آلیاژهای یوتکتیک آلومینیوم–سیلیسیم برای ساخت پیستون، سرسیلندر و تایپیت سوپاپ استفاده می‌شوند؛ قطعاتی که هم استحکام و هم پایداری در دمای بالا لازم دارند. پژوهشی منتشرشده در «پژوهشنامه ریخته‌گری» انجمن علمی ریخته‌گری ایران، اثر مقادیر مختلف نیکل را بر ریزساختار و استحکام کششی آلیاژ Al-12Si-1Mg-1Cu بررسی کرده است.
چرا نیکل؟
افزودن نیکل به آلیاژ آلومینیوم روشی شناخته‌شده برای بهبود رفتار در دمای بالاست. نیکل در آلیاژهای پیستونی سابقه طولانی دارد. این عنصر با آلومینیوم و مس ترکیبات بین‌فلزی پایداری می‌سازد که در دمای بالا درشت نمی‌شوند و به حفظ استحکام کمک می‌کنند. اما مقدار و شکل این ترکیبات مهم است: اگر درشت و ترد شوند، خودشان محل تمرکز تنش و شروع ترک می‌شوند. هدف این پژوهش یافتن مقداری از نیکل بود که بیشترین سود را بدهد.
روش پژوهش
آلیاژ پایه Al-12Si-1Mg-1Cu با افزودن نیکل در مقادیر ۰٫۱، ۰٫۳، ۰٫۵، ۱ و ۳ درصد وزنی تهیه و در قالب فلزی پیش‌گرم‌شده ریخته شد. ریزساختار با میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مجهز به آنالیز EDS و پراش پرتو ایکس بررسی شد و آزمون کشش در دو حالت ریختگی و عملیات حرارتی‌شده (T6) انجام گرفت.
یافته‌ها
- ریزتر شدن سیلیسیم: نیکل ذرات سیلیسیم یوتکتیک را به‌طور مؤثری ریزتر کرد.
- فازهای نیکل‌دار: بسته به ترکیب، فازهایی مانند γ-Al7Cu4Ni، δ-Al3CuNi، T-Al9FeNi، ε-Al3Ni و همچنین Q-Al5Cu2Mg8Si6 و α-Al15(Mn,Fe)3Si2 در نواحی بین دندریتی شناسایی شدند. با افزایش نیکل، برخی ترکیبات Al3Ni به Al3CuNi یا Al7Cu4Ni تبدیل شدند و شکل آن‌ها از نوارهای کوتاه به ساختار شبیه «حروف چینی» تغییر کرد. در آلیاژ ۳ درصد نیکل، دو فاز Al3CuNi و Al3Ni با پراش پرتو ایکس تأیید شد.
- استحکام کششی: در حالت ریختگی، استحکام کششی نهایی از ۱۵۷ مگاپاسکال در آلیاژ پایه به ۲۲۰ مگاپاسکال در آلیاژ ۱ درصد نیکل رسید و با افزایش نیکل به ۳ درصد، به حدود ۱۹۵ مگاپاسکال کاهش یافت.
- اثر عملیات حرارتی: پس از عملیات حرارتی، همه نمونه‌ها قوی‌تر شدند و باز هم آلیاژ ۱ درصد نیکل بهترین بود (حدود ۲۹۵ مگاپاسکال در برابر حدود ۱۸۷ مگاپاسکال آلیاژ پایه).
چرا نیکل بیشتر بهتر نیست؟
در مقادیر بالای نیکل، ترکیبات بین‌فلزی درشت‌تر و پیوسته‌تر می‌شوند. این ذرات ترد به‌راحتی محل تمرکز تنش می‌شوند و بخشی از اثر مثبت نیکل را خنثی می‌کنند. به همین دلیل منحنی استحکام بر حسب درصد نیکل یک قله دارد و در این پژوهش، این قله حدود ۱ درصد نیکل بود.
نقش عملیات حرارتی T6
در این آلیاژ، منیزیم و مس امکان سخت‌کاری رسوبی را فراهم می‌کنند. عملیات T6 شامل انحلال در دمای بالا، سرد کردن سریع و پیرسازی مصنوعی است. نتایج نشان داد اثر مثبت نیکل پس از عملیات حرارتی هم حفظ می‌شود و حتی فاصله آلیاژ بهینه با آلیاژ پایه بیشتر می‌شود؛ یعنی نیکل و عملیات حرارتی مکمل یکدیگرند.
کاربرد صنعتی
این نتایج با ترکیب آلیاژهای تجاری پیستون (که معمولاً حدود ۱ تا ۳ درصد نیکل دارند) همخوانی دارد و نشان می‌دهد تنظیم دقیق نیکل، همراه با عملیات حرارتی مناسب، اهمیت زیادی دارد. برای ریخته‌گر، شمش پایه با ترکیب دقیق نقطه شروع کار است؛ عناصر ویژه مانند نیکل معمولاً با آمیژان (مستر آلیاژ) به مذاب افزوده می‌شوند. درباره آلیاژهای ریختگی، سیلومین و آلیاژهای آلومینیوم–سیلیسیم و عملیات حرارتی T6 را بخوانید.
اگر برای قطعات خودرویی به شمش آلیاژی با ترکیب خاص نیاز دارید، با کارشناسان الماس آلومینیوم مشورت کنید.
پرسش‌های رایج
آلیاژ Al-12Si-1Mg-1Cu با کدام گرید تجاری قابل مقایسه است؟
ترکیب آن به آلیاژهای پیستونی خانواده A332 / LM13 نزدیک است که حدود ۱۱ تا ۱۳ درصد سیلیسیم، حدود ۱ درصد مس و منیزیم و مقداری نیکل دارند.
نیکل چطور به مذاب اضافه می‌شود؟
معمولاً به صورت آمیژان آلومینیوم–نیکل، تا انحلال آن یکنواخت و کنترل‌شده باشد.
منبع
غلامرضا عاشوری، «اثر بهسازی نیکل بر ویژگی‌های کششی و ریزساختاری آلیاژ Al-12Si-1Mg-1Cu»، پژوهشنامه ریخته‌گری، انجمن علمی ریخته‌گری ایران، دوره ۳، شماره ۲، تابستان ۱۳۹۸، صفحات ۱۱۳ تا ۱۲۱. شناسه دیجیتال: 10.22034/FRJ.2019.128668.1035. وب‌سایت نشریه
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.