SUPERVISOR
Ahmad KermanPour,Behzad Niroumand
احمد کرمانپور (استاد مشاور) بهزاد نیرومند (استاد راهنما)
STUDENT
Mehdi Kooshan
مهدی کوشان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Development of An One Step Shape Casting Method for Direct Formation of Non-Dendritic Microstructure from Liquid State
Production of semisolid metallic components starts with a slurry of suspended non-dendritic solid particles. Such slurries are commonly produced by applying shear stress to a solidifying melt or by encouraging copious nucleation during initial stages of solidification. As yet, all the employed methods use a two steps processing where in the first step the non-dendritic slurry is prepared in a container outside the die and then the slurry is cast into the die. Furthermore, higher viscosity of semisolid metallic slurries have practically made their gravity casting impossible and resulted in a need for some sort of mechanical force to push such viscous slurries into the die cavities. This necessitates the use of expensive high strength metallic dies. Therefore, only mass production of semisolid components has been economically justified so far. The main objective of this work was to develop a single step semisolid part production method and investigate the possibility of achieving non-dendritic microstructure in A356 alloy during sand casting without the need for any expensive metallic die or any special previous processing on the melt. For this purpose, in the first step, a sand mould with three different types of running systems was designed and its mold filling and solidification process were simulated using ProCAST simulation software. Second step involved casting of A356 alloy from fully liquid state in the three types of running systems under gravity and centrifugal casting conditions. The cast microstructures were then studied. In the third step, the alloy was centrifuge cast from semisolid state in the three types of running systems and microstructure and fluidity length of all the castings as well as hardness, porosity content and tensile properties of some of the castings were studied. Microstructural investigations in the second step showed that non-dendritic structures could be produced by using a chill fitted sand core in the sprue of the gating system and reducing the superheat temperature under centrifugal casting condition. Also casting under centrifugal rather than gravity condition and reducing the superheat temperature, reduced the grain size. Size of the primary particles and primary particle groupings as well as roundness of the primary particles increased with an increase in the solid fraction and roundness of primary particle groupings decreased with an increase in the solid fraction. With changing the running system design from first to third at a given solid fraction, size of primary particles decreased and their roundness increased. With investigation of fluidity length, it is shown fluidity length decreased in three running systems with increasing solid fraction. Casting under centrifugal condition, lower superheat temperature and using third running system, increased the hardness of the parts cast from fully liquid state. With an increase in the solid fraction, hardness of parts cast from semisolid state decreased. Mechanical properties of cast parts increased under centrifugal casting condition and lower superheat temperature. Keywords: Non-dendritic structure, Semi-solid alloys, Gravity casting, Centrifugal casting, A356 alloy
به منظور ساخت قطعات نیمه جامد فلزی، نیاز به دوغابی با ساختار غیر دندریتی می باشد. این کار معمولا با اعمال تنش برشی به مذاب در حال انجماد، یا افزایش نرخ جوانه زنی در حین انجماد، انجام می شود. همه روش های ارائه شده تاکنون، از عملیات دو مرحله ای استفاده می کنند، به گونه ای که ابتدا دوغاب در خارج قالب تهیه شده و سپس به درون قالب وارد می گردد. از طرف دیگر ویسکوزیته بالاتر دوغاب های نیمه جامد نیاز به استفاده از قالب های فلزی گران قیمت را ضروری ساخته است. با توجه به این موضوع، هدف از این تحقیق توسعه روش جدیدی برای تولید ریزساختار غیردندریتی در طی فرآیند ریخته گری آلیاژ آلومینیوم در قالب ماسه ای، بدون هیچ فرآیند ویژه قبلی می باشد. به همین منظور در مرحله اول تحقیق، یک قالب ماسه ای به همراه سه نوع سیستم راهگاهی متفاوت طراحی شد و با استفاده از نرم افزار شبیه سازی ProCAST، نحوه پرشدن قالب و انجماد قطعات در حالت های مختلف ریخته گری مورد بررسی قرار گرفت. بعد از بررسی نتایج شبیه سازی، مرحله دوم که شامل ریخته گری آلیاژ A356 در سه نوع سیستم راهگاهی در حالت مذاب و تحت شرائط ثقلی و گریز از مرکز بود، انجام شد. این سیستم های راهگاهی شامل سیستم راهگاهی اول( راهگاه بارریز بدون ماهیچه)، سیستم راهگاهی دو( راهگاه بارریز با ماهیچه ماسه ای) و سیستم راهگاهی سوم( راهگاه بارریز با ماهیچه ماسه ای مبرددار) بود. نمونه های ریخته شده در این مرحله از لحاظ خصوصیات ساختاری مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند. در مرحله سوم، ریزساختار و میزان طول سیالیت قطعات ریخته گری گریز از مرکز شده در حالت نیمه جامد در سه سیستم راهگاهی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه آزمون های اندازه گیری سختی، تخلخل و خواص کششی برای تعدادی از قطعات تولید شده در هر دو حالت کاملا مذاب و نیمه جامد بررسی شد. نتایج بررسی های ریزساختاری قطعات ریخته شده در مرحله دوم، نشان داد که با استفاده از سیستم راهگاهی نوع سه، کاهش دمای فوق گداز و استفاده از نیروی گریز از مرکز، دستیابی به ساختار غیردندریتی امکان پذیر شد. نتایج بررسی های ریزساختاری در مرحله سوم نشان داد که با افزایش کسر جامد، اندازه دانه ها، اندازه مجموعه دانه ها و کرویت دانه ها افزایش یافته و کرویت مجموعه دانه ها کاهش می یابد. با تغییر سیستم راهگاهی از حالت یک به سه در یک کسر جامد مشخص، اندازه دانه ها کاهش یافته و کرویت دانه ها افزوده می گردد. در بررسی های صورت گرفته بر میزان طول سیالیت در این مرحله، مشاهده شد که در کسر جامد 15/0 سیالیت آلیاژ نیمه جامد A356 در سیستم راهگاهی دو نسبت به سیستم راهگاهی یک و سه بیشتر است. با بررسی سختی نمونه های ریخته شده در حالت کاملا مذاب، مشاهده گردید که با به کارگیری نیروی گریز از مرکز، کاهش دمای فوق گداز و استفاده از سیستم راهگاهی سه، سختی نمونه ها افزوده شد. در نمونه های ریخته شده در حالت نیمه جامد، با افزایش کسر جامد، سختی نمونه ها کاهش یافت. با بررسی نمونه های کشش، مشاهده شد که با تغییر سیستم راهگاهی از حالت یک به سه، استفاده از نیروی گریز از مرکز و کاهش دمای فوق گداز، خواص مکانیکی نمونه های ریخته شده افزایش یافت. کلمات کلیدی: ساختار غیر دندریتی، آلیاژهای نیمه جامد، ریخته گری ثقلی، ریخته گری گریز از مرکز،A356