عنوان پایان‌نامه
بررسی تاثیر اندازه و مقدار ذرات Sic بر ریز ساختار کامپوزیت های A۳۵۶-SiCp فراوری شده به روش سطح شیبدار لرزان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 921;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 50963
- تاریخ دفاع
- ۲۹ آذر ۱۳۹۰
- دانشجو
- حامد خسروی
- استاد راهنما
- فرشاد اخلاقی
- چکیده
- در سال¬های اخیر استفاده از سطح شیبدار به عنوان یک روش ساده و اقتصادی برای ایجاد ساختار گلبولی در آلیاژهای مختلف مطرح شده است، اما در این فرایند معمولاً نیاز به عملیات ذوب مجدد جزئی در ناحیه نیمه¬جامد می¬باشد. از طرفی برای ایجاد ساختار گلبولی، می¬توان از فرایند مرتعش¬نمودن مذاب در حین انجماد استفاده نمود که فرایندی زمان¬بر است. روش سطح شیبدار لرزان تلفیقی از دو روش سطح شیبدار و ارتعاش مکانیکی است که در آن ساختار گلبولی مستقیماً و بدون نیاز به عملیات ذوب مجدد جزئی حاصل می¬شود. در پژوهش حاضر برای اولین بار از فرایند سطح شیبدار لرزان به عنوان یک فرایند نیمه¬جامد، جهت فراوری کامپوزیت¬ A356-SiCp استفاده شد. در ابتدا شمش¬های کامپوزیتی حاوی 20 درصد حجمی از ذرات SiC با اندازه میانگین ذرات 15، 76 و 128 میکرومتر به عنوان مواد اولیه و با استفاده از فرایند کامپوکستینگ SL تهیه شدند. در ادامه این شمش¬ها ذوب مجدد شده و با افزودن میزان کافی آلومینیم، کامپوزیت¬هایی با درصدهای حجمی 5، 10، 15 و 20 درصد تولید شدند. در مرحله بعد شمش¬های کامپوزیتی ذوب مجدد شده و در دمای بارریزی °C670 با استفاده از سه فرایند ریخته¬گری ثقلی، سطح شیبدار ساکن و سطح شیبدار مرتعش شده در قالب چدنی به قطر 80 و ارتفاع mm60 ریخته¬گری شدند. در این پژوهش، طول و زاویه سطح شیبدار به ترتیب mm400 و 45 درجه در نظر گرفته شد و برای سطح شیبدار لرزان، ریخته¬گری تحت سه فرکانس 40، 55 و 65 هرتز که سبب ایجاد دامنه¬های 520، 600 و 680 میکرومتر می-شدند صورت گرفت. همچنین جهت مقایسه نتایج، نمونه¬های تقویت¬نشده A356 تحت شرایط فوق ریخته¬گری شدند. در این تحقیق، تأثیر فرکانس ارتعاش، اندازه و مقدار ذرات SiC بر ریزساختار، فاکتور توزیع ذرات، تخلخل و سختی نمونه¬های تولید شده مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین رفتار سایشی نمونه¬های حاوی درصدهای حجمی مختلف ذرات SiC با اندازه میانگین ذرات 76 میکرومتر فراوری شده با استفاده از فرایندهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این پژوهش نشان داد که در نمونه¬های مونولیتیک و کامپوزیتی تولیدشده با استفاده از روش سطح شیبدار ساکن تنها پس از عملیات حرارتی ذوب مجدد جزئی، ساختار گلبولی حاصل می¬شود. اما در روش سطح شیبدار لرزان، ساختار گلبولی مستقیماً و بدون نیاز به عملیات ذوب مجدد ایجاد می¬شود. افزایش فرکانس ارتعاش در محدوده 40 تا 65 هرتز باعث کاهش قطر معادل گلبول¬ها و افزایش میزان فاکتور کرویت آن¬ها می¬شود. درضمن، با افزایش میزان فرکانس ارتعاش اعمالی، توزیع ذرات SiC در زمینه یکنواخت¬تر شده و نسبت طول به ضخامت تیغه¬های سیلیسیم یوتکتیک کاهش می¬یابد. با افزایش درصد حجمی ذرات SiC، قطر معادل گلبول¬های آلفا- آلومینیم به بهای کاهش میزان فاکتور کرویت آن¬ها کاهش می¬یابد. همچنین نسبت طول به ضخامت تیغه¬های سیلیسیم یوتکتیک با افزایش درصد حجمی ذرات کاهش می¬یابد. در کامپوزیت¬های حاوی ذرات ریز SiC (15 میکرومتر) افزایش درصد حجمی ذرات SiC باعث افزایش ناهمگنی در توزیع ذرات می¬شود، در حالی¬که در کامپوزیت¬های حاوی ذرات متوسط (76 میکرومتر) و درشت (128 میکرومتر)، افزایش درصد حجمی ذرات به بهبود یکنواختی در توزیع ذرات منجر می¬شود. با کاهش اندازه میانگین ذرات در یک درصد حجمی ثابت، قطر معادل گلبول¬های آلفا- آلومینیم کاهش می¬یابد. همچنین بالاترین میزان فاکتور کرویت و یکنواخت¬ترین توزیع ذرات، در اندازه میانگین 76 میکرومتر حاصل می¬شود. نتایج حاصل از تخلخل¬سنجی نشان داد که با افزایش درصد حجمی و کاهش اندازه میانگین ذرات SiC، میزان درصد حجمی تخلخل در نمونه¬ها افزایش می¬یابد. درضمن نمونه¬های سطح شیبدار لرزان در مقایسه با نمونه¬های سطح شیبدار ساکن و کامپوکست دارای تخلخل بالاتری هستند. اعمال ارتعاش مکانیکی به سطح باعث افزایش میزان تخلخل نمونه¬ها می-شود و با افزایش میزان فرکانس ارتعاش، درصد حجمی تخلخل افزایش می¬یابد. نتایج حاصل از سختی¬سنجی نمونه¬ها نشان داد که با افزایش درصد حجمی و کاهش اندازه میانگین ذرات SiC، میزان سختی نمونه¬ها افزایش می¬یابد. همچنین نمونه¬های سطح شیبدار لرزان در مقایسه با نمونه¬های سطح شیبدار ساکن و کامپوکست دارای سختی بالاتری هستند. درضمن، میزان سختی در نمونه¬های سطح شیبدار ساکن بیشتر از نمونه¬های کامپوکست است. نتایج آزمون سایش نشان داد که میزان کاهش حجم نمونه در اثر سایش و همچنین ضریب اصطکاک با افزایش درصد حجمی ذرات SiC، کاهش می¬یابد. درضمن، کمترین میزان کاهش حجم و ضریب اصطکاک برای نمونه¬های فراوری شده با استفاده از سطح شیبدار لرزان حاصل شد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی (SEM)، نشان داد که مکانیزم سایش در نمونه¬های A356 از نوع سایش چسبان و ورقه¬ای شدن و در کامپوزیت¬های A356-10vol.%SiC از نوع سایش خراشان است.
- Abstract
- Abstract In recent years, cooling slope method; as a simple and cost effective route; has been utilized to produce globular structures in different alloys. However, in this process, re-heating of the specimens in the semi-solid region is required. On the other hand, applying mechanical vibration on the solidifying melt in the mold is another method for obtaining a globular structure. However, this technique is known as a time consuming process. Vibrating Cooling Slope (VCS) is a combination of these two semi-solid processes, in which a globular structure can be directly achieved in the as-cast condition without requiring any re-heating process. In the present study, for the first time, VCS process as a new semi-solid method was utilized for processing of A356-SiCp composite with a globular structure. At first, A356-20vol.%SiC composite casings having the various particle sizes of 15, 76 and 128 µm, as the starting materials, were prepared by Semi-solid Liquied (SL) version of compocasting. Then, these ignots were re-melted and diluted to 5, 10, 15 and 20% through the adding of adequent Al into the slurry. The resultant slurry was poured at 670°C into a cast-iron die with the internal diameter of 80 mm and a height of 60 mm through three different methods, namely compocasting (SL), Stationary Cooling Slope (SCS) and Vibrating Cooling Slope (VCS). The casting process was done onto the surface of a 400 mm long copper plate cooling slope set at 45° inclined angle vibrating at 40-520, 55-600, 65Hz-680 µm. Also, A356 ignots were cast at the same conditions metioned above for the purpose of comparision. In this study, effect of vibration frequency, size and content of SiC on the microstructure, Distribution Factor (DF) of particles, porosity and hardness of processed specimens was investigated. Also, the wear and friction behavior of composite ingots having the various SiC particles with an average size of 76 µm were studied. The results showed that the composites produced via the SCS process, exhibited a globular structure only after partial re-heating in the semi-solid region. However, those samples prepared by VCS method, showed a globular structure in the as-cast condition without needing partial re-heating. It was concluded that by increasing the vibration frequency, more spherical globules with smaller average sizes were generated. Also, the increased vibration frequency resulted in a more uniform distribution of SiC particles in the matrix alloy and led to decreaing of the aspect ratio (length/thickness) of eutectic Si. By increasing the SiC content, the average diameter of globules decreased at the expense of decreased shape factor. Also, the aspect ratio of eutectic Si was decreased by increasing the SiC content. For fine SiC particles, the increasing of SiC content led to increasing of DF. However, decreasing of DF with an increase in the SiC content was observed for mean (76µm) and coarse (128µm) SiC particles. By decreasing the average size of SiC particles, for a fixed SiC content, the average diameter of globules, was decreased. The highest shape factor of globules and the lowest DF of SiC particles were achieved for composite castings having the 76µm sized SiC particles. The results of porosity measurements showed that the amount of porosity increased with increasing the SiC content and decreasing the average size of SiC particles. Also, it was shown that VCS-processed samples were always more porous as compared to the compocast composites, regardless of SiC content and particle size. By applying mechanical vibration to the cooling slpoe, the porosity content increased. The results of hardness test showed an improvement in hardness with increasing the SiC content and SiC particle size. It was also indicated that for a fixed SiC content and size, the compocast samples were less hardness than the VCS-processed and SCS-processed samples. Applying the mechanical vibration onto the cooling slope led to improve the hardness of specimens. The results of wear and friction tests indicated a decrease in the volume loss and friction coefficient of samples with increasing the SiC content. The lowest volume loss and friction coefficient were achieved for those samples prepared by VCS process. The Scanning Electron Microscopy (SEM) images showed that the wear mechanisms were adhesive and delaminiation for A356 samples, while for A356-10vol.%SiC, the wear mechanism was abrasive.
