تاثير Li بر ويژگيهاي كششي آلياژ آلومينيوم 380A مصطفي كارآموز*1، مسعود امامي2، محمد عليپور1، مرتضي آذربرمس1
چكيده
در اين پژوهش تاثير عنصر ليتيم بر ريز ساختار و خواص مكانيكي آلياژ آلومينيوم 380 A بررسي شده است. نشان داده شد هنگاميكه ليتيم تا ميزان 1/0% وزني به آلياژ پايه (Al-8.5%Si-3.5%Cu-1%Fe) اضافه مي شود مورفولوژي سيليسم يوتكتيك و فاز β-Al5FeSi از حالت صفحات تيغه اي و ضخيم پيوسته به حالت اليافي و ريز بهسازي مي شود. آلياژ حاوي 06/0% ليتيم استحكام و ازدياد طول نسبي بالاتري دارد كه احتمالا به علت ريز شدن صفحات تيغه اي شكل سيليسيم يوتكتيك و فاز β مي باشد. در مقادير بيشتر از 06/0% ليتيم، كاهش در استحكام و ازدياد طول نسبي مي تواند بعلت افزايش درصد تخلخل و ايجاد فازهاي نامطلوب ديگر باشد.

واژههاي كليدي: آلومينيوم380، ليتيم، فاز بتا، سيليسيم يوتكتيك، ويژگي هاي كششي.

كارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشكدهي مهندسي متالورژي و مواد دانشگاه تهران.
استاد تمام دانشكدهي مهندسي متالورژي و مواد دانشگاه تهران.
*- نويسندهي مسئول مقاله: ravari@ut.ac.ir
پيشگفتار
آلياژ آلومينيوم380 به دليل ويژگيهاي خاص خود در صنايع گوناگون، بويژه صنايع خودروسازي ،كاربردهاي زيادي دارد. لذا، براي رسيدن به ويژگيهاي برتر در ريخته گري، عملياتي مانند گاززدايي، بهسازي، عمليات حرارتي و… روي آلياژ انجام ميشود [1].
شكلهاي كم ضرر تر مانند ستارهاي يا حروف چيني براي مطالعهي اثر ليتيم بر ريخت شناسي و
عمليات اصلاح و بهسازي به چند روش انجام ميگيرد كه شامل: افزايش سرعت سرد كردن آلياژ، استفاده از عناصر اصلاح كننده و بهساز، عمليات حرارتي و ايجاد ارتعاش در حين انجماد ميباشد [4-2]. هدف تمام اين روشها ريز كردن و تغيير شكل سيليسيمهاي يوتكتيك و اوليه (در صورت وجود) از حالت سوزني به رشته اي و همچنين، كم كردن درصد و تغيير دادن شكل تركيبات بين فلزي موجود در ريزساختار از حالت تيز و سوزني به تلقي ميشود. استرانسيم نيز پس از نگهداري طولاني مذاب از بين ميرود، منتها زمان ميرايي آن مانند سديم نيست. آنتيموان اصولا سيليسيم را در واكنش يوتكتيك ريز ميكند و آن را از حالت سوزني به صورت لايه اي در ميآورد و تقريبا ساختار كاملا بهسازي شده را نميتوان با استفاده از آنتيموان بدست آورد. ليتيم عنصري مؤثر در بهسازي فاز سيليسيم يوتكتيك در آلياژهاي Al-Si است. همچنين، گزارش شده است كه ليتيم باعث افزايش حلاليت هيدروژن در مذاب آلومينيوم و اكسيدهاي سطحي آن ميشود [19- 17]. هدف از اين پژوهش تاثير ليتيم بر ريزساختار و ويژگيهاي كششي آلومينيوم 380 A ميباشد.

روش پژوهش
ميباشد. كليهي اين تغييرات در نهايت باعث افزايش استحكام، انعطاف پذيري و شكل پذيري آلياژ ميشود [11- 5]. استفاده از عناصر بهساز شيميايي در مقايسه با ساير روشهاي بهسازي مقرون به صرفه تر است. بر پايهي نظر كروسلي و مندولفو استفاده از بهساز باعث تخريب ذرات AlP ميشود كه محلهايي مناسب براي جوانه زني فاز سيليسيم ميباشند و بنابراين، جوانه زني فاز سيليسيم در مادون تبريد بيشتري انجام شده و فاز سيليسيم ريزتري بوجود ميآيد [12و13]. از سوي ديگر، هلاول و همكارانش براي بهسازي نظريهاي را بر مبناي رشد فاز سيليسيم بيان نمودهاند. در اين نظريه عنصر بهساز در فصل مشترك رشد فاز سيليسيم قرارگرفته و باعث فعال شدن ساز و كار ازدياد تعداد دوقلوييها در حين رشد ميشود. اين ساز و كار باعث رشد فاز سيليسيم به صورت رشتهاي ميگردد [2و12و16- 14]. عناصري متعدد به عنوان بهساز مورد استفاده قرار ميگيرند كه هر كدام داراي مزايا و معايبي هستند. زمان ميرايي بسيار كم سديم و همچنين، تمايل به ايجاد گاز به خاطر ماهيت جذب رطوبت شديد اين عنصر از مهمترين جنبههاي منفي آن ويژگيهاي كششي آلومينيوم 380 از ليتيم خالص استفاده شد. تركيب شيميايي اسمي آلياژ بكار برده شده در جدول 1 ذكر شده است. عمليات ذوب در كورهي مقاومتي كوچك انجام گرفت. براي هر ذوب، 160 گرم از آلياژ آلومينيوم 380 در C°750 ذوب گرديد. پس از عمليات گاززدايي، عنصر ليتيم در سه درصد گوناگون (03/0، 06/0 و 1/0 درصد وزني) به مذاب اضافه شد و بلافاصله ذوب ريزي در درون يك قالب استوانه اي كه در شكل (1- الف) آورده شده است، انجام گرفت. جهت مطالعه و بررسي اثر ليتيم بر ريخت شناسي سيليسيم يوتكتيك و تركيبات بين فلزي غني از آهن از ميكروسكوپ نوري استفاده شد. همچنين، جهت بررسي تاثير ليتيم بر ويژگيهاي كششي آلياژ، نمونهها مورد آزمايش كشش قرار گرفتند كه در شكل (1- ب) آمده است.

نتايج و بحث ريزساختار
ريزساختار اين نمونهها در شكل 2 مشاهده ميشود. با افزودن ليتيم، ريخت شناسي ذرات سيليسيم يوتكتيك از حالت تيغهاي و درشت به حالت اليافي (رشته اي) با اندازهي ريزتر تغيير ميكند. ملاحظه ميشود كه با افزايش ليتيم تا 06/0 درصد وزني (شكل 2- الف تا ج) ريخت شناسي فاز سيليسيم يوتكتيك ريزتر ميشود، اما با افزايش بيشتر ليتيم تا 1/0 درصد وزني (شكل 2- د) تغيير چنداني در ريخت شناسي فاز سيليسيم نسبت به حالت 06/0 درصد وزني (شكل 2- ج) ايجاد نميشود. تركيبات بين فلزي حاوي آهن در آلياژهاي Al-Si معمولا به صورت فاز سوزني β با فرمول شيميايي Al5FeSi تشكيل ميشوند. در شكل (2- الف تا د) تاثير ليتيم بر ريخت شناسي فاز سوزني β مشهود است. در مقايسه با نمونهي بهسازي نشده (شكل 2- الف) حضور ليتيم باعث كاهش طول سوزنهاي فاز β ميشود. البته، مشاهده ميشود كه افزودن ليتيم باعث تغيير ريخت شناسي فازهاي سوزني شكل β به ريخت شناسيهاي ديگر فازهاي غني از آهن نميشود بلكه باعث كاهش طول سوزنهاي فاز β در زمينه شده است. همچنين، با مقايسهي شكل (2- ب تا د) ملاحظه ميگردد كه با افزايش ليتيم تا 06/0 درصد وزني (شكل 2- الف تا ج)، طول فاز β كوتاهتر ميشود، اما با افزايش بيشتر ليتيم تا 1/0 درصد وزني (شكل 2- د) تغييري قابل ملاحظه در طول فاز β نسبت به حالت 06/0 درصد درصد وزني ليتيم
(شكل 2- د) ايجاد نميشود.
اين تاثير ليتيم بر سيليسيم يوتكتيك و فاز بتا را ميتوان به نقش عنصر ليتيم در مراحل جوانه زني و رشد سيليسيمهاي يوتكتيك و فاز بتا مربوط دانست. براساس پژوهشهاي صورت گرفته، قرار گرفتن ليتيم جلوي جبههي رشد سيليسيم و قرار گرفتن اتمي از آن در صفحات فشرده [111] ميتواند به بروز دوقلويي منجر شود[14].
ايجاد دانسيتهي بالايي از دوقلوييها، ساز و كار پيشنهادي جهت اصلاح و بهسازي تركيبات بين فلزي غني از آهن با افزودن ليتيم ميباشد كه ميتواند مرتبط با اتمهاي ناخالصي باشد كه عمل اخلال و تخريب را در ساز و كار رشد صفحه اي (سوزني) فراهم ميآورند. اين نقش اخلال و تخريب بنظر ميرسد در اثر جذب ليتيم به عنوان عنصر فعال سطحي در مراكز رشد صفحات در حال رشد صورت گيرد[20].
گزارش شده است كه با حضور ليتيم فاز ديگري با تركيب AlSiLi نيز در ساختار تشكيل ميشود كه فازي مخرب بوده و باعث كاهش ويژگيهاي مكانيكي آلياژ ميشود. با افزايش درصد ليتيم ميزان فاز مخرب AlSiLi و همچنين، تخلخل موجود در آلياژ افزايش مييابد كه نا مطلوب است و ميتواند سبب كاهش ويژگيهاي مكانيكي آلياژ شود[21].

ويژگي هاي مكانيكي
نتايج تاثير عنصر بهساز ليتيم بر استحكام نهايي(U.T.S) و ازدياد طول نسبي (ε درصد) در شكلهاي (3- الف) و (3- ب) رسم شده اند. شكل (3- الف) نشان دهندهي افزايش استحكام نهايي نمونه در اثر افزايش عنصر ليتيم ميباشد. بيشترين استحكام را آلياژ با 06/0 درصد ليتيم نشان ميدهد. شكل (3- ب) تاثير عنصر ليتيم را بر افزايش مقدار ازدياد طول نسبي نشان ميدهد كه بيشترين ازدياد طول نسبي مربوط به آلياژ با 06/0 درصد ليتيم ميباشد. افزودن ليتيم سبب بهبود ويژگيهاي مكانيكي ميشود كه اين بهبود ميتواند به علت تغيير ريخت شناسي سيليسيمهاي يوتكتيك از حالت تيغه اي به ذرات ريز و تقريبا كروي و همچنين، ريز شدن فازسوزني شكل بتا باشد. اين تغيير ريخت شناسي سبب كاهش تمركز تنش ميشود و از اشاعهي زود هنگام ترك در آلياژ جلوگيري ميكند. با توجه به اين دو نمودار نيز ميتوان پيش بيني كرد كه در اثر افزودن ليتيم تا مقدار 06/0 درصد چقرمگي آلياژ افزايش مييابد و پس از آن با افزايش بيشتر درصد ليتيم چقرمگي كاهش مييابد. دليل افت استحكام پس از مقادير 06/0 درصد ليتيم را ميتوان به افزايش درصد فاز مخرب AlSiLi و افزايش ميزان تخلخل آلياژ با افزايش درصد ليتيم مرتبط دانست [21].

نتيجه گيري
نتايج نشان ميدهند كه عنصر ليتيم موجب كروي شدن فاز سيليسيم و ريزشدن ذرات سوزني فاز بتا ميگردد. همچنين، نقش موثري در بهسازي آلياژهاي آلومينيوم – سيليسيم دارد.
مقدار بهينهي ليتيم جهت بهسازي آلياژ آلومينيوم 380 حدود 06/0 درصد است كه بيش از اين مقدار تغيير چنداني در فاز سيليسيم و فاز بتا نسبت به حالت بهينه ايجاد نميشود. در صورت افزودن مقدار بهينهي ليتيم استحكام نهايي و ازدياد طول نسبي آلياژ به مقداري قابل ملاحظه افزايش مييابد.
منابع
1- م. مشرف جوادي،1379. بررسي تاثير ميزان درصد كلسيم بر اصلاح وبهسازي آلياژ آلومينيوم 380،مجموعه مقاله هاي دوازدهمين سمينار سالانه جامعه ريخته گران ايران، ص-145. 2- س. شبستري،1375. بهسازي تركيبات بين فلزي حاوي آهن توسط استرانسيم، مجله آلومينيوم، شماره اول ،30. 3- ح. قهار زاده و ي. خرازي،1374. اصلاح ساختار آلياژهاي هايپر يوتكتيك آلومينيوم- سيليسيم ،پايان نامه كارشناسي ارشد،دانشگاه علم وصنعت .
L. Bakerad and Co. 1990.,”Solidification characteristics of aluminum alloys”,AFS Trans,
K. Toshiro. & Co. 1993.”Effect of Fe and Ca on fracture characteristics of various aluminum cast alloys” ,Journal of Japan institute of light metals,v43,p. 11,.
B.J. Ye., C.R. Loper., J.R., D.Y.Lu, C.S. Kang., 1993. “An assessment of the role of rare earth in the eutectic modification of cast aluminum-silicon alloys”, AFS Trans.
S.T. Chiu, 1994.”The effect of various elements on the modification of Al-Si alloys”, AFS Trans.
S.G. Shabestari., J.E. Gruzleski., 1995. “Modification of Iron intermetalics by strontium in 413 aluminum alloys”, AFS Trans,Vol.26, pp. 96-95.
N. Handiak., J.E. Gruzleski., D. Avgo., 1987. “Sodium, strontium and antimony interaction during modification of A356 alloys”,AFS Trans, pp .31-38. 10- M. Shamsuzoha, L.M. Hogar., J.T. Berry., 1993. “Effect of modifying agents on crystallography and growth of silicon phase in Al-Si casting alloy”, AFS Trans,Vol.101, pp. 999-1005.
A. Abdolahi. and J.E. Gruzleski., 1998.”An evaluation of calcium as a eutectic modifier in A356 alloy”, Cast metal res, Vol.11, pp. 145-155.
J.E. Gruzlesi, 1992. “The art and science of modification : 25 years of progress”,AFS Trans, Vol.100, pp. 673-683.
Mondolfo, “aluminum Alloys: structure and skan properties” , Butterworth, p.118, 1976.
L.Z. Shu, A. Hellawell, 1987. ”The mechanism of silicon modification in aluminum-silicon alloys: impurity induced twining”, Metallurgical Transactions, 18A, pp. 1721-1733.
J.E. Gruzleski, and B. Closset, 1987. “solidification processing”, pp .52-54.
G.K. Sigworth, 1983.”Theoretical and practical aspects of the modification of Al-Si”, AFS Trans, vol.91, pp. 7-16.
S. Saikawa., S. Sugioka., K. Nakai., A. Kamio., J. Jpn Inst Light Met, 1991. Coulability of Al-Li alloys,Vol.41, pp. 596601.
N.H. Prasad. and R. Balasubramaniam. 1997. “Influence of laser surface treatment on the oxidation behaviour of an Al-Li-Cu alloy” Mater Process Technol, Vol.68, p. 117. 19- G.E.Dieter, “Mechanical metallurgy” ,McGraw Hill, p. 658, 1976.
20- P. Ashtari., H. Tezuka., and T. Sato, 2004.” Influence of Li addition on intermetallic compound morphologies in Al– Si–Cu–Fe cast alloys”, Scripta Materialia, Vol.51, pp. 17-24.

پيوستها

جدول 1- تركيب شيميايي آلياژ آلومينيوم380.
Al Fe Cu Si عنصر
87 1 3/5 8/5 درصد وزني

شكل 1- الف- قالب دايمي مورد استفاده در آزمايش ها براي عمليات ريخته گري و ب- ابعاد نمونه مورد استفاده براي آزمايش كشش.

شكل 2- ريز ساختار ميكروسكوپي آلياژ 380 اچ شده با HF5/0 درصد: الف- بدون عنصر بهساز ،ب- با wt درصد03/0 ليتيم، ج- با wt درصد06/0 ليتيم و د- با wt درصد1/0 ليتيم.

شكل3- نمودار تغيير ويژگيهاي مكانيكي آلياژ آلومينيوم 380A با تغيير درصد(وزني) عنصر ليتيم.

تاثير Liبر ويژگيهاي كششي آلياژ آلومينيوم 380A



قیمت: تومان


پاسخ دهید