تقوية سبائك الالمنيوم بدقائق سيراميكية نانومترية

Abstract

الخلاصة تعتبر عملية تصنيع المواد المتراكبة ذات الاساس المعدني ذات اهمية كبيرة تدخل في تطبيقات واسعة في الصناعة فمن خلالها يمكن الحصول على سبائك ذات مواصفات عالية ، ان السبب في ذلك يعود الى التحسن الحاصل في خواصها نتيجة اضافة مواد التقوية مما دفع الدراسة الى عملية تصنيع هذه السبائك ودراسة خواصها . في هذا البحث استخدمت مادة الالمنيوم كأساس لما يمتلكه من خواص تميزه عن باقي المواد ، اما مادة التقوية فكانت دقائق أوكسيد الالمنيوم وكاربيد السيليكون النانومترية وهاتان المادتان تتميزان بصلادتهما العالية ومقاومتهما للحك ومعامل تمدد حراري منخفض . في هذا البحث صنعت منظومة صهر وخلط وصب المواد المعدنية والتي تعمل في جو خامل (الاركون) لاستخدامها في تحضير نماذج من سبيكة الالمنيوم المقواة بدقائق الالومينا النانومترية ودقائق كاربيد السيليكون النانومترية وبنسب مختلفة (0,2,4,6wt%) واستخدمت طريقة السباكة بالمزج لتحضير النماذج المطلوبة . درست البنية المجهرية وقيم الصلادة والكثافة ومقارنتها مع السبيكة غير المقواة . ومن دراسة النتائج تبين ان الكثافة للسبيكة المركبة تزداد مع زيادة كمية مادة التعزيز المضافة، وان صلادة السبيكة المركبة اعلى من صلادة السبيكة الاساس الحاوية لها وان الصلادة تزداد مع زيادة محتوى مادة التعزيز في الاساس المعدني .

مفتاح : composite matrix, ceramic reinforced Al-matrix

المقدمة يعتبر الالمنيوم من اكثر المعادن وفرة في الطبيعة ويشكل بحدود 8% من القشرة الارضية ولا يتفوق عليه في ذلك الا السليكون والاوكسجين. يَتميز الألمنيوم بخواص مميزة مثل خـفة الوزن والموصلية الحرارية والكهربائية الجيدة ونسبة المتانة إلى الوزن جيدة و ليونة مناسبة (ductility) ومقاومة تآكل ممتازة وهو مادة غـير مغناطيسية. من بين جميع المعادن الخفيفة فان الألمنيوم هو الوحيد الذي يمتلك بنية مكعبة متمركزة الأوجه. ومن بين خواصه المهمة الأخرى هي امكانية تشغيله وتشكيله وسبكه بأية طريقة من الطرق المتعارف عليها مع قابلية جيدة على البثق والدرفلة لكي يتحول إلى أي سمك مرغوب مما يجعله في صدارة المواد المستخدمة تجاريا. البحث الحالي يهتم بدراسة السبيكة المتراكبة ذات الاساس المعدني وهي تمتلك خواص كهربائية وحرارية ممتازة ومتانة ولدونة عالية. ان تحسين الخواص لهكذا مواد يعد ذي فائدة تطبيقية واعدة وخاصة في مجال بعض الاجزاء الاحتياطية للسيارات والصناعات الاخرى الضرورية (مدنية وعسكرية ) والتي تتطلب الجمع بين متانة عالية وخفة وزن الى جانب قابلية سوفان (errosion) واطئة وصلادة مناسبة [2].

الجزء العملي صممت وصنعت منظومة خلط وصهر وصب المواد المعدنية لاستخدامها في تحضير نماذج المتراكبات المقواة بالدقائق الخاصة بالبحث . والمنظومة عبارة عن فرن حراري تصل درجة حرارته الى 100ᵒ م معزول عزلا جيدا لمنع تسرب الحرارة علما ان المنظومة تعمل بمعزل عن الهواء. في البداية حضرت السبائك الاساس محليا والتي حللت مكوناتها بواسطة جهاز (XRF-OXFORD) . ان الدقائق النانوية المستخدمة في البحث مصدرها استيرادي من شركة (Nanoshel) وحللت بواسطة جهاز (AFM – Angstrom A3000) وهذه المواد هي: أ‌- دقائق اوكسيد الالمنيوم النانوية : شكلها كروي درجة نقاوتها (99.9%) ومعدل حجم الدقائق (45nm) ب- دقائق كربيد السيليكون النانوية : شكلها كروي ودرجة نقاوتها (99.9%)ومعدل حجم دقائقها (50-70 nm) تحضير النماذج: في البداية تصهر السبائك داخل منظومة الصهر وتسخن جسيمات التقوية السيراميكية النانوية وتضاف الى مصهور السبائك الموجود داخل منظومة الصهر وبنسب مختلفة وبشكل منفصل (0%,2%,4%,6%) .ويدور مصهور السبيكة المتراكبة بواسطة محور تدوير ميكانيكي يحتوي على قضيب كرافيتي لمزج الدقائق السيراميكية مع المادة الاساس للحصول على افضل تجانس بينهما . يصب المصهور في قوالب من حديد الصب مجهزة لهذا الغرض .ان النماذج المستحصلة تقطع وتقاس كثافتها و توضع في قالب من الاكريلك لقياس صلادتها بعد صقلها وتنعيمها ميتالورجيا. (والجداول المرافقة والمرقمة (1-5 ) تبين نتائج فحص الكثافة والصلادة والفحص المجهري للنماذج)

المناقشة والاستنتاجات 1. فحص الكثافة: اجريت قياسات الكثافة للسبائك المحضرة باستخدام مبدأ ارخميدس واستخدم جهاز قياس الكثافة نوع ELECTRONIC DENSEMETER SD-200L)) من النتائج يتبين ان كثافة المتراكبات اعلى من كثافة السبيكة الاساس . لذلك فان الكثافة للمتراكبات تزداد مع زيادة كمية مادة التعزيز المضافة . وان هذه الزيادة في الكثافة للمتراكبات يمكن ان تعزى الى كون كثافة مادة التعزيز اعلى من كثافة الاساس المضاف اليها. 2. فحص الصلادة: ان المتراكبات المحضرة في البحث الحالي قيست صلادتها باستخدام صلادة فيكرز وبرينيل ومن النتائج تبين ان صلادة المتراكبات اعلى من سبيكة الاساس الحاوية لها وان الصلادة تزداد مع زيادة محتوى مادة التعزيز في الاساس المعدني .ان آلية التقوية المقترحة قد تكون ناجمة اما عن نشوء طور بيني (interface) بين الدقائق والاساس يكون ذا خواص محسنة او ربما اضافة الطور السيراميكي المستقر يؤدي الى اكساب المتراكبات الناتجة استقراريه ثرموديناميكية ايضا فان زيادة الصلادة للمتراكبات الناتجة قد تكون بسبب زيادة كمية طاقة الانفعال المحتواة عند محيط الدقائق المشتتة داخل الاساس وهكذا فانه كلما انخفض حجم الدقائق زادت المساحة النوعية لمواد التعزيز وبالتالي تتحسن الصلادة.[3] 3. الفحص المجهري: استخدم المجهر الالكتروني الضوئي نوع (Microscope W/Two Lights + 3M Camera) لفحص التركيب المجهري للسبائك المحضرة لدراسة التغيرات التركيبية في حالة اضافة الدقائق النانوية وبنسب مختلفة.ان فحص التركيب المجهري للسبائك المحضرة بعد اضافة الدقائق النانوية وعند مقارنتها مع التركيب المجهري للسبائك قبل اضافة الدقائق لوحظ تأثير اضافة دقائق الالومينا النانوية اذ تحول من التركيب التشجيري الى الدقائقي واعطاء متانة اكثر للعينة . وعند اضافة دقائقSiC للسبيكة يلاحظ تغير في التركيب المجهري اذ ان اضافة كاربيد السليكون اعطى السبيكة صلادة اعلى وحولها من التركيب التشجيري الى التركيب البلوري ، من خلال ذلك نستنتج ان اضافة الدقائق النانوية نوع SiCيعطي للسبيكة خصائص ميكانيكية اعلى. (الاشكال 1,2,3 )

المصادر 1. Evans, C. San Marchi, A. Mortensen, “Metal Matrix Composites in Industry: An Introduction and a Survey”, Springer, 2003 2. Patil K. C., Hegde M. S., Rattan T. and Aruna S. T., "Chemistry of Nanocrystalline Oxide Materials: Combustion Synthesis, Properties and Applications", chp.1, World Scientific Publishing Co., 2008. 3. SHABANI M O, MAZAHERY A. Prediction of wear properties in A356 matrix composite reinforced with particulates [J]. Synthetic Metals, 2011(161): 1226−1231

جدول رقم (1) التحليل الكيمياوي لسبيكة الالمنيوم بواسطة جهاز ((XRF-OXFORD Metal(wt%) Others Mn Fe Si Mg Cu Al 99.5 0.03 0.4 0.3 0.03 0.03

جدول رقم (2) نتائج فحص الكثافة باضافة دقائق SiC Density (g/cc) SiC ت 2.685 0% 1 2.71 2% 2 2.73 4% 3 2.75 6% 4

جدول رقم (3) نتائج فحص الكثافة باضافة دقائق Al2O3 Density g/cc Al2O3 ت 2.77 0% 1 2.79 2% 2 2.81 4% 3 2.83 6% 4

جدول رقم (4) نتائج فحص الصلادة بطريقة فيكرز للنماذج المحضرة قيم الصلادة باضافة دقائق Al2O3 قيم الصلادة باضافة دقائق SiC نسبة الاضافة ت 80 60 0% 1 92 72 2% 2 100 82 4% 3 112 98 6% 4

الجدول رقم (5) يبين قيم الصلادة بطريقة برينيل للنماذج المحضرة قيم الصلادة باضافة دقائق Al2O3 قيم الصلادة باضافة دقائق SiC نسبة الاضافة ت 85 106 0% 1 90 112 2% 2 94 117 4% 3 100 122 6% 4

الشكل (1) التركيب المجهري قبل اضافة دقائق التقوية ودرجة التكبير (1600X)

الشكل (2) التركيب المجهري بعد اضافة Al2O3 ودرجة التكبير (1600X)