مزایای استفاده از فرآیندهای نیمه ­جامد کاهش میزان تخلخل­های گازی و انقباضی و اصلاح ریزساختار

 

مزایای استفاده از فرآیندهای نیمه ­جامد کاهش میزان تخلخل­های گازی و انقباضی و اصلاح ریزساختار است که بهبود خواص مکانیکی قطعه را بدنبال دارد. در این تحقیق از روش سطح شیب­دار خنک­شونده به منظور تولید شمشال­های اولیه استفاده شده است. هدف اصلی این مرحله تولید شمشالی با ریزساختار مطلوب از نظر کوچکترین اندازه دانه و بالاترین فاکتور شکل بوده که این امر از طریق ایجاد شرایط بارریزی کنترل شده و یکنواخت با قابلیت کنترل اتمسفر محقق گردید. در مرحله بعد با استفاده از شمشال به دست آمده و از طریق فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد، تولید قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62 بدلیل داشتن دیواره­های صاف و نازک صورت پذیرفت. هدف بخش دوم تولید قطعه­ای صنعتی نزدیک به شکل نهایی با استحکام مناسب بود. در این تحقیق تاثیر پارامترهای فرآیند سطح شیب­دار شامل دما، طول و زاویه سطح شیب­دار، دما و نرخ بارریزی به صورت جامع مورد بررسی قرار گرفت. برای اینکه بتوان اثر پارامترهای متقابل را مورد بررسی و تحلیل قرار داد از روش طراحی فاکتوریل استفاده شد. همچنین بررسی ارتباط بین پارامترهای فرآیند و عوامل موثر بر غیردندریتی شدن ریزساختار که شامل نرخ برش، مدت زمان اعمال آن و کسر جامد دوغاب می­باشند، با استفاده از شبیه­سازی اجزای محدود و از طریق نرم­افزار Flow-3D بررسی گردید. در ضمن بدلیل اینکه آلومینیم فلزی است که بخصوص در حالت مذاب قابلیت واکنش شیمیایی و حلالیت فیزیکی با اجزای هوای محیط بخصوص اکسیژن و هیدروژن را دارد که منجر به ایجاد ترکیبات اکسیدی و تخلخل در شمشال می­شود تاثیر کنترل اتمسفر توسط گاز آرگون مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله دوم نیز بعد از تولید قطعه سالم، تاثیر عوامل موثر نظیر دمای قطعه و قالب، مدت زمان نگهداری قطعه در دمای نیمه­جامد، فشار اعمالی به قطعه و سرعت رام پرس بررسی گردید. برای داشتن تحلیل دقیق­تر و برقراری روابط حاکم در تاثیر عوامل موثر با استفاده از نرم­افزار Deform-3D، شبیه­سازی­هایی با شرایط حاکم انجام پذیرفت و با نتایج حاصل از آزمون­های آزمایشگاهی مقایسه گردید.

نتایج نشان داد که مطلوب­ترین نتیجه از نظر بالاترین درصد کرویت بیشترین مقدار سختی و کوچکترین اندازه دانه در نرخ بارریزی ml/s8، طول سطح mm400، زاویه سطح º40 و دمای بارریزی Cº625 بدست می­آید. در این شرایط درصد کرویت و اندازه دانه­ها به ترتیب حدود 77% و µm76 و مقدار سختی حدود HB80 می­شود. همچنین اثر متقابل پارامترها، تاثیر بیشتری را بر مقادیر خروجی نسبت به تاثیر هر پارامتر به صورت مجزا داشته که در این میان اثر متقابل پارامتر طول سطح شیب­دار و نرخ بارریزی به میزان حدود 40% و اثر متقابل پارامترهای دمای بارریزی، طول سطح شیب­دار و نرخ بارریزی به میزان حدود 17% دارای بیشترین تاثیر می­باشند. در ضمن با بکارگیری اتمسفر محافظ بدلیل کاهش میزان ناخالصی و تخلخل در ریزساختار، شکل­پذیری و استحکام آلیاژ به ترتیب 5/17% و 28% افزایش می­یابد. مقایسه نتایج حاصل از آزمایشات تجربی با نتایج شبیه‌سازی نیز نشان می‌دهد که برای داشتن ریزساختار مناسب، در صورتی که کسرجامد دوغاب خروجی بین 30 تا 35 درصد باشد، باید نرخ برش و انرژی تلاطم را تا حد امکان بالا برد. در ضمن شبیه­سازی انجام گرفته در بخش آهنگری نیمه­جامد و ارائه پارامترهای وابسته به نرم­افزار، به خوبی سیلان آلیاژ را در حالت نیمه­جامد تقریب زده و تطابق خوبی را با نتایج حاصل از آزمون­های آزمایشگاهی نشان می­دهد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش دمای قالب از  °C25 به °C450، مقدار تناژ پرس 21% کاهش پیدا می­کند. همچنین دمای قالب بالاتر باعث بروز ریزساختاری درشت­تر و ناهمگن در آلیاژ می­شود که این امر باعث کاهش تقریبی 13% سختی در نمونه­ها شده است. با افزایش دمای قطعه و مدت زمان نگهداری در آن دما، رشد دانه­ها به دلیل پدیده رایپنینگ اتفاق افتاد. نتایج نشان می­دهد که اندازه دانه­ها برای مدت زمان نگهداری min 5، با افزایش دما از 570 به °C600 به میزان 5% و در دمای °C570 با افزایش زمان نگهداری از 5 به min 30 به میزان 74% افزایش می­یابد.

 

واژه­های کلیدی: شکل­دهی نیمه­جامد، طراحی آزمایشات، تست آزمایشگاهی، سطح شیب­دار خنک­کننده، فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد

 

فهرست مطالب

1-    فصل اول- اصول و کلیات… 1

1-1- مقدمه      2

1-1-1-   روشهای توليد مخلوط مذاب و جامد. 3

1-1-2-   فرآيندهاي توليد قطعه از مخلوط مذاب و جامد 5

1-1-3-   مقایسه فرآیندهای رئوکستینگ با تیگسوکستینگ    7

1-1-4-   سازوکارهاي حاكم بر تغييرات ساختاري در فرآيند‌هاي شكل‌دهي نيمه‌جامد. 8

1-1-4-1- نظریه تغییر شکل و تبلور مجدد بازوهاي دندریتی   8

1-1-4-2- ذوب ریشه بازوهاي دندریتی.. 9

1-1-4-3- سازوکار رشد کنترل شده. 9

1-1-4-4- سازوکار به هم پیوستن.. 9

1-1-5-   پارامترهای موثر بر غیردندریتی شدن.. 10

1-2- طراحی آزمایش…. 11

1-2-1-   کلیات            11

1-2-2-   مراحل مختلف طراحی آزمایش…. 11

1-2-3-   انواع طرح­های آزمایشی.. 12

2-    فصل دوم – پیشینه پژوهش…. 13

2-1- مقدمه    14

2-2- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر ریخته­گری روی سطح شیب­دار  14

2-3- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر عملیات حرارتی و گرمایش مجدد 20

2-4- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر کدنویسی و شبیه­سازی   24

2-5- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر آهنگری شمش نیمه­جامد 27

2-6- شرح مسئله و هدف از کار پژوهشی حاضر.. 33

3-    فصل سوم – آزمایشات تجربی 36

3-1- مقدمه    37

3-2- تولید شمش نیمه جامد به روش سطح شیب­دار.. 37

3-2-1-   ماده اولیه مورد استفاده 37

3-2-2-   اندازه­گیری دماهای خطوط مذاب و جامد. 39

3-2-3-   تجهیزات مورد استفاده 40

3-2-4-   روش انجام آزمایش و پارامترهای مورد بررسی  42

3-3- آهنگری شمش نیمه جامد. 44

3-3-1-   معرفی قطعه و طراحی قالب… 44

3-3-2-   شرایط دمایی حاکم و محاسبه میزان کسر جامد 45

3-3-3-   روش انجام آهنگری و پارامترهای مورد بررسی  47

3-3-3-1- شکل­دهی نمونه‌های سربی.. 48

3-3-3-2- شکل­دهی نمونه‌های آلومینیمی.. 49

3-3-3-3- آزمون فشار و آزمون حلقه. 50

3-4- چگونگی اندازه­گیری پارامترهای خروجی.. 51

3-4-1-   مطالعه ریزساختار.. 51

3-4-2-   محاسبه اندازه متوسط دانه و میزان کرویت   52

3-4-3-   آزمون سختی سنجی.. 53

3-4-4-   آزمون کشش…. 53

4-    فصل چهارم – شبیه سازی اجزای محدود. 54

4-1- مقدمه    55

4-2- شبیه­سازی اجزای محدود تولید شمش نیمه جامد. 55

4-2-1-   معرفی نرم­افزار.. 55

4-2-2-   معرفی مدل و چگونگی مش­بندی… 57

4-2-3-   تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات سیال  58

4-2-4-   اعمال شرایط مرزی و اولیه. 59

4-3- شبیه­سازی اجزای محدود فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد 60

4-3-1-   معرفی نرم­افزار.. 60

4-3-2-   مراحل شبيه سازي… 60

4-3-3-   تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات قطعه و قالب   61

4-3-4-   نحوه مش­بندی… 62

4-3-5-   شرايط مرزي و بارگذاري… 63

5-    فصل پنجم – نتایج و بحث… 65

5-1- مقدمه    66

5-2- بررسی نتایج تولید شمش نیمه­جامد. 66

5-2-1-   بررسی مستقل پارامترها و مقایسه با نتایج شبیه­سازی   66

5-2-1-1- اعتبارسنجی شبیه­سازی­ها 66

5-2-1-2- اثر خنک­کنندگی سطح شيب­دار. 68

5-2-1-3- اثر دماي بارریزی   69

5-2-1-4- اثر زاویه سطح شیب­دار. 74

5-2-1-5- اثر طول سطح شیب­دار. 79

5-2-1-6- تاثیر نرخ بارریزی   82

5-2-2-   بررسی مشخصات ساختاری نمونه­ها با استفاده از روش طراحی فاکتوریل.. 85

5-2-2-1- بررسی پارامترهای موثر روی درصد کرویت   87

5-2-2-2- بررسی کمترین قطر میانگین اندازه دانه  93

5-2-2-3- بررسی میزان سختی.. 97

5-2-3-   مقایسه حالت بهینه ریخته­گری در محیط خنثی و اتمسفر  102

5-2-3-1- بررسی میزان تخلخل.. 102

5-2-3-2- بررسی نمونه­ها با پراش تفرق اشعه ایکس (XRD) 106

5-2-3-3- بررسی نمونه­ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) 107

5-2-3-4- بررسی خواص کششی.. 108

5-3- بررسی نتایج آهنگری شمش نیمه­جامد قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62.. 108

5-3-1-   اعتبارسنجی شبیه­سازی­ها 108

5-3-2-   بررسی تاثیر گرمایش مجدد روی نمونه­های ریخته­گری   109

5-3-3-   بررسی تاثیر اصطکاک…. 111

5-3-4-   تاثیر سرعت حرکت پرس (نرخ کرنش). 114

5-3-5-   تاثیر دمای قالب و فشار پرس…. 116

5-3-6-   اثر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری… 122

6-    فصل ششم – نتیجه گیری و پیشنهادات… 128

6-1- نتیجه گیری… 129

6-2- پیشنهادات   131

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

شکل ‏1‑1- مقایسه­ای بین آهنگری، ریخته­گری و فرآیند نیمه­جامد از نظر محدوده دمای کاری [2]. 2

شکل ‏1‑2- تصویر طرح­وار روش سطح شیب دار خنک کننده [6]. 4

شکل ‏1‑3- تصویر طرح­وار فرآیندهای ریخته­گری و آهنگری با شمش نیمه­جامد [7]. 6

شکل ‏1‑4- الف) حرارت­دهی موفق ب) حرارت­دهی ناموفق، ریزش مذاب و ایجاد پدیده پافيليشدن [7]. 7

شکل ‏1‑5- مقایسه انواع روشهای شکل دادن [8]. 8

شکل ‏1‑6- طرح سازوکار پیشنهادي ووگل در جدا شدن بازوهاي دندریتی (الف) اعمال تنش برشي به دندريت‌هاي فاز جامد (ب) خم شدن دندريت‌ها (ج) ايجاد شکست در ريشه دندريت‌ها (د) جدا شدن دندريت‌ها [4]. 8

شکل ‏1‑7- بیان تغییرات ساختاری در طول انجماد همراه با اغتشاش شدید: الف) دندریت اولیه، ب) رشد دندریت، ج) گل برگ، د) گل برگ تکامل یافته و ه) ذره کروی [8]. 10

شکل ‏1‑8- نمای توصیف فرایندهای آرام و سریع در ریزساختار نیمه جامد پس از افزایش و کاهش نرخ برش [4]. 10

شکل ‏2‑1- اثر زاویه بر (الف) قطر متوسط (ب) فاکتور شکل ذرات قبل و بعد از گرمایش مجدد[24]. 16

شکل ‏2‑2- سطح شیبدار ابداعی توسط بیرول[5]. 17

شکل ‏2‑3- تغییرات اندازه دانه بر اثر مدت زمان نگهداری، دمای بارریزی Cº640، طول سطح شیب دار mm400 [5]. 17

شکل ‏2‑4- تغییر ریزساختار در آلیاژ آلومینیم 6061Al در حالت الف) ریختگی و ب) نیمه جامد [27]. 18

شکل ‏2‑5- ریزساختار شمش­های ریخته­گری شده در دماهای بارریزی و طولهای متفاوت در قالب سرامیکی[28]. 19

شکل ‏2‑6- ذرات فاز سیلیسیم يوتکتيک در ريزساختار آلياژ 319A بعد از انجام عمليات حرارتي[34]. 21

شکل ‏2‑7- ریز ساختار قطعه تولید شده از طریق همزن الکترومغناطیسی بعد از گرمایش مجدد[35]. 22

شکل ‏2‑8- ریزساختار مربوط به عملیات حرارتی (الف) T5 و  (ب) T6 [41]. 23

شکل ‏2‑9- جدایش در مقیاس ماکرو با زاویه سطح °30 (الف) و °60 (ب). 26

شکل ‏2‑10- توزیع دمای دوغاب روی سطح با دو دمای بارریزی (الف)  k 925 و (ب) k 955.. 27

شکل ‏2‑11- جدایش در مقیاس ماکرو با دو دمای بارریزی (الف)  k 925 و (ب) k 955.. 27

شکل ‏2‑12- ریزساختار بعد از فرآیند حرارت­دهی[52]. 28

شکل ‏2‑13- تغییر ریزساختار با تغییر در میزان جابجایی پانچ (a، b و c مکانهای مختلف برای تصویر برداری در نمونه میباشد)[52]. 28

شکل ‏2‑14- درصد نمونه‌های آهنگری شده آلیاژ آلومینیم 356A با ازدیاد طول کمتر از 2 درصد (الف) آهنگری (ب) آهنگری با شمش نیمه­جامد (ج) آهنگری همراه با پمپ خلا (د) آهنگری با شمش نیمهجامد همراه با پمپ خلا [57]. 30

شکل ‏3‑1- مراحل مختلف پژوهش…. 38

شکل ‏3‑2- دیاگرام تعادلی دوتایی آلومینیم سیلیسیم [69]. 39

شکل ‏3‑3- نمودار تغییرات دما بر حسب زمان (انجماد آلیاژ آلومینیم  مورد مطالعه). 40

شکل ‏3‑4- نمودار دما-گرمای آلیاژ آلومینیم  A356. 40

شکل ‏3‑5- نمایی از(الف) بوته و (ب) نگهدارنده طراحی و ساخته شده در این تحقیق. 41

شکل ‏3‑6- دستگاه سطح شیبدار با قابلیت کنترل اتمسفر (الف) نمای جانبی، محفظه محافظ سطح شیبدار (ب) نمای روبرو، محفظه محافظ قالب. 41

شکل ‏3‑7- صفحات سطح شیبدار مورد استفاده در این تحقیق (الف) دو صفحه مسی ، مسیر مارپیچی تعبیه شده بین دو صفحه و واشر فلزی مورد استفاده (ب) بزرگنمایی از محل خروج مایع خنک کننده 42

شکل ‏3‑8- (الف) قالبهای فولادی مورد استفاده در این تحقیق، (ب) نقشه و ابعاد قالب فلزی… 43

شکل ‏3‑9- قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62.. 45

شکل ‏3‑10- نقشه ساده شده قطعه، ابعاد به میلیمتر.. 45

شکل ‏3‑11- نمودار تغییرات کسر جامد با کاهش دما برای آلیاژ آلومینیم 356A.. 46

شکل ‏3‑12- قرارگیری اجزای قالب و پرس، (الف) دستگاه پرس، (ب) ترموکوپل و المنت حرارتی، (ج) سیستم کنترل دما، (د) قرارگیری شمشال درون قالب پایینی.. 47

شکل ‏3‑13- (الف) نمونه خام (ب) قطعات آهنگری شده 48

شکل ‏3‑14- قطعات آهنگری شده از نمونه سربی در دماهای مختلف… 49

شکل ‏3‑15- قطعه‌های دایکست و آهنگری شده از نمونه آلیاژها با ریزساختار دندریتی.. 49

شکل ‏3‑16- قطعه­های آهنگری شده از نمونههای تولید شده با ریخته­گری در زمانهای نگهداری مختلف و دماهای (الف) Cº580، (ب) Cº590 و (ج) Cº600.. 50

شکل ‏3‑17- قطعه‌های آهنگری شده از نمونه­های تولید شده با ریخته­گری تحت کنترل اتمسفر در دمای Cº590 و مدت زمان 15 دقیقه. 50

شکل ‏3‑18- منحنیهای کالیبراسیون آلیاژ 356A برای دمای c°400 بر حسب فاکتور اصطکاک مختلف [69, 76]. 51

شکل ‏3‑19- شماتیک برش نمونه­ها (الف) قطعه ریختهگری شده (ب) قسمتهای مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری… 52

شکل ‏3‑20- شماتیک برش نمونه­ها، موقعیتهایی که مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری در نظر گرفته شده است. 52

شکل ‏4‑1-  نحوه شناسایی مدل هندسی توسط پیش‌پردازشگر نرم‌افزار Flow-3D [80]. 56

شکل ‏4‑2-  تفاوت روش مش‌بندی در روش معمول اختلاف محدود (الف) و در روش چند بلوکی (ب) [80]. 57

شکل ‏4‑3-  مدل سطح شیب‌دار و قالب در Catia (الف) و در Flow-3D به همراه مش (ب). 58

شکل ‏4‑4- render کردن با مش با اندازه شبکه نسبتاً درشت(الف) و با اندازه شبکه نسبتاً ریز (ب). 58

شکل ‏4‑5- شماتیک شرایط مرزی در نظر گرفته شده برای شبیهسازی… 60

شکل ‏4‑6- (الف) مجموعه قالب و قطعه (ب) ابعاد و شکل بیلت… 61

شکل ‏4‑7- مراحل انجام فرآیند شبیه­سازی و آزمایشگاهی، مقادیر بر حسب درصد اتمام عملیات… 62

شکل ‏4‑8- نحوه المان بندی قطعه در مراحل مختلف تولید بر حسب درصد اتمام کار.. 63

شکل ‏5‑1- شبیه­سازی ریخته­گری نیمهجامد (الف)کسر جامد دوغاب خروجی (ب) سرعت دوغاب خروجی، زاویه سطح °30.. 67

شکل ‏5‑2-شبیه­سازی ریخته­گری نیمهجامد (الف) کسر جامد دوغاب خروجی (ب) سرعت دوغاب خروجی، زاویه سطح °60.. 67

شکل ‏5‑3- مقایسه نتایج مقاله کاند و دوتا با نتایج حاصل از این پژوهش…. 68

شکل ‏5‑4- ريزساختار نمونه­های حاصل از ريخته­گري بر روي سطح شيبدار در مرکز و در دماهای بارریزی (الف) Cº680 – بدون خنک­کاری، (ب) Cº650 – بدون خنک­کاری، (ج) Cº625 – بدون خنک­کاری، (د)C º680 – با سیستم آبگرد، (ه) Cº650 – با سیستم آبگرد، (و) Cº625 – با سیستم آبگرد. 69

شکل ‏5‑5- تاثير وضعیت خنک­کاری بر قطرمتوسط ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل در دماهای مختلف بارریزی، طول سطح mm 500، زاویه º50 و نرخ ریخته­گری ml/s 8.. 69

شکل ‏5‑6- ريزساختار نمونه ريخته­گري روي سطح شيبدار با سیستم آبگرد و  زاویه ثابت º50، طول ثابت mm500 و دماهاي بارریزی (الف) Cº650 (ب) Cº625  (ج) Cº615.. 70

شکل ‏5‑7- تاثير دمای بارریزی بر قطرمتوسط ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل، طول سطح mm 500، زاویه º50 و نرخ ریخته­گری ml/s 8.. 70

شکل ‏5‑8- مقایسه کسرجامد ایجاد شده بر روی سطح شیبدار در دماهای مختلف بارریزی (1) Cº680، (2) Cº650 (3) Cº 625، (4) Cº 615 و (5) Cº600.. 71

شکل ‏5‑9- نرخ برش در لحظات اولیه برخورد با سطح شیب‌دار (واحد نمودار بر ثانیه میباشد). 72

شکل ‏5‑10-کسر جامد دوغاب روی سطح شیب‌دار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°625.. 72

شکل ‏5‑11-کسر جامد دوغاب روی سطح شیب‌دار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°650.. 73

شکل ‏5‑12- کسر جامد دوغاب روی سطح شیب‌دار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°680.. 73

شکل ‏5‑13- کسر جامد دوغاب خروجی در زمان‌های 2 و 5 ثانیه برای دماهای بارریزی مختلف… 73

شکل ‏5‑14- ريزساختار نمونه­های حاصل از ريخته­گري بر روي سطح شيبدار در دماي بارریزی Cº650 ، طول mm400 و زاویه­های (الف) º30، (ب) º40، (ج) º50، (د) º60.. 74

شکل ‏5‑15- تاثير زاویه سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، طول mm400.. 74

شکل ‏5‑16- نرخ برش اعمالی اعمال شده به دوغاب در زاویه‌های مختلف سطح شیب‌دار (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار بر ثانیه میباشد). 75

شکل ‏5‑17- نرخ برش در زاویه‌های مختلف سطح شیب‌دار، طول mm 400.. 76

شکل ‏5‑18- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویه‌های مختلف، طول mm 400.. 76

شکل ‏5‑19- کسر جامد دوغاب در زاویه‌های مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در طول mm 400.. 76

شکل ‏5‑20- تاثير زاویه سطح شیبدار بر انداه ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، طول mm600.. 77

شکل ‏5‑21- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویه‌های مختلف، طول mm 600.. 77

شکل ‏5‑22- کسر جامد دوغاب در زاویه‌های مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در طول mm 600.. 78

شکل ‏5‑23- دوغاب منجمد شده روی سطح شیب‌دار با دمای بارریزی C°650 و طول mm 600 و زاویه °40.. 78

شکل ‏5‑24- انرژی اغتشاش در زاویه‌های (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار 1-j.kg). 79

شکل ‏5‑25- ريزساختار نمونههای حاصل از ريختهگري بر روي سطح شيبدار در دماي بارریزی Cº650، زاویه º40 و طولهای بارریزی (الف) mm300، (ب) mm400، (ج) mm500 و (د) mm600.. 80

شکل ‏5‑26- تاثير طول سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، زاویه º40.. 80

شکل ‏5‑27- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه º40.. 81

شکل ‏5‑28- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه º40.. 81

شکل ‏5‑29- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه º50.. 81

شکل ‏5‑30- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه º50.. 82

شکل ‏5‑31-ریزساختار نمونه در نرخ بارریزی مختلف و در طول سطح 400 و 600  میلیمتر (زاویه: °50، دمای بارریزی: °C650). 83

شکل ‏5‑32- تاثير نرخ بارریزی بر اندازه دانه و فاکتور شکل در طول سطح (الف) 400 و (ب) 600  میلیمتر تحت زاویه: °50، دمای بارریزی: °C650. 83

شکل ‏5‑33- تغییرات انرژی توربولانس در نرخ­های مختلف بارریزی برای طولهای 400 و mm 600 در زاویه º50.. 84

شکل ‏5‑34- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح در نرخ­های مختلف بارریزی برای طولهای 400 و mm 600.. 84

شکل ‏5‑35- کسر جامد دوغاب برای نرخهای ریختهگری مختلف در زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه، طول mm 400، زاویه º50.. 85

شکل ‏5‑36- کسر جامد دوغاب برای نرخهای ریختهگری مختلف در زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه، طول mm 600، زاویه º50.. 85

شکل ‏5‑37- تصویر میکروسکوپ نوری ریزساختار نمونه­های الف) 1، ب) 2، پ) 3، ت) 4، ث) 5، ج) 6، چ) 7، ح) 8، خ) 9، د) 10، ذ) 11، ر) 12، ز) 13،  ژ) 14، س) 15، ش) 16، ص) 17، ض) 18 و ط) 19 (رجوع شود به جدول ‏3‑3). 86

شکل ‏5‑38- نمودار نرمال عوامل موثر روی میزان درصد کرویت. 88

شکل ‏5‑39- تاثیر عامل واکنش همزمان V.L  روی میزان درصد کرویت. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625). 89

شکل ‏5‑40- منحنی رفتار میزان درصد کرویت تحت واکنش همزمان عوامل V و L. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625). 89

شکل ‏5‑41- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر میزان درصد کرویت. (زاویه: °60). 90

شکل ‏5‑42-اثر تغییر عامل واکنش همزمان T.L بر حسب  بیشترین درصد کرویت: الف) نمودار دو بعدی و ب) نمودار سه بعدی. 91

شکل ‏5‑43-نمودار میزان کرویت پیش بینی شده بر حسب کرویت واقعی. 92

شکل ‏5‑44-نمودار نرمال عوامل باقیمانده در مدل بیشینه کرویت. 92

شکل ‏5‑45-مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین درصد کرویت. 92

شکل ‏5‑46- نمودار نرمال عوامل موثر در کمترین قطر میانگین دانه­ها. 93

شکل ‏5‑47- اثر تغییر عامل واکنش همزمان V.L در مدل کمترین قطر میانگین دانه­ها الف) نمودار دو بعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °60، دمای بارریزی: °C625). 94

شکل ‏5‑48- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر اندازه دانه­ها. (زاویه: °60). 95

شکل ‏5‑49- اثر تغییر عامل واکنش همزمان T.L در رفتار کمترین مقدار اندازه دانه­ها الف) نمودار دوبعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °60، نرخ ریخته­گری: 1 (ml/s 8)). 96

شکل ‏5‑50- نمودار میزان قطر میانگین دانهها پیش بینی شده بر حسب قطر میانگین دانه­ها واقعی. 97

شکل ‏5‑51- مقادیر نهایی جهت دستیابی به کمترین مقدار قطر میانگین دانه­ها. 97

شکل ‏5‑52- نمودار نرمال عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی. 98

شکل ‏5‑53- اثر تغییر عامل واکنش همزمان V.L در رفتار مدل بیشینه سختی: الف) نمودار دوبعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625). 99

شکل ‏5‑54- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L روی مقدار سختی. (زاویه: °40). 100

شکل ‏5‑55- مقدار سختی پیش­بینی شده بر حسب سختی واقعی. 101

شکل ‏5‑56- مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین سختی. 101

شکل ‏5‑57- مقادیر نهایی جهت رسیدن به بهترین حالت ممکن. 101

شکل ‏5‑58- مقایسه میزان تخلخل نمونه ریخته­شده (الف) در هوا (ب) تحت گاز آرگون و  نمونه آهنگری­شده با قطعه ریخته­شده (ج) در هوا (د) تحت گاز آرگون. 104

شکل ‏5‑59- نحوه اندازه­گیری بخشهای مختلف قطعه در روش آلتراسونیک. 105

شکل ‏5‑60- شکل موج برگشتی در تست آلتراسونیک در محدوده 4 از نمونه ها (الف) نمونه ریخته شده در اتمسفر (ب) نمونه ریخته شده تحت محیط گاز آرگون. 105

شکل ‏5‑61- میانگین مقادیر بدست آمده در تست آلتراسونیک. 105

شکل ‏5‑62- نمودار XRD در الف) نمونه ریختهشده در هوا ، ب) نمونه ریخته­شده تحت گاز آرگون و ج) نمونه آهنگری شده از نمونه ریخته­شده تحت گاز آرگون. 106

شکل ‏5‑63- آنالیز سطح نمونه­ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی به همراه نتیجه آنالیز EDX. 107

شکل ‏5‑64- نمودار تغییرات تنش بر حسب کرنش در الف) نمونه ریختهشده در هوا، ب) نمونه ریخته­شده تحت گاز آرگون و ج) نمونه آهنگری شده از نمونه ریخته­شده تحت گاز آرگون. 108

شکل ‏5‑65- نمونه مورد بررسی در کار کنگ و همکاران [87]. 109

شکل ‏5‑66- مقایسه نتایج حاصل از کار کنگ با این پژوهش…. 109

شکل ‏5‑67- ريزساختار آلياژ حاصل از سطح شیبدار با دمای °C625، طول mm 400، زاویه °40 و نرخ ریختهگری ml/s 8.. 111

شکل ‏5‑68- تغییرات ريزساختار آلياژ بر اثر گرمایش مجدد در دمای °C580 و زمان نگهداری (الف) 5 (ب) 10 (ج) 15 (د) 20 دقیقه. 111

شکل ‏5‑69- تغییرات مقدار اندازه دانه و فاکتور شکل بر اثر اعمال فرآیند گرمایش مجدد. 111

شکل ‏5‑70- تاثیر اصطکاک بر روی دمای قطعه و قالب – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s250.. 112

شکل ‏5‑71- تاثیر اصطکاک بر روی تنش­های وارده بر قالب و قطعه در لحظه 80% – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 113

شکل ‏5‑72- رابطه تناژ پرس با اصطکاک – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 113

شکل ‏5‑73- تاثیر اصطکاک بر رویهم افتادگی لبه­ها – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 113

شکل ‏5‑74- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس بر حسب درصد اتمام فرآیند، (واحد mm/s). 115

شکل ‏5‑75- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس، دمای قالب °c400.. 115

شکل ‏5‑76- تاثیر نرخ کرنش بر روی دمای قطعه­کار (الف) mm/s 20 (ب) mm/s 300.. 115

شکل ‏5‑77- تاثیر نرخ کرنش بر روی تنش های وارده بر قطعه­کار (الف) mm/s 20 (ب) mm/s 30.. 116

شکل ‏5‑78-تاثیر نرخ کرنش روی بیشینه و کمینه دمای قطعه­کار، دمای اولیه قطعه کار °C590.. 116

شکل ‏5‑79- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در حین فرایند (نتایج شبیه­سازی). 117

شکل ‏5‑80- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در لحظه 80% از اتمام فرآیند. 117

شکل ‏5‑81- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکل­دهی در فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد. 117

شکل ‏5‑82- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکل­دهی بر حسب درصد اتمام کار.. 118

شکل ‏5‑83- ریزساختار نواحی مختلف قطعه بر حسب دمای قالب، دمای قطعه °C590 ، فشار MPa100 و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 119

شکل ‏5‑84- ریزساختار نواحی مختلف قطعه بر حسب فشار پرس، دمای قطعه °C590 ، دمای قالب °C25 و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 119

شکل ‏5‑85- اثر تغییرات دمای قالب بر روی بیشینه چگالی المان.. 120

شکل ‏5‑86- تاثیر دمای قالب بر روی سختی در نواحی مختلف نمونهها 121

شکل ‏5‑87- تاثیر دمای قالب بر روی تنش­های وارده بر قطعه، دمای قطعه °C580.. 121

شکل ‏5‑88- تاثیر دمای قالب بر روی تنش­های وارده بر قطعه. 121

شکل ‏5‑89- تاثیر دما بر روی تنش وارده بر قطعه، (الف) °C570 (ب) °C580 (ج) °C590.. 123

شکل ‏5‑90- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400.. 123

شکل ‏5‑91- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400.. 124

شکل ‏5‑92- تاثیر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری بر ریزساختار.. 125

شکل ‏5‑93- تغییرات اندازه دانه با تغییرات دما و زمان نگهداری، دمای قالب °C400.. 126

شکل ‏5‑94- تاثیر دمای نمونه روی سختی در مناطق مختلف، زمان نگهداری قطعه: min10.. 127

شکل ‏5‑95- سطح نمونه آهنگری نیمه­جامد شده در دمای قطعه °C590، دمای قالب °C25 و زمان نگهداری min10.. 127

 

 

فهرست جداول

جدول ‏2‑1- کسر جامد در زوایای مختلف سطح شیب‌دار.. 26

جدول ‏2‑2- خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیم 356A در فرآیندهای مختلف [67]. 33

جدول ‏3‑1- درصد عناصر تشکيل دهنده آلياژ A356. 37

جدول ‏3‑2- پارامترهای مورد بررسی فرآیند ریختهگری بر روی سطح شیبدار.. 42

جدول ‏3‑3- عوامل موثر بر فرآیند سطح شیب دار خنک کننده و سطوح آنها. 44

جدول ‏3‑4-درصد کسر جامد نسبت به دما 46

جدول ‏3‑5- پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق.. 48

جدول ‏3‑6- ضریب اصطکاکی به دست آمده از آزمون­ها 51

جدول ‏4‑1- مشخصات ماده و دیگر پارامترها 59

جدول ‏5‑1- لیست عوامل موثر بر کرویت. 87

جدول ‏5‑2- لیست عوامل موثر بر مدل کمترین قطر میانگین دانه­ها. 93

جدول ‏5‑3- لیست عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی. 98

جدول ‏5‑4- واکنشهای منجر به تشکیل ترکیبات غیرفلزی آلومینیم و تخلخل در نمونه. 102

جدول ‏5‑5- ارتباط درجه حرارت آب با چگالی آن [86]. 103

جدول ‏5‑6- اثر فشار اعمالی بر روی اندازه دانه و فاکتور شکل ذرات α اولیه. 120

 

 

1-        فصل اول

اصول و کلیات

 

1-1-           مقدمه

فرآوری نیمه جامد یک فرآیند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه سریعی داشته است. در این فرآیند آلیاژ مورد نظر ابتدا تحت شرایط کنترل شده­ای ذوب شده، سپس در دامنه انجماد آن به مذاب تنش برشی وارد می­شود. اعمال تنش برشی در منطقه دو فازی منجر به تخریب ساختار شاخه­ای(دندریتی[1]) می­شود و در نتیجه می­توان یک مخلوط مایع-جامد[2] را به قطعه­ای با ساختار غیر دندریتی تبدیل نمود [1].

به عنوان یک تعریف ساده، ریزساختار نیمه­جامد شامل فازهای جامد اولیه­ای است که دارای مورفولوژی غیردندریتی و تقریباً کروی بوده و توسط زمینه یوتکتیکی احاطه شده است [2]. از ویژگی­های مهم فرآيندهاي شكل‌دهي فلزات در حالت نيمه­جامد مي‌توان به تخلخل كمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات با اشکال پیچیده اشاره کرد. همانطور که در شکل ‏1‑1 نشان داده شده­است، این فرآیند از دیدگاه محدوده دمای کاری در حد میانی دو فرآیند ریخته­گری و آهنگری قرار دارد. به بیان دیگر، دمای کاری در این فرآیند پایین­تر از ریخته­گری و بالاتر از آهنگری است.

شکل ‏1‑1- مقایسه­ای بین آهنگری، ریخته­گری و فرآیند نیمه­جامد از نظر محدوده دمای کاری [2].

از معایب عمده ریخته‌گری می­توان به موارد زیر اشاره کرد[3]:

1- وجود حفره­های گازی بدلیل حلالیت بالای گاز در مذاب با دمای بالا

2- ایجاد حفره­های انقباضی، یعنی تشکيل شاخه­هايي از فلز جامد در زمينه­اي از فلز مذاب موسوم به دندریت. اين شاخه­ها باعث بالا رفتن گرانروي مذاب شده و مانع تغذيه و پر شدن حفره­ها مي­شود.

هر دو عامل فوق باعث پايين آمدن كيفيت قطعه توليدي می­شود.

 

آهنگری هم دارای محدودیت­هایی به شرح زیر است [3]:

1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده

2-روی­هم افتادگی[3] دیواره قطعات

3-نیاز به پرسهایی با تناژ بالا و در نتیجه افزایش هزینه تولید

فرآیندهای شکل­دهی در حالت نیمه­جامد در واقع به منظور برطرف­کردن محدودیت­های دو روش اشاره شده می­باشد. تولید قطعات با این فرآیند بخاطر خواص مفيدي که از خود نشان داده­اند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].

1-1-1-      روشهای توليد مخلوط مذاب و جامد

ماده اولیه ورودی فرآیند و روش تهیه آن و نیز چگونگی شکل­دهی این مواد، مهمترین مشخصه­های کلیدي به منظور شناخت روش­های نیمه­جامد هستند. در این فرآیندها، مخلوطی متشکل از ذرات جامد غیردندریتی پخش شده در فاز مذاب فلزي به عنوان ماده شروع کننده فرآیند مورد استفاده قرار می­گیرد.

به طور کلی روش­های تولید دوغاب نیمه­جامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیم­بندی می­شوند. روش­های هم­زدن مکانیکی[4]، هم­زدن مغناطیسی[5]، سطح شیب­دار[6]، عملیات فراصوتی[7]، غلتک سرد کننده و گلوله­های نسوز را می­توان از انواع روش­های تلاطمی برشمرد. روش­های اسپری کردن[8]، رئوکست نیمه­جامد[9] و رئوکست جدید[10] از انواع روش­های غیرتلاطمی می­باشند.

با توجه به اینکه در پایان نامه حاضر از روش سطح شیب­دار خنک­کننده استفاده شده است، از این رو، توضیح جامع­تری از این روش در ادامه خواهد آمد. به کارگیری سطح شيب‌دار خنك­كننده يكي از ساده‌ترين و در عين حال جالب­ترين روش‌هاي ابداعي برای توليد مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضيح در مورد اين روش به اين دليل كه دقيقاً مفهوم سرعت تغيير شكل زاويه‌اي (نرخ برش) و نيز مفهوم قانون لزجت نيوتن را در خود جاي داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روش­هاي جدید تولید قطعات از طریق فرآیند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمش­هاي تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].

شکل ‏1‑2 تصویر طرح­وار این روش را نشان می­دهد. ریخته­گری سطح شيب‌دار شامل ذوب کردن آلياژ در يك كوره مناسب نظیر کوره القايي و سپس سرد کردن آهسته آن تا دماي معین، کمی بالای خط مذاب آلیاژ، است. به منظور تامین کسر جامد مشخص در انتهای سطح شیب­دار، دمای بارریزی تعیین می­شود. مذاب با حداقل دمای فوق گداز روی سطح شیب­داری که معمولاً از جنس همان فلز مذاب است، ریخته می­شود. سطح شیب­دار معمولاً نسبت به خط افق زاویه­ای بین 30 تا º60 دارد. گاهی اوقات سطح شیب­دار بوسيله گردش آب در قسمت زيرين آن، خنك مي‌شود. توجه به اين مورد ضروری است كه جريان بارریزی بايد آرام باشد تا موجب لغزش لایه­های آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابي كه به انتهاي سطح شيب‌دار مي‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی مي‌باشد [5].

شکل ‏1‑2- تصویر طرح­وار روش سطح شیب دار خنک کننده [6].

در روش سطح شيب­دار خنك­كننده، تنش برشی بر اثر شيب سطح و نيروي وزن سیال تامين مي‌شود. با تداوم اعمال تنش برشي، شاخه‌هاي بوجود آمده در مذاب نيمه­جامد شكسته می­شود و به تدريج كروي شكل مي‌گردد. زاویه و طول سطح شیب­دار، دماي بارریزي، نرخ بارریزی، جنس و دمای قالب، ارتفاع نازل تا سطح و میزان زبری سطح از عوامل مهم در روش سطح شیب­دار می­باشند. با افزایش زاویه سطح خنک­کننده، میزان نرخ برش و در نتیجه تلاطم ایجاد شده در مخلوط نیمه­جامد افزایش می­یابد. در مقابل، هر چه زاویه کمتر باشد مدت زمان سیلان ماده نیمه­جامد بر روي سطح بیشتر می­شود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاري با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواخت­تر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیب­دار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، براي تعیین شرایط بهینه سطح شیب­دار از نظر میزان و مدت زمان اعمال برش، باید تاثیر متقابل زاویه و طول سطح شیب­دار در نظر گرفته شود. دماي بارریزي نیز داراي یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیب­دار و نیز قدرت خنک­کنندگی سطح تغییر می­کند [6].

[1] -Dendritic

[2] -Slurry

[3] -Lapping

[4] -Mechanical Stirring

[5] -ElectroMagnetic Stirring

[6] -Cooling Slope

[7] -Ultrasonic Treatment

[8] -Spray Deposition Process

[9] -SemiSolid Rheocast

[10] -New Rheocast