شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی

عملیات رسوب سختی در آلیاژهای آلومینیوم

عملیات رسوب سختی در آلیاژهای آلومینیوم

ارسالی از : قاسم رشید

 

چکیده

در این تحقیق روشی نوین برای رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم ارائه شد.دراین روش پس از عملیات محلول سازی، سطح مورد نظرتحت عملیات آسیا کاری قرار می گیرد و در نهایت آلیاژ به صورت موضعی و سطحی رسوب سخت می گردد. در واقع انرژی اکتیواسیون فرایند تشکیل رسوبات به طور مکانیکی تامین شده و طی فرایند مکانو شیمیایی رسوبات در دمای محیط تشکیل می شوند.

این فرایند بر روی آلیاژ آلومینیوم ریختگی ۳۵۶A انجام گرفت و نتایج حاصل از سختی سنجی و آنالیزXRD  بررسی گردیدواز مقایسه ی این اطلاعات با نتایج به دست آمده از رسوب سختی مرسوم صحت و عملی بودن این روش تایید گردید.

 

مقدمه

عملیات رسوب سختی یا به بیان دیگر پیرسختی آلومینیم یکی از فرایندهای جدایی ناپذیر در تولید آلیاژهای آلومینیوم می­­باشد که طی چندین سیکل گرم و سرد کردن در مدت­ زمان­های طولانی حاصل می­گردد. هدف از این عملیات بهبود خواص مکانیکی و به ویژه استحکام می­باشد  که از سه مرحله ی

۱- تولید محلول جامد به منظور داشتن محلول جامد همگن

۲- کوئنچ کردن به منظورتولید محلول فوق اشباع

۳- پیرسازی شامل افزایش دما و دادن زمان به منظور نفوذ عناصر آلیاژی و تشکیل رسوبات تشکیل شده است.]۱[  بنابر این همانگونه که استنباط می گردد مکانیزم اصلی پدیده رسوب­سختی برپایه نفوذ عناصر آلیاژی و جوانه­زنی و رشد رسوبات استوار می­باشد که وجود نابجایی ها و تهی جاها به عنوان فاکتورهای موثر در افزایش سرعت نفوذ و کاهش سد انرژی جوانه زنی و رشد،می توانند عواملی موثر و تاثیر گذار در فرایند رسوب سختی باشند.]۲[ اصولا در فرایند رسوب سختی انرژی فعال سازی مورد نیاز جهت نفوذ که شامل نوسان حرارتی اتم ها و تشکیل تهی جاها می باشد،از طریق حرارت صورت گرفته و بنابراین از اهمیت خاصی برخوردار می باشد.ولی این نکته را نیز باید در نظر داشت که علاوه بر دما،زمان نیز عاملی موثر و تاثیرگذار بر این فرایند می باشد .بنابراین برای یک عملیات حرارتی مناسب باید تلفیقی بهینه از این دو پارامتر را در اختیار داشت.]۳[ 

فرایند مکانوشیمیایی نیز همانگونه که از عنوان آن پیداست فرایندی است که طی آن انجام یک واکنش از طریق انرژی حاصل از آسیاکاری حاصل می گرددکه خود آسیاکاری عبارت است از اعمال انرژی مکانیکی جهت ایجاد تغییرات ساختاری.]۴[ فرایندهای مکانوشیمیایی که تاریخچه ای ۴۰ ساله دارد واز آن می توان به عنوان فرایندی نو یاد کرد،بیشتر بر روی پودرهای فلزی صورت می گیرد. به این شکل که پودرهای فلزات را با هم مخلوط شده ودر محفظه ای در حضور یک عامل خردکننده تحت انرژی مکانیکی قرار می گیرند.در این فرایند انرژی فعال سازی تشکیل آلیاژ و یا نفوذ پودرهای آلیاژی در هم و یا به عبارتی دیگر جوش سرد از طریق انرژی مکانیکی تامین می گردد.]۵[از کاربردهای این فرایند می توان به احیاء اکسید،سولفیدوکلرید فلزات و در نهایت تولید فلز خالص اشاره کرد واز مشخصه های بارز این فرایند تولید محصولات نهایی با ابعاد نانو می باشد که از اهمیت خاصی برخوردار است.]۶[

با توجه به مشکلات ناشی ازکنترل دما و زمان در فرایند رسوب سختی ، در فرایند پیشنهادی در این پژوهش انرژی فعال­سازی لازم برای پدیده نفوذ با استفاده از انرژی مکانیکی تامین شده و از این طریق جایگزینی مناسب برای عملیات حرارتی مرسوم رسوب سختی ابداع و معرفی گردیده است.

آقای سوریانارایانا ]۴ [  وهمچنین آقای عطایی و همکارانش ]۵ [ پدیده نفوذ و تأثیر انرژی مکانیکی بر آن را حین عملیات مکانوشیمیائی در دمای محیط بررسی نموده­اند از طرفی دیگر آقای اورتیز و همکارانش]۷[ به بررسی اثر کار مکانیکی بر روی خواص استحکامی و خواص سایشی] ۸[ آلیاژ ۲۰۲۴ و آقای اونلو و همکارانش]۹ [به بررسی اثرکار سرد برروی شکل رسوبات در این آلیاژ قبل از پیرسازی مصنوعی پرداخته­اند.

شکل رسوبات وخواص پیرسختی حرارتی آلیاژهای مورد بررسی از مقالاتی که به مدل سازی فرایند پیرسختی در این آلیاژها پرداخته بودند، استخراج گردید.]

در این پژوهش از آلیاژ ریختگی A356 که خواص رسوب سختی طبیعی کمی دارد ]۱۴[، استفاده گردید.

از مهمترین اهداف در این مقاله این است که بتوان اثر کار مکانیکی برروی رسوب سختی]۱۶[ را از اثر کار سخت متمایز کرده و نشان داد فرآیند مکانوشیمیائی عامل اصلی رسوب­گذاری می­باشد که در این راستا از الگوی پراش اشعه X ]15[و میکرو سختی سنجی استفاده شده است.

از مزایای این روش می­توان به حذف چندین سیکل عملیات حرارتی در خط تولید و درنتیجه کاهش تغییرات ابعادی حرارتی ،کاهش آلودگی­های زیست محیطی، امکان رسوب سختی موضعی بصورت سطحی ،عملی بودن این فرایند در دمای محیط،حذف فرایندهایی از جمله فراپیری(کاهش حساسیت فرایند رسوب سختی به زمان و دما)،توزیع همگن ترو رسوبات با اندازه های بسیار ریز،تولید دانه ها ی بسیار ریز در ابعاد نانوو در نهایت خواص استحکامی مناسب تر اشاره نمود.

 

مواد و روش تحقیق

آلیاژ آلومینیوم ریخته­گی ۳۵۶A به صورت شمش از کارگاه ریخته­گری جهاد دانشگاهی مشهد خریداری گردید. سپس با استفاده از عملیات ماشین کاری،شمش به استوانه­ای با قطری معادل کف ظرف دستگاه آسیاکاری تبدیل و نمونه­های مورد نیاز با استفاده از کاتر Struers Labtom-3 با ضخامتی برابرmm 5 در راستای ارتفاع استوانه برش زده شدند.

رینگ­های پلاستیکی جهت آ­ب بندی بین ظروف آسیا کاری و نمونه­ها در راستای جلوگیری از حرکت آن­ها در حین عملیات مکانوشیمیایی، طراحی گردیدند.

جدول شماره ۱ ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم خریداری شده را نشان می­دهد.

 

Zn Mn Fe Mg Si نام عنصر
۰۶/۰ ۰۵/۰ ۱۳/۰ ۴/۰ ۰/۷ درصد وزنی

جدول شماره ی ۱ ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم ریخته­گی ۳۵۶A

 

از طرفی دیگر عامل خرد کننده نیز از گویچه­هایی با قطرهای mm8 ،mm 10 و mm12  از جنس فولاد زنگ نزن انتخاب و خریداری شد.

نمونه­های آلومینیومی برای سختی سنجی به آزمایشگاه متالوگرافی دانشگاه فردوسی مشهد فرستاده شده و توسط دستگاه Buhler hardness measurement سختی سنجی شدند. در این راستا فرورونده کروی دستگاه سختی سنج برینل با قطر ۱ میلیمتر و بار اعمالی kgf10 به مدت ۳۰ ثانیه برای اندازه­گیری سختی، مورد استفاده قرار گرفت.برای جلوگیری از خطا در سختی سنجی از سه نقطه ی سطح سختی سنجی صورت گرفته و میانگین آن گزارش شد. سختی نمونه­های خام ثبت گردید.سپس نمونه­های آلومینیومی برای عملیات فوق اشباع سازی به واحد عملیات حرارتی فرستاده شدند ودر کوره Exciton xs 1200  به مدت ۱۰۰ دقیقه تحت دمای c530 قرار گرفتند و نهایتاً در مخلوط آب و یخ کوئنچ شدند.سپس دو نمونه یکی برای سختی سنجی و دیگری برای آنالیز XRD از این نمونه­ها جدا گردید.

نمونه­ها بلافاصله در کف ظروف دستگاه آسیاکاری Planetary Ball mill دو محفظه­ای قرار گرفته و با جاسازی رینگ­ها کاملاً آب بندی شدند و سپس عامل خرد کننده با درصدی معادل ۶۷% کل حجم ظرف آسیاکاری درنظر گرفته شد که با توجه به این مطلب ۴۵ گوی سهم هر ظرف آسیاکاری شد. جدول ۲ توزیع گوی­ها در هر ظرف آسیاکاری را نشان می­دهد.

 

mm12 mm10  mm8
۱۵ ۱۵ ۱۵

جدول ۲ نشان دهنده ی توزیع گوی ها در هر ظرف آسیاکاری

 

نمونه­ها برای مدت زمانهای ۱۲ ، ۲۴ و  ۳۶ ساعت تحت عملیات مکانوشیمیایی قرار گرفتند.

فرکانس دستگاه آسیاکاری به گونه­ای انتخاب گردید که دما در حین آسیاکاری از c (70-50) تجاوز نکرده و انرژی برخورد هم کاهش چشمگیری پیدا نکند. به این منظور سرعت بهینهrpm200 برای این عملیات انتخاب گردید.

پس از کامل شدن عملیات، نمونه­ها برای بررسی سختی به آزمایشگاه متالوگرافی وبرای آنالیز XRD فرستاده شدند.

عملیاتی مشابه آنچه برای آماده سازی آلیاژهای آلومینیوم برای قرار گرفتن در ته ظروف آسیاکاری صورت گرفت، برروی آلومینیوم خالص نیز انجام شد.که البته در این حالت هیچ گونه عملیات حرارتی بر روی نمونه ها انجام نشد وفقط تحت کار مکانیکی قرار گرفتند. نتایج سختی سنجی در جدولی جدا ثبت گردید.

 

یافته ها

سختی نمونه های خام  اندازه گیری شده و به طور میانگین ۲/۷۳ HB  گزارش شد.

سختی حاصله از عملیات رسوب سختی حرارتی این آلیاژ در دماهای مختلف از دمایc ( 22-420 ) اندازه گیری و در نمودار ۱ ثبت شد. ]۱۴[

نمودار ۱-منحنی پیرسازی برای نمونه ی A356  در دماهای مختلف

 سختی نمونه های  رسوب سخت شده به روش مکانو شیمیایی نیز در جدول شماره ی ۳ ثبت گردید.

 

 

میانگین

 

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

 

زمان (hr)

 

۴/۸۶ ۲/۸۸ ۲/۸۷ ۴/۸۰ ۷/۸۹ ۱۲
۱۱۵ ۱۱۵ ۱۱۰ ۱۱۴ ۱۲۱ ۲۴
۱۱۴ ۱۱۵ ۱۱۴ ۱۱۳ ۱۱۴ ۳۶

جدول ۳- سختی نمونه های  رسوب سخت شده به روش مکانو شیمیایی

 

سختی سطح مقابل آسیا کاری بعد از آسیا کاری نیز اندازه گیری شد که نتایج در جدول شماره ی ۴ آمده است.

 

۳۶ ۲۴ ۱۲ زمان (hr)
۴/۷۳ ۱/۷۳ ۳/۷۳ سختی متوسط (HB)

جدول ۴- سختی سطح مقابل آسیا کاری بعد اززمان های آسیا کاری متفاوت

 

آلومینیوم خالص هم جهت مقایسه برای زمان های متفاوت فقط تحت آسیا کاری قرار گرفت و نتایج سختی سنجی در جدول شماره ی ۵ ثبت گردید.

 

 

میانگین

 

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

HB

L:10 Kgf

D:1 mm

 

زمان(hr)

 

۳/۷۳ ۴/۷۲ ۵/۷۷ ۲/۷۰ ۱۲
۲/۷۳ ۷/۷۱ ۴/۷۲ ۵/۷۵ ۲۴
۱/۷۴ ۳/۷۸ ۷/۷۱ ۴/۷۲ ۳۶

جدول ۵- سختی آلومِنیوم خالص بعد از زمان های مختلف آسِا کاری

 

نتایج آنالیز XRD  برای ۳ نمونه ی فوق اشباع ، نمونه ی ۱۲ ساعت تحت عملیات مکانو شیمیایی و نمونه ی ۳۶ ساعت تحت عملیات مکانوشیمیایی درشکل ۱ آمده است

 

 

بحث

با توجه به نتایج به دست آمده از سختی سنجی نمونه های تحت فرایند مکانوشیمیایی در جدول شماره ی ۳ و مقایسه ی آن با نمونه های رسوب سخت شده به روش حرارتی که در نمودار ۱ آمده است در       خواهیم یافت که سختی حاصله در این روش از بیشترین سختی تولید شده در روش عملیات حرارتی مرسوم بیشتر   می باشد که می توان این سختی را به دو عامل اثر کار سرد و تشکیل رسوب نسبت داد.اما با توجه به نتایج به دست آمده از اثر کار سرد بر روی آلومینیوم خالص، در صورتی که آلیاژ همگن و عاری از هر گونه رسوب باشد بیشترین میزان کار سختی چیزی حدود  ۱/۷۴ برینل می باشد که این میزان افزایش سختی، مقدار خالص اثر کار سرد را بر روی آلیاژ همگن نشان می دهد.این در حالی است که با حضور رسوبات به عنوان موانعی برای حرکت نابجایی ها که به دلیل کار مکانیکی دانسیته ی آنها به شدت افزایش یافته است ،این میزان افزایش پیدا کرده و میزان کارسختی افزایش چشمگیری پیدا می کند.بنابر این در آلیاژ فوق اشباع شده ی A356 که با توجه به نمودار ۱ میزان رسوب سختی طبیعی ناچیزی در دمای محیط دارد، می توان از رسوبات تشکیل شده در دمای محیط در طی عملیات مکانیکی چشم پوشی نموده و با در نظر گرفتن این نکته که اگر در فرایند مکانوشیمیایی رسوبی تشکیل نمی شد سختی باید حدود سختی آلومینیوم خالص می بود،می توان ادعا کردکه با توجه به افزایش سختی حدود ۳۵% نسبت به سختی آلومینیوم خالص در اثر کار سرد، طی فرایند مکانوشیمیایی رسوبات ریز و همگن تشکیل شده و این رسوبات عواملی مساعد برای مختل کردن حرکت نابجایی ها و در نتیجه افزایش کار سختی و استحکام می باشند.

از سوی دیگر با توجه به آنالیز XRD  نیز می توان به نتایج جالبی اشاره کرد.از بارزترین آنهاکه ناشی از مقایسه ی این سه الگوی XRD است، افزایش شدت پیک عناصر آلیاژی با افزایش زمان فرایند است که صحت نظریه ی نفوذ عناصر آلیاژی از لایه های زیری و حرکت آنها به سمت سطح قطعه که تحت کار مکانیکی می باشد را اثبات می کند.همانگونه که می دانیم اصلی ترین عامل در فرایند رسوب سختی نفوذ عناصر آلیاژی است که در روش رسوب سختی حرارتی اتمها از طریق نوسان های حرارتی انرژی اکتیواسیون لازم برای نفوذ را تولید می کنند در حالی که در فرایند های مکانوشیمیایی با توجه به انرژی برخورد بسیار بالا حین آسیا کاری و تغییر انرژی آزاد یک سیستم با اعمال فشار خارجی می توان از فشار به عنوان عاملی تاثیر گذار بر نفوذ یاد کرد و انرژی اکتیواسیون نفوذ برای تشکیل رسوبات را با فشار به صورت مکانیکی تامین کرد.از سوی دیگر با توجه به کوچک تر شدن شدت پیک های آلومینیوم با افزایش زمان آسیا کاری، با استفاده از قانون دبای-شرر می توان کوچک شدن اندازه دانه ها را اثبات کرد.بنابراین دانسیته ی مرزدانه ها به عنوان مکان هایی مساعد برای جوانه زنی رسوبات افزایش پیدا کرده و از سوی دیگر کرنش بالای ایجاد شده در اثر فرایند آسیا کاری که بیانگر حرکت شدید نابجایی هاست نیز باعث تشکیل عیوب ساختاری می گردد که خود عاملی مساعد برای  افزایش نفوذ عناصر آلیاژی به سمت مرزدانه ها می باشد.بنابر این با توجه به انرژی اکتیواسیون نفوذ ایجاد شده در اثر انرژی مکانیکی و نیز افزایش عیوب شبکه در اثر آسیاکاری ما با نفوذ عناصر آلیاژی به سطح مواجهیم که به دلیل زیاد بودن مکان های مساعد برای جوانه زنی با توزیعی همگن از رسوبات ریز مواجه خواهیم بود که منجر به خواص استحکامی مناسب تری در مقایسه با روش مرسوم می گردد.

 

واحد عملیات حرارتی:
برای افزایش استحکام و سختی یک آلیاژ، تنها دو روش اصلی وجود دارد:
۱- کارسرد
۲- عملیات حرارتی
مهم ترین فرآیند عملیات حرارتی برای آلیاژهای آلومینیوم پیر سختی یا رسوب سختی است. برای استفاده از این روش، باید دیاگرام تعادلی آلیاژ دارای حلالیت جزئی در حالت جامد باشد و شیب خط انحلال بصورتی باشد که قابلیت انحلال در درجه حرارت های بالاتر بیشتر از قابلیت انحلال در درجه حرارت های پایین تر باشد.
پیر سختی یکی از روش های استحکام بخشی به مواد فلزی با اضافه کردن ذره های سخت و کاملاً پراکنده به آن است. با انتخاب مناسب عناصر آلیاژی اضافه شونده و عملیات گرمایی، می توان توزیع مناسبی از رسوب حالت جامد فاز دوم را در زمینه ای که آن رسوبات را درخود حل کرده است پدید آورد. اگر با این عمل فلز استحکام یافت آن را رسوب سختی می نامند که روشی قابل استفاده در سطحی وسیع برای استحکام بخشی آلیاژ ها عملیات حرارت شونده آلومینیوم است.

بطور کلی در عملیات حرارتی پیر سختی (رسوب سختی) سه مرحله وجود دارد:
۱) عملیات حرارتی انحلالی (محلول سازی) در دمای نسبتاً بالا در ناحیه تک فازی به منظور حل شدن عناصر آلیاژی.
۲) کوئنچ (آبدهی) تا دمای محیط برای بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع از این عناصر در آلومینیوم.
۳) پیرسازی (تجزیه کنترل شده محلول جامد فوق اشباع برای تشکیل رسوبات ریز و پراکنده در زمینه فلز).
آلیاژ پس از اینکه در یک مدت مشخص تا یک دمای مشخص در منطقه تک فازی حرارت داده شد، در آب سریع سرد می شود. حال آلیاژ کوانچ شده، یک محلول جامد فوق اشباع است و بنابر این در یک حالت ناپایدار قرار دارد، بطوری که اتم محلول اضافی، تمایل دارد که از محلول خارج شود. منظور از انجام عملیات حرارتی محلول سازی، حصول انحلال کامل عناصر آلیاژی است. در مرحله سوم از عملیات حرارتی پیر سختی، به تجزیه کنترل شده محلول جامد فوق اشباع عناصر آلیاژی اصلی در آلومینیوم برای تشکیل رسوبات ریز و پراکنده در زمینه آلومینیوم پرداخته می شود. به عبارتی مرحله پیر سازی، اجازه دادن به فاز استحکام دهنده جهت رسوب از محلول جـــامد فوق اشبـــاع می باشد اگر این عملیات در دمای محیط و در حالت خود به خودی و به عبارتی بدون عملیات گرمایی انجام شود به آن عملیات پیرسازی طبیعی گفته می شود اما اگر این عملیات با حرارت دادن قطعه در دماهای پایین انجـــــام شود به آن عملیات حرارتی پیرسازی مصنوعی نسبت داده می شود.
در واژگان تخصصی عملیات حرارتی، T6 و T4 به ترتیب به آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر پیر سخت شده مصنوعی و طبیعی آلومینیوم اطلاق می شود.
T1 سرد شده از یک فرایند شکل دهی، با درجه حرارت بالا و پیر شده به صورت طبیعی
T2 سرد شده از یک فرایند شکل دهی، با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T3 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T4 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت طبیعی
T5 سرد شده از یک فرایند شکل دهی با دمای بالا و پیر شده به صورت مصنوعی
T6 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت مصنوعی
T7 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پایدار شده
T8 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد و پیر شده به صورت مصنوعی
T9 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، پیر شده به صورت مصنوعی و سپس کار سرد شده
T10 سرد شده از یک فرایند شکل دهی با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت مصنوعی
واحد عملیات حرارتی بهمن پروفیل با در اختیار داشتن کوره سولوشن عمودی قادر است انواع مقاطع آلومینیومی (کار مکانیکی شونده) را تا طول ۳۰۰۰ میلی متر و حجم ۱۲۰۰ کیلو گرم مطابق با استاندارد AMS – H – ۶۰۸۸ به بالاترین کیفیت ممکن عملیات حرارت نماید.

نتیجه گیری

تحقیق صورت گرفته حاکی از این موضوع است که می توان انرژی اکتیواسیون فرایند تشکیل رسوبات را به طور مکانیکی تامین نموده و طی فرایند مکانو شیمیایی رسوبات در دمای محیط تشکیل شوند.رسوبات ریزتر،توزیع همگن تر در نتیجه خواص استحکامی بهتر،امکان رسوب سخت کردن نمونه ها به صورت موضعی و سطحی،حذف حساسیت فرایند رسوب سختی به دما و زمان که نیاز به کنترل های شدیدی دارد و در نتیجه حذف پدیده هایی از جمله فرا پیری عواملی است که می توانند فرایند رسوب سختی مکانو شیمیایی را به عنوان جایگزینی مناسب برای فرایند رسوب سختی حرارتی معرفی نمایند.

 

منابع :

http://metallurgh.persianblog.ir

http://www.bahmanprofile.com

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.