اثر افزودن لانتانیم بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ هیپویوتکتیک Al-7Si

چکیده

در این مقاله، اثر افزودن مقادیر مختلف لانتانیم (0، 0.1، 0.2 و 0.4 درصد وزنی) بر ریزساختار، خواص کششی و رفتار شکست آلیاژ هیپویوتکتیک Al-7Si به صورت نظام‌مند بررسی شد. نتایج نشان داد که لانتانیم در آلیاژ Al-7Si به شکل فازهای بین‌فلزی Al₄La و Al₂Si₂La حضور دارد. افزودن 0.1 درصد وزنی La موجب کاهش فاصله بازوی دندریت ثانویه (SDAS) و اندازه ذرات سیلیسیم یوتکتیک به ترتیب تا 9.6 و 23 درصد شد.

در این شرایط، میزان مادون‌تبرید 4.34 درجه سانتی گراد افزایش یافت که باعث تسریع جوانه‌زنی و محدود شدن رشد دانه‌ها شد. پس از عملیات حرارتی T6، آلیاژ حاوی 0.1 درصد La استحکام کششی نهایی خود را از 333 به 350.2 مگاپاسکال افزایش داد و ازدیاد طول نسبی نیز از 9.2 به 12.5 درصد رسید. نوع شکست آلیاژ از حالت مخلوط ترد–نرم به نرم و انعطاف‌پذیر تغییر یافت. با افزایش مقدار La تا 0.4 درصد، جدایش شدید در حین انجماد رخ داد که منجر به تشکیل فازهای ترد و کاهش خواص کششی شد، و نوع شکست دوباره به مخلوط ترد–نرم بازگشت.

مقدمه

آلیاژهای آلومینیوم به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا، در صنعت خودروسازی نقش مهمی دارند و برای کاهش وزن خودروها به طور گسترده استفاده می‌شوند. آلیاژهای Al-7Si به عنوان نمونه‌ای از آلیاژهای هیپویوتکتیک، به دلیل ریزساختار و خواص مکانیکی مطلوب، کاربرد گسترده‌ای در تولید قطعات خودرو دارند، به ویژه چرخ‌ها.

خواص مکانیکی آلیاژهای ریختگی Al-7Si به ویژگی‌های ریزساختاری آن از جمله مورفولوژی و اندازه فاز اولیه α-Al، ذرات سیلیسیم یوتکتیک و رسوبات Mg₂Si و فازهای غنی از آهن وابسته است. روش‌های مختلفی برای بهبود مورفولوژی و اندازه فاز اولیه و ذرات یوتکتیک Si وجود دارد، از جمله اصلاح شیمیایی، سرمایش سریع و عملیات حرارتی.

اخیراً افزودن عناصر نادر خاکی به عنوان عوامل اصلاح‌کننده، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. این عناصر، که به «ویتامین‌های صنعتی» مشهورند، می‌توانند موجب بهبود قابلیت تولید و تنوع محصولات شوند. شعاع اتمی عناصر نادر خاکی (0.14–0.204 نانومتر) بزرگ‌تر از آلومینیوم (0.143 نانومتر) است و در مذاب فعال بوده و به‌راحتی بر روی سطح بلور جذب می‌شوند. این ویژگی باعث کاهش انرژی سطحی در فصل مشترک بین فاز جامد و مذاب و ریزدانه‌سازی می‌شود.

علاوه بر تصفیه مذاب، عناصر نادر خاکی به عنوان عامل آلیاژی موجب افزایش جوانه‌زنی، بهبود استحکام محلول جامد و رسوب‌سختی می‌شوند. مطالعات نشان داده‌اند که افزودن این عناصر می‌تواند ذرات Si یوتکتیک سوزنی‌شکل را به شکل کروی یا میله‌ای تبدیل کند. لانتانیم (La) به دلیل قیمت پایین و اثرگذاری مناسب، به عنوان عنصر افزودنی انتخاب شد.

روش آزمایش

سری از آلیاژهای Al-7Si با مقادیر مختلف La (0، 0.1، 0.2 و 0.4 درصد وزنی) به روش ریخته‌گری تحت فشار کم تهیه شد. مواد اولیه شامل آلیاژ تجاری Al-7Si و آلیاژ Al-20%La بود. مواد در کوره مقاومتی تا 800 درجه سانتی گراد ذوب و با همزن مغناطیسی مخلوط شدند. مذاب در قالب فولادی پیشگرم تا 200 درجه سانتی گراد ریخته شد و قطعات تا دمای محیط سرد شدند.

نمونه‌ها تحت شرایط ریختگی و پس از عملیات حرارتی T6 آزمایش شدند. عملیات حرارتی T6 شامل انحلال به مدت 4 ساعت در 535 درجه سانتی گراد، کوئنچ در آب گرم 50 رو پیرسازی 8 ساعت در 160درجه سانتی گراد بود. آزمایش کشش با دستگاه Instron 8801 و سرعت 1 میلی‌متر در دقیقه انجام شد. میانگین نتایج سه نمونه به عنوان خصوصیات مکانیکی ثبت گردید.

ریزساختار با میکروسکوپ نوری، SEM و EPMA بررسی شد و فازها با پراش اشعه X (XRD) شناسایی شدند. برای اندازه‌گیری SDAS و ذرات Si یوتکتیک از نرم‌افزار Image-Pro Plus استفاده شد. همچنین درجه مادون‌تبرید با استفاده از DSC تعیین شد.

نتایج

آنالیز حرارتی

منحنی‌های DSC نشان دادند که افزودن La موجب ایجاد سه پیک گرمازا در فرآیند انجماد شد. این پیک‌ها مربوط به فاز اولیه α-Al، واکنش یوتکتیک و تشکیل ترکیبات بین‌فلزی غنی از La هستند. افزایش مادون‌تبرید ناشی از La باعث تسریع جوانه‌زنی و محدود کردن رشد دانه‌ها شد.

ریزساختار

ریزساختار آلیاژهای Al-7Si بدون La شامل ذرات Si یوتکتیک بزرگ و فاز α-Al بود. با افزودن La، ذرات Si خرد و اندازه آن‌ها کاهش یافت. پس از عملیات حرارتی T6، ذرات Si کروی و گرد شدند. بیشترین ریزدانه‌سازی و بهبود SDAS با افزودن 0.1 درصد La رخ داد، در حالی که مقادیر بالاتر La موجب تشکیل فازهای غنی و درشت La شد که اثر ظریف‌سازی را کاهش داد.

توزیع فاز

XRD و EPMA نشان دادند که La علاوه بر فازهای اصلی α-Al و Si، فازهای Al₄La و Al₂Si₂La را تشکیل می‌دهد. ذرات La عمدتاً در اطراف Si یوتکتیک متمرکز شده و در α-Al حل نمی‌شوند، و باعث ظریف‌سازی ذرات Si و ریزساختار کلی می‌شوند.

خواص کششی

افزودن 0.1 درصد La موجب افزایش استحکام کششی نهایی از 333 به 350.2 مگاپاسکال و ازدیاد طول نسبی از 9.2 به 12.5 درصد شد. مقادیر بالاتر La باعث تشکیل فازهای درشت و کاهش خواص مکانیکی گردید.

شکست‌شناسی

SEM نشان داد که آلیاژ بدون La دارای شکست مخلوط ترد–نرم است. با افزودن 0.1 درصد La، ریزساختار شکست یکنواخت شده و شکست نرم شد. با افزایش La به 0.2 و 0.4 درصد، فازهای ترد غنی از La در سطح شکست ظاهر شدند که موجب تمرکز تنش و بازگشت نوع شکست به مخلوط ترد–نرم شد.

نتیجه‌گیری

1. افزودن La باعث تشکیل فازهای Al₂Si₂La و Al₄La در ناحیه یوتکتیک شده و مادون‌تبرید جوانه‌زنی را افزایش می‌دهد.

2. 0.1 درصد La بهترین اثر را بر ریزساختار و خواص مکانیکی دارد: SDAS و اندازه ذرات Si به ترتیب 9.6 و 23 درصد کاهش و UTS، YS و ازدیاد طول نسبی به ترتیب 350.2 مگاپاسکال، 252.5 مگاپاسکال و 12.5 درصد رسید.

3. نوع شکست با 0.1 درصد La نرم و انعطاف‌پذیر شد، اما با افزایش La به 0.2 و 0.4 درصد، به دلیل تشکیل فازهای درشت و غنی از La، نوع شکست دوباره مخلوط ترد–نرم شد.