايجاد شدن کامل حبابهای گازی مقدار 50% هگزا کلرور اتان توصيه می شود تجربه نشان میدهد که هيچ تمايزی نمی توان بين گازهای متصاعد شده از پوشش فوق و گازهايی که از مواد ديگر بدست می آيد قايل شد . اثر پوشش مورد بحث دراين فرآيند در فوق گدازهای پايين زيادتر بوده و به تدريج با افزايش ديواره قالب فوق گداز ثابت می ماند هنگامی که فوق گداز افزايش می يابد با وجود آن که در ابتدای ديواره قالب مقدار ناچيزی از نواحی ستونی وجود دارد اما به تدريج اثر ريز کنندگی دانه ها از بين خواهد رفت . دامنه فوق گداز جهت موثر بودن اين روش از مقادير خيلی کم تا 80 درجه سانتیگراد مشاهده شده است. [9]

 

2- روش آزمايش عملي بررسي اثر لرزانش مذاب بر روي ريزدانگي :

جهت ريختن نمونه هاي آزمايشي از شمش Al-5%Si استفاده شده است.ذوب شمش در بوته گرافيتي و در كوره زميني صورت گرفت. پس از اينكه شمش در بوته ذوب گرديد با قرار دادن ترموكوپل در آن دماي ذوب كنترل شده و طي تمام آزمايشات دماي 750oC بوده است.

قالبهاي تهيه شده از جنس ماسه CO2 بوده كه جهت طولاني بودن زمان انجماد از آنها بهره گرفته شده است. طي اين آزمايش 6 نمونه ریخته گری شد كه سه تاي آنها در حالت Static (عادي) و سه تاي ديگر در خالت لرزش ريخته گري شدند. برای ایجاد لرزش قالب بر روی دستگاه ویبره قرار داده می شد. دستگاه ویبره مورد استفاده در این آزمایش دارای فرکانس Hz15 و ارتفاع موج 5 میلیمتر بود.

پس از عمليات ريخته گري نمونه ها را از وسط بريده وپس از پوليشكاري نمونه ها آنها رادر محلول اچ با تركيب شيميايي زير اچ كرده و نمونه ها را ماكرو اچ نموديم :

H2O 25ml , HNO3 45ml

HCL 25ml , HF 25 ml

 

نحوه تعیین درصد تخلخل به این صورت بوده است که ابتدا قسمتی از نمونه تعیین شده و سپس نسبت سطح تخلخل را به سطح کل قسمت مذکور محاسبه نمودیم و تعیین اندازه دانه ها به این شکل بوده است که نمونه هایی که ویبره نشده بودند راتوسط خط کش و نمونه هایی را که عمل ویبره روی آنها انجام شده بود در زیر میکروسکوپ وبا بزرگنمایی 50× اندازه آنها را بدست آوردیم.

 

3-نتایج آزمایش:

 

نمونه های متالوگرافی شده در شکل (2) و (3) مشاهده میگردد.

 

 

 

شکل (2) ساختار ماکروسکپی نمونه شماره 3 ( ریخته گری Static )

 

 

شکل (3) ساختار ماکروسکپی نمونه شماره 1 ( ریخته گریVibrated )

 

چنانچه مشاهده میکنید اسنفاده از لرزش اثر شدیدی در کاهش اندازه دانه داشته است. نتايج حاصل از اندازه گیری های ساختار نمونه های ریخته شده در جدول(2) خلاصه شده است.

 

 

جدول (2) اندازه دانه و درصد تخلخل در نمونه های مورد آزمایش

 

 

 

3-1-نتیجه گیری از آزمایش:

پژوهش حاضر نشان مي دهد كه لرزانش مذاب در حين انجماد اثرات قابل ملاحظه اي بر ساختار ماكروسكوپي آلياژهاي Al - Si دارد در اين آلياژها لرزانش مذاب سبب تشكيل دانه هاي محوري ريز به جاي دانه هاي درشت و ستوني در ساختار ماكروسكوپي مي گردد. (جدول 2) از طرف دیگر مشاهده می گردد که با ریز شدن دانه بندی، میزان تخلخل بشدت افزایش یافته و از چند درصد به بیش از 10 درصد افزایش یافته است. این امر باعث میگردد که بهبود خواص مکانیکی که از ریز بودن دانه بندی انتظار میرود بدلیل وجود تخلخل زیادتر حاصل نگردد.

این بدین معنا است که ریز کردن دانه ها به وسیله لرزانش باعث افزایش تخلخل نیز می گردد و در نتیجه در مجموع باعث میگردد خواص مکانیکی افزایش نیابد و در نهایت قطعات تولیدی دارای کیفیت کمی باشند. این موضوع (ایجاد تخلخل) محدودیتی است که گسترش استفاده از لرزانش را در تولید قطعات تا ده ها سال پس از دست یابی بشر به این دانش فنی در دهه 1930 میلادی به تاخیر انداخت. در دهه 1960 میلادی تکنولوژی استفاده از (Hot Isostatic Press) HIP به منظور مسدود کردن تخلخل ها پس از ریخته گری باعث گسترش استفاده از لرزانش در تولید قطعات ریخته گری گردید.[10]

HIP روشی است که در آن قطعات در دماهای بالا تحت فشار همه جانبه بالایی قرار میگیرد و طی آن تخلخل های درونی قطعه از بین می رود.

اندازه متوسط دانه ها بشدت به دامنه ارتعاشات بستگي دارد و با افزايش دامنه ارتعاشات اندازه دانه ها كاهش مي يابد. از طرف ديگر لرزانش مذاب سبب ريزتر و كروي تر شدن فاز سيليسيم مي گردد اين عمليات در صورت كم بودن دامنه ارتعاشات سبب كاهش مقدار تخلخل مي گردد ولي در نمونه ريخته شده به دليل زياد بودن دامنه ارتعاشات افزايش ميزان تخلخل مشهود مي باشد.