بخشی از مقاله
چکیده
ساختار سلولی باعث ایجاد ترکیب مناسبی از خواص استحکام مطلوب و وزن کم در فومهای آلومینیمی میشود. یکی از موانع گسترش استفاده از فومهای آلومینیمی در صنایع خودروسازی، کشتیسازی و هوافضا، هزینهی بالای تولید آنها است. در این مطالعه، با انجام تغییراتی در فرآیند Melt Squeezing با استفاده از فضاساز سدیم کلرید، شیوهی نوینی مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش، مذاب آلومینیم با فوق گداز بالا به داخل یک قالب فولادی پیشگرم شده ریخته شده و بلافاصله سدیم کلرید پیشگرم شده به آن اضافه میگردد. سپس مخلوط مذکور تا انجماد کامل توسط یک پیستون تحت فشار قرار میگیرد.
در نهایت نمونه بدست آمده ماشینکاری شده و فضاساز آن توسط آب حذف میگردد تا فوم آلومینیمی حاصل شود. از طریق اعمال تغییرات در مادهی فضاساز و متغیرهای فرآیند، اندازه حفرات و چگالی فوم آلومینیمی قابل کنترل است. به طوری که فومهای تولید شده به این روش، دارای درصد تخلخلی بین 48 تا 80 درصد هستند. نمودارهای آزمون فشار تک محوری نمونهها، شامل سه قسمت الاستیک، پایا و فشردگی بوده که گستردگی زیاد منطقهی پایا نشاندهندهی توانایی بالای نمونه در جذب انرژی وارده است. با افزایش چگالی، استحکام منطقهی پایا افزایش یافته و از یک مگاپاسکال به 8 مگاپاسکال میرسد.
کلمات کلیدی: فوم آلومینیمی، مواد سلولی، فضاساز سدیم کلرید، فرآیند .Melt Squeezing
.1 مقدمه
مواد فلزی سلولی در دهههای اخیر توسعه یافته و به عنوان مواد جدید مهندسی در حال رشد هستند. مزیت اصلی این مواد، ترکیب خواص مکانیکی مطلوبمخصوصاً - استحکام و سفتی - و وزن کم است. این مواد سبک وزن و استثنایی دارای ترکیب منحصر به فردی از خواص هستند که از جملهی آنها میتوان به قابلیت جذب انرژی ضربهی بالا، سفتی مطلوب، قابلیت نفوذ آب و هوا، خواص غیر معمول صوتی، هدایت حرارتی کم، عایق الکتریکی خوب و ... اشاره کرد. خواص این مواد تابعی از ماده پایه، توپولوژی حفرات - باز یا بسته بودن حفرات و اندازه آنها - و چگالی آنهاست .[1]
ساختار منحصر به فرد فوم فلزی، آن را به مادهای ایدهآل برای کاربردهایی در صنایع کشتیسازی، صنایع ریلی، صنعت پزشکی، صنعت ساختمان، صنعت خودروسازی، هوافضا، عایقهای صوتی و حرارتی و دکوراسیون و کارهای هنری و ... بدل کرده است .[2]فرآیند Melt Squeezing یکی از زیرگروههای فرآیند معکوسسازی - Replication - است که روشی تطبیقپذیر برای تولید فومهای فلزی سلول باز به شمار میرود. این فرآیند مزایای زیادی دارد که از جملهی آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-پتانسیل تولید قطعه با شکل نهایی یا نزدیک به آن
-کنترل قابل قبول اندازهی حفرات، چگالی و معماری داخلی فوم
-پتانسیل تولید قطعات دو قسمتی با یک قسمت متخلخل و یک قسمت غیر متخلخل .[3]
این فرآیند شامل سه مرحلهی اصلی آمادهسازی فضاساز، نفوذ مذاب فلزی در فضاساز و انجماد آن و در نهایت حذف فضاساز است.سدیم کلرید فضاساز قابل حلی است که به دلیل ارزانی و در دسترس بودن، سادگی کاربرد، غیرسمی بودن و همچنین حذف آسان آن با استفاده از آب، به طور گستردهای کاربرد دارد. محدودیت عمدهی فضاسازهای نمکی نقطهی ذوب آنها است. همچنین در حین حلسازی فضاساز، محلولهای نمکی خیلی غلیظی ایجاد شده و ممکن است باعث خوردگی شدید در برخی آلیاژها بشود .[4]حفرات فومهای فلزی تولید شده با استفاده از فرآیند Melt Squeezing، مقدار کمی به هم دیگر راه دارند. اما از لحاظ تکنیکی فوم سلول باز نامیده میشوند. آلومینیم مذاب به صورت طبیعی نمک را تر نمیکند.
بنابراین، اعمال فشار در هنگام نفوذ مذاب به داخل فضاساز ضروری خواهد بود. شایان ذکر است که فشار اعمالی برای نفوذ مذاب، چگالی نسبی فوم و بنابراین خواص آنرا تحت تاثیر قرار خواهد داد .[3]جمشیدی الشتی و همکاران [5] از سدیم کلرید تجاری با قطر ذرات بین 400 تا 500 میکرون به عنوان مادهی فضاساز استفاده کردند. در این مطالعه یک محفظهی فولادی استوانهای روی یک ماشین تست یونیورسال سوار شده و توسط یک کورهی مقاومتی گرم میگردد. پس از ذوب شدن آلومینیم و پایدار شدن دمای آن، نمک پیشگرم شده به آن اضافه شده و فوراً همزدن آغاز میشود.
پس از کامل شدن فرآیند مخلوطسازی، پیستون پیشگرم شده مخلوط را تحت فشار قرار میدهد. در نتیجهی آن ذرات نمک به هم متصل شده و آلومینیم مذاب اضافی خارج میگردد. بعد از انجماد کامل، کامپوزیت نمک - فلز توسطماشینکاری بریده شده و سدیم کلرید آن توسط آب حذف میشود. چگالی سدیم کلرید جامد 2/165 g/cm3 و چگالی آلومینیم مذاب در دمای 700œC، 2/369 g/cm3 است. در صورتی که فشار پیستون وجود نداشته باشد، چگالی کمتر سدیم کلرید جامد و سیالیت بالای فلز مذاب باعث شناور شدن ذرات سدیم کلرید در بالای آلومینیم مذاب شده و در نتیجه موجب ناهمگن شدن پراکندگی حفرات در نمونه نهایی و بوجود آمدن سلولهای نامطلوب بزرگ در آن خواهد شد.
به دلیل وجود دشواریهای خاص در این فرآیند و همچنین جدید بودن آن نسبت به روشهای دیگر تولید فوم آلومینیمی، مطالعات زیادی در این زمینه انجام نشده است. در این فرآیند به دلیل عدم استفاده از مواد گران قیمت، هزینهی تولید پایین است و از این لحاظفرآیندی کاملاً اقتصادی محسوب میشود. همچنین چرخهی تولید در این فرآیند بسیار ساده بوده و صنعتی شدن آن بسیار آسان خواهد بود. از سوی دیگر، همهی مواد استفاده شده قابلیت بازیافت داشته و این مسئله مزیت بزرگی برای این فرآیند محسوب میشود.
.2 مواد و روش تحقیق
آلیاژ آلومینیم AA 4032 به منظور تولید فوم آلومینیمی مورد استفاده قرار میگیرد. ترکیب شیمیایی آلیاژ در جدول 1 ارائه شده است. نقطه ذوب پایین، دارا بودن بالاترین سیالیت در کنار استحکام مطلوب و عدم ایجاد فاز اولیه در طی انجماد که باعث جلوگیری از خمیری شدن آن میشود، از جمله دلایل انتخاب این آلیاژ برای تولید فوم آلومینیمی است.سدیم کلرید مورد استفاده به صورت سنگ نمک تجاری تهیه شده و تا اندازه مورد نظر خرد میشود. بعد از فرآیند خردایش، ذرات آن به مدت 3 دقیقه در آب ولرم قرار داده شده و سپس به مدت نیم ساعت در داخل آون با دمای 180œC قرار میگیرند تا رطوبت موجود در آنها حذف شود.
-1 قالب فولادی - شکل - 1 در داخل کوره قرار گرفته و تا دمای 500œC پیشگرم میشود.
-2 آلیاژ آلومینیم AA 4032 در یک بوته ذوب شده و در 680œC نگهداری میشود. دمای ذوب این آلیاژ حدود 580œC است و 100 درجه فوق گداز به منظور سیالیت بالا و وجود فرصت کافی برای انجام کل فرآیند قبل از انجماد مذاب ضروری است.
-3 ذرات سدیم کلرید بلافاصله پس از خارج شدن از آون وارد کورهی الکتریکی شده و به مدت 10 دقیقه در کنار قالب فولادی پیشگرم میشوند. در غیر این صورت، هنگام ورود به آلومینیم مذاب سریعاً دمای آنرا کاهش داده و در نتیجه مذاب سیالیت خود را از دست میدهد.
-4 سپس مذاب در داخل قالب فولادی ریخته شده و بلافاصله ذرات فضاساز نیز وارد آن میشوند. در نهایت با استفاده از یک پیستون پیشگرم شده، به مخلوط مذکور فشار اعمال میشود تا ذرات فضاساز به داخل مذاب آلومینیم رانده شده و به همدیگر نزدیک شوند. به منظور خروج کامل فضاساز، به یک شبکهی بهم پیوسته از ذرات آن نیاز خواهد بود. فشار پیستون به صورت دستی اعمال شده و این فشار تا زمان انجماد کامل
