بررسی تاثیر ارتعاشات مکانیکی هنگام انجماد بر ریزساختار و خواص سایشی کامپوزیت Zn-4Si

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین.‏

2 دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

10.22034/frj.2023.378853.1170

چکیده

در این تحقیق تاثیر ارتعاشات مکانیکی هنگام انجماد در سه فرکانس مختلف 20، 40 و 60 هرتز بر ریزساختار و خواص سایشی لغزشی خشک کامپوزیت Zn-4Si بررسی شده است. بر اساس نتایج به‌دست آمده، افزودن سیلیسیم موجب شکل‌گیری ذرات سخت سیلیسیم اولیه (SiP) و یوتکتیک (SiE) در ریزساختار روی خالص شده و سختی آن از حدود 30 برینل به حدود 60 برینل افزایش می‌یابد. با این‌حال به علت توزیع غیر یکنواخت ذرات SiP در زمینه کامپوزیت، توزیع خواص (سختی) در زمینه کامپوزیت کاملا غیر یکنواخت است. اعمال ارتعاشات مکانیکی هنگام انجماد موجب بهبود قابل توجه توزیع ذرات SiP در زمینه کامپوزیت و کاهش ابعاد ذرات و میزان تخلخل‌ها می‌شود. بر اساس نتایج آزمایش سایش پین روی دیسک، مقاومت به سایش کامپوزیت فرآوری شده تحت فرکانس 60 هرتز تحت سه فشار مختلف 25/0، 5/0 و 75/0 مگاپاسکال، به ترتیب حدود 50، 60 و 65 درصد بیش از کامپوزیت ریختگی است. همچنین در سایش تحت بار 75/0 مگاپاسکال، میانگین ضریب اصطکاک نمونه فرآوری شده در فرکانس 60 هرتز حدود 23 درصد کمتر از نمونه‌ ریختگی است. بررسی مورفولوژی سطوح سایش و ذرات سایشی نشان داد که علت بهبود خواص سایشی کامپوزیت‌های فرآوری شده، افزایش قابل ملاحظه پایداری لایه تریبولوژیکی است که احتمالا ناشی از استحکام بخشی زیرلایه در حضور ذرات سخت سیلیسیم است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Mostaed E., Sikora-Jasinska M., Mostaed A., et al., Novel Zn-based alloys for biodegradable stent applications: Design, development and in vitro degradation, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2016, 60, 581–602.
[2] Katarivas Levy G., Goldman J., Aghion E., The prospects of Zinc as a structural material for biodegradable implants—A review paper, Metals, 2017, 7(10), 402.
[3] Liu Y., Lu B., Cai Z., Recent progress on Mg- and Zn-based alloys for biodegradable vascular stent applications, Journal of Nanomaterials, 2019, 1–16.
[4] Kabir H., Munir K., Wen C., Li Y., Recent research and progress of biodegradable zinc alloys and composites for biomedical applications: Biomechanical and biocorrosion perspectives, Bioactive Materials, 2021, 6(3), 836–879.
[5] Wątroba M., Bednarczyk W., Kawałko J., et al., A novel high-strength Zn-3Ag-0.5Mg alloy processed by hot extrusion, cold rolling or high-pressure torsion. Metallurgical and Materials Transactions A., 2020, 51(7), 3335–3348.
[6] Rosalbino F., De Negri S.. Saccone A., Angelini E., Delfino S., Bio-corrosion characterization of Mg–Zn–X (X = Ca, Mn, Si) alloys for biomedical applications, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2009, 21(4), 1091–1098.
[7] Jiang W., Yu W., Corrosion behavior and osteogenic activity of a biodegradable orthopedic implant Mg–Si alloy with a gradient structure. Metals, 2021, 11(5), 781.
[8] Rajabi F., Taghiabadi R., Shaeri M.H., Tribology of Si-rich TIG-deposited coatings on Zn–40Al–2Cu alloy, Surface Engineering, 2020, 36(7), 735–744.
[9] Yousefi D., Taghiabadi R., Shaeri M.H., Ansarian I., Microstructural evolution and mechanical properties of multi-directionally forged SiP/ZA22 composite,  Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2020, 20(4).
[10] Chirita G., Stefanescu I., Soares D., Silva F.S., Influence of vibration on the solidification behavior and tensile properties of an Al–18wt%Si alloy, Materials & Design, 2009, 30(5), 1575–1580.
]11[ دماوندی ا.، نوروزی س.، ربیعی ف.، اثر دمای بارریزی، ارتعاش مکانیکی و گرمایش مجدد بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ ریختگی Al-A390، پژوهش‌نامه ریخته‌گری، بهار 1397، 2(1)، 53-39.
]12 [صفاری ش.، اخلاقی ف.، بررسی تاثیر اعمال ارتعاش مکانیکی روی سطح شیبدار بر ریزساختار کامپوزیت درجای Al-Mg2Si، دومین همایش بین المللی و هفتمین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی و انجمن علمی ریخته گری ایران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران، 1392.
]13 [دلشکسته ن.، کلاهدوز ا.، بررسی آماری ریزساختار و سختی آلیاژ آلومینیم نیمه جامد A380 تولید شده به روش ارتعاش مکانیکی در محیط گاز آرگن، پژوهش‌نامه ریخته‌گری، زمستان 1397، 2(4)، 286-275.
[14] Günay Bulutsuz A., Tribological behavior of high-pressure torsion processed biodegradable pure Zn under dry and wet conditions, Industrial Lubrication and Tribology, 2022, 74(5), 542–549.
[15] Li H., Huang J., Zhang P., Zhang Q., Investigation on tribological behaviors of biodegradable pure Zn and Zn-X (Li, Cu, Ge) binary alloys, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2021, 32(12).
[16] Taghiabadi R., Fayegh A., Pakbin A., Nazari M.,Ghoncheh M.H., Quality index and hot teraing succeptibility of Al-7Si-0.35Mg-xCu alloys, Transactions of Non-ferrous Metals Society of China, 2018, 28(7), 1275-1286.
[17] Taylor R.P., McClain S.T., Berry J.T., Uncertainty analysis of metal-casting porosity measurements using Archimedes’ principle, International Journal of Cast Metals Research, 1999, 11(4), 247–257.
[18] Olesinski R.W., Abbaschian G.J., 1985, The Si-Zn (Silicon-Zinc) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1995, 6(6), 545–548.
[19] Guan R.G., Tie D., A review on grain refinement of aluminum alloys: progresses, challenges and prospects, Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2017, 30(5), 409–432.
]20[ یداله‌تبار ح.، ثقفیان ح.، شبستری س.، بررسی تاثیر ارتعاشات مکانیکی حین انجماد بر خواص مکانیکی و ریزساختار آلیاژ آلومینیم A380، نشریه بین المللی علوم مهندسی دانشگاه علم و صنعت ایران، ویژه نامه مهندسی متالورژی و مواد، 1387، 19(5)، 74-65.
[21] Yoshitake Y., Yamamoto K., Sasaguri N., Era H., Refinement of primary Si grains of Al–21%Si alloy using vibration mold, Materials Transactions, 2020, 61(2), 355–360.
[22] Ünal N., Çamurlu H.E., Koçak S., Düztepe G., Effect of external ultrasonic treatment on hypereutectic cast aluminium–silicon alloy, International Journal of Cast Metals, 2012, 25(4), 246–250.
[23] Jiandon P., Talangkun S., Microstructural modification mardness and surface roughness of hypereutectic Al-Si alloys by a combination of bismuth and phosphorus, Crystals, 2022, 12(8) 1026.
[24] Chankitmunkong S., Eskin D.G., Limmaneevichitr C., Structure refinement, mechanical properties and feasibility of deformation of hypereutectic Al–Fe–Zr and Al–Ni–Zr alloys subjected to ultrasonic melt processing. Materials Science and Engineering: A. 2020, 788, 139567.
[25] Chirita G., Stefanescu I., Soares D., Silva F.S., Influence of vibration on the solidification behavior and tensile properties of an Al–18wt%Si alloy, Materials & Design, 2019, 30(5), 1575–1580.
[26] Kudryashova O., Khmeleva M., Danilov P., Dammer V., Vorozhtsov A., Eskin D., Optimizing the conditions of metal solidification with vibration, Metals, 2019, 9(3), 366.
[27] Plotkowski A.J., Refinement of the cast microstructure of hypereutectic aluminum-silicon alloys with an applied electric potential, 2012, Masters Theses, 15.
[28] Chen J., Chen X., Luo Z., Effect of mechanical vibration on microstructure and properties of cast AZ91D alloy, Results in Physics, 2018, 11, 1022–1027.
[29] Jiang W., Chen X., Wang B., Fan Z., Wu H., Effects of vibration frequency on microstructure, mechanical properties, and fracture behavior of A356 aluminum alloy obtained by expendable pattern shell casting, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 83(1–4), 167–175.
[30] Chen W., Wu S., Wang R., Effect of mechanical vibration on the mechanical properties and solidification feeding in low-pressure sand casting of Al-Cu-Mn-Ti alloy, Materials (Basel), 2022, 15(22), 8243.
[31] Al-Ethari H., Haleem A.H., Hassan M.H., Effect of mold vibration on microstructure and mechanical properties of Al-Si eutectic alloy, 3rd Int. conf. on sustainable engineering techniques (ICSET 2020).
[32] Yousefi D., Taghiabadi R., Shaeri M.H., Effect of multi-pass multi-directional forging on tribological properties of Si-rich eutectoid ZA alloys, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2021, 31(7), 2024–2038. 
[33] Lu Z.C., Zeng M.Q., Gao Y., Zhu M., Minimizing tribolayer damage by strength–ductility matching in dual-scale structured Al–Sn alloys: A mechanism for improving wear performance, Wear, 2013, 304(1–2), 162–172. 
[34] Mao Y.S., Wang L., Chen K.M., Wang S.Q., Cui X.H., Tribo-layer and its role in dry sliding wear of Ti–6Al–4V alloy, Wear, 2013, 297(1–2), 1032–1039. 
[35] Nouri Z., Taghiabadi R., Tribological properties improvement of conventionally-cast Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy by multi-pass friction stir processing, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2021, 31(5),1262–1275. 
[36] Moharrami A., Razaghian A., Paidar M., et al., Enhancing the mechanical and tribological properties of Mg2Si-rich aluminum alloys by multi-pass friction stir processing, Materials Chemistry and Physics, 2020, 250, 123066. 
[37] Nadim A., Taghiabadi R., Razaghian A., Effect of Mn modification on the tribological properties of in situ Al-15Mg2Si composites containing Fe as an impurity, Journal of Tribology, 2018, 140(6).
[38] Hutching I.M., Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, Edward Arnold UK, 1992.