تأثیر گرافیت بر خواص مکانیکی و رفتار سایشی نانوکامپوزیت زمینه آلومینیوم

محورهای موضوعی : متالورژی پودر

الهام بخشی زاده ¹ , علی شکوه فر ² , اشکان ذوالریاستین ³ , مهدی خدایی ⁴

1 - دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه صنعتی خواجه نصیر
2 - دانشکده مهندسی و علم مواد-دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
3 - گروه مواد غیرفلزی-پژوهشگاه نیرو
4 - دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی

تاریخ دریافت : 1401/11/12 تاریخ پذیرش : 1403/03/31 تاریخ انتشار : 1402/12/14

کلید واژه: کامپوزیت زمینه آلومینیوم, گرافیت, سایش, خواص مکانیکی,

چکیده مقاله :

هدف از این پژوهش، مقایسه اثر درصد گرافیت (5-0 درصد وزنی) بر خواص مکانیکی و سایشی نانوکامپوزیت زمینه آلومینیوم است. ساخت نمونه­های بالک به روش آسیاکاری/ پرس گرم (دمای °C 420، فشار MPa 400، زمان h 1) انجام شد. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده در این پژوهش، افزودن گرافیت به زمینه آلومینیوم تأثیر چشمگیری در بهبود خواص سایشی زمینه آلومینیوم ایجاد کرده است. بهترین عملکرد سایشی مربوط به نمونه کامپوزیت حاوی 5 درصد وزنی گرافیت بود که به میزان 62 درصد کاهش در نرخ سایش و 5/2 مرتبه کاهش در ضریب اصطکاک را نسبت به نمونه آلومینیوم تقویت نشده نشان داد. با وجود اینکه افزایش درصد گرافیت در محدوده 5-0 درصد وزنی به‌صورت پیوسته باعث بهبود در رفتار سایشی کامپوزیت می­شود، ولی افت هم‌زمان خواص مکانیکی (سختی و استحکام فشاری) و چگالی کامپوزیت در نمونه­های حاوی گرافیت مشاهده شد.

چکیده انگلیسی:

This study aims to compare the effect of graphite content (0–5 wt.%) on the mechanical and ‎tribological properties of aluminum matrix nanocomposites. The bulk samples were prepared ‎by the mechanical milling/hot pressing (temperature 420 °C/ pressure 400 MPa/ time 1h) ‎process. According to the obtained results in this work, the addition of graphite to an ‎aluminum matrix significantly improves the wear properties of aluminum (wear rate and ‎coefficient of friction). The best wear performance was obtained with the sample containing ‎‎5wt.% graphite, which showed a 62% reduction in the wear rate and a 2.5-fold reduction in ‎coefficient of friction compared to the unreinforced aluminum sample. Although increasing ‎the amount of graphite in the range of 0-5 wt.% leads to a continuous improvement in the ‎wear behavior of the composite material, it results in a simultaneous deterioration of the ‎mechanical properties (hardness and compressive strength) and the density of the Aluminum- ‎Graphite composites.‎

منابع و مأخذ:

[1] N. Greenwood & A. Earnshaw, "Chemistry of the Elements". Second ed, Pergamon Press. Pub, 1997.

[2] J. Praneeth & N. Naveen, "Aluminium Based Metal Matrix Composites: A Review of Reinforcement; Mechanical, Wear Properties". International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology, vol. 5, pp. 1232-1235, 2017.

[3] L. Yolshina, R. Muradymov & N. Molchanova, "Corrosion Behavior of Aluminum–Graphene and Aluminum–Graphite Composite Materials in a 3% NaCl Aqueous Solution". Russian Metallurgy (Metally), vol. 2, pp. 153-160, 2022.

[4] B. L. Dasari, M. Morshed, J. M. Nouri, D. Brabazon & S. Naher, "Mechanical Properties of Graphene Oxide Reinforced Aluminium Matrix Composites". Composites Part B: Engineering, vol. 145, pp. 136-144, 2018.

[5] M. Sambathkumar, R. Gukendran, T. Mohanraj, D. Karupannasamy, N. Natarajan & D. S. Christopher, "A Systematic Review on the Mechanical, Tribological, and Corrosion Properties of Al 7075 Metal Matrix Composites Fabricated through Stir Casting Process". Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2023, pp. 1-17, 2023.

[6] E. Ghasali, R. Yazdani-rad, K. Asadian & T. Ebadzadeh, "Production of Al-SiC-TiC Hybrid Composites Using Pure and 1056 Aluminum Powders Prepared Through Microwave and Conventional Heating Methods". Journal of Alloys and Compounds, vol. 690, pp. 512-518, 2017.

[7] G. Chen, Y. Jin, H. Zhang, F. Han, Q. Chen, J. Xu & Z. Zhao, "Microstructures and Mechanical Properties of In-Situ Al3Ti/2024Al Composites After Solution and Subsequent Aging Treatment.". Materials Science and Engineering: A, vol. 724, pp. 181-188, 2018.
[8] ح. ص. وزیری، ع. شکوه¬فر و س. سید¬افقهی، "بررسی خواص میکروساختاری و مکانیکی نانوکامپوزیت پایه آلومینیوم تقویت شده با نانوذارت دی سولفیدتنگستن"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 14، شماره 1، صفحه 13-1، 1399.

[9] د. داوودی، ا. ح. امامی و ع. سعیدی، "تولید و بررسی خواص مکانیکی پودر نانوکامپوزیت آلومینیوم 7014/آلومینا به روش آلیاژسازی مکانیکی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9، شماره 4، صفحه 93-106، 1394.

[10] T. F. Stephenson, Rohatgi & P. A, Khan, "Aluminum Hybrid Composites Containing Nickel-Coated Graphite Particulate". Processing Properties and Applications of Cast Metal Matrix Composites, vol. 337, pp. 776-785, 1996.

[11] S. W. Ip, R. Sridhar, J. M. Toguri, T. F. Stephenson & A. E. M. Warner, "Wettability of Nickel Coated Graphite by Aluminum". Materials Science and Engineering: A, vol. 244, no. 1, pp. 31-38, 1998.

[12] J. A. E. Bell, T. F. Stephenson, A. E. M. Warner & V. Song, "Physical Properties of Graphitic Silicon Carbide Aluminum Metal Matrix Composites". SAE transactions, vol. 244, pp. 777-785, 1997.

[13] S. Suresh & B. Sridhara, "Wear Characteristics of Hybrid Aluminium Matrix Composites Reinforced with Graphite and Silicon Carbide Particulates". Composites Science and Technology, vol. 70, pp. 1652-1659, 2010.

[14] S. N. Alam & L. Kumar, "Mechanical Properties of Aluminium Based Metal Matrix Composites Reinforced with Graphite Nanoplatelets". Materials Science and Engineering: A, vol. 667, pp. 16-32, 2016.

[15] M. M. El-Sayed Seleman, M. M. Z. Ahmed & S. Ataya, "Microstructure and mechanical properties of hot extruded 6016 aluminum alloy/graphite composites". Journal of materials science & Technology, vol. 34, pp. 1580-1591, 2018.

[16] X. Zeng, J. Yu, D. Fu, H. Zhang & J. Teng, "Wear Characteristics of Hybrid Aluminum-Matrix Composites Reinforced with Well-Dispersed Reduced Graphene Oxide Nanosheets and Silicon Carbide Particulates". Vacuum, vol. 155, pp. 364-375, 2018.



[17] K. Naplocha & K. Granat, "Wear Performance of Aluminium/Al 2 O 3/C Hybrid Composites". Archives of Materials Science, vol. 29, pp. 81-88, 2008.

[18] V. Mohanavela, K. Rajan, S. Suresh Kumar, G. Vijayan & M. S. Vijayanand, "Study on Mechanical Properties of Graphite Particulates Reinforced Aluminium Matrix Composite Fabricated by Stir Casting Technique". Materials Today: Proceedings, vol. 5, pp. 2945-2950, 2018.

[19] M. I. Flores-Zamora, I. Estrada-Guel, J. Gonz´alez-Hern´andez, M. Miki-Yoshida & R. Mart´ınez-S´anchez, "Aluminum–Graphite Composite Produced by Mechanical Milling and Hot Extrusion". Journal of Alloys and Compounds, vol. 434, pp. 518-521, 2007.

[20] R. D. Lara, I. Estrada, G. Hinojosa, R. Flores, J. M. Herrera & R. Martínez, "Synthesis of Aluminum Alloy 7075-Graphite Composites by Milling Processes and Hot Extrusion". Journal of Alloys and Compounds, vol. 509, pp. 284-289, 2011.

[21] T. Tayeh & et al., "Hardness and Young's modulus behavior of Al composites reinforced by nanometric TiB2 elaborated by mechanosynthesis". Materials Science and Engineering: A, vol. 591, pp. 1-8, 2014.

[22] A. Wąsik, B. Leszczyńska-Madej & M. Madej, "Hot extruded Al5SiC-graphite composites: Effect of graphite on microstructure, flexural, compressive and wear resistance behavior". Journal of Manufacturing Processes, vol. 95, pp. 266-274, 2023.

[23] G. E. Dieter & D. Bacon, Mechanical metallurgy. Vol. 3. 1976: McGraw-hill New York.

[24] P. Senthilkumar, R. Manimaran & Y. Krishna Reddy, Evaluation of mechanical properties of hybrid Al7009 nanocomposite. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 43, pp. 216-224, 2021.

[25] H. P. Klug & L. E. Alexander, "X-ray Diffraction Procedures: for Polycrystalline and Amorphous Materials". 2nd Edition, Wiley Pub., 1974.

[26] H. Faleh, N. Muna & F. Ştefănescu, "Properties and applications of aluminium-graphite composites". Advanced Materials Research, vol. 1128, pp. 134-143, 2015.



[26] E. Omrani, A. Dorri, P. L. Menezes & P. K. Rohatgi, "Influences of Graphite Reinforcement on the Tribological Properties of Self-Lubricating Aluminum Matrix Composites for Green Tribology, Sustainability, and Energy Efficiency—a Review". The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 83, pp. 325-346, 2016.

[27] M. Tabandeh-Khorshid, E. Omrani, P. L. Menezes & P. K. Rohatgi, "Tribological Performance of Self-Lubricating Aluminium Matrix Nanocomposites: Role of Graphene Nanoplatelets". Eng. Sci. Technol. Int J, vol. 19, pp. 463-469, 2016.