بخشی از مقاله
چکیده
گویهای توخالی فلزی می توانند به صورت موفقیتآمیز برای ایجاد سلولها و حفرات در ساختارهای سلولی و فومهای فلزی به کار گرفته شوند.. در این مطالعه، گویهای توخالی فولادی با استفاده از دانههای پلی استیرن به عنوان ماده زیرلایه و به روش متالورژی پودر تولید شدند. دانههای پلیاستیرن از یک بلوک پلیاستیرن جدا شدند و دانهبندی آنها توسط الک صورت گرفت. سپس، مخلوط سیلیکات سدیم به عنوان چسب و پودرهای آهن درون یک محفظه بر روی دانههای معلق پلیاستیرن پاشیده شد. برای معلق کردن دانههای پلی استیرن درون محفظه از دمش هوا درون محفظه توسط یک پمپ استفاده شد. بنابراین، یک لایه نازک از مخلوط پودرهای آهن و چسب بر روی دانههای پلیاستیرن قرار گرفت. در پایان، دو فرآیند عملیات حرارتی مجزا به منظور تولید گویهای توخالی فولادی با استحکام بالا انجام شد که شامل تجزیه حرارتی دانههای پلیاستیرن و تف جوشی میباشند. پودرهای آهن مورد استفاده شامل پودرهای آهن بدون پوشش، پودر های آهن با پوشش مس و پودرهای آهن با پوشش برنز میباشند. به منظور ارزیابی ضخامت و میزان تخلخل پوسته گویهای توخالی فولادی و بررسی معایب آنها، مقاطع پوستهها توسط میکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار گرفت. نوع پوشش پودرهای آهن تاثیر زیادی بر روی ضخامت، کسر سطحی تخلخل، ترکها و حفرات در پوسته دارند.
کلمات کلیدی: گویهای توخالی فولادی، ساختارهای سلولی، متالورژی پودر، کسر سطحی تخلخل، تفجوشی حالت مایع.
-1 مقدمه
فومهای فلزی و ساختارهای سلولی دستهای از مواد مهندسی پیشرفته هستند که به دلیل خصوصیاتی همانند سبک بودن، ویژگیهای فیزیکی، مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و صوتی منحصر به فرد میتوانند در بسیاری از کاربردها به صورت موفقیت آمیز استفاده شوند.[1] مهمترین عامل تاثیرگذار بر ویژگی های این دسته از مواد به مورفولوژی سلولها - باز، بسته و یا ترکیبی از آنها - ارتباط پیدا می کند. قابل ذکر است که ایجاد یک مورفولوژی مشخص و تکرارپذیر از سلولهاشدیداً به نوع فرآیند تولید وابسته میباشد. فرآیندهای تولید فومهای فلزی شامل الف - تولید از حالت مذاب، ب - تولید از حالت جامد به شکل پودر یا الیاف، ج - تولید از حالت بخار فلز یا ترکیبات گازی حاوی فلز و د - تولید از محلول حاوی یونهای فلزی میباشد.[1-3]
در اغلب روش های تولید فومهای فلزی، امکان ایجاد سلولهایی با مورفولوژی یکسان، اندازه کاملاً مشخص و توزیع یکنواخت حفرات وجود ندارد4]و.[5 وجود نواقص مورفولوژیکی موجب تولید محصولاتی میگردد که ویژگیها و خصوصیات آنها قابل پیشبینی نمی باشد و یا این که ویژگیهای در قسمتهای گوناگون محصول نهایی متفاوت میباشد2]و.[6 به منظور غلبه بر این مشکل، گویهای توخالی فلزی میتوانند برای ایجاد سلول ها در فومهای فلزی کامپوزیتی و ساختارهای سلولی مورد استفاده قرار گیرند. این گویهای توخالی میتوانند به شیوههای مختلفی برای تولید مواد متخلخل به کار برده شوند که این روشها شامل ریختهگری فلزات در بین آنها، چسباندن گویها به یکدیگر توسط چسب و تفجوشی گویها به یکدیگر میباشد.[7-9]
روش های متنوعی برای ساخت و تولید گوی های توخالی فلزی توسعه پیدا کرده است2]،3و.[10-12 لیم1 و همکارانش توسط خارج کردن دوغاب پودرهای اکسید آهن و کروم از یک نازل، گویهای اکسیدی تولید کردند که توسط احیاء آنها با هیدروژن، گویهای توخالی آلیاژی به دست میآید.[7] در روشی دیگر که توسط موسسه فرانهوفر آلمان توسعه یافته است، دانههای پلیاستیرن توسط فشار هوا درون یک محفظه معلق میشوند و سپس دوغابی شامل چسب و فلز بر روی آنها پاشیده میشود. در پایان، عملیات حرارتی برای خارج شدن چسب و همچنین انجام تف جوشی صورت می گیرد.[13-15] در تحقیقات بهنام و همکارانش16]و[17 نیز از روشی مشابه به منظور تولید گویهای توخالی فولادی استفاده شده است.
به علت تخلخل زیاد در پوسته گویهای توخالی تولید شده به این روش که به عدم استفاده از فشار در این روش متالورژی پودر ارتباط دارد، مدول الاستیک دیوارههانسبتاً پایین است و در نتیجه، مدول الاستیک پایین ساختار گویهای توخالی را سبب میگردد.[18-22] به منظور بهبود ویژگیهای الاستیکی ساختارهای گوی توخالی، علاوه بر انتخاب ماده اصلی و افزودنیهای مناسب، نیاز به استفاده از عملیات حرارتی مناسب برای دستیابی به کمترین درصد تخلخل در دیوارهها میباشد.[16] روشی مشابه به منظور تولید گویهای توخالی و فوم آلیاژهای تیتانیوم نیز به کار برده شده است.[23]
استفاده از گویهای توخالی فولادی در ساخت قطعات دارای حرکت سریع، به علت قابلیت ارتجاعی و قابلیت جذب زیاد انرژی ضربات در مقایسه با قطعات مشابه ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم ترجیح داده میشوند. بهبود 80 درصدی شرایط اقتصادی تولید در ساخت قطعات پیچیده توسط استفاده از تکنولوژی گویهای توخالی ممکن شده است.[24] مطالعات فراوانی بر روی روشهای تولید گویهای توخالی آهنی و فولادی صورت گرفته است، اما متاسفانه در هیچکدام تاثیر اندازه ذرات پودر آهن، استفاده از افزودنی مس و همچنین استفاده از پودرهای دارای پوشش بر روی فرآیند تولید و خصوصیات محصول تولیدی انجام نشده است. هدف از انجام این پژوهش تولید گویهای توخالی آهنی به روش متالورژی پودر و بررسیهای ریزساختاری بر روی دیوارههای آنها میباشد.
-2 مواد و روش آزمایش
-1-2 مواد -1-1-2 دانه های پلیاستیرن انبساطیافته
دانه های پلیاستیرن انبساطیافته به عنوان ماده اولیه مورد استفاده در تولید گویهای توخالی فولادی به کار برده شدند. این دانهها از یک بلوک پلیاستیرن جدا شده و دانههایی که دارای شکل نامناسب بودند، تفکیک شدند. به منظور دستیابی به توزیع یکنواخت اندازه گویهای توخالی نهایی، دانههای پلیاستیرن توسط الک دستهبندی شدند و دانههایی با میانگین قطر 5mm استفاده شد.
-2-1-2 چسب
به منظور انجام فرآیند پوششدهی پودرهای آهن بر روی دانههای پلیاستیرن از سیلیکات سدیم به عنوان چسب استفاده شد. چسبهای معدنی نسبت به چسبهای آلی ترجیح داده میشوند و علت آن به تجزیه شدن چسبهای آلی در هنگام عملیات حرارتی و جدا شدن پودرهای آهن از یکدیگر ارتباط دارد. قابل ذکر است که سیلیکات سدیم در دماهای بالای عملیات تفجوشی نیز میتواند پودرهای آهن را به خوبی در کنار یکدیگر نگه دارد و در نتیجه اتصال مناسبی را فراهم آورد.
-3-1-2 پودرهای آهن
به منظور بررسی تاثیرات نوع پوشش پودرهای آهن بر روی گوی های توخالی فولادی از پودرهای آهن گوناگون برای پوششدهی دانههای پلیاستیرن استفاده شد . در جدول 1، مشخصات پودرهای آهن مورد استفاده و نحوه نامگذاری نمونههای تولیدی ارائه شده است. مطابق با جدول، سه نمونه پودر متفاوت به کار گرفته شد که در پایان، سه نمونه گوی توخالی فولادی مختلف تولید میشود. قابل ذکر است که گوی های توخالی فولادی مطابق با نام گذاری پودرهای آهن مورد استفاده، نامگذاری میشوند.
-2-2 تولید گویهای توخالی -1-2-2 پوششدهی دانههای پلیاستیرن
در این مرحله، دانه های پلیاستیرن تهیه شده با قطر 5mm برای پوششدهی به کار گرفته شدند. در ابتدا، مخلوطی از سیلیکات سدیم به عنوان چسب و پودرهای آهن تهیه شد. سپس دانههای پلیاستیرن درون محفظه دستگاه پوششدهی16]و[17 قرار گرفتند. وجود فشار هوا درون محفظه دستگاه سبب معلق شدن دانههای پلیاستیرن شد. سپس پاشش مخلوط چسب و پودرهای آهن بر روی دانه های پلیاستیرن معلق صورت گرفت. حرکت چرخشی دانههای پلیاستیرن درون محفظه در اثر جریان متلاطم هوا موجب چسبیدن یک لایهای نازک از پودرهای آهن به سطوح آنها میشود. یکنواخت بودن ضخامت پوشش پودرهای آهن قرار گرفته بر روی دانههای پلیاستیرن شدیداً به مقدار چسب، غلظت چسب، میزان حرکت چرخشی و زمان نگهداری درون محفظه ارتباط دارد. در شکل 1، نمونهای از گویهای تولید شده نمایش داده شده است.
-2-2-2 تجزیه حرارتی دانههای پلیاستیرن و تفجوشی
در مرحله قبل، پوشش ذرات پودر آهن بر روی زیرلایههایی از دانه های پلیاستیرن صورت گرفت. در این مرحله، با استفاده از عملیات حرارتی می توان زیرلایههای پلیاستیرن را تجزیه و عملیات تفجوشی را انجام داد. گویهای تولیدی مرحله قبل درون یک آوِن با دمای 100œC به مدت 1 ساعت قرار میگیرند. این امر موجب میگردد که دانههای پلیاستیرن به صورت تدریجی تجزیه شوند و از لابهلای ذرات پودر آهن خارج شوند. در نتیجه، گویهای توخالی فولادی کم استحکام تولید شود. برای این که اتصال ذرات پودر آهن به یکدیگر صورت گیرد و استحکام گویهای توخالی تولیدی افزایش یابد، فرآیند تفجوشی انجام میگیرد. عملیات تف جوشی در یک کوره صنعتی تونلی که به صورت پیوسته کار میکند، در دمای 1120œC به مدت 4 ساعت صورت گرفت. کوره مورد استفاده قابلیت کنترل اتمسفر را دارد و اتمسفر استفاده شده، آمونیاک شکسته میباشد. برای جلوگیری از اتصال گویهای توخالی به یکدیگر، گویها درون یک محفظه حاوی ذرات پودر آلومینا قرار گرفتند. قابل ذکر است که در هنگام انجام فرآیند تفجوشی، پودرهای آلومینا هیچگونه واکنش شیمیایی یا فیزیکی با محصولات تولیدی ندارند.
-3-2 تعیین ضخامت و کسر سطحی تخلخل پوسته و بررسی ترکها و حفرات در پوسته
گویهای تولید شده به منظور انجام آزمایشات متالوگرافی مانت سرد و به صورت مقطعی بریده شدند. پس از برش، فرآیندهای سمبادهزنی و پولیش بر روی نمونههای تولید شده انجام شد و تصاویر متالوگرافیبدون انجام فرآیند اِچ توسط میکروسکوپ نوری در بزرگنماییهای گوناگون تهیه گردید. نرمافزار پردازش تصویر MIP که توسط شرکت نهامین پردازان آسیا تولید شده است، به منظور تحلیل تصاویر به دست آمده از میکروسکوپ نوری به کار گرفته شد. توسط نرمافزار پردازش تصویر، ضخامت و کسر سطحی تخلخل در قسمت پوسته گویهای تولید شده ارزیابی شد. تصاویر به دست آمده در بزرگنمایی 100 برابر و تصاویر به دست آمده در بزرگنمایی 200 برابر به ترتیب برای تعیین ضخامت پوسته و درصد تخلخل به کار گرفته شدند. قابل
