چکیده:
در این پژوهش، تأثیر اعمال ارتعاش مکانیکی در حین انجماد با فرآیندهای متداول جوانه زایی و بهسازی در حالت ریخته گری استاتیک، بر ویژگیهای ریزساختاری، فیزیکی و مکانیکی آلیاژ آلومینیوم ۳۸۰A نظیر اندازه دانه، فاصله بین بازوهای دندریتی، چگالی، استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی، درصد ازدیاد طول نسبی و سختی مورد بررسی قرار گرفته است. پس از انجام مطالعات اولیه، نمونه هایی در دو شرایط ریخته گری استاتیک و دینامیک (فرکانس Hz60 و دامنه mm2) و در هر حالت، بهمراه جوانه زا، بهساز و نیز بدون مواد افزودنی ریخته گری شدند. پس از انجام آزمایش های مربوطه، میزان استحکام کششی نهایی، تسلیم و درصد ازدیاد طول نسبی نمونه ریخته شده در فرکانس Hz60 نسبت به نمونه های جوانه زایی و بهسازی شده در شرایط ریخته گری استاتیک به ترتیب %۲۷، %۲۹، %۶۴ افزایش یافته و اندازه متوسط فاصله بین بازوهای ثانویه دندریتهای آن نیز %۵۶ کاهش یافته است. اثرات مضاف مشاهدهه شده در اثر اعمال ارتعاش بر خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه ها، بسیار فراتر از فرآیندهای متداول سنتی جوانه زایی و بهسازی بوده، بگونه ایکه اعمال ارتعاش علاوه بر کاهش کلی اندازه دانه، پتانسیل زیادی را برای کاهش حفرات و تخلخل از طریق شدت بخشیدن به پدیده تغذیه جرمی فراهم آورده و سبب ایجاد ریزساختاری همگن با خواص مکانیکی بالاتر شده است.

مقدمه:
آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم ریختگی، موادی چند فلزی با ریزساختارهای ترکیبی می باشند که براساس طبقه بندی انجمن آلومینیوم، در گروه های xx.x3 (آلیاژهاین آلومینیوم- سیلیسیم بهمراه مس و یا منیزیم) و xx.x4 (آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم) قرار می گیرند. خواص مکانیکی آلیاژهای مذکور، تابعی از اندازه دانه فاز زمینه و شکل، اندازه و توزیع فازهای گسسته تولید شده در حین ریخته گری می باشد. تیغه های درشت سیلیسیم یوتکتیک و حفرات سبب کاهش استحکام نهایی داکتیلیته و مقاومت به ضربه آلیاژهای مذکور می گردند.
اگر ریزساختار و درشت ساختار تحت کنترل قرار گیرد، خواص مکانیکی مطلوبی به دست خواهد آمد. فاز سیلیسیم یوتکتیک نیز در ساختارهای اصلاح نشده بصورت تیغه های خشن و سوزنی شکل تشکیل می گردد که این نوع مورفولوژی، باعث افت خواص مکانیکی قطعات ریختگی می گردد. بنابراین، در تغییر مورفولوژی فاز سیلیسیم یوتکتیک، عملیات بهسازی و نقش عناصر بهساز نظیر استرانسیم و سدیم، بسیار حائز اهمیت می باشند.
کیفیت قطعه ریختگی در درجه اول متأثر از روش ریخته گری و عملیات ثانویه نظیر پرس گرم همه جانبه، عملیات حرارتی و… می باشد. روش های ریخته گری که جهت افزایش کیفیت قطعات ریخته گری آلومینیومی مورد استفاده قرار گرفته اند می توانند به صورت های زیر دسته بندی شوند :
۱- کنترل کیفیت فلز مذاب قبل از ریخته گری
۲- کنترل فرآیند تزریق فلز مذاب به داخل قالب
۳- کنترل ریزساختار قطعه ریختگی و عیوب در طول انجماد
در صنعت ریخته گری بهبود خواص آلیاژها به طرق مختلفی نظیر شیمیایی،فیزیکی و مکانیکی در حالت مذاب و یا در مرحلۀ مناسبی از انجماد و با استفاده از فرآیندهای مختلفی نظیر سرد کردن سریع، اضافه کردن جوانه زا و رئوکست امکانپذیر می باشد. با وجود موفقیت این روشها در تولید دانه های هم محور، معایبی نظیر ایجاد ترک در قطعات در اثر سرد کردن سریع و تولید مناطق بسیار سخت در اثر باقی ماندن مقادیر اضافی جوانه زا در مذاب و نیز مسأله از بین رفتن جوانه زا هنوز به قوت خود باقیست. اعمال ارتعاش در حین انجماد برای اولین بار توسط Chernove در سال ۱۸۶۸ بر روی یک قالب محتوی فولاد مذاب به فرم حرکت ارتعاشی رفت و برگشتی ملایم انجام پذیرفت که نتیجه آن تولید ساختار ریزدانه آستنیت اولیه بود. مروری بر منابع مختلف، نشان می دهد که اعمال ارتعاش از طرق مکانیکی، صوتی ومافوق صوت اثرات قابل توجهی نظیر ایجاد ساختار ریزدانه، افزایش دانسیته، گاززدایی، کاهش انقباض، تغییر شکل، اندازه و توزیغ فاز دوم دارد. گسترده تولید این نوع انرژی، حرکت لرزشی ملایم با دامنه زیاد و فرکانس کم تا انرژی امواج اولتراسونیک با فرکانس زیاد و دامنه کم را شامل می شود. براساس تحقیقات انجام شده، اعمال انرژی ارتعاشی، سبب تقویت فرآیند جوانه زنی می گردد، به قسمی که ریزدانگی و افزایش تعداد سلولهای یوتکتیکی را در پی دارد. تعداد جوانه های قابل رشد به یکی از دو طریق زیر یا هر دوی آنها افزایش می یابد :
الف) شکسته شدن فرم های موجود رشد(نظیر فرم های دندریتی)
ب) تحریک و ترغیب جوانه زنی آزاد در مایع
پیرامون نقش ارتعاش بر اندازه و مورفولوژی سیلیسیم یوتکتیک، نقطه نظرات متفاوتی از محققین گزارش گردیده است. Kocatepe گزارش داده است که اعمال ارتعاش سبب درشت تر شدن سیلیسیم یوتکتیک در آلیاژهای بهسازی شده و بهسازی نشده می گردد. از طرفی، Abd-El-Azim با اعمال ارتعاش مکانیکی بر روی آلیاژ Al-12% Si در شراط فرکانس Hz50 و دامنه mm5/0، ریز سدن سیلیسیم یوتکتیک را گزارش کرد. او همچنین بیان کرد که تیغه های سیلیسیم کوتاهتر و ریزتر گشته و به شکل گروهی به صورت شعاعی درامده و سیلیسیم های اولیه مکعب مستطیل شکل از بین رفته اند و نیز سیلیسیم یوتکتیک در آلیاژهای اصلاح شده با سدیم افزایش شدت ارتعاش درشت تر گشته اند. در عوض در آلیاژهای اصلاح شده با استرانسیم در اثر اعمال ارتعاش، سیلیسیم یوتکتیک ریزتر گشته است. Pillali عنوان کرد که اعمال ارتعاش بر روی آلیاژهای Al-Si در فرکانس Hz12 و دامنه mm10 تقریباً در جهت ریزتر شدن سیلیسیم یوتکتیک نتیجه داده است. اگرچه اعمال ارتعاش بر روی آلیاژهای Al-Si اصلاح شده با سدیم در شرایط مذکور، سبب درشت تر شدن سیلیسیم یوتکتیک گشته است.
هدف از انجام پژوهش حاضر، مقایسه اثر فرآیندهای متداول جوانه زایی و بهسازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی با اثرات حاصل از اعمال ارتعاش مکانیکی بوده است و جهت نیل به این هدف، ارتعاش قالب، شاید آسانترین و تأثیرگذارترین روش اعمال انرژی ارتعاشی بر انجماد باشد؛ چرا که تهیه تجهیزات لازم جهت تولید این نوع از ارتعاش نسبت به ارتعاش دهنده های الکترومغناطیسی و امواج مافوق صوت بسیار مقرون به صرفه بوده و اثرات مثبت آن بخاطر اعمال فرکانس های نسبتاً پایین و دامنه های بالا، مشهود است.