دستیابی به شرایط بهینه ساخت کامپوزیت زمینه فلزی A356-BN(h) به روش ریخته-گری گردابی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

• مسعود مشرفی فر

استادیار دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه یزد.

چکیده

در این تحقیق، کامپوزیت آلومینیوم با ذرات فاز دوم از جنس BN_(h) و در سه حالت پودر خام، پودر پوشش داده­شده با الکترولس نیکل- فسفر و پودر پوشش داده شده توسط نیکل- فسفر بر روی پودر آلومینیوم، توسط همزن­های متفاوت و با سرعت­های همزدن مختلف ساخته و بهینه­سازی شد. مطالعات انجام شده با میکروسکوپ الکترونی مجهز به EDS وX-Ray map نشان داد که انجام عملیات آماده‌سازی روی ذرات BN نقش بسیار مهمی روی نشاندن لایه نیکل روی آنها دارد. چرخه آماده‌سازی شامل اکسایش در دمایC˚200 به مدت یک ساعت، حساس‌سازی در   محلول­های شامل g/Lit SnCl₂10 و ml/Lit HCl30 (غلظت 38%) به مدت 15 دقیقه و  فعال‌سازی در یک محلول آبی شامل  g/Lit PdCl₂25/0 و ml/Lit HCl30 بهترین شرایط را ایجاد می‌نماید. همچنین بررسی‌های انجام شده نشان داد، پوشش­دهی پودر نیترید بور بر روی ذرات درشت­تر از جنس زمینه از پوشش­دهی الکترولس تنها روی پودر مؤثرتر است و درصد بهینه پودر نیترید بور جهت افزودن به مذاب آلومینیوم 6 درصد وزنی انتخاب شد. همچنین همزن چهارپره با جریان شعاعی، برای ساخت کامپوزیت آلومینیوم/ نیترید بور انتخاب مناسبی است. بر خلاف آلیاژ­های تک­فازی، در کامپوزیت­ها، استحکام کششی با سختی متناسب نیست و در حالی که استحکام کششی کاهش می­یابد، سختی ممکن است افزایش یابد.

کلیدواژه‌ها

• کامپوزیت
• نیترید بور
• آلیاژ آلومینیم A356
• الکترولس نیکل- فسفر
• خواص مکانیکی
• ریخته‌گری گردابی

20.1001.1.22285946.1396.8.29.11.0

---

عنوان مقاله [English]

Achieving optimal conditions for manufacturing of A356 aluminum alloy/ BN(h) composite using stir casting

نویسنده [English]

• M Moshrefifar

چکیده [English]

In the present investigation, a A356 aluminum alloy based composite has been produced by the addition of boron nitride powder with three different conditions including raw powders, coated powder using Ni-P electroless bath and coated aluminum particles with Ni-P/ BN_(h) surface composite. Moreover, parameters such as impeller shape and rotation speed have been examined in order to obtain optimized conditions. The results based on scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) showed that the pre-treatment has a main role in deposition of Ni-P on the surface of BN(h) powders. Also, it was obtained that optimum pretreatment consisting of oxidation in 200 ºC for 1 hr, sensitization in 10g/l SnCl₂+30ml/l HCl solution for 15 minutes and then activation in 0.25 g/l PdCl₂ +30ml/l HCl solution. Moreover, results showed that the optimum value of added powders was 6% after coating on aluminum particles using the Ni-P electroless bath. Furthermore, the agitator of four-blade type with a radial flow was a good choice for the manufacture of aluminum/boron nitride composite. Also, it was shown that tensile strength of composite materials is not proportional with hardness, so that the tensile strength can decrease while hardness increases.

کلیدواژه‌ها [English]

• composite
• Boron Nitride
• A356 Al alloy
• Ni-P electroless
• mechanical properties
• stir casting

مراجع

1-نفیسه سادات مدقن، محمد مزینانی،"تولید ماده­ی مرکب زمینه آلومینیم با نانوذرات Al2O3 به روش ریخته­گری گردابی و بررسی تاثیر فرآیند نورد سرد بعدی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آن"، فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین، دوره 5، شماره 19، بهار 1394، صفحه 87-100.

2-M. Khademian, "Investigation on effect of casting temperature and mixing time on microstructure and mechanical properties of Al-B4C nano composites by vortex method", M.Sc. Thesis, Faculty of Materials & Manufacturing Processes, Malek Ashtar University, Tehran, 2013.

3-J. Onoro, M. Salvador, L. Cambronero, "High-temperature mechanical properties of aluminium alloys reinforced with boron carbide particles", Materials Science and Engineering: A, Vol. 499, No. 1, pp. 421-426, 2009.         

4- A. Yazdani, E. Salahinejad, "Evolution of reinforcement distribution in Al–B4C composites during accumulative roll bonding", Materials & Design, Vol. 32, No. 6, pp. 3137-3142, 2011.

5-V. Bharath, N. Madev, V. Auradi, S. A. Kori, "Preparation of 6061Al-Al2O3 MMC’s by Stir Casting and Evaluation of Mechanical and Wear Properties", Procedia Materials Science, 6,  1658 – 1667, 2014.

6-G. G. Sozhamannan, S. B. Prabu, V. S. K. Venkatagalapathy, "Effect of Processing Parameters on Metal Matrix Composites: Stir Casting Process", Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology, Vol. 2, 11-15, 2012.      
 

7-M. N. Wahab, A. R. Daud, M. J. Ghazali, "Preparation and Characterization of Stir Cast Aluminum Nitride Reinforced Aluminum Metal Matrix Composites", International Journal of Mechanical and Materials Engineering (IJMME), Vol. 4, No. 2, 115-117, 2009.     

8-R. Kumar, J. Jegan, L. Initha,"Processing of Aluminum Metal Matrix Composites (AMMC) Hrough Stir Casting Route", IPASJ International Journal of Mechanical Engineering (IIJME), Vol. 2, 2014.  
 

9-K. L. Patil, M. Ali, M. Nagaral, "Studies on Al8081-B4C Metal Matrix Composites Fabricated by Stir Casting Method", International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol. 4, 2014.           
 

10-M.V. Krishna, A. M. Xavior, "An Investigation on the Mechanical Properties of Hybrid Metal Matrix Composites", Procedia Engineering, 97, 918 – 924, 2014. 
 

11-A. Dehghan Hamedan and M. Shahmiri, "Production of A356–1 wt% SiC nanocomposite by the modified stir casting method", Materials Science and Engineering A, Vol. 556, pp.921-926, 2012.

12-J. Hashim, L. Looney, and M.S.J. Hashmi,"Metal matrix composites: production by the stir casting method", Journal of Materials Processing Technology, 92–93, pp. 1–7. 1999.

13-D. Brabazon, D.J. Browne, and A.J. Carr,"Mechanical stir casting of aluminum Alloys from the mushy state: process, microstructure and mechanical properties", Materials Science and Engineering A, 326, pp. 370–381. 2002.

14- Ramrattan S.N., Comp. Des. Manuf., ASME, 45-53, 1994.    
15-Skibo, D.M., Schuster, D.M., Jolla, L., "Process for preparation of composite materials containing nonmetallic particles in a metallic matrix, and composite materials", US Patent No. 4786 467, 1988.  

16-R. T. Paine, C. K. Narula, "Synthetic routes to boron nitride", Chemical Reviews , vol.90, pp. 73 – 91, 1990.  
17- A. Nechepurenko, S. Samuni, "Oxidation Protection of Graphite by BN Coatings", Journal of Solid State Chemistry, Vol. 154,  pp. 162-164, 2000.

18- R.F. Deacon, J.F. Goodman, "Lubrication by lamellar solids", Proceedings of the Royal Society London A, Vol. 23, pp.464–482, 1958.

19-G.W. Rowe, "Some observation on the frictional behaviour of boron nitride and of graphite", Wear, Vol.3, pp.274–285, 1960.   
  
20-A.R. Globus, "A new high-temperature lubricant for hot rolling", Iron and Steel Engineer, pp.93–94, 1970. 

21- Y. Goto, S. Wakasugi, T. Kozai, "Test for investigating the lubricationproperties of solid lubricants in cold metal forming", Journal of Mechanical Working Technology, vol. 6, pp.51–62, 1982.

 

22- Y.J. Hwu, C. T. Hsu, F. Wang, "Measurement of friction and the flow stress of steels at room and elevated temperatures by ring-compression tests", Journal of Materials Processing Technology, vol. 37, pp.319–335, 1996.

23- K.B. Lee, H.S. Sim, S.W. Heo, H.R. Yoo, S.Y. Cho, H. Kwon, "Tensile properties and microstructures of Al composite reinforced with BN particles", Composite part A, vol.33, pp.709-715, 2002.

24- Hahn. C, "New boron nitride hard coatings open up attractive prospects in non-ferrous metallurgy", Giesserei, pp.9, 2003.

25- M.L. Ted Guo, Chi.-Y.A. Tsao, "Tribplogical behavior of aluminum/SiC/Nickel-coated graphite hybride composites", materials science and engineering, Vol.A333, pp.134-145, 2002.

26- L.M. Abrantes, J.P. Correia, "On the mechanism of electroless Ni-P plating", Journal of the Electrochemical Society, vol. 141, pp.2356-2360, 1994.         

27- H. Ashassi-Sorkhabi, S.H. Rafizadeh, "Effect of coating time and heat treatment on structures and corrosion characteristics of electroless Ni–P alloy deposits", Surface Coating and Technology, vol.176, pp.318–326, 2004.

28- G.O. Mallory, J.B. Hadju, "Electroless Plating: Fundamentals and Applications", AESF, Orlando, 1991.       

29- Perry DH, Green DL.Perry’s Chemical Engineering HandBook.6th edition. New York: McGraw Hill, 1984.

30- مهدی کلانتر، سرامیک­های سازه­ای دما بالا، انتشارات دانشگاه یزد، 1387.     

31- N.H. Parker, Mixing Chem. Eng. pp. 208, 1964.

32- B. Tian, "Modified Electroless Plating Technique for Preparation of Palladium Composite Membranes", Master Thesis of Science in Engineering, University of Stellenbosch, 2005.

33- Y. Chen, M. Cao, Q. Xu, J. Zhu, "Electroless nickel plating on silicon carbide nanoparticles", Surface. Coating and Technology, vol.172, pp.90–94, 2003.

34- Y. J. Lin, B. F. Jiang, "Sintering and phase evolution of electroless-nickel-coated alumina powder", Journal of the American Ceramic Society, vol.81, pp. 2481-2484, 1998.          

35- F.Z. Kong, X.B. Zhang, W.Q. Xiong, F.Liu, W.Z. Huang, Y.L. Sun, J.P. Tu, x.w. Chen, "Continuous Ni-layer on multiwall carbon nanotubes by an electroless plating method", Surface Coating and Technology, vol.155, pp.33-36, 2002.        

36- Qu. Zhan-Min, "Study on the process of electroless nickel plating for graphite powder", Electroplating and finishing, Vol.24, pp.21-23, 2005.     

37- N. Aniban, "An analysis of impeller for aluminum metal matrix composites synthesis", Materials and Design, Vol(23),pp. 553–556, 2002.   

38- Q. Zhao, Y. Liu, H. Mu¨ller-Steinhagen and G. Liu,"Graded Ni–P–PTFE coatings and their potential applications", Surface and Coatings Technology, Vol. 155, pp. 279–284, 2002.

39- اسماعیل دماوندی، سلمان نوروزی، سید محمود ربیعی، "بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیمA356  به روش کامپوکستینگ"، فصلنامه  علمی پژوهشی مهندسی مکانیک جامدات، سال هفتم، شماره اول، 1393.   

40- W. D. FEI, X. D. Jiang, "Effect of interfacial reaction on the Young's modulus of aluminium borate whisker reinforced aluminium composite", Journal of Materials science letters, Vol. 15. pp. 1966-1968, 1996.       

41- R. P. Taylor, S. T. McClain and J. T. Berry, "Uncertainty analysis of metal-casting porosity measurements using Archimedes' principle", International Journal of Cast Metals Research, Vol. 11. pp. 247-257, 1999.          

42- M. Dlapka,  H. Danninger, C. Gierl and B. Lindqvist, "Defining the pores in PM components", Metal Powder Report,

Vol. 65. pp. 30-33, 2010.