بررسی ریزساختار و خواص سایشی نانوکامپوزیت A356/Al2O3 تولید شده به روش ریخته‌گری همزدنی

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 مدیر گروه متالورژی صنعتی دانشکده ی مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

تأثیر نانو ذرات آلومینا با اندازه متوسط 40 نانومتر بر ریزساختار و رفتار سایشی نانو کامپوزیت با زمینه‌ی آلیاژ A356 آلومینیم تهیه شده به روش ریخته‌گری هم زدنی، مورد بررسی قرار گرفت. نانو ذرات آلومینا با مقادیر 1، 5/1 و 2 درصد وزنی به همراه گاز خنثی به داخل مذاب آلیاژ زمینه که به طور مکانیکی هم زده می‌شد، اضافه گردید. برای بهبود ترشوندگی نانوذرات، منیزیم خالص به مقدار یک درصد وزنی به مذاب افزوده شد. ریزساختار نانوکامپوزیت تهیه شده توسط میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. بررسی‌های ریزساختاری نشان داد که نانو ذرات از توزیع نسبتاً یکنواختی برخوردارند. اندازه‌گیری درصد تخلخل نمونه‌های نانوکامپوزیتی با استفاده از روش ارشمیدس نشان داد که با افزایش درصد وزنی نانو ذرات، درصد تخلخل نیز از 3/1 به 2/3 درصد افزایش پیدا کرد. نشان داده شد که با افزایش درصد وزنی نانو ذرات، مقدار تخلخل افزایش یافت. به منظور بررسی رفتار سایشی، نمونه‌ی حاوی 1 درصد وزنی نانو ذرات آلومینا که دارای کمترین میزان تخلخل و یکنواخت ترین توزیع نانو ذرات بود، انتخاب شد. بر اساس نتایج آزمون سایش، نانو کامپوزیت مورد آزمایش از مقاومت سایشی بالاتری در مقایسه با آلیاژ زمینه برخوردار بوده است. مطالعه سطوح تحت سایش و نواحی زیر آن نشان داد که مکانیزم غالب در این فرآیند سایش، سایش چسبان به همراه تشکیل لایه‌ی مختلط مکانیکی است که در مورد نمونه‌ی نانو کامپوزیتی، به دلیل مقاوم‌سازی ناشی از حضور نانو ذرات، این مکانیزم با نرخ کمتری صورت گرفته است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the Microstructure and Wear Properties of A356/Al2O3 Nanocomposite Produced by Stir Casting Method

نویسندگان [English]

  • Elnaz Hamidi 1
  • Hassan Saghafian Larijani 2
1 Materials and Metallurgy Engineering, Iran University of Science and Technology
2 ِDirector of industrial Metallurgy group, school of metallurgy and materials engineering. IUST
چکیده [English]

The effect of alumina nanoparticles contents with the average size of 40 nm on the microstructure and wear behavior of A356/Al2O3 nanocomposite produced through stir casting was studied. The alumina nanoparticles with the amounts of 1, 1.5 and 2 weight percent, were incorporated into the molten matrix alloy being mechanically stirred, along with blowing an inert gas. To improve the nanoparticles wettability, 1wt% Mg was added to the molten matrix alloy. The microstructure of the nanocomposite was studied by using optical and scanning electron microscopes. The microstructural observations showed that the alumina nanoparticles have been evenly distributed within the matrix. The percent of porosity measured by the Archimedes method is increased with increasing the nanoparticles weight percent from 1.3% to 3.2 %. It was shown that, the increased percent of porosity can be attributed to the increase in the particles agglomeration with increasing particles weight percent. To study the wear behavior of the materials, nanocomposite containing 1wt% alumina, having the lowest porosity percent and even distribution of nanoparticles, was selected. The wear test showed that the addition of nanoparticles to the matrix alloy gave rise to enhance its wear resistance. Study of the worn surfaces and sub surfaces showed that the dominant wear mechanism for the materials used in the current work is probably an adhesive wear followed by the formation of a mechanically mixed layer (MML). However, this mechanism occurred with the less wear rate for the nanocomposite as a result of the presence of reinforcing particles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • Wear
  • Aluminium
  • Alumina
  • Casting

[1]  Yang Y., Lan J., Li X., Study on bulk aluminum matrix nano-composite fabricated by ultrasonic dispersion of nano-sized SiC particles in molten aluminum alloy, Materials Science and Engineering: A, 2004, 380, 378-383.

[2]  Rasidhar L., Krishna A. R., Rao C. S., Fabrication and Investigation on Properties of Ilmenite (FeTiO3) based Al-Nanocomposite by Stir Casting Process, International Journal of Bio-Science and Bio-Technology, 2013, 5, 193-200.

[3]  Koli D. K., Agnihotri G., Purohit R., A review on properties, behaviour and processing methods for Al-nano Al2O3 composites, Procedia Materials Science, 2014, 6, 567-589.

[4]  Shabani M. O. Mazahery A., Aluminum-matrix nanocomposites: swarm-intelligence optimization of the microstructure and mechanical properties, Materiali in tehnologije, 2012, 46, 613-619.

[5]  Rana R. P. R. S., Soni S., Das S., Comparison of mechanical properties and microstructure of aluminum alloy micron and nano SiC composites fabricated by ultrasonic vibration, International Journal of Advance Engineering and Research Development, 2014, 1, 135-146.

[6]  Akbari M. K., Mirzaee O., Baharvandi H., Fabrication and study on mechanical properties and fracture behavior of nanometric Al2O3 particle-reinforced A356 composites focusing on the parameters of vortex method, Materials & Design, 2013, 46, 199-205.

[7]  Alpas A., Zhang J., Effect of microstructure (particulate size and volume fraction) and counterface material on the sliding wear resistance of particulate-reinforced aluminum matrix composites, Metallurgical and Materials Transactions A, 1994, 25, 969-983.

[8]  Surappa M., Prasad S., Rohatgi P.K., Wear and abrasion of cast Al-alumina particle composites, Wear, 1982, 77, 295-302.

[9]  Bindumadhavan P., Wah H.K., Prabhakar O., Dual particle size (DPS) composites: Effect on wear and mechanical properties of particulate metal matrix composites, Wear, 2001, 248, 112-120.

[10]   Tu J., Yang Y., Tribological behaviour of Al18B4O33-whisker-reinforced hypoeutectic Al–Si–Mg-matrix composites under dry sliding conditions, Composites science and technology, 2000, 60, 1801-1809.

[11]   Rosenberger M. R., Forlerer E., Schvezov C., Wear behavior of AA1060 reinforced with alumina under different loads, Wear, 2009, 266, 356-359.

[12]   Sajjadi S. A., Ezatpour H., Beygi H., Microstructure and mechanical properties of Al–Al2O3 micro and nano composites fabricated by stir casting, Materials Science and Engineering: A, 2011, 528, 8765-8771.

[13]   Hashim J., Looney L., Hashmi M., Metal matrix composites: production by the stir casting method, Journal of Materials Processing Technology, 1999, 92, 1-7.

[14]   Mazahery A., Shabani M. O., Characterization of cast A356 alloy reinforced with nano SiC composites, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22, 275-280.

[15]   Akbari M. K., Baharvandi H., Mirzaee O., Nano-sized aluminum oxide reinforced commercial casting A356 alloy matrix: Evaluation of hardness, wear resistance and compressive strength focusing on particle distribution in aluminum matrix, Composites Part B: Engineering, 2013, 52, 262-268.

[16]   Nemati N., Khosroshahi R., Emamy M., Zolriasatein A., Investigation of microstructure, hardness and wear properties of Al–4.5 wt.% Cu–TiC nanocomposites produced by mechanical milling, Materials & Design, 32, 3718-3729, 2011.

[17]   Surappa M., Dry sliding wear of fly ash particle reinforced A356 Al composites, Wear, 2008, 265, 349-360.

[18]   Stachowiak G., Batchelor A.W., Engineering Tribology, Butterworth-Heinemann, 2013.

[19]   Mosleh-Shirazi S., Akhlaghi F., Li D.Y., Effect of SiC content on dry sliding wear, corrosion and corrosive wear of Al/SiC nanocomposites, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26, 1801-1808.