ریخته گری و شکل دهی فلزات در حالت نیمه جامد – قسمت دوم

در قسمت اول این نوشته، تاریخچه و اصول فرایند فلز نیمه جامد یا به عبارتی ریخته گری و شکل دهی فلزات در حالت نیمه جامد توضیح داده شد. در صورتی که قسمت اول را قبلاً مطالعه نکرده اید، پیشنهاد می شود ایتدا آن قسمت را بخوانید و سپس ادامه این مطلب را از عصر مواد پی بگیرید.

 

 

ریخته گری و شکل دهی فلزات در حالت نیمه جامد – قسمت اول

 

 

 

فرایندهای ریخته گری و شکل دهی نیمه جامد

 

فرایند ساخت قطعه در فرایندهای فلز نیمه جامد عموماً در دو دسته­ ی کلی رئوکستینگ (Rheocasting) و تیکسوفرمینگ (Thixoforming) دسته بندی می شوند:

 

 

• رئوکستینگ:

 

رئوکستینگ روشی است که در آن ابتدا آلیاژ مورد نظر ذوب شده و به مذاب تبدیل می‌شود، سپس دمای مذاب تا دمای نیمه جامد کاهش داده می شود. در حین انجماد، از روش های مختلف تولید مواد اولیه غیر دندریتی در حالت مایع کمک گرفته می شود تا دوغاب نیمه جامد برای ادامه فرایند آماده شود. پس از آن، دوغاب حاصله به درون قالب تزریق می شود.

 

 

• تیکسوفرمینگ:

 

فرایند تیکسوفرمینگ، یک فرایند سه مرحله ای برای شکل دهی نزدیک به شکل نهایی قطعه در یک قالب فلزی است. مرحله اول این فرایند شامل تهیه یک شمش جامد با ساختار غیر دندریتی یا کروی است. برای این منظور، از روش های مختلف تولید مواد اولیه غیر دندریتی استفاده می شود. مرحله دوم این فرایند، گرم کردن این شمش جامد تا محدوده دمایی نیمه جامد برای تولید دوغاب نیمه جامد است. معمولاً از گرمای القایی برای حرارت دهی به شمش‌ ها استفاده می‌شود. مرحله نهایی تیکسوفرمینگ، شکل دهی این دوغاب نیمه جامد است. بر اساس روش شکل دهی، فرایندهای تیکسوفرمینگ به دو دسته تیکسوکستینگ و تیکسوفورجینگ تقسیم می شوند. اگر فرایند شکل دهی دوغاب نیمه جامد در یک قالب بسته انجام شود، فرایند را تیکسوکستینگ، و اگر در یک قالب باز انجام شود آن را تیکسوفورجینگ می نامند. در تیکسوکستینگ معمولاً از ماشین‌ های دایکاست برای تزریق دوغاب نیمه جامد به داخل قالب استفاده می‌ شود.

 

 

 

 

 

فرایندهای تولید مواد اولیه غیر دندریتی

 

در قسمت اول این مطلب نوشتیم که کشف رفتار تیکسوتراپیک آلیاژهای فلزی نیمه جامد منجر به توسعه فرایند فلز نیمه جامد شد. هدف در این فرایند، به دست آوردن ساختاری با مورفولوژی جامدی تا حد ممکن کروی شکل و عاری از دندریت و حداقل مایع به دام افتاده در ساختار جامد است. فرایندهای تولید مواد اولیه با ساختار غیر دندریتی به دو دسته حالت مایع و حالت جامد تقسیم می شوند. برای تولید ماده اولیه غیر دندریتی در هر کدام از این فرایندها، روش های مختلفی توسعه پیدا کرده اند که به برخی از روش های مهم در این نوشته اشاره می شود. لازم به ذکر است که این بخش از این نوشته، از کتاب “اصول و مبانی فرایند فلز نیمه جامد” تالیف میلاد بایگان و حمید آقاکریمی خلاصه شده است.

 

 

 

• فرایندهای حالت مایع:

 

۱- فرایند همزدن مکانیکی (Mechanical Stirring)

 

روش همزدن مکانیکی اولین روش تولید دوغاب های غیر دندریتی است که در انیستیتو تکنولوژی ماساچوست توسعه یافته است. در این روش ایجاد تلاطم در آلیاژ مذاب معمولاً توسط مته، پروانه، یا همزن های چند پر که بر روی یک محور دوار مرکزی نصب شده اند انجام می شود و برش ایجاد شده توسط همزن حین انجماد، موجب ایجاد ساختار غیر دندریتی می شود. 

 

 

۲- فرایند همزدن الکترومغناطیسی (EMS) / هیدرودینامیکی مغناطیسی (MHD)

 

فرایند همزدن الکترومغناطیسی جهت غلبه بر مشکلات فرایند همزدن مکانیکی توسط شرکت آلومکس ثبت اختراع شده و توسط شرکت آی تی تی توسعه یافته است. روش همزدن الکترومغناطیسی مذاب یک روش مناسب برای تولید مداوم و نیمه مداوم شمشال های نیمه جامد است و در حال حاضر جایگاه خود را به عنوان روشی عملی برای تولید مواد اولیه تثبیت کرده است. در این روش برش موضعی توسط میدان های الکترومغناطیسی دوار پر قدرت در اطراف قالب خنک شونده ماشین ریخته گری مداوم برای تلاطم شدید و از بین بردن ساختار دندریتی و سرانجام ایجاد ساختار گلبرگی استفاده می شود و از آنجایی که همزدن در عمق مایعی انجام می شود که قبلاً فیلتر و گاز زدایی شده است، آلودگی عملاً حذف می شود.

 

 

۳- فرایند برش توسط غلتک مبرد (SCR)

 

در این روش مذاب با فوق گداز مناسب در شکاف میان کفشک مبرد و غلتک ریخته می شود و در نتیجه ی نیروی اصطکاکی ناشی از دوران غلتک، به طور هم زمان برش یافته و منجمد می گردد که نتیجه آن مخلوطی از مذاب و ذرات جامد می باشد. فرایند برش توسط غلتک مبرد روشی ساده و ارزان است و همچنین توانایی ایجاد نرخ سرمایش های بالایی را دارد. روش برش توسط غلتک مبرد به علت بکارگیری نرخ های سرمایش و برش بالا، توانایی تولید ذرات ریز و با موفولوژی مناسب در زمینه مایع را دارد. 

 

 

۴- فرایند ریخته گری اسپری

 

ریخته گری اسپری یک فرایند غیر تلاطمی برای تولید مواد اولیه است. در این فرایند، فلز مذاب توسط یک جت گاز خنثی (آرگون یا نیتروژن) فشار بالا از یک نازل عبور کرده و به صورت قطره هایی به اندازه میکرومتری اتمیزه می شود و حین پرواز، تحت نرخ سرمایش بالایی قرار می گیرد. در حالی که قطرات بزرگ کاملاً مایع باقی می مانند و قطرات کوچک حین اتمیزه شدن منجمد می شوند، قطرات با اندازه میانی نیمه جامد می شوند. قطرات بر روی یک زیرلایه متحرک جمع آوری شده و برای تشکیل یک پیش شکل (preform) منسجم یکی می شوند. مرحله دوم انجماد بر روی زیرلایه در آغاز رسوب نشانی و متعاقباً بر روی سطح بالایی پیش شکل می باشد. قطرات مایع و نیمه جامد با کسر مایع بالا بر اثر برخورد پاشیده می شوند. در حالی که قطرات جامد و نیمه جامد با کسر جامد بالا خرد می شوند. بخشی از دانه های جامد به آرامی تحت ذوب و انجماد مجدد قرار می گیرند. ریزساختار حاصل حاوی دانه های هم محور بسیار ریز است و با گرمایش مجدد تا ناحیه نیمه جامد برای تیکسوفرمینگ ایده آل می باشد.

 

فرآیند شکل دهی اسپری قادر به تولید آلیاژ پاک با اندازه دانه کنترل پذیر به کوچکی حدود ۲۱ میکرومتر است. فرآیند ریخته گری اسپری برای محدوده وسیعی از آلیاژها مانند آلومینیم و کامپوزیت های SiC آن، آلیاژهای دما بالا مانند فولاد و سوپر آلیاژها، آلیاژهای مس و همچنین آلیاژهایی که توسط سایر روش ها قابل تولید نیستند مانند آلیاژهای آلومینیم-سیلسیم با بیش از ۲۰ درصد وزنی سیلسیم به کار گرفته می شود. محدودیت کنونی این روش این است که حداقل اندازه بیلت اسپری شده حدود ۳۱ میلیمتر بوده و همچنین در مقایسه با روش های تلاطمی مانند MHD گران تر است. 

 

 

۵- فرایند رئوکستینگ جدید (NRC: New Rheocasting Process)

 

برخلاف فرایندهایی که بر اساس شکستن دندریت ها استوارند، در این روش رشد دندریتی از ابتدای آغاز انجماد سرکوب می شود. این فرایند برای تولید دوغاب های فلزی نیمه جامد از آلیاژهای آلومینیم و منیزیم در ژاپن توسط صنایع UBE توسعه یافته است.

 

ترتیب مراحل انجام فرایند رئوکستینگ جدید به صورت زیر است:

 

• آلیاژ مذاب به صورت رایج و با یک فوق گداز معین که وابسته به آلیاژ است آماده می شود.
• مذاب آماده شده از مرحله اول، داخل یک ظرف عایق حرارتی ریخته می شود. این انتقال می تواند به طور مستقیم و یا از طریق یک جیگ سطح شیبدار مبرد انجام شود. در اینجا جیگ به عنوان مولد هسته عمل می کند. افزودن جوانه زا و همچنین میزان فوق گداز در مرحله اول به عملکرد جیگ بستگی دارد.
• در این مرحله، آلیاژ در ظرفی برای یک بازه زمانی در ناحیه خمیری برای انجام رشد تکمیلی و دستیابی به کسر جامد معین که برای شکل دهی تحت فشار مناسب باشد نگهداری می شود. در این مرحله با یک پروفیل دمایی یکنواخت، کریستال های اولیه دندریتی خیلی ریز و همسانگرد با افزایش کسر جامد و کاهش دما به شکل کروی در ظرف رشد می کنند.
• شمشال نیمه جامد به دست آمده می تواند به طور مستقیم توسط فشار شکل داده شود و یا منجمد شده و توسط ذوب جزئی مجدد برای تولید قطعه توسط فرایند تیکسوفرم مورد استفاده قرار گیرد. 

 

دو عامل برای موفقیت در تولید شمش مناسب توسط این روش باید در نظر گرفته شوند. اولاً فوق گداز مذاب نباید از ۱۰ درجه تجاوز کند و در ثانی سرعت انجماد مذاب، اثر مستقیم بر شکل کریستال های ابتدایی خواهد داشت.

 

 

۶- فرایند تبدیل رئو مداوم (CRP: Continuous Rheoconversion Process)

 

فرایند تبدیل رئو مداوم، یک فرایند جدید، کم هزینه و از لحاظ مصرف انرژی کارآمد است. در این فرایند دو مذاب با فوق گداز معین که می توانند ترکیب شیمیایی یکسان یا غیر یکسانی داشته باشند، وارد یک راکتور با طراحی خاص شده و در آنجا حین مراحل اولیه انجماد، تحت جابجایی اجباری و دفع حرارت قرار می گیرند. نرخ بالای جوانه زنی به همراه جابجایی اجباری منجر به هسته زنی فراوان فاز اولیه، پراکندگی هسته ها در توده ی مایع و بقای هسته ها از طریق میدان های دمایی همگن شده و در نهایت ساختاری تیکسوتراپیک حاصل می شود.

 

 

 

 

 

 

 

۷- فرایند فراصوتی

 

به کارگیری ارتعاش فراصوتی با قدرت بالا در مذابی حین انجماد برای ریز کردن ساختار به اواسط دهه ۷۰ میلادی باز می گردد. ثابت شده است که به کارگیری عملیات فراصوتی در یک مذاب در حال سرد شدن با دمای شروع اندکی بالاتر از دمای منحنی مایع می تواند به طور موثری باعث ریز و غیر دندریتی شدن ریزساختار شده و آن را برای گرماش مجدد و عملیات بعدی تیکسوفرم مناسب کند. ایجاد ارتعاش فراصوتی با قدرت بالا در یک آلیاژ مایع می تواند منجر به دو پدیده فیزیکی اساسی حفره زنی و جریان آکوستیک شود. حفره زنی شامل تشکیل، رشد ،تپش و فرو ریختن حباب های بسیار ریز در مذاب است. نرخ تراکم این حباب های ناپایدار می تواند به حدی بالا باشد که فرو ریختن آن ها موج های ضربه ای هیدرولیک ایجاد کند. ذرات اولیه توسط این امواج شکسته می شوند و بدین ترتیب منابع هسته مصنوعی ایجاد می گردد.

 

انتشار امواج فراصوتی با شدت بالا موجب جریان آکوستیکی پایدار در مذاب می شود. اثر کلی این دو جریان، مخلوط کردن شدید و همگن کردن مذاب است. بنابراین امواج ضربه ای هیدرولیک که از فرو ریختن حباب های حفره زنی ایجاد می شوند بازوهای دندریت را شکسته و جریان های آکوستیک، بازوهای شکسته شده دندریت را به طور همگن داخل مذاب توزیع می کند. بنابراین ایجاد ارتعاش فراصوتی در فلز در حال انجماد موجب تغییرات ساختاری شامل ریز شدن دانه، سرکوبی ایجاد ساختار با دانه های ستونی، افزایش همگنی و کاهش جدایش می شود. ایجاد ارتعاش فراصوتی می تواند به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم انجام شود. در حالت مستقیم، عامل ایجاد ارتعاش داخل مذاب قرار می گیرد. در حالی که در حالت غیر مستقیم بوته حاوی مذاب بر روی عامل ایجاد ارتعاش قرار می گیرد. 

 

 

۸- فرایند رئوکستینگ نیمه جامد (SSR: Semi-Solid Rheocasting)

 

این فرایند در انیستیتو تکنولوژی ماساچوست (MIT) توسعه داده شده است و توسط شرکت Idra prince به نام SSR تحت تجاری شدن می باشد. در این روش یک میله سرد چرخنده از جنس مس یا گرافیت برای تولید ذرات کروی بسیار ریز وارد مذابی می شود که دمای آن اندکی بالاتر از دمای لیکوئیدوس است. عمل همزدن که موجب دفع سریع حرارت و تلاطم شدید می شود تا زمانی که دمای مذاب به چند درجه زیر دمای لیکوئیدوس و به عبارت دیگر تشکیل چند درصد ابتدایی کسر جامد، ادامه می یابد (در عرض چند ثانیه) و سپس میله خارج و به مذاب اجازه داده می شود تا به آرامی سرد شده و تا کسر جامد دلخواه منجمد گردد.

 

 

۹- دستگاه چرخنده موازنه آنتالپی (SEED: Swirled Enthalpy Equilibrium Device)

 

این فرایند جدید توسط شرکت ALCAN International اختراع شده و شامل سه مرحله است. در مرحله اول مذاب آلیاژ با فوق گداز، داخل یک قالب استوانه ای ریخته شده و قالب شروع به چرخیدن می کند تا با خروج سریع حرارت دوغاب نیمه جامد با کسر جامد ۰٫۳ تا ۰٫۴ تشکیل شود. مدت زمان این مرحله به ابعاد و میزان آلیاژ شارژ شده بستگی دارد اما معمولاً بین ۳۰ تا ۶۰ ثانیه گزارش شده است. در مرحله بعدی حرکت چرخشی متوقف شده و پس از مکث مختصری بین ۵ تا ۱۰ ثانیه، توپی انتهایی برداشته می شود تا مایع اضافی تخلیه شود. بعد از یک زمان مشخص بین ۳۰ تا ۴۵ ثانیه، شمشال به دست آمده که قابلیت جابجایی را پیدا کرده از قالب خارج شده و به یک ماشین دایکست فشار بالا برای تولید قطعات نهایی انتقال می یابد.

 

 

۱۰- فرایند رئومولدینگ (Rheomolding)

 

رئومولدینگ فرایندی مشابه فرایند تیکسومولدینگ است با این تفاوت که به جای استفاده از چیپ های جامد آلیاژ که در مورد تیکسومولدینگ مورد اسفاده قرار می گیرد، از فلز مایع برای تغذیه فرایند رئومولدینگ استفاده می شود. در حال حاضر دو نوع مختلف از فرایند رئومولدینگ وجود دارد، تک پیچ (Single Screw) و پیچ دوقلو (Twin Screw). پس از تحقق اهمیت جریان متلاطم بر تحولات ریزساختاری حین تشکیل دوغاب نیمه جامد، Fan و همکاران یک فرایند رئومولدینگ با پیچ دوقلو (TSRM: Twin Screw Rheomolding) را توسعه دادند. جریان سیال در این فرایند دارای خصوصیات نرخ برش بالاتر، تلاطم شدیدتر و تغییرات سیکلی در نرخ برش است. این تکنولوژی تا بحال در مورد آلیاژهای سرب-قلع و آلیاژهای منیزیم مورد آزمایش قرار گرفته است. 

 

 

 

۱۱- فرایند نیمه جامد ناشی از گاز (GISS: Gas Induced Semi-solid)

 

فرایند نیمه جامد ناشی از گاز توسط دکتر واناسین، دکتر مارتینز و پروفسور فلمینگز در سال ۲۱۱۲ میلادی در انیستیتو تکنولوژی ماساچوست ابداع شده و توسط دکتر واناسین و تیم تحقیقاتیاش توسعه یافته است. در فرایند نیمه جامد ناشی از گاز که بر مبنای خروج موضعی سریع حرارت و تلاطم در مراحل اولیه انجماد است، حباب های گاز خنثی توسط یک دفیوزر گرافیتی در دمای اندکی بالای منحنی مایع به مدت چند ثانیه به مذاب تزریق شده تا دوغاب به کسر جامد مورد نظر برسد و سپس گازدهی متوقف شده و دفیوزر گرافیتی خارج می گردد و مذاب ساختاری گلبولی تشکیل می دهد. در این فرایند، خروج موضعی سریع حرارت بر روی سطح دیفیوزر گرافیتی متخلخل رخ می دهد و به طور همزمان تلاطم شدیدی ناشی از جریان حباب های بسیار ریز گاز خروجی از دیفیوزر گرافیتی در سطح مبرد ایجاد می شود. در حین گازدهی، جابجایی موثری توسط جریان تعداد بسیار زیادی از حباب های ریز گاز خارج شده از سطح سرد دیفیوزر داخل مذاب به دست می آید. با ورود دیفیوزر گرافیتی سرد به مذاب با فوق گداز پایین تعداد بسیاری از دانه های دندریتی ریز بر روی سطح آن جوانه زنی کرده و رشد می کنند و سپس این دانه ها به سرعت توسط جریان حباب های گاز به سمت بیرون و داخل توده مذاب رانده می شوند.

 

 

این نوشته در حال تکمیل است …