ریزساختار و خصوصیات الکتریکی و مکانیکی آلیاژ Al-Zn-Mg-Mn بــا افـزودن استرانسیم

چکیده:

در ایــن تحقیــق ارتقــای هدایــت الکتریکــی و خصوصیــات مکانیکــی پـس از افـزودن استرانسـیم بـه آلیـاژ Al-Zn-Mg-Mn مـورد بررسـی قــرار گرفــت. اضافــه کــردن Sr باعــث تشــکیل یــک ترکیــب بیــن فلــزی گردیــد و درصــد حجمــی ترکیبــات بیــن فلــزی بــا افزایــش مقــدار استرانســیم افزایــش یافــت. بــا رســیدن استرانســیم از صفــر بــه 1 درصــد هدایــت الکتریکــی آلیــاژ اکســترود شــده از 48/9 بــه 45/1 و % 42.5 IACS کاهـش یافـت. بـا افزایـش مقـدار استرانسـیم میانگیــن انــدازه دانــه آلیــاژ نــورد شــده نیــز از 53/1 بــه 55/5 بــه 42/3 میکـرون کاهـش یافـت ولـی اسـتحکام نهایـی کشـش افزایـش یافــت و بــه 195، 212 و 216 مگاپاســکال رســید.

1- مقدمه

آلیاژهــای آلومینیــم بــه دلیــل هدایــت بــالا، قیمــت پاییــن، شــکل پذیری خــوب و مقاومــت بــه خوردگــی بــه طــور گســترده در آلیاژهــای برقــی، کنداکتورهــا، خطــوط انتقــال، کابل هــای ارتباطــات و ســیم های خــودرو اســتفاده می شود.

هدایــت بــالای آلیاژهــای آلومینیــم بــه کار رفتــه در قطعــات مختلــف نیازمنــد هدایــت بــالا و خصوصیــات مکانیکــی اســت (4 تــا 1) بــرای محصــولات برقــی اگــر بازیافــت حــرارت ایمــن نباشــد، انتظارعمــر و بهــره وری بــه ســرعت افــت میکنــد. بنابرایــن بــرای راندمــان بــالای بهــره وری حــذف حــرارت مــورد نیــاز می باشد.

البتــه بــا افزایــش عناصــر آلیــاژی بــه دلیــل مــرز دانه ها، اتم های محلــول، رســوبات و نابه جایی ها، هدایــت کاهــش مییابــد. بنابرایــن دســتیابی بــه اســتحکام و هــم زمـان هدایـت بـالا دشـوار اسـت و تحقیـق بـر روی ارتقـای اسـتحکام همــراه بــا بــه حداقــل رســاندن کاهــش هدایــت مــورد نیــاز اســت.

البتـه در تحقیقـات مرتبـط بـا هدایـت الکتریکـی آلومینیـم، در بیشـتر تحقیقــات ارتقــای هدایــت بــا تغییــر در مقــدار عناصــر اصلــی آلیــاژ ماننــد Cu ،Mg ،Si ،Fe و Mn انجــام می شود (۷ تــا 5) سیستم های حــل نشــدنی پایــه آلومینیــم بــه عنــوان آلیاژهــای آینــده بــرای کنداکتورهــای عالــی در نظــر گرفتــه میشــوند زیــرا آن ها دارای قابلیــت انحلال کــم در آلومینیــم بــوده، اثــر ناچیــزی بــر هدایــت دارنــد. امــا از آنجــا کــه افــزودن مقــدار اضافــی از ترکیبــات میتوانــد موجــب افــت هدایــت الکتریکــی شــود در نتیجــه کنتــرل ضــروری اســت (8 و 9).

ریزسـاختار آلیـاژ بـه وسـیله ترکیـب کلـی تعییـن میشـود و ترکیـب فـاز میتوانـد بـه وسـیله افـزودن بهسـاز تغییـر کنـد. گـزارش شـده اســت کــه در آلیاژهایــی آلومینیــم Br ،Sb ،Sc و Sr به ساز های ایده آلی هسـتند. و مشـخص گردیـده کـه عملیـات به سـازی و اصلاح بـا افـزودن مقادیـر اندکـی استرانسـیم موجـب ظریـف شـدن فازهـای یوتکتیـک خصوصـا ظریـف شـدن فـاز یوتکتیـک آلومینیـم میگـردد.

بـه علاوه در به سازی بـا استرانسـیم مورفولـوژی یوتکتیک سیلیسـیم نیـز از صفحـات درشـت بـه صـورت الیـاف ظریـف در آمـده در نتیجـه خصوصیــات مکانیکــی و قابلیــت ریخته گری ارتقــاء مییابــد(10). البتــه هنــوز کمبــود مطالعــات نظامنــد در مــورد اثــر استرانســیم بــر ریزســاختار، خصوصیــات الکتریکــی و مکانیکــی آلیاژهــای آلومینیــم وجـود دارد.

بــه همیــن دلیــل در تحقیــق حاضــر ارتقــای خصوصیــات مکانیکــی و هدایــت الکتریکــی آلیــاژ Al-Zn-Mg-Mn بــا افــزودن استرانســیم مــورد بررســی قــرار گرفــت.

2- روش آزمایش

آلیاژهــای مــورد اســتفاده در تحقیــق حاضــر دارای ترکیــب اســمی بدیــن شــرح بــوده اســت:

Al-0.8%,Zn-0.4%,Mg- 0.2%,Mn-XSr (X=0, 0.5, 1%)

بـرای ذوب آلیـاژ، یـک بوتـه گرافیتـی بـا عناصـر آلیـاژی پـر شـده و بـه مـدت 20 دقیقـه در °C 820 درون یـک کـوره القایـی فرکانـس بـالا قـرار داده شـده اسـت. جهـت حـذف رطوبـت باقیمانـده و جلوگیـری از ســریع ســرد شــدن مــذاب، از یــک قالــب فــولادی بــه قطــر ۷5 و ارتفـاع 250 میلـی متـر و پیشـگرم شـده تـا °C 200 بـه صـورت ثقلـی اســتفاده شــد.

شمشــمال ریختگــی بــا ماشین کاری بــه صــورت یــک شمشــال اکســترود بــه قطــر ۷0 و ارتفــاع 90 آمــاده شــده شمشــال ماشین کاری شـده بـه روش اکسـترود گـرم تبدیـل بـه صفحـه ای بـه ضخامــت 4 و عــرض 50 میلیمتــر بــدون هــر گونــه عیبــی گردیــد و توســط نــورد نمونــه هــای نهایــی بــا ضخامــت 1 میلیمتــر آمــاده شــدند. ریزســاختار بــا کمــک یــک میکروســکوپ الکترونــی نشــری (JSM 700F) شــرکت JEOL مجهــز بــه اســپکترومتر نشــر انــرژی ایکــس (EDS-EDAX) و پــراش الکتــرون بازتــاب (EDAX – EBSD) مـورد بررسـی قـرار گرفـت. هدایـت الکتریکـی بـه روش ادی کارنـت در درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) اندازه گیری شــد.

خصوصیـــات مکانیکــــی بــــا یــک دستـــــگاه یونیــــــورسال (SHIMADZU – UTM) براســاس اســتاندارد ASTM-E8M بــا ســرعت اولیــه کرنــش 1X10-2 بــر ثانیــه تعییــن گردیــد.

3- نتایج و سگالش

بــه منظــور تشــخیص انــواع فازهــای شــکل گرفتــه در هــر سیســتم آلیــاژ طراحــی شــده، از برنامــه نرم افــزاری Pandat اســتفاده شــد. شکـــل 1a مقطــــع عمـــودی بــــرآوردی نمــودار فــازی آلیــاژ XSr 0.2%Mn- – 0.4%Mg – Al-0.8%Zn را نشــان میدهــد. بــا افزایـش در استرانسـیم افـزوده شـده از 0 تـا 0/5 و %1 ترکیبـات بیـن فلــزی از 2/13 تــا 2/26 و 3/06 % افزایــش یافــت. شــکل 1b نتایــج EDS از آلیــاژ ریختگــی 0.2%,Mn- – 0.4%,Mg – Al-0.8%,Zn 1%,Sr را نشــان میدهــد. ســاختار زمینــه Al-a بــا یــک بازتــاب تیـره و ترکیبـات بیـن فلـزی بازتـاب روشـن مشـاهده میشـود.

ایـن ترکیبـات بیـن فلـزی نتایـج ترکیبـات Al-Mg-Zn و Al-Mn و فازهـای Si یوتکتیـک هسـتند کـه براسـاس نتایـج EDS مشـخص شده اند. شــکل 2 تصاویــر SEM-BSE نمونه های ریختگــی، اکســترود و نــورد شـده را بـر مبنـای تغییـر مقـدار استرانسـیم افـزوده شـده بـه آلیـاژ 0.2%,Mn – 0.4%,Mg – Al-0.8%,Zn نشــان میدهــد. در نمونــه ریختگــی (شــکل های 2a تــا 2c) ســاختار زمینــه Al دارای یــک بازتـاب مشـکی و خاکسـتری و ترکیبـات بیـن فلـزی بـا بازتـاب سـفید بــه صــورت ســوزنی شــکل در امتــداد مــرز دانه ها توزیــع شده اند. خصوصیـات مکانیکـی آلیاژهـا بـه میـزان زیـادی بـه وسـیله انـدازه و درصــد حجمــی دانه ها و فازهــا تعییــن می شود.(11)

درصــد ترکیبــات بیــن فلــزی آلیاژهــای Al-Zn-Mg-Mn بــا مقادیــر مختلـف استرانسـیم اضافـه شـده بـا اسـتفاده از یـک سیسـتم آنالیـز تصویـر مـورد بررسـی قـرار گرفـت.

بــا افزایــش استرانســیم از 0، 0.5 و %1 درصــد ترکیبــات بیــن فلــزی از 1/59، 2/89 و 4/04 درصــد افزایــش یافتــه اســت.

مطابــق شــکل ها 2d تــا 2f پــس از اکســترود گــرم آلیاژهــای حــاوی استرانســیم، ریزســاختار آلیــاژ ریختگــی در جهــت اکســتروژن بــه دلیــل تغییــر شــکل پلاستیک طویــل شــده اســت. ولــی مشــابه آلیـاژ ریختگـی بـا افزایـش مقـدار استرانسـیم انـدازه ترکیبـات بیـن فلزی بــه تدریــج میــل بــه رشــد داشته اند، بــه علاوه بــا افزایــش میــزان استزانســیم فاصلــه بیــن ذرات نیــز باریکتــر شــده اســت.

تصاویــر SEM-BSE از نمونــه آلیــاژ نــورد شــده در شــکل های 2g تــا 2i نشــان داده شــده و در آن ها مشــاهده می شود بــه دلیــل تغییــر شـکل شـدید حیـن نـورد باعـث شـده ذرات ظریـف شکسـته شـده و آرایشـی در جهـت نـورد داشـته باشـند. مشـخص گردیـد کـه ترکیبـات بیـن فلـزی در نمونـه نـورد شـده نسـبت بـه نمونـه اکسـترود شـده بــه دلیــل فراینــد اضافــی نــورد ســرد ظریفتــر پخــش شده اند.

شـکل 3 تصاویـر قطـب معکـوس (IPF)1 و نقشـه مرزدانـه نمونه های اکســترود نورد شــده

بــا آلیــاژ 0.2%,Mn – 0.4%,Mg – Al-0.8%,Znحــاوی مقادیــر متفــاوت استرانســیم را نشــان میدهــد یــک صفحــه بــه مــوازات جهــت اکســتروژن مشــاهده شــد و بــا افزایــش استرانســیم از 0، 0.5 و %1، متوســط انــدازه دانه بندی بــه طــور قابــل توجهــی بــه تریــب از 418، 500 و 695 میکــرون افزایــش یافتــه اســت، در آلیــاژ 0.2%,Mn( – 0.4%,Mg – )Al-0.8%,Zn دانه های درشــت و ظریــف مشــاهده شــده کــه بــه نظــر میرســد بــه دلیــل تفــاوت در رشــد بلــور و دانه ها در اثــر توزیــع غیریکنواخــت ترکیبــات بیــن فلــزی باشــد (12).

در شکل های 3b تــا 3f دانه های تبلــور مجــدد نشــده در امتــداد جهــت اکســتروژن و نــورد کشــیده شده اند. در نقشـه مرزدانـه بـه رنـگ قرمـز و سـبز و مـرز دانه ها بـا زوایـه پاییـن LGBS)2) زوایــه 2 تــا 15 درجــه نواحــی بــه رنــگ قرمــز و ســبز و مــرز دانه ها بــا زوایــه بــالا LGBS2 زوایــه (15 تــا 180 درجــه) بــه ترتیــب در ناحیــه آبــی نشــان داده شــده اســت. ناحیــه دانه های تبلــور مجــدد نشــده نشــان دهنــده (LGBS) اســت در نمونــه نــورد شــده بــا افــزودن مقــدار استرانســیم از 0، 0.5 و %1 میانگیــن انــدازه دانه ها رونــد کاهشــی از 56، 53 و 42 میکــرون داشــته اســت.

در شــکل 4 تغییــرات هدایــت الکتریکــی آلیاژهــای بــا شــرایط ریختگــی، اکســترود و نــورد شــده را نشــان میدهــد، بــا افزایــش مقــدار استرانســیم از ، و هدایــت الکتریکــی در نمونــه ریختگــی از در نمونــه اکســترود شــده هــم از کاهــش مییابــد. هدایــت الکتریکــی نمونــه ریختگــی نســت بــه نمونــه اکســترود بــه دلیــل وجــود تخلخــل و عیــوب ظریــف ریختگــی کمتــر اســت.

همچنیــن بــا افــزودن استرانســیم هدایــت الکتریکــی کاهــش مییابــد کــه بــه نظـر میرسـد بـه دلیـل افزایـش ترکیبـات بیـن فلـزی بنابـر تصاویـر SEM-BSE می باشد. بــا افــزودن استرانســیم محلــول جامــد در زمینـه Al-a بـه وجـود آمـده کـه بـر هدایـت الکتریکـی آلیـاژ تأثیـر میگـذارد، افـزودن عناصـر از راههـای مختلـف بـر هدایـت الکتریکـی موثــر اســت. بــا افزایــش عناصــر آلیــاژی قابلیــت انحلال جامــد تجـاوز کـرده و ترکیبـات بیـن فلـزی یـا رسـوبات بـا مورفولوژی هـای مختلـف بـه وجـود می آید.

افــزودن استرانسـیم بـه دلیـل افزایـش فــاز مرزدانــه در مــورد آلیاژهــای اکســترود و نــورد شــده، هدایــت الکتریکــی را کاهــش میدهــد. ایــن بــاور وجــود دارد کــه ایــن امــر بـه دلیـل اعوجـاج شـبکه بلـوری در فصـل مشـترک بیـن فـاز و زمینـه آلومینیـم بـه لحـاظ توزیـع ترکیبـات بیـن فلـزی اسـت.

در خصـوص آلیاژهـای اکسـترود و نـورد شـده توزیـع فـاز رسـوبات مرزدانـه ارتقـا یافتـه و در نتیجـه هدایـت الکتریکـی در مقایسـه بـا نمونـه ریختگـی افزایــش یافتــه اســت (14 و 13) شــکل 4b خصوصیــات مکانیکــی آلیاژهــای  0.2%,Mn Al-0.8%,Zn-0.4%,Mg-نــورد شــده بــا  افزایــش مقادیــر استرانســیم را نشــان میدهــد.

اســتحکام کششــی از 192، 212 و 216 مگاپاســکال بــا افــزودن استرانســیم از 0، 0.5 و %1 و همچنیـن ازدیـاد طـول نسـبی نیـز از 2/46 بـه 3/43 افزایـش یافتـه اســت، افزایــش ترکیبــات بیــن فلــزی و کاهــش در انــدازه دانــه بــه ارتقــای خصوصیــات مکانیکــی کمــک مینمایــد.

4- نتیجه گیری

تأثیــر افــزودن استرانســیم (0، 0.5 و %1) بــر ریزســاختار، خصوصیــات مکانیکـی و هدایـت الکتریکی آلیـاژ0.2%,Mn Al-0.8%,Zn-0.4%,Mg- اکســترود شــده مــورد مطالعــه قــرار گرفــت، بــا افــزودن استرانســیم از 0، 0.5 و %1 درصــد ترکیبــات بیــن فلــزی از 1/59 بــه 4/04 درصــد رسـید. ترکیبـات بیـن فلـزی در جهـت اکسـترود بـه دلیـل تغیـر شـکل شـدید در جهـت اکسـترود کشـیده شده اند، بـه طـوری کـه متوسـط انـدازه دانـه از 418 بـه 695 میکـرون بـا افـزودن استرانسـیم از 0 بـه %1 رسـیده اسـت.

بـا افزایـش مقـدار استرانسـیم هدایـت الکتریکـی کاهــش یافتــه زیــرا در فصــل مشــترک بیــن فــاز و زمینــه آلومینیــم بـه لحـاظ توزیـع ترکیبـات بیـن فلـزی شـبکه بلـوری دچـار اعوجـاج گشـته اسـت. افـزودن استرانسـیم موجـب ارتقـای اسـتحکام کشـش از 195 بـه 216 مگاپاسـکال شـده اسـت. اضافـه کـردن استرانسـیم در آلیـاژ آلومینیـم نقـش مهمـی در خصوصیـات مکانیکـی دارد.

منبع خارجی: 1/2024 .Mater .Metall .Arch

منبع فارسی: ماهنامه مرداد 1403 – صنعت ریخته گری

ترجمه: عبدالحمید قدیمی

5- منابع:

• L. Cai, Materials Science and Engineering, A 783, 139308 (2020).
• G . Langelandsvik, Materials Science and Engineering B 254, 114505 (2020).
• S .W. Park, Journal of Powder 30, 223 (2023)
• S. Kim, Journal of Powder Mater. 29, 213 (2022)
• F. Kilicaslan, Journal of Alloys And Compounds 606, 86 (2014).
• T . Marlaud, Acta Materialia 58, 4814 (2010).
• M .Y. Murashkin, Materials & Design 90, 433 (2016).
• A .A. Mogucheva, Metal Science and Heat Treatment 53, 450 (2012).
• S. Nayak, Materials Science and Engineering A 527, 2370 (2010).
• G . Yan, Journal of Alloys and Compounds 678, 201 (2016).
• Rostami, Metals and Materials International 27, 2682 (2021).
• J .D. Robson, Acta Materialia 57, 2739 (2009)
• Zhong, Materials Science and Technology 33, 92 (2017).
• Ying, Acta Materialia 80, 288 (2014).