بخشی از مقاله
چکیده
فومهای فلزی با حفرههای جهتدار یکی از جدیدترین گروههای فلزات متخلخل هستند که بخاطر دارا بودن استحکام بالاتر نسبت به سایر فومهای فلزی، توسعه فرآیندهای تولید آنها مورد توجه محققین قرار گرفته است. در تحقیق حاضر، فوم منیزیمی از طریق انجماد جهتدار و با استفاده از گاز حاصل از تجزیه حرارتی چوب تولید شد و تاثیر سرعت انجماد بر مورفولوﮊی حفرهها و میزان تخلخل فوم محصول مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که با استفاده از تجزیه حرارتی چوب، فرآیند تشکیل حفرهها بخوبی صورت گرفته و حفرههای ایجاد شده در راستای انجماد کشیده شدهاند. از سوی دیگر مورفولوﮊی حفرهها در فوم تولید شده متاثر از سرعت انجماد است، بنحوی که با افزایش سرعت انجماد از mm/s ٩٣/٠ به mm/s ۸۲/۱، قطر متوسط حفرهها از حدود ١٧٥٠ میکرون به ١٢٥٠ میکرون کاهش یافته و تعداد حفرهها در واحد سطح افزایش مییابد. همچنین مشاهده شد که با تغییر سرعت انجماد، میزان تخلخل تغییر چندانی نمیکند و حدودا برابر با ٣٦ درصد میباشد.
.1 مقدمه
فومهای فلزی موادی هستند که در گروه مواد پیشرفته طبقه بندی میشوند. این دسته از مواد مهندسی بخاطر خواص جالبی چون چگالی ظاهری پایین، جذب انرﮊی در ضربه، انتقال حرارت بالا بدلیل سطح تماس زیاد با سیالات و جذب ارتعاش، اخیرا مورد توجه قرار گرفتهاند و در مصارفی مانند ضربه گیرها، مبدلهای حرارتی و کاتالیزورها بکار گرفته شدهاند ]۱-۳.[ امروزه سه روش متداول جهت تولید فومهای فلزی مورد استفاده قرار میگیرد که عبارتند از فرآیندهای حالت جامد، فرآیندهای ذوبی و فرآیندهای رسوب دهی از فاز آبی یا بخار. در این میان روشهای ذوبی اهمیت بیشتری داشته و اکثر فومهای صنعتی با این روشها تولید میشوند.
یکی از جدیدترین روشهای ذوبی تولید فومهای فلزی انجماد یوتکتیکی فلز- گاز است که کمتر از دو دهه از ابداع آن میگذرد. این روش بر این واقعیت استوار است که برخی از آلیاﮊهای فلزی با برخی گازها مانند هیدروﮊن، اکسیژن و نیتروﮊن یک سیستم یوتکتیک تشکیل میدهند. از جمله این فلزات می- توان به آلومینیم، برلیم، کرم، مس، آهن، منیزیم، منگنز، نیکل و آلیاﮊهای آنها اشاره کرد ]۴.[ اگر یکی از این فلزات در اتمسفر گاز مناسب - اغلب هیدروﮊن - ، تحت فشار بالا - تا ٥٠ اتمسفر - ذوب گردد و به مدت زمان مناسب - حداقل ٣٠ دقیقه - در این اتمسفر نگهداری شود، براساس قانون سیورت، گاز مورد نظر در مذاب حل شده و مذابی همگن و اشباع از گاز بدست میآید.
سپس مذاب اشباع شده از گاز در حین کاهش پیوسته فشار بصورت جهتدار منجمد میشود. با کاهش فشار و دمای مذاب، حد حلالیت گاز در مذاب کاهش یافته و مذاب یک تحول یوتکتیک در سیستم دو فازی و ناهمگن جامد- گاز انجام میدهد. به این ترتیب حبابهای گازی در مقابل جبهه انجماد ظاهر شده و طی انجماد جهتدار در جهت موازی با جهت انجماد کشیده میشوند. در پایان انجماد جسمی متخلخل با حفرههای جهتدار بدست میآید که گازاریت١ نامیده میشود.
بطور کلی در گازاریتها حفرهها به تعداد زیاد و در حالی که موازی جهت انجماد جهتگیری کردهاند، تشکیل میشوند. ساختار منحصر به فرد حفرهها در گازاریتها، باعث شده است که این مواد از استحکام بالایی نسبت به سایر فومهای فلزی، با سلول های کروی شکل یا غیر منظم، برخوردار باشند ]۵.[ با این وجود این دسته از فومهای فلزی هنوز در مقیاس آزمایشگاهی تولید میشوند و بصورت تجاری و در حجم انبوه عرضه نشدهاند.
از جمله موانع تولید انبوه این دسته از فومهای فلزی میتوان به لزوم استفاده از محفظه تحت فشار بالا جهت اشباع کردن مذاب از گاز و نیز قابل اشتعال بودن گاز هیدروﮊن که متداول ترین گاز مورد استفاده در این روش است، اشاره نمود. بنابراین لازم است روشهای سادهتر و کم هزینهتری برای تولید انبوه این دسته از فومهای فلزی در مقیاس صنعتی توسعه یابد. در تحقیق حاضر امکان تولید گازاریت منیزیمی توسط گاز حاصل از تجزیه حرارتی چوب بررسی شده است. در ادامه جهت یافتن یک ابزار مهندسی برای کنترل مورفولوﮊی حفرهها و میزان تخلخل، تاثیر سرعت انجماد بر اندازه حفرهها و درصد تخلخل مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 مواد و روش تحقیق
شمش منیزیم خالص تجاری - خلوص ٥٦/٩٩ درصد وزنی - به عنوان ماده اولیه به کار گرفته شد. شمش منیزیم درون بوتهای فولادی و استوانهای شکل به قطر ١٠٠ میلیمتر و ارتفاع ١٦٠ میلیمتر شارﮊ گردید و در کوره مقاومتی حرارت داده شد. پس از رسیدن دمای مذاب به حدود ٨٠٠ درجه سانتیگراد، به منظور انحلال گاز در مذاب، مقدار ٥/٠ درصد وزنی چوب بصورت پلتهای استوانهای شکل با قطر متوسط ٣ میلیمتر، درون فویل آلومینیمی پیچیده شد و به مذاب اضافه گردید. در دمای بالا ترکیبات آلی موجود در چوب که بخش اعظم آن را سلولز تشکیل میدهد تجزیه شده و گازی که عمدتا از هیدروﮊن و مونوکسید کربن تشکیل شده است ]۶[ حاصل میشود.
پس از افزودن پلتهای چوب، مذاب به مدت ٣٠ ثانیه هم زده شد تا گاز حاصل از تجزیه پلتهای چوب بطور یکنواخت در مذاب حل شود. سپس توپی کف بوته کشیده شد و مذاب از پایین بوته به داخل قالبی فولادی با ابعاد ریخته شد و بصورت جهتدار منجمد گردید. به منظور ایجاد شرایط انجماد جهتدار، قبل از ریختهگری مذاب، قالب تا دمای ٧٠٠ درجه سانتیگراد پیشگرم شد. جهت ثبت منحنیهای سرد شدن در مقاطع مختلف قالب از ٣ ترموکوپل تیپ K به همراه سیستم ثبت دمای کامپیوتری کمک گرفته شد. جهت بررسی اثر سرعت انجماد - سرعت حرکت جبهه انجماد - بر مورفولوﮊی حفرهها و درصد تخلخل، با تغییر در دبی آب خنککننده، نمونهها در دو سرعت انجماد مختلف منجمد گردید. تصویر شماتیک بوته و سیستم انجماد جهتدار مورد استفاده در این تحقیق در شکل ١ نشان داده شده است.
