بخشی از مقاله
مقدمه :
در دهه اخیر فوم های فلزی مورد توجه بسیاری از محققان و کشور های صنعتی قرار گرفته است. خواص مناسب فوم های فلزی سبب کاربرد وسیع آنها در صنعت شده است.[1] فوم های فلزی با دارا بودن خواصی مانند قابلیت جذب انرژی بالا ، خواص حرارتی، الکتریکی و صوتی مناسبو البته چگالی کم و در عین حال سفتی بالا مورد توجه قرار گرفته است و بطور وسیع در صنایع کاربرد پیدا کنند که عبارتند از صنعت راه آهن، عایق سازی ها، صنایع هواپیما و هوافضا، تجهیزات ورزشی و صنعت خودرو سازی و همچنین مواد حفاظتی در خودروهای نظامی و دفاعی می باشند.[2] در فوم های فلزی به دلیل دارا بودن تخلخل متناسباً عواملی همچون شکل حفرات، سایز حفرات، فواصل حفرات، توزیع حفرات و همچنین شمار حفرات بر روی خواص مکانیکی مانند قابلیت جذب انرژی و رفتار استحکام فشاری و کششی و البته خواص فیزیکی مانند قابلیت عایق حرارتی و عایق صوتی تاثیر گذار است.[3] تا کنون روشهای و مواد متنوعی در ساخت فوم فلزی بکار برده شده اند. در تحقیق حال حاضر به تولید فوم ترکیبی با استفاده از لیکا - دانه های رس منبسط شده - برای اولین بار به عنوان ماده فضا ساز بدون خارج سازی لیکا از درون فوم تولیدی می پردازیم که این فوم فلزی با دارا بودن سلول هایی کاملاً کروی و با ابعاد یکسان و همچنین دیواره سلولی منظم سبب ایجاد خواص همسانگرد و مکانیکی و فیزیکی ویژگی های منحصربفرد می گردد و به بررسی بیشتر خواص ساختاری و مکانیکی آن پرداخته شده است.
مواد و آزمایش : مواد فضا ساز ترکیبی و فلز زمینه
لیکا دانه های مدور و سبک رس منبسط شده ای است که در کوره های گردان و در حرارت حدود 1200 درجه سانتی گراد تولید می شود. واژه لیکا از عبارت - - Light Expanded Clay Aggregate دانه رس منبسط شده گرفته شده است. دانه های لیکا دارای شکل تقریبا" گرد و سطح زبر و ناهموارند و رویه میکروسکوپی خارجی دانه ها دارای خلل و فرج ریز و قهوه ای رنگ است. بخش داخلی دانه ها دارای بافت سلولی سیاه رنگ است که در شکل 1 می توان مشاهده کرد. وزن مخصوص دانه های لیکا - 0,33g/cm3 0,44 و وزن کم دانه به دلیل فضای خالی داخل دانه ها است که برحسب دانه بندی بین 73 تا 88 درصد فضای کل را اشغال می کند. دانه های لیکا با PH حدود ،7 تقریباّ خنثی بوده و فاقد هرگونه مواد معدنی واکنش پذیر می باشند.بنابراین باعث هیچ نوع خورندگی و پوسیدگی سایر اجزاء نمی شوند. دانه های لیکا در دمای نزدیک به 1200 درجه سانتی گراد تولید می گردند.در واقع این دانه ها می توانند شوک حرارتی تا دمای 1100 درجه سانتی گراد را تحمل نمایند.[4,5] زمینه انتخاب شده برای این نمونه های فوم کامپوزیتی تولیدی، آلومینیم A355,0 می باشد.
پروسه تولید :
برای فوم تولیدی با این روش نیاز مند یک قالب به صورت تزریق از کف می باشد به این طریق که باید مذاب از کف قالب تزریق گردد و در نهایت تمام قالب را پر کند که این روش باعث بهبود در پر شدن قالب و خروج هوای داخل قالب می گردد لذا باید سطح قالب باز بوده و سطح آن توسط یک ورقه فلزی مشبک پوشانده گردد و همچنین از تجهیزات دیگر مورد نیاز کوره ذوب الکتریکی و بوته گرافیتی و مواد پوشش دهنده و ابزار برش می باشند .این روش به این صورت می باشد که با قرار گرفتن کره های لیکا درون قالب و سپس پر شدن فواصل بین کره ها توسط ذوب آلیاژ A355,0 تهیه شده می باشد و این روش شامل مراحلی می باشند که عبارتند از: - 1 تهیه قالب اولیه و قرار دادن کره های لیکا درون قالب - 2 تهیه ذوب آلیاژA355,0 در دمای800 ºC در بوته گرافیتی و حرارت دادن قالب حاوی کره های لیکا درون کوره به منطور پیش گرم کردن قالب. - 3 ریختن ذوب تهیه شده درون قالب و در پر شدن فواصل بین کره های لیکا و احاطه انها 4 - نهایتاً پر شدن قالب و انجماد در دمای اتاق.[6-7]
ساختار و تست فشاری :
قسمتی از فوم کامپوزیتی از نمونه ها جدا شده و توسط سمباده 120 تا 360 و آماده سازی سطحی گشته و نمونه های تست فشاری با ابعاد 59 56 47 و تعداد حداقل 8 تا 10 سلول در هر سمت عرضی می باشد. تست فشارش با سرعت دهانه خطی 1 میلی متر بر دقیقه، در دمای محیط انجام شده است.
نتایج و بحث:
مورفولوژی، ساختار و سختی:
شکل 2 تصویر دیجیتالی از مقطع برش خورده از فوم کامپوزیتی تولیدی را نشان می دهد. کره های متخلخل کروی به عنوان ماده فضاساز دارای قطر مشخصی می باشد - تقریباٌ 8 میلی متر - ، بنابراین فوم کامپوزیتی دارای ساختار سلولی با ابعاد سلول یکنواخت و منظمی می باشد که سبب هموژن بودن و دارا بودن خواص مکانیکی همسانگرد می شود. ساختار منظمی شبیه به این فوم تولیدی توسط ربیعی و همکارانش[8] با گلوله های کروی توخالی گزارش شده است. اما تفاوت اصلی این دو ساختار در کره های توخالی و کره های توپر می باشد. یکی از موارد بسیار مهم در فوم فلزی دیواره های سلولی می باشد که بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی تاثیر بسزایی دارد. شکل ساختاری دیواره های سلولی بسیار حائز اهمیت است که فوم ها می توانند با توجه به فرایند و شرایط فوم سازی دارای ضخامت و فواصل دیواره سلولی متفاوت باشد.[9]
ساختار تقریباً یکنواخت و منظم سلولی همراه با دیواره های سلولی با ابعاد و ضخامت یکسان مشهود است. البته همانطوری که در شکل 2A نشان داده شده است در بعضی از مناطق سلولها - کره های متخلخل سرامیکی - بیکدیگر نزدیک شده اند و در حالت مماس می باشند که موجب شده تا مذاب نتواند نفوذ کامل بین کره های متخلخل سرامیکی داشته باشد که در این مناطق دیواره سلولها دارای عیب بوده و همچنین حداقل ضخامت است و همچنین در بعضی از مناطق نیز که در شکل 2B مشخص شده است به سبب جابجایی کره های متخلخل سرامیگی که توسط مذاب هل داده می شود موجب بوجود آمدن ضخامت دیواره متفاوت با حالت عادی و ایجاد حداکثر ضخامت می شود که در شکل 2Bکاملاً مشهود است.
یکی از فاکتور های موثر در فوم های کامپوزیتی قابلیت ترشوندگی ماده فضاساز توسط زمینه می باشد که میزان ترشوندگی بالا موجب چسبندگی بهتر بین مواد فضاساز و زمینه در پایداری دیواره های سلولی می گردد و همچنین میزان انقباضات بین ماده فضاساز و زمینه بسیار مهم می باشد که هرچه این میزان پایین تر باشد سبب بهبود خواص ساختاری و مکانیکی می گردد. شکل 2C و 2D تصویری از کره های متخلخل سرامیکی و فلز زمینه را نشان می دهد که میزان ترشوندگی مناسب و اقباضات مرزی در حد پایین مشاهده می شود. با بررسی سختی زمینه می توان متوجه شد که سختی فلز زمینه تا حدودی افزایش یافته است در فاصله نزدیک کره های متخلخل سرامیکی لیکا به میزان 65-61 ویکرز می باشد و همچنین میزان سختی در فواصل دورتر از کره ها - تقریباً بین دو کره متخلخل سرامیکی یا تقریبا وسط دیواره - به میزان 85 ویکرز می باشد. البته سختی فاز های تشکیلی از جمله تیغه های سیلیسیم و آهن و دیگر ترکیبات فلزی به مراتب بالاتر می باشد.
