مقاله ساخت و بررسی خواص فشاری فوم‌ سلول بسته روی

بخشی از مقاله

چکیده

فوم روی توسط روش ذوبی و با استفاده از حباب زای ZrH2 در دو حالت با و بدون همزدن قبل از فرایند حبابزایی ساخته شدند. از آنالیز ریزساختاری برای آشکارسازی ساختار و مورفولوژی ماده فومشده استفاده شد. ویژگیهای تغییر شکل فشاری به کمک آزمون فشار تک محوری تحت شرایط شبه استاتیک مورد بررسی قرار گرفت. ساختار روی خالص فوم شده، مشابه ساختار فوم های فلزی سلول بسته می باشد. بررسی های ریزساختاری نشان دادند که فیلم های اکسیدی تأثیر بسزایی در قابلیت فوم شوندگی روی خالص دارند. نتایج حاکی از آن بود که روی خالص را میتوان توسط همزدن در حضور اکسیژن و بدون افزودن اصلاح کننده ویسکوزیته به فوم با تخلخل بالا تبدیل کرد. منحنی تنش-کرنش فوم روی دارای سه ناحیه مجزا شامل ناحیه الاستیک خطی، ناحیه پلاتو و ناحیه تراکم میباشد.

واژگان کلیدی:فوم روی، قابلیت فومشوندگی، رفتار فشاری، منحنی تنش- کرنش

مقدمه

فوم های فلزی سلول بسته، زیرشاخه ای از فلزات سلولی هستند که به صورت مخلوط منجمد شده یک مذاب فلزی و حباب های گازی تعریف شده اند .[1] سازه های سبک، جذب انرژی، جذب صوت، میرایی ارتعاش و کنترل حرارتی از جمله مهم ترین موارد کاربردی فوم های فلزی می باشند .[2] روش های بسیاری برای تولید فوم های فلزی سلول بسته وجود دارد .[3] یکی از روش های متداول، روش فوم سازی ذوبی است که در آن ماده ای موسوم به حبابزا به مذاب فلز افزوده می شود. این روش فوم سازی، به دلیل فراهم آوردن امکان ساخت اقتصادی فوم های فلزی، به طور وسیعی بکار گرفته شده است.

حباب های گازی توسط تجزیه حباب زا در داخل مذاب ایجاد می شوند. برای محبوس کردن و جلوگیری از فرار حباب ها، وجود برخی ذرات جامد در مذاب ضروری است. حضور این ذرات باعث افزایش ویسکوزیته مذاب میگردد. از ایجاد ذرات جامد به صورت درجا و افزودن ذرات خارجی جهت پایدارسازی فوم مذاب استفاده شده است .[4] در ساده ترین حالت، ذرات جامد را می توان توسط همزدن مذاب به مدت چندین دقیقه و اکسید کردن آن ایجاد کرد. تشکیل شدن ذرات اکسید فلز و یا به عبارت دقیقتر فیلمهای اکسیدی در فومهای از نوع آلپوراس، اصلیترین مکانیزم پایدارسازی معرفی شده است .[5]

در میان همه مواد فلزی، آلیاژهای آلومینیوم و روی به دلیل نقطه ذوب پایین و خواص مذاب مطلوب دارای ویژگی های فوم شوندگی عالی می باشند .[6] با اینکه اکثریت فوم های فلزی از آلومینیوم و آلیاژهای آن ساخته می شوند، بنا به دلایلی، فوم های ساخته شده از آلیاژهای روی نیز می توانند به اندازه فومهای آلومینیومی مهم تلقی شوند. اولاً به دلیل مشابه بودن رفتار فوم شدن، می توان با ساخت فوم روی، مسائل موجود در فوم سازی را موردبررسی قرار داده و حتی مشکلات موجود در فومهای فلزی به خصوص فومهایآلومینیومی را برطرف ساخت. ثانیاً تولید فوم روی و آلیاژهای آن میتواند به گسترش محصولات فومی و ایجاد شدن کاربردهای جدیدتر بیانجامد.

تا کنون چندین مطالعه در زمینه تولید و خواص فوم های آلیاژهای روی انجام شده است. کواسیک و همکاران [7] فوم Zn و ZnAl4Cu1 را به روش متالورژی پودر فراوری کرده و گزارش کردند که این مواد دارای خواص فشاری نسبتاً یکسانی با فوم های آلومینیومی در چگالی نسبی یکسان هستند. تحقیقات دیگری [8-12] نیز بر روی خواص مکانیکی فوم های Zn-22Al انجام گرفته است. در تحقیق حاضر، قابلیت فومشوندگی و خواص فشاری فومهای روی - Zn - فراوری شده به روش ذوبی با استفاده از حبابزای ZrH2 مورد بررسی قرار گرفته است.

فعالیتهای تجربی

از شمش روی خالص گرید HSG، 99/99%، و همزن از جنس فولاد ضد زنگ دارای پوشش آلومینایی در تولید فومها استفاده شد. پودر هیدرید زیرکونیم، مش 325، خلوص 99/7% ساخت شرکت آلفا ایسر تهیه گردید. قطعات روی g - - ~1000 در بوته گرافیتی توسط کوره مقاومتی ذوب شدند. دو نوع فوم تولید شد. در نوع اول، مذاب به مدت 8 دقیقه در دمای 480°C با سرعت 700 rpm همزده شده و سپس به درون قالب فولادی فوم سازی با دمای پیشگرم 480°C منتقل گردید. در نوع دوم، مذاب قبل از فرایند فوم شدن همزده نشده و به همان صورت مورد استفاده قرار داده شد. جهت فوم کردن مذابها، هیدرید زیرکونیم به میزان % 1 wt. افزوده شده و با سرعت 1200 rpm به مدت 45 ثانیه همزده شد تا حباب زا توزیع گردد.

قالب در دمای 480°C بدون همزنی تا پایان فرایند فوم شدن در کوره نگه داشته شد. سپس قالب از کوره بیرون آورده شده و جهت انجماد سریع فوم مذاب، در آب کوئنچ شد.چگالی مواد فوم شده توسط روش ارشمیدس اندازه گیری شد. جهت حفظ و نمایان کردن ساختار، فوم ها توسط ماشینکاری تخلیه الکتریکی - EDM - برشکاری شدند. نمونه های متالوگرافی توسط روش های متداول تهیه گردید و تصاویر نوری ماده دیواره فومها توسط میکروسکوپ نوری Olympus DP25 تهیه شد. جهت بررسی عنصری از آنالیز EDS توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی Vega Tescan استفاده شد.برای بررسی رفتار تغییر شکل فشاری فوم های تولید شده، آزمون فشاری تک محوری در دمای محیط انجام شد.

نمونه های مکعبی به ابعاد 25×25×35 mm3 توسط EDM برشکاری شدند. جهت حذف اثر اندازه که در فوم های آلومینومی گزارش شده است [13]، ابعاد نمونه به گونه ای انتخاب شدند که نسبت ابعاد نمونه به اندازه سلول، ~8 باشد. چگالی نمونه، ρf ، با اندازه گیری وزن و حجم آن محاسبه شد. با در نظر گرفتن چگالی روی متراکم - ρs - به میزان 7/1 g/cm3، چگالی نسبی، ρf/ρs فومها محاسبه گردید. آزمون فشاری بوسیله دستگاه Instron مدل 5500R انجام شد. جهت محوری آزمون فشاری همان جهت فوم شدن بود. تغییر شکل نمونه براساس حرکت فک دستگاه اندازه گیری شده و کرنش با استفاده از ارتفاع اولیه نمونه محاسبه گردید. نرخ کرنش آزمون، 1× 10-3 S-1 در نظر گرفته شد.

نتایج و بحث

سطح مقطع روی فوم شده در شکل 1 مشاهده می شود. این شکل همچنین اثر فرایند همزدن مذاب قبل از افزودن حباب زا را بر قابلیت فوم شوندگی روی خالص نشان می دهد. شکل -1 الف، روی خالص فوم شده بدون همزدن را نشان می دهد. منطقه عاری ازحباب نسبتاً بزرگی در ته فوم مشاهده می شود. چنین تصور میشود که زهکشی مذاب از طریق دیواره سلول ها عاملی مهم در گستره این منطقه میباشد .[14] با توجه به اینکه هیچ ذره جامدی که بتواند به افزایش ویسکوزیته و متعاقباً پایداری فوم مذاب کمک کند، در داخل مذاب وجود ندارد، روی مذاب ناشی از نیروی گرانش براحتی از طریق مرزهای پلاتو به سمت پایین قالب حرکت کرده و منطقه عاری از حباب بزرگ را پدید می آورد.

علاوه بر این، طبق قانون استوکس به دلیل اختلاف قابل ملاحضه چگالی روی مذاب - 6/8 g/cm3 - و هیدرید زیرکنیوم - 5/5 g/cm3 - و نیز ویسکوزیته کم مذاب، ذرات حبابزا سریعاً - با سرعت حدی - ~1 mm/s به سمت بالا حرکت کرده و ناشی از عدم وجود حباب زا در قسمت های پایین قالب، عمل حبابزایی اصلاً اتفاق نمی افتد. هم چنین حباب بسیار بزرگِ تشکیل شده در وسط نمونه، نشانگر بروز چشمگیر پدیده درشت شدن و بهم پیوستن حباب هااست. هر سه پدیده فوق یعنی زه کشی، درشت شدن و بهم پیوستن، حاکی از پایداری بسیار کم فوم مذاب روی خالص همزده نشده است.

یکی از معیارهای قابلیت فوم شوندگی فوم ها، پارامتر بازدهی فوم می باشد. بازدهی فوم - η - طبق رابطه - 1 - تعریف میشود :[15]که در آن، Vf و Vz به ترتیب حجم قسمت فوم شده و حجم منطقه عاری از حباب میباشد. بازدهی % 100 به مفهوم این است که هیچ منطقه عاری از مذابی وجود نداشته و همه مذاب به فوم تبدیل شده است. می توان با در نظر گرفتن مساحت این دو قسمت در سطح مقطع وسط فوم، بازدهی فوم را به گونهای سادهتر نیز محاسبه کرد. بازدهی فوم برای روی همزده نشده برابر با % 33/6 و برای فوم همزده شده برابر % 96/7 محاسبه گردید.

منطقه عاری از حباب

همزدن مذاب روی خالص به مدت 8 دقیقه در حضور اکسیژن اتمسفری موجب اکسید شدن فلز مذاب شده و اکسیدهای فلزی تشکیل میشود. متالوگرافی دیواره و لبه سلول ها حضور فیلم های اکسید روی را نشان می دهد - شکل . - 2 با توجه به اینکه تنها اختلاف دو فوم تولید شده، مربوط به همزدن و درنتیجه، اکسیداسیون داخلی می باشد، بنابراین اکسید روی عامل اصلی افزایش دهنده ویسکوزیته مذاب بوده ونتیجتاً روی مذاب را قادر به فوم شدن با یک منطقه عاری از حباب بسیار کوچک ساخته است - شکل -1 ب - . آنالیز EDS لبه و دیوارههای سلولی نیز