فرآیند نیمه جامد  
درباره آهن20 آگهی‌های خرید آگهی‌های فروش مناقصه‌ها مزایده‌ها دانستنی‌های فولاد قیمت روز آگهی‌های خدمات

فرآیند نیمه جامد

فرآیند نیمه جامد تکنولو‍ژی نسبتاً جدیدی است، برای اولین بار در سال ۱۹۷۱ در راستای تز دکترا، اسپنسر به این نتیجه رسید که برش و شکستن دندریت های موجود در یک آلیاژ نیمه جامد منجر به بروز رفتار Tixotropic در یک آلیاژ نیمه جامد می شود. از سال ۱۹۷۱ تا کنون تحقیقات زیادی بر روی روش های تولید قطعات با استفاده از فرآیند نیمه جامد انجام گرفته است.

 

تاریخچه فرآیندهای نیمه جامد

 

فرآیند نیمه جامد تکنولو‍ژی نسبتاً جدیدی است، برای اولین بار در سال ۱۹۷۱ در راستای تِز دکترا، اسپنسر به این نتیجه رسید که برش و شکستن دندریت های موجود در یک آلیاژ نیمه جامد منجر به بروز رفتار تیکسو تروپیک در یک آلیاژ نیمه جامد می شود. از سال ۱۹۷۱ تا کنون تحقیقات زیادی بر روی روش های تولید قطعات با استفاده از فرآیند نیمه جامد انجام گرفته است. عمده این تحقیقات بر مبنای نحوه  ایجاد ساختار هم محور و غیر دندریتی در حالت نیمه جامد بوده است. در رابطه با نوع ماده مورد تحقیق نیز باید گفت که در سال های ابتدایی آلیاژهای فولادی مورد نظر بوده اند و لیکن باگذشت زمان و نیاز روزافزون صنایع هوافضا و خودروسازی به آلیاژهای سبک نوع ماده اولیه فرآیند به سمت آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای منیزیم تغییر یافته است. امروزه فرآیند نیمه جامد به عنوان یک روش کاملاً علمی و در عین حال باصرفه اقتصادی مطرح است به طوری که قطعات حاصل از این روش امکان برخورداری از خواص مکانیکی مطلوب اشکال پیچیده و همچنین ابعاد دقیق را دارا می باشند.

نیمه جامدها، به آلیاژهایی گفته می شود که دمای آنها در محدوده بین خطوط لیکوییدوس و سالیدوس باشد. ریخته گری اینگونه مواد از حدود ۳۰ سال پیش مورد توجه قرار گرفته است و این بخاطر خواص سودمندی است که این مواد از خود نشان داده اند.

 

 

مهمترین خواص نیمه جامدها عبارتند از:

 

1) غیر قابل نفوذ در برابرگاز تحت فشار: گاز تحت فشار ازآن عبور نمی کند.

2) برتری خواص مکانیکی بخصوص خزش و خستگی

3) توانایی در طراحی با تقلیل ضخامت و دسترسی به قطعات سبک: می توان قطعات سبک و نازک با همان توانایی در تحمل نیرو تولید کرد.

4) کمترین نیاز به ماشین کاری

5) نزدیک به شکل نهایی: زیرا قسمت اعظم آن جامد هست و در نتیجه انقباضات ناشی از انجماد وجود ندارد و قطعه به شکل نهایی نزدیک تر است.

 

 انواع روشهای ریخته گری نیمه جامد:

 

این نوع ریخته گری، به علت صرف انرژی زیاد نسبت به سایر روشهای ریخته گری، گران تر است . با این حال امروزه به عنوان یکی از روشهای مهم در تولید قطعه بحساب می آید و حجم قابل توجهی از قطعات ریختگی، با این روش تولید می شود.

 

 

1) Rheocasting

2) Thixocasting

3) squeezcasting  

4) FM process 

 

در این مطلب به بررسی فرآیند Rheocasting می پردازیم:

 

مهم ترین آلیاژهایی که با این روش تولید می شوند، آلیاژهای روی و آلومینیوم هستند از جمله آلیاژ A 356  و A 357 که در ساخت اجزای خودرو از آن استفاده می شود. همینطور آلیاژ AlSi9Cu3 که در ساخت موتورهای خانگی، پمپها، واتر پمپها و چرخ دنده ها از آن استفاده می شود. دو نوع فرآیند مهم و شبیه بهم برای تولید این قطعات وجود دارد که عبارتند از Rheocasting و Thixocasting. در فرآیند Thixocasting شمشالهای جامد با دانه بندی های مناسب و خواص میکروسکوپی یکنواخت تا محدوده نیمه جامد در کوره های ویژه گرم می شوند تا به حالت نیمه جامد در آیند. سپس این شمشالها را به محفظه شوتینگ ماشین دایکست انتقال می دهند و به داخل قالب تزریق می کنند. Rheocasting از کلمه Rheology گرفته شده است. Rheology علم تغییرشکل فیزیکی مواد است لذا در فرآیند Rheocasting ابتدا شمشها را ذوب می کنند سپس آن را می گذارند تا به محدوده نیمه جامد برسد. در اینجا به وسیله یک تنش برشی در نیمه جامد تلاطم شدید و خشن ایجاد می کنند که موجب می شود ساختار از حالت دندریتی به حالت گلبوله (کروی) در آید. سپس این نیمه جامد را به داخل قالب تزریق می کنند. نمای کلی فرآیند Rheocasting در شکل زیر آورده شده است.

 

از آنجائیکه قصد ما بررسی Rheocasting است فقط به بیان مزایای Rheocasting نسبت به Thixocasting و سایر روشهای نیمه جامد می پردازیم. هیمنطور در ادامه در مورد تبدیل ساختار دندریتی به ساختار کروی و پارامترهای موثر بر Rheocasting صحبت خواهیم کرد.

 

 

فرآیند Rheocasting چندین مزیت نسبت به Thixocasting دارد:

 

1) پیچیدگی فرآیند کمتر است زیرا نه سیستم گرم کننده تا دمای نیمه جامد را نیاز داریم و نه سیستم رباتیک انتقال دهنده را (Thixocasting اتوماتیزه تراست)

 

2) قابلیت تزریق نیمه جامد در Rheocasting بهتر است زیرا محدودیتی برای تزریق شمشالها با طول و ضخامت خاص وجود ندارد.

 

3) تعدیل، تغیییر و تبدیل آلیاژ در همان جایگاه هم ممکن است.

 

4) از شمشهای ترک خورده هم می توان استفاده کرد در حالیکه شمشالها باید عاری از ترک خوردگی باشند.

5) برای تهیه شمش محدودیتی وجود ندارد. شمشهای دایکست شده از چندین منبع قابل دسترسی هستند و خیلی ارزانتر از شمشالهای مخصوص Thixocasting هستند.

 

6) در همان جا بازیافت قراضه ها انجام می شوند، قراضه ها می توانند دوباره ذوب شده و مجدداً مورد استفاده قرار گیرند در حالیکه در Thixocasting قراضه ها باید به کارخانه سازنده شمشال فروخته شود و بعد از آن کارخانه، شمشال را خریداری کرد.

 

7) درمجموع این روش (Rheocasting) نسبت به سایر روشهای ریخته گری نیمه جامد ارزانتر و قیمت تمام شده برای این روش از سایر روشها کمتر است.

 

تفاوت شمش با شمشال

 

شمش ها معمولاً از روشهای شمش ریزی سنتی مانند کوکیل ریزی تولید می شوند و تهیه آنها معمولاً در خود کارگاه های ریخته گری هم میسر است مثلاً اگر مقداری مذاب به هنگام ریخته گری اضافه باشد آن را درون قالبهای خاصی می ریزند که بعد از انجماد آن به صورت شمش در می آید که در مرحل بعد کار می توان آن را ذوب کرد و برای تولید قطعات ریختگی استفاده کرد. در حالیکه شمشالها توسط فرآیند ریخته گری پیوسته در کارخانه های مجزا تولید می شود. در واقع این شمشالها معمولاً در کارخانه های فولادسازی تولید می شوند لذا خواص مکانیکی، طول، ضخامت و سایر پارامترهای آن برای کسانی که از آن استفاده می کنند مهم است.

 

 غیردندریتی شدن در فرآیند Rheocasting

 

از آنجائیکه در ساختار کروی، حرکت نیمه جامد و سیلان آن خیلی خوب است و ویسکوزیته آن از حالت دندریتی کمتراست، در مرحله قبل از تزریق نیمه جامد به داخل قالب در فرآیند Rheocasting، نیمه جامد را به وسیله ایجاد تنش برشی از ساختار دندریتی به ساختار گلبوله تبدیل می کنیم تا اهدافی که گفته شد حاصل شود. مکانیزم این فرآیند به این صورت است که اولاً در اثر ایجاد تنش برشی، دندریتها خم می شوند و دو لبه آنها به هم می رسند و درون آنها مقداری مذاب محبوس می شود. ثانیاً دندریتهای چاق، چاقتر می شوند و دندریتهای لاغر مجاور خود را در خود حل می کنند. این کار تا جائی ادامه می یابد که ساختار به طور کامل کروی شود. باید توجه کردکه پارامترهای زیادی در این فرآیند دخیل هستند اما بسیاری از آنها نقشی متناقض دارند و مثلاً این پارامترها برای دو آلیاژ مختلف با هم فرق می کنند لذا در اینجا به بررسی پارامترهای ثابت و مستقل می پردازیم.

پارامترهای موثر بر غیردندریتی شدن درفرآیند Rheocasting

 

1) نرخ برش: هر چه نرخ برش بیشتر باشد، باعث کاهش مذاب حبس شده در جامد می شود.

 

2) سرعت سردکردن (انجماد): هرچه سرعت سردکردن (انجماد)کاهش می یابد، به سمت ساختارگلبولی پیش می رویم لذامذاب حبس شده در جامد کمتر می شود.

 

3) زمان انجماد: ناگفته پیداست که زمان انجماد باید زیاد باشد تا به ساختار گلبولی نزدیک شویم. (زمان انجماد و سرعت انجماد با هم رابطه عکس دارند).

 

انواع روشهای غیردندریتی کردن در فرآیند Rheocasting

 

Batch Rheocaster (1:

 در این روش داخل یک دیگ را پر از نیمه جامد دندریتی می کنند. آنگاه بوسیله دو بازوی مکانیکی خودکار،شروع به ایجاد تلاطم و تنش برشی در نیمه جامد می کنند تا ساختار کروی و گلبوله شود. این روش به علت ارزان بودن آن نسبتاً به عنوان رایج ترین روش محسوب می شود.

 

2) Continuous Rheocaster: 

دراین روش نیمه جامد با ساختار دندریتی را از بالا وارد می کنیم، درون دستگاه یک اهرم وجود دارد که ضمن حرکت دورانی، حرکت ارتعاشی از بالا به پایین هم دارد. این حرکت باعث می شود که در پایین دستگاه و جاهایی که قطر مخزن کم می شود، ساختار به صورت گلبوله در آید و از خروجی پایین دستگاه خارج شود. مزیت این روش نسبت به روش قبل این است که عملیات به صورت پیوسته انجام می شود و تا زمانیکه از بالا نیمه جامد با ساختار دندریتی واردکنیم، از پایین می توانیم ساختار گلبوله بدست آوریم. لذا سرعت این روش برعکس روش قبل خیلی بالاتر است.

 

3) ElectroMegnatic Stirring of continous casting: 

این روش امروزه از اهیمت بسیار زیادی برخوردار است و این به علت مزیتی است که نسبت به دور وش قبلی دارد. در دو روش قبلی، تبدیل ساختار دندریتی به ساختار گلبوله توسط یک عامل مکانیکی (بازوهای اعمال تنش برشی) صورت می گرفت. لذا باید جنس این بازوها طوری باشد که دمای ذوب بالاتر از نیمه جامد داشته باشند. اما در این روش عامل مکانیکی وجود ندارد و تبدیل ساختارها به وسیله یک نیروی الکترومغناطیسی صورت می گیرد. در نتیجه برای نیمه جامدها و آلیاژها با دمای ذوب بالا (مثل فولادها) این روش خیلی کاربرد دارد. شمشالهای مورد استفاده برای Thixocasting از این روش تولید می شوند، توجه شود که در این روش هم عملیات به صورت پیوسته و مداوم است.

 

4) Magneto HydroDynamic:

 عبارت است از ایجاد تلاطم شدید و خشن در هسته کوره القائی که موجب می شود ساختار به صورت گلبوله در آید. این روش برای ضخامتهای زیاد بکار می رود.

 

5) SIMA:

 این روش هم مشابه Magneto HydroDynamic است با این تفاوت که کاربرد آن برای ضخامتهای نازک (در حد کمتر از چند سانتیمتر) می باشد.

مطالب مرتبط

فلز روی      

مس     

آلومینیوم      

سرب     

چدن     

تیتانیوم     

نیکل     

برنج     

تنگستن     

منیزیم

منگنز       

قلع       

انتشار آگهی در تلگرام