بررسی اثر سرعت سرد شدن و جوانه زایی بر ریز ساختار آلیاژهای آلومینیوم- مس به کمک آنالیز حرارتی منحنی های سرد شدن

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مهدی دهنوی ¹ , محسن حداد سبزوار ²

1 - کارشناسی ارشد مهندسی مواد، بخش مهندسی مواد، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2 - استاد بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

تاریخ دریافت : 1395/05/05 تاریخ پذیرش : 1395/05/05 تاریخ انتشار : 1395/02/01

کلید واژه: آنالیز حرارتی, آلیاژ Al- Cu, اندازه دانه, جوانه زای Al-5Ti-1B, سرعت سرد شدن,

چکیده مقاله :

خواص و ویژگی‌های ریزساختاری در آلیاژهای آلومینیوم، بسته به شرایط ریخته‌گری و ترکیب شیمیایی آلیاژها  متفاوت خواهد بود. برای دست یابی به ساختار های هم محور در آلیا ژهای آلومینیوم، از جوانه زاهای Al-5Ti-1B و Al-Ti استفاده می شود. در این پژوهش تأثیر سرعت سرد شدن و مواد جوانه زا بر مشخصه‌های ریز ساختاری آلیاژهای دوتایی آلومینیوم- مس حاوی2/2، 7/3 و wt.%8/4 مس، با کمک آنالیز حرارتی منحنی های سرد شدن مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، نمونه هایی از آلیاژ مورد نظر ذوب شده و با سرعت‌های 04/0، 19/0، 42/0 و°C/sec 08/1 سرد شدند. جهت بررسی اثر مواد جوانه زا بر ریز ساختار، برخی از نمونه‌ها با جوانه‌زای Al-5Ti-1B جوانه زایی شدند. منحنی سرد شدن در حین انجماد با استفاده از ترموکوپل نوع K و سیستم ثبت داده در رایانه ذخیره گردید. بررسی کمی ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ نوری و پردازش تصاویر با استفاده از نرم‌افزار "Clemex Vision" انجام گرفت. نتایج بررسی‌های ریز ساختاری نشان داد که اندازه دانه و فاصله بازوهای دندریتی با افزایش سرعت سرد شدن و جوانه‌زایی کاهش پیدا می‌کنند. نتایج بررسی‌های آنالیز حرارتی نیز نشان داد که در اثراستفاده از مواد جوانه زا تحت تبرید اولیه برای جوانه زایی تقریبا به صفر رسیده است.

چکیده انگلیسی:

Depending on the casting conditions and alloy composition, microstructure and properties of the aluminium alloys will be different. Generally Al–Ti and Al–5Ti–1B master alloys are added to the aluminium alloys for grain refinement. In recent years computer-aided cooling curve analysis (CA-CCA) has been used extensively in metal casting industry to predict microstructure constituents, grain refinement and to calculate the latent heat of solidification. The aim of this study is to investigate the effect of cooling rate and grain refinement on the microsructural characteristics of Al-Cu alloys by cooling curve analysis. To do this, Al-Cu alloys containing 2.2, 3.7, and 4.8 wt.% Cu were melted and solidified with 0.04, 0.19, 0.42, and 1.08 K/s cooling rates. The temperature of the samples was recorded using a K thermocouple and a data acquisition system connected to a PC. Some samples were Grain refined by Al-5Ti-1B to see the effect of grain refinement on the aforementioned properties. The stractural results show that grain size and secondary dendrite arm spacing decreased by increasing of cooling rate and grain refinement. Thermal analysis results showed that, in a well refined alloy, nucleation will occur in a shorter time, and a undercooling approximately decreases to zero.

منابع و مأخذ:

1- W. Kurz, D.J. Fisher, “Dendrite growth at the limit of  stability: tip radius and spacing”, Acta Metall. Vol. 29 , pp. 11- 20, 1981.

2- R.N.  Grugel,  Meterials  Characterization 28, pp. 213-219, 1992  .

3- میرزایی، م. روشن، م.ر. جواد پور، س. " افزایش شدید خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم 2024 با اعمال یک پاس نورد سرد" نشریه مواد نوین، جلد 4، شماره 3، بهار 1393.

4-M.C. Flemings, Solidification Processing, Mc Grow-Hill, New York, 1974.

5- D. Eskin, Q. Du, D. Ruvalcaba, and L. Katgerman, “Experimental study of structure formation in binary Al–Cu alloys at different cooling rates”، Materials Science and Engineering A, Vol. 405, pp. 1-10, 2005.

6- D. Apelian, G. K. Sigworth, and K.R. Whaler; "Assessrnent of Grain Refinernent and  Modification of Al-Si Foundry Alloys

 

 

 

by Thermal Analysis." AFS Transactions. Vol. 92, pp. 297-307, 1984.

7-W. Rosenhain, J. D. Grogan, and T. H. Schofield, J.  “Recent  Developments in the  treatment  of  Aliminum  and  some  of  its  Alloys”, Journal of Inst. Met, 46, 305-318, 1980.

8- W. E. Sicha, R. C. Boehm “Grain  Refinement  in  Al-4.5% Cu Alloys” AFC Trans, 92, 398-409, 1948.

 

 

9- D. Emadi, “Applications of thermal analysis in quality  control  of  solidification  processes”,  Journal  of  Themal Analysis and Calorimetry, Vol. 81, pp. 235-242, 2005.

10- I.U.Haq, J.  S. Shin, and Z.  H. Lee, “Computer-Aided Cooling  Curve  Analysis  of  A356  Aluminium  Alloy”, Met. Mater. Int, Vol. 10, pp. 89-96, 2004.

11- J.O.  Barlow and  D.M.  Stefanescu,  “Computer-aided cooling curve analysis revisited”,  AFS  Trans,Vol. 105, pp. 349-354, 1997.

12- O.  Fornaro,  H.A.  Palacio,  “Study  of  dilute  Al–Cu  solidification by cooling curve analysis”  J.  Mater. Sci.  44, 4342–4347, 2009

13- W.T. Kierkus and J.H. Sokolowski, “Recent Advances in CCA: A New Method of Determining Baseline Equation”, AFS Trans.Vol. 66, pp. 161-167, 1999.

14- K.G. Upadhya, D.M. Stefanescu, K. Lieu and D.P. Yeager, “Computer- Aided Cooling Curve Analysis: Principles and Applications in Metal Casting”, AFS Transactions, Vol. 97, pp. 61-66, 1989.

15- D. Emadi and L. Whiting; “Determination of Solidification Characteristics  of Al-Si Alloys by Thermal Analysis”, AFS Transactions,Vol. 110, 2002.

16- Y. Birol, Grain refinement of Al–Cu foundry alloys with B additions, Int. J. Cast Met. Res. 25, 117-120, 2012.

17- H. Li, T. Sritharan, Y. M. Lam, and N.Y. Leng, “Effects of processing parameters on the performance of Al grain refinement master alloys Al-Ti and Al-B in small ingots”, Journal of Materials Processing Technology, pp. 253- 257, 1997.

18- M. Krupiński, K. Labisz, L.A. Dobrzański, and Z.M. Rdzawski, “Derivative thermo-analysis application to assess the cooling rate influence on the microstructure of Al-Si alloy cast”, journal of Achievements in Materials and Manufacturing  Engineering,Vol. 38, pp. 115-121, 2010.

19- L. Backerud. P. Gustafson, and M. Johnsson, “Grain Refining Mechanisms in Aluminurn as a Result of Additions of Titaniurn and Boron”, Part II, ” Vol. 67, pp. 910-915, 1991.20- D. Dispinar, “Determination of the melt quality of aluminum and its alloys”, PhD, University of Birmingham, UK, January 2005.

21- M. Malekan and S. G. Shabestari, “Computer-aided cooling curve thermal analysis used to predict the quality of aluminum alloys”, J Therm Anal Calorim, 103:453–458, 2011. 

22- T. Chandrashekar, “Effect of growth restricting factor on grain refinement of aluminum alloys”, Int J Adv Technol,Vol. 40, pp. 234-241, 2009.

23- D.H. StJohn, “New approach to analysis of grain refinement”, Int J Cast Met Res, Vol. 20, pp. 131-135,  2007.

24- M.A. Easton and D.H. StJohn, “An analysis of the relationship between grain size, solute  content, and the potency and number density of nucleant particles,”Metall Mater Trans A,Vol. 36, pp. 1911-1920,  2005.

25-A. Easton and D.H. StJohn, Grain refinement of aluminum alloys (Part II): Confirmation of, and a mechanism for, the solute paradigm, Metall Mater Trans A, 30A: 1625−1633, 1999.

26- V. A. Hosseini, S.G. Shabestari, and R. Gholizadeh, “Study on the effect of cooling rate on the solidification parameters, microstructure, and mechanical properties of LM13 alloy using cooling curve thermal analysis technique” , Materials and Design, Vol. 50, pp. 7-14, 2013.

27- G.K. Sigworth, “Determining grain size and eutectic modification in aluminum alloy casting”, modern casting, pp. 23-27, 1987.