اثر تیتانیوم و بر(آمیژان AlTi5B1) / ریز کردن دانه ها در آلیاژهای Al-Cu

اثر تیتانیوم و بر(آمیژان AlTi5B1) / ریز کردن دانه ها در آلیاژهای Al-Cu

اثر تیتانیوم و بور بر روی پایداری ریز کردن دانه ها در آلیاژهای Al-Cu

Górny, G. Sikora *, M. Kawalec

در این تحقیق تاثیر آمیژان AlTi5B1بر ریز کردن دانه های آلیاژ آلومینیوم – مس بررسی شده است.

تاثیر آمیژان AlTi5B1 بر آلیاژهای آلومینیوم – مس: آلیاژهای آلومینیوم – مس به دلیل خواص استحکامی بالاآ آلیاژهای مهمی در صنعت می باشند. این آلیاژها به صورت گسترده ای در کاربردهایی نظیر صنایع هوانوردی و خودرو که نیاز به قطعه ریخته گری شده با کیفیت بسیار بالا باشد مورد استفاده قرار می گیرند. مهمترین عواملی که ساختار این آلیاژ را تحت تاثیر قرار می دهد عبارتند از ترکیب شیمیایی، سرعت سرد کردن، درجه حرارت مذاب و عملیات حرارتی. ساختار با دندریت های ریز و رشد کم دندریت ها منجر به ساختار همگن تر می شود. ریز کردن دانه ها تابعی از زمانی است که عنصر اصلاح کننده به مذاب اضافه می شود. در این مقاله تاثیر آمیژان های Al5Ti1B ، Al5Ti و Al3B بر روی این آلیاژها بررسی شده است.

 

  1. آزمایش ها

در چهارچوب این مطالعه، چهار مذاب  از آلیاژ Al – 5Cu تهیه گردید. این مذاب ها توسط کوره القایی با فرکانس متوسط تهیه شدند. شارژ کوره شامل آلومینیوم(با خلوص 99.85%) ، AlCu50، AlMN75 و AlTi75 می باشد. پس از ذوب مواد، کاورال و فلاکس تصفیه کننده(1.2wt%) به سطح مذاب اضافه می شود. مذاب تا c ͦ 750 گرم می شود و سپس آمیژان های ریز کننده دانه به آن افزوده می گردد. این فرایند توسط سه آمیژان زیر انجام می شود. آمیژان AlTi5B1 به آلیاژهای (I , IV) ، آمیژان AlTi5 به آلیاژ (II) و آمیژان AlB3 به آلیاژ (III) . مقدار اضافه شده برابر با دو درصد وزنی فلز مذاب می باشد. آنالیز شیمیایی فلز مذابAl-5Cu مورد آزمایش به صورت زیر می باشد:

 Mn: 0.88-0.98, Ti: 0.008-0.012, Si: 0.22-0.075, Fe: 0.78-0.82, AL: Balance

مذاب آماده شده در داخل قالب های معمول(ماسه و بنتونیت) به شکل شمش های استاندارد Y شکل(مطابق استاندارد ASTM A536) با ضخامت دیواره 5 میلی متری در قسمت ته قالب ریخته گری می شوند. دمای ریخته گری مذاب c ͦ 750 می باشد. آلیاژ پایه ریخته گری شده و سپس آلیاژهای ریزدانه شده(با افزودن آمیژان ها) به ترتیب 3، 20، 45 و 90 دقیقه پس از افزودن آمیژان ریخته گری می شوند.

قبل از ریخته گری، ترموکوپل نوعS در مرکز ته قالب ها قرارداده می شود. نمونه های متالوگرافی از ته شمش ها تهیه می شود. این نمونه ها پولیش شده و به روش الکترولیتی توسط محلول اچ کننده (0.5%HBF4)  اچ می شوند. آزمایش های متالوگرافی توسط میکروسکوپ نوری با استفاده از نور پولاریزه در بزرگ نمایی 20 برابر انجام می شود. در این آزمایش قطر متوسط دانه های α(Al) و دانسیته سطحی دانه ها(NA) اندازه گیری می شود.

 

  • بحث و نتیجه گیری
  • آنالیز های گرمایی

شکل (1) منحنی سرد شدن فلز پایه آلیاژهای (I , IV) و همچنین آلیاژهای ریز دانه شده پس از 3 دقیقه از اضافه شدن آمیژان ها را نشان می دهد.

شکل(1): منحنی سرد کردن اندازه گیری شده برای برای آلیاژهای پایه(I , IV) و همچنین آلیاژهای ( I تا IV) پس از 3 دقیقه از افزودن آمیژان

افزودن ریزکننده دانه حداکثر درجه حرارت تحت تبرید را در مقایسه با آلیاژ اصلی کاهش می دهد.

آمیژان (AlTiB (Alloy I ، درجه حرارت تحت تبرید را به مقدار c ͦ 9/7 کاهش می دهد. درخصوص آمیژان Al5Ti مقدار کاهش تحت تبرید برابر c ͦ 5.9 می باشد. در مورد آمیژان AlB3 کاهش کمتر تحت تبرید ملاحظه شد که حدود c ͦ 4.1 می باشد.

  • آزمایش های متالوگرافی

شکل (2) ساختار برخی از نمونه آلیاژهای آنالیز شده را نشان می دهد. (a) آلیاژ I پس از سه دقیقه ریز کردن دانه، (b) آلیاژ III پس از سه دقیقه ریز کردن دانه، (c) آلیاژ II  در شرایط اولیه آن، (d) مذاب II سه دقیقه بعد از ریزکردن دانه، (e) آلیاژ IV در حالت اولیه آن و (f) آلیاژ IV پس از سه دقیقه ریز کردن دانه.

شکل (2) : ساختار برخی از آلیاژهای مورد آزمایش قبل و بعد از ریزکردن دانه به مدت 3 دقیقه

 

شکل (3) تغییر در قطر متوسط دانه ها (شکل a3) ، دانسیته سطحی دانه ها(شکل b3)، و اثربخشی نسبی ریز کردن دانه ها(c) به صورت تابعی از زمان از زمان افزودن آمیژان را نشان می دهد

این تحقیق اثر آمیژان های ریز کننده دانه را در آلیاژ Al – 5Cu نشان می دهد.  تحقیقات بر روی دو حالت از آلیاژ اولیه انجام شده است. در حالت اول تاثیر ریزکننده دانه ها بدون تیتانیوم در آلیاژ پایه مورد مطالعه قرار گرفته است. در حالی که در حالت دوم، مطالعات بر روی تاثیر ریزکننده دانه ها بر روی آلیاژ Al – 5Cu با وجود Ti% 0.24 در آلیاژ انجام گرفته است.

از شکل a3 مشخص است که در حالت اول بیشترین تاثیر(درخصوص زیرکردن دانه) مربوط به آمیژان AlTi5B1 (استفاده شده در آلیاژ I) می باشد. در این حالت متوسط قطر دانه ها در مقایسه با آلیاژ II( که در آن  AlTi5 به عنوان ریز کننده دانه استفاده شده است) و آلیاژ III ( مه در آن AlB3 به عنوان ریز کننده دانه استفاده شده است) کمتر است. اثر ریز کننده دانه با کاهش اندازه دانه های α(Al) اولیه در این آلیاژ مشخص می شود.

این اثر تا حدود 45 دقیقه پس از اضافه کردن آمیژان بدون تغییر قابل ملاحظه ای باقی می ماند. در این زمان افزایش قابل ملاحظه ای در اندازه دانه(معمولا دو برابر) نسبت به اندازه دانه آلیاژ پس از افزودن ریزکننده دانه، مشاهده می شود. دومین آمیژان اثر بخش بر ریزکردن دانه ها ، آمیژان AlTi5 (موزد استفاده در آلیاژ II) می باشد در این مورد، اثر بخشی ریز کردن دانه به اندازه آمیژان AlTi5B1 پایدار نمی باشد.

.

کمترین اثر مربوط به آمیژان AlB3 (مورد استفاده در آلیاژ III) می باشد به تاثیر بالای آمیژان AlTi5B1 در حالت دوم(شکل 3) توجه شود. در این حالت افزودن تیتانیوم به آلیاژ پایه (آلیاژ IV) منجر به ریز شدن بیشتر دانه ها شده و همچنین مدت زمان ماندگاری این تاثیر را بیشتر می کند که در کل مدت زمان آزمایش ادامه می یابد(90 دقیقه).

تغییر در دانسیته سطحی دانه ها به صورت تابعی از زمان که در شکل (b 3)نشان داده شده است. این نتایج شامل تغییرات در دانه های اولیه می باشد(شکل a3).

شکل c3 تاثیر نسبی ریزکردن دانه ها در مقایسه با شرایط اولیه آن را نشان می دهد.آنالیز این پارامتر ها نشان می دهد که بیشترین تاثیر آمیژان های ریز کننده دانه در حالتی بدست می آید که فلز پایه حاوی تیتانیوم اولیه نباشد(آلیاژ I). در این حالت درصد کاهش اندازه دانه نسبت به اندازه اولیه(قبل از افزودن ریزکننده) به 11.5% می رسد، در حالی که در حالت دوم (آلیاژ IV) این مقدار به 26% می رسد. گرچه در آلیاژ IV دانه های اولیه α(Al) کوچکتری بدست می آید. این نتایج اهمیت وجود تیتانیوم در آلیاژ پایه را نشان می دهد آنچنانکه نسبت تیتانیوم به بر(Ti/B) نیز در آمیژان مورد استفاده بسیار با اهمیت است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که جهت بررسی تاثیر ریزکننده دانه بایستی مقدار اولیه هر دو عنصر تیتانیوم و بر در آلیاژ پایه مدنظر قرار گیرد.

مورد مهم دیگر پس از مقدار ریز کردن دانه ها، پایداری این فرایند(ریزکردن دانه ها) نسبت به زمان می باشد.از تصاویر a3 و b3 مشخص است که مقدار اولیه تیتانیوم نقش مهمی در پایداری فرایند بهینه سازی(ریز کردن دانه و از بین بردن ساختار دندریتی) ایفا می کند. در حالت دوم (آلیاژ IV) ، این پایداری، که قبلا نیز به آن اشاره شد، نسبت به حالت اول بسیار بیشتر است. با درنظر گرفتن این دو حالت، اختلاف بین اندازه دانه های اولیه پس از 90 دقیقه حدود μm 776می باشد(شکل a3).

شکل 4 ارتباط بین دانسیته سطحی و قطر متوسط دانه را به صورت تابعی از حداکثردرجه تحت تبرید برای حالت اولیه(برای مثال فلز پایه) و برای آلیاژ مورد نظر پس از 3 دقیقه از فرایند ریزکردن دانه(با استفاده از آمیژان های ذکر شده)، نشان می دهد.  از شکل 4 مشخص هست که هر چقدر درجه حرارت تحت تبرید کمتر باشد، دانه های α(Al) اولیه کوچکتر است که متناسب با دانسیته سطحی دانه های بیشتر می باشد. این روند برای نمونه های ریخته گری با ضخامت دیواره ثابت مشخص شده است ولی شرایط فیزیکی و شیمیایی متغییر است که وابسته به نوع و مقدار آمیژان اضافه شده، زمان و دمای مذاب، سرباره و اتمسفر کوره، هم زدن فلز مذاب و حتی ترکیب شیمیایی مذاب دارد.

شکل 4- قطر دانه های اولیه و دانسیته سطحی دانه ها در مقابل حداکثر درجه حرارت تحت تبرید

 

برای آنالیز فوق نشان داده شده است که جوانه زنی آلیاژ Al-Cu به مقدار زیادی وابسته به نوع زیر لایه ها برای جوانه زنی ناهمگن دارد. این تحقیق نشان می دهد که اثر بخش ترین شرایط جوانه زنی زمانی فراهم می شود که تیتانیوم و بور به صورت همزمان(آمیژان AlTi5B1) در آلیاژ حضور داشته باشند.

نتایج:

  • بهترین شرایط اصلاح ساختار، که تاثیر بیشتری بر ریزکردن دانه ها داشته و زمان بیشتری پایدار است، زمانی بدست می آید که هر دو عنصر تیتانیوم و بور همزمان در آلیاژ Al-Cu حضور داشته باشند.
  • این مقاله تاثیر نسبی ریزشدن دانه های اولیه، برای آمیژان های مختلف و دو حالت متفاوت اولیه فلز پایه را نشان می دهد.
  • اثرات پایدار ریز کردن دانه ها وابسته به مقدار اولیه تیتانیوم و نوع بهبود دهنده(آمیژان AlTi5B1) مورد استفاده می باشد.

اشتراک گذاری :

برچسب‌ها:, , ,

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

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