پژوهشی از دانشگاه کبک در شیکوتیمی کانادا که با حمایت گروه پیشرانه جنرال موتورز انجام شد، بررسی کرد چهار متغیر رایج در کارگاه ریخته‌گری، یعنی سرعت سرد شدن، مقدار منگنز، افزودن استرانسیم و عملیات حرارتی محلولی، چگونه ریزساختار آلیاژ Al–11Si–2.5Cu–Mg را شکل می‌دهند. این پژوهش از منابع مهم در موضوع کنترل ریزساختار آلیاژهای Al-Si-Cu است و نتایج آن نشان می‌دهد یک ترکیب شیمیایی ثابت می‌تواند بسته به شرایط انجماد، ریزساختارهای بسیار متفاوتی بدهد.
آلیاژ مورد بررسی
Al–11Si–2.5Cu–Mg یک آلیاژ نزدیک به یوتکتیک از خانواده آلومینیوم–سیلیسیم–مس است که در قطعات خودرو کاربرد دارد. پژوهشگران دو سطح منگنز (۰٫۴۵ و ۰٫۶۵ درصد) و سه سطح استرانسیم (صفر، حدود ۰٫۰۲ و ۰٫۰۳۵ درصد) را با دو سرعت سرد شدن مقایسه کردند: سرد شدن در هوا (فاصله بازوهای دندریتی حدود ۴۰ میکرومتر) و سرد شدن آرام در کوره (حدود ۱۲۰ میکرومتر). عملیات حرارتی محلولی ۸ ساعت در ۴۹۰ درجه سانتی‌گراد انجام شد؛ دمایی که برای جلوگیری از ذوب موضعی فاز غنی از مس انتخاب شده بود.
یافته‌های کلیدی
- سرد شدن آرام، فازهای بین‌فلزی کمتری می‌دهد: کسر حجمی فازهای بین‌فلزی در نمونه‌های سردشده در کوره به مراتب کمتر بود، چون فازهای β-AlFeSi و Al2Cu در حین سرد شدن آرام در دماهای بحرانی حل شدند.
- صفحه‌های β فقط در سرد شدن سریع دیده شدند: فاز صفحه‌ای β-AlFeSi در نمونه‌های ریختگی سردشده در هوا در هر دو سطح منگنز دیده شد، اما در نمونه‌های سردشده در کوره اثری از آن نبود.
- لجن به سرعت سرد شدن هم وابسته است: ذرات لجن تقریباً در همه آلیاژهای سردشده در هوا با فاکتور لجن ۱٫۴ تا ۱٫۹ دیده شدند، اما در نمونه‌های سردشده در کوره با همان فاکتور لجن دیده نشدند.
- استرانسیم کسر حجمی فاز Al2Cu را در حالت ریختگی افزایش داد و پاسخ ذرات سیلیسیم به عملیات حرارتی را تغییر داد.
- عملیات حرارتی محلولی ذرات سیلیسیم را در آلیاژهای اصلاح‌نشده درشت کرد؛ در آلیاژهای اصلاح‌شده با استرانسیم، کروی شدن ذرات بیشتر بود. منگنز بالا درشت شدن را تشدید و کروی شدن را محدود کرد و منگنز پایین برعکس عمل کرد.
چرا این نتایج مهم‌اند؟
این پژوهش نشان می‌دهد فاکتور لجن به‌تنهایی کل داستان را نمی‌گوید؛ سرعت سرد شدن قطعه هم تعیین می‌کند ذرات آهن‌دار به چه شکلی و چه مقداری تشکیل شوند. در عمل یعنی بخش‌های ضخیم و نازک یک قطعه می‌توانند ریزساختار متفاوتی داشته باشند و طراح باید این را در نظر بگیرد. همچنین برهم‌کنش منگنز و استرانسیم یادآوری می‌کند که افزودنی‌ها را نمی‌توان جداگانه تنظیم کرد. درباره عملیات حرارتی، مطلب عملیات حرارتی آلومینیوم و کدهای تمپر و درباره نقش عناصر، راهنمای سری‌های آلیاژی را ببینید.
نکته‌های کاربردی برای ریخته‌گر
- در قطعاتی که سرعت سرد شدن بالایی دارند، آهن و منگنز را محافظه‌کارانه‌تر کنترل کنید تا فاز β و لجن کمتر تشکیل شود.
- اگر از استرانسیم برای اصلاح سیلیسیم استفاده می‌کنید، اثر آن را روی فاز مس‌دار و پاسخ به عملیات حرارتی در نظر بگیرید.
- دمای عملیات محلولی آلیاژهای مس‌دار باید زیر دمای ذوب موضعی فاز Al2Cu بماند.
شمش‌های آلیاژی الماس آلومینیوم با ترکیب کنترل‌شده تولید می‌شوند تا نقطه شروع این تنظیمات قابل اعتماد باشد. محصولات را ببینید.
پرسش‌های رایج
فاصله بازوهای دندریتی (DAS) چه اهمیتی دارد؟
DAS معیاری از ظرافت ریزساختار است و مستقیماً به سرعت سرد شدن بستگی دارد. DAS کمتر معمولاً یعنی فازهای ریزتر و خواص مکانیکی بهتر.
استرانسیم چه کاری انجام می‌دهد؟
استرانسیم سیلیسیم یوتکتیک را از حالت صفحه‌ای درشت به حالت فیبری ریز تبدیل می‌کند که انعطاف‌پذیری آلیاژ را بهبود می‌دهد؛ به این کار «اصلاح» یا مدیفیکاسیون می‌گویند.
منبع
Z. Ma, E. Samuel, A.M.A. Mohamed, A.M. Samuel, F.H. Samuel, H.W. Doty, «Parameters controlling the microstructure of Al–11Si–2.5Cu–Mg alloys», Materials and Design, 31 (2010) 902–912. DOI: 10.1016/j.matdes.2009.07.033. مشاهده مقاله اصلی
این نوشته برداشت و خلاصه تحریریه الماس آلومینیوم از یک مقاله علمی منتشرشده است؛ برای جزئیات کامل آزمایش‌ها، جدول‌ها و تصاویر به اصل مقاله مراجعه کنید.