وبلاگ

فرآوری نیمه جامد یک فرایند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه سریعی داشته است. در این فرایند آلیاژ مورد نظر ابتدا تحت شرایط کنترل شده­ای ذوب شده، سپس در دامنه انجماد آن به مذاب تنش برشی وارد می­ شود. اعمال تنش برشی در منطقه دو فازی منجر به تخریب ساختار شاخه­ای(دندریتی[1]) می­ شود و در نتیجه می­توان یک مخلوط مایع-جامد[2] را به قطعه­ای با ساختار غیر دندریتی تبدیل نمود [1].
به عنوان یک تعریف ساده، ریزساختار نیمه­جامد شامل فازهای جامد اولیه­ای است که دارای مورفولوژی غیردندریتی و تقریباً کروی بوده و توسط زمینه یوتکتیکی احاطه شده است [2]. از ویژگی­های مهم فرایندهای شكل‌دهی فلزات در حالت نیمه­جامد می‌توان به تخلخل كمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات با اشکال پیچیده اشاره کرد. همانطور که در شکل ‏1‑1 نشان داده شده­است، این فرایند از دیدگاه محدوده دمای کاری در حد میانی دو فرایند ریخته­گری و آهنگری قرار دارد. به بیان دیگر، دمای کاری در این فرایند پایین­تر از ریخته­گری و بالاتر از آهنگری است.
از معایب عمده ریخته‌گری می­توان به موارد زیر اشاره کرد[3]:
1- وجود حفره­های گازی بدلیل حلالیت بالای گاز در مذاب با دمای بالا
2- ایجاد حفره­های انقباضی، یعنی تشکیل شاخه­هایی از فلز جامد در زمینه­ای از فلز مذاب موسوم به دندریت. این شاخه­ ها باعث بالا رفتن گرانروی مذاب شده و مانع تغذیه و پر شدن حفره­ ها می­ شود.
 هر دو عامل فوق باعث پایین آمدن كیفیت قطعه تولیدی می­ شود.
آهنگری هم دارای محدودیت­هایی به شرح زیر است [3]:
1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده
2-روی­هم افتادگی[1] دیواره قطعات
3-نیاز به پرسهایی با تناژ بالا و در نتیجه افزایش هزینه تولید
فرایندهای شکل­دهی در حالت نیمه­جامد در واقع به منظور برطرف­کردن محدودیت­های دو روش اشاره شده می­باشد. تولید قطعات با این فرایند بخاطر خواص مفیدی که از خود نشان داده­اند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].
1-1-1- روش های تولید مخلوط مذاب و جامد
ماده اولیه ورودی فرایند و روش تهیه آن و نیز چگونگی شکل­دهی این مواد، مهمترین مشخصه­های کلیدی به منظور شناخت روش­های نیمه­جامد هستند. در این فرایندها، مخلوطی متشکل از ذرات جامد غیردندریتی پخش شده در فاز مذاب فلزی به عنوان ماده شروع کننده فرایند مورد استفاده قرار می­گیرد.
به طور کلی روش­های تولید دوغاب نیمه­جامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیم ­بندی می­شوند. روش­های هم­زدن مکانیکی[1]، هم­زدن مغناطیسی[2]، سطح شیب­دار[3]، عملیات فراصوتی[4]، غلتک سرد کننده و گلوله­های نسوز را می­توان از انواع روش­های تلاطمی برشمرد. روش­های اسپری کردن[5]، رئوکست نیمه­جامد[6] و رئوکست جدید[7] از انواع روش­های غیرتلاطمی می­باشند.
با توجه به اینکه در پایان نامه حاضر از روش سطح شیب­دار خنک­کننده استفاده شده است، از این رو، توضیح جامع­تری از این روش در ادامه خواهد آمد. به کارگیری سطح شیب‌دار خنك­كننده یكی از ساده‌ترین و در عین حال جالب­ترین روش‌های ابداعی برای تولید مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضیح در مورد این روش به این دلیل كه دقیقاً مفهوم سرعت تغییر شكل زاویه‌ای (نرخ برش) و نیز مفهوم قانون لزجت نیوتن را در خود جای داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روش­های جدید تولید قطعات از طریق فرایند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمش­های تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].
شکل ‏1‑2 تصویر طرح­وار این روش را نشان می­دهد. ریخته­گری سطح شیب‌دار شامل ذوب کردن آلیاژ در یک كوره مناسب نظیر کوره القایی و سپس سرد کردن آهسته آن تا دمای معین، کمی بالای خط مذاب آلیاژ، است. به منظور تامین کسر جامد مشخص در انتهای سطح شیب­دار، دمای بارریزی تعیین می­ شود. مذاب با حداقل دمای فوق گداز روی سطح شیب­داری که معمولاً از جنس همان فلز مذاب است، ریخته می­ شود. سطح شیب­دار معمولاً نسبت به خط افق زاویه­ای بین 30 تا º60 دارد. گاهی اوقات سطح شیب­دار بوسیله گردش آب در قسمت زیرین آن، خنك می‌شود. توجه به این مورد ضروری است كه جریان بارریزی باید آرام باشد تا موجب لغزش لایه ­های آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابی كه به انتهای سطح شیب‌دار می‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی می‌باشد [5].
در روش سطح شیب­دار خنك­كننده، تنش برشی بر اثر شیب سطح و نیروی وزن سیال تامین می‌شود. با تداوم اعمال تنش برشی، شاخه‌های

 بوجود آمده در مذاب نیمه­جامد شكسته می­ شود و به تدریج كروی شكل می‌گردد. زاویه و طول سطح شیب­دار، دمای بارریزی، نرخ بارریزی، جنس و دمای قالب، ارتفاع نازل تا سطح و میزان زبری سطح از عوامل مهم در روش سطح شیب­دار می­باشند. با افزایش زاویه سطح خنک­کننده، میزان نرخ برش و در نتیجه تلاطم ایجاد شده در مخلوط نیمه­جامد افزایش می­یابد. در مقابل، هر چه زاویه کمتر باشد مدت زمان سیلان ماده نیمه­جامد بر روی سطح بیشتر می­ شود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاری با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواخت­تر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیب­دار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، برای تعیین شرایط بهینه سطح شیب­دار از نظر میزان و مدت زمان اعمال برش، باید تاثیر متقابل زاویه و طول سطح شیب­دار در نظر گرفته شود. دمای بارریزی نیز دارای یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیب­دار و نیز قدرت خنک­کنندگی سطح تغییر می­ کند [6].

2-1-1- فرایندهای تولید قطعه از مخلوط مذاب و جامد
فرایند تولید نیمه­جامد از مجموع دو فرایند ریخته­گری و شکل­دادن تشکیل شده است. در مرحله ریخته­گری، آلیاژ مذاب با دامنه انجماد وسیع یا نسبتاً وسیع آماده می­ شود و طی سرد شدن درمحدوده دو فازی جامد-مذاب تحت تلاطم قرار می­گیرد. در این حالت، مخلوط یکنواختی از مذاب و جامد حاصل می شود. سپس مخلوط فوق به کمک یکی از روش­های شکل­دادن فلزات مانند اکستروژن یا دایکاست به شکل مورد نظر تبدیل می­ شود. از آنجا که این مخلوط در مقایسه با روش­های شکل­دادن فلزات جامد از مقاومت کمتری برخوردار است، از این رو، نیاز به نیروی شکل­دهی کمتری دارد. فرایند تولید در حالت نیمه­جامد به دو روش مستقیم یا رئوکستینگ[1] یعنی ریخته­گری با مخلوط مذاب و جامد و روش غیرمستقیم یا تیکسوفورمینگ[2] یعنی شکل­دهی با شمش نیمه­جامد تقسیم ­بندی می­ کنند. فرایند شکل­دهی با شمش نیمه­جامد نیز خود به دو دسته آهنگری با شمش نیمه­جامد[3] و ریخته­گری با شمش نیمه­جامد[4] تقسیم می‌شود.
تیكسوفورمینگ اصطلاحی است كه به فرایند تولید یک قطعه از شمشی كه به صورت جزئی ذوب گردیده و به داخل قالب تزریق می‌شود، اطلاق می­گردد. از این فرایند برای تولید قطعات نزدیک به شكل نهایی[5] استفاده می‌شود. شمش مخصوص كه به صورت نیمه­جامد است (به صورت جزئی ذوب گردیده)، دارای ذرات جامد با ساختار كروی شكل می‌باشد. در این روش پس از تهیه مذاب و اعمال تنش برشی در ناحیه دو فازی، مخلوط جامد- مذاب را به صورت شمش ریخته­گری می­­کنند. سپس این شمش­ها تا دمای محیط سرد و به اندازه­ های دلخواه بریده می­شوند. در عین حال، در این روش قبل از شکل­دهی، شمش­ها را دوباره تا دمای نیمه­جامد گرم و با اعمال فشار (از طریق تزریق در قالب یا آهنگری) شکل می­دهند. اگر فرایند تولید، شامل تزریق شمش مخصوص نیمه جامدی با کسر جامد پایین باشد به این فرایند ریخته­گری با شمش نیمه­جامد می‌گویند. در مقابل، اگر در فرایند تولید قطعه از شمشی با کسر جامد بالا استفاده شود، به این فرایند آهنگری با شمش نیمه­جامد می‌گویند. تصویر طرح­وار این تعاریف در شکل ‏1‑3 آورده شده است.
فرایند شکل­دهی با شمش نیمه­جامد شامل دو مرحله می‌باشد. مرحله اول که مهمتر است، حرارت دادن یكنواخت و كنترل شده شمش مخصوص می‌باشد. هدف این مرحله ذوب نمودن یكنواخت شمش مخصوص و تشكیل مخلوط مذاب و جامد همگن با كسر جامد مطلوب می‌باشد [7]. مرحله دوم، انتقال شمش به دستگاه تزریق ریخته­گری با شمش نیمه­جامد یا به داخل قالب می‌باشد. بعد از مرحله انجماد كامل مخلوط مذاب-جامد در قالب و تولید قطعه نهایی، این قطعه از قالب بیرون می‌آید و راهی مراحل بعدی تولید مانند ماشین­كاری می‌شود [7].
برای این كه بتوان به یک شمش مخصوص در حالت نیمه جامد با خصوصیات فوق دست پیدا کرد  باید پارامترهایی مانند دمای نگهداری، یكنواختی و همگنی در حرارت دادن مجدد و زمان اعمال این عملیات به شمش مخصوص به دقت تحت كنترل قرار گیرند. دمای نگهداری شمش مخصوص یا مخلوط مذاب-جامد تعیین­كننده مقدار كسر جامد آن است. حرارت دهی بیش از این دما، باعث بالا رفتن دمای شمش مخصوص و به دنبال آن، پایین آمدن مقدار كسر جامد در مخلوط مذاب و جامد می‌شود كه نتیجه آن ناپایداری ساختار شكل جامد شمش مخصوص خواهد بود و باعث بروز مشكلات در حمل و نقل آن می­ شود. حرارت دادن در دمای كمتر از دمای مورد نظر باعث عدم ذوب شدن كامل شمش مخصوص و در نتیجه یكی شدن و به هم آمیختن و تشكیل فاز چند وجهی در استحاله یوتکتیکی می­ شود [7]. علاوه بر كنترل دما در مرحله حرارت دهی مجدد، یكنواختی و همگنی دما در سراسر شمش مخصوص نیز بسیار حائز اهمیت است، زیرا عدم یكنواختی و همگنی درجه حرارت باعث نوسان در مقدار كسر جامد و خصوصیات مخلوط مذاب-جامد می­ شود. همچنین این نوسانات علاوه بر داشتن تاثیر منفی بر روی خواص قطعه نهایی، باعث می­ شود که هنگام تزریق ماده به داخل قالب، دو فاز كاملاً مجزای جامد و مذاب به وجود آید كه اثرات منفی آن كاملاً واضح است. این عدم یكنواختی همچنین می ­تواند باعث ناپایداری شكل ظاهری جامد آن شود و مشكلات حمل و نقل بعدی را بوجود آورد. نمونه‌ای از اثرات حرارت‌دهی ناهمگن كه به مشكل پافیلی شدن[1] معروف است، در شکل ‏1‑4 مشاهده می‌شود [7]. زمان حرارت­دهی نیز باید به دقت كنترل شود و بهینه­سازی شود. زمان حرارت­دهی بالا باعث بزرگ­شدن اندازه ذرات جامد موجود در مخلوط مذاب و جامد می­ شود. در مقابل، زمان حرارت دهی پایین باعث عدم كروی گردیدن كامل ذرات موجود در مخلوط مذاب و جامد می‌شود كه این امر باعث بوجود آمدن اثرات منفی بر روی خواص مخلوط مذاب و جامد می­ شود و در نتیجه باعث بروز مشكلاتی در پر شدن قالب هنگام تزریق می­ شود [8].
[1] -Foot Elephant
[1] -Rheocasting
[2] -ThixoForming
[3] -ThixoForging
[4] -ThixoCasting
[5] -Near Net Shaping
[1] -Mechanical Stirring
[2] -ElectroMagnetic Stirring
[3] -Cooling Slope
[4] -Ultrasonic Treatment
[5] -Spray Deposition Process
[6] -SemiSolid Rheocast
[7] -New Rheocast
[1] -Lapping
[1] -Dendritic
[2] -Slurry