بخشی از مقاله
مروري بر فناوري انجماد سريع
چکيده
فناوري انجماد سريع (RST) روشي نسبتا جديد براي فرآوري مواد فلزي و توليد محصولاتي با مشخصات ژه و منحصر به فرد از جمله آلياژهاي آمورف و نانوبلوري و سوپرآلياژهاي پايه نيکل مي باشد. گسترش وزافزون دامنه کاربردهاي صنعتي محصولات فرآوري شده با اين فناوري ، علي الخصوص در صنايع با تکنولوژي بالا، ضرورت کسب دانش فني و توجه ويژه به بومي سازي اين فناوري را ايجاب مي کند. در این راستا گردآوري اطلاعات جامعي در رابطه با انواع فناوري ها، آلياژها و کاربردهاي صنعتي آنها مي تواند مفيد باشدکه در مقاله حاضر، بطور خلاصه بيان مي گردند. در فرايند ذوب ريسي با ديسک مبرد( CBMS)، که از متداول ترين و کارآمدترين روشهاي فناوري انجماد سريع مي باشد، سرعت سردشدن مذاب در محدوده قرار دارد و از آنجائيکه اين فرايند براي توليد حسگرهاي مغناطيسي آمورف در گروه پژوهشي متالورژي پژوهشکده توسعه تکنولوژي جهاد دانشگاهي بکار گرفته شده و دانش فني آن کسب شده است ، بطور جداگانه اشاره خواهد شد.
اژه هاي کليدي : فناوري انجماد سريع ، ذوب ريسي با ديسک مبرد، آمورف ، نانوبلوري
مقدمه
چاپ اولين گزارش علمي در خصوص تغييرات ريزساختاري ناشي از انجماد سريع مذاب توسط پل دوز( P.Duwez) و همکارانش در سال ١٩٦٠ ميلادي [١]، توجه محققين بسياري را به اين فناوري رتعادلي جلب کرده و موجب ابداع روش هاي متعدد اين فناوري در دهه هاي اخير شده است .
سرعت سردکردن مذاب در انجماد معمولي ، معمولاً کمتر از مي باشد، در حاليکه در بيشتر فرآيندهاي انجماد سريع سرعت سردکردن مذاب در محدودة قرار داشته و تحت تبريد معمولاً بيش از K١٠٠ در نظر گرفته مي شود. در نتيجه ، سرعت پيشروي فصل مشترک جامد.مذاب ه شدت افزايش يافته و عموماً به بيش از cm.s١ رسيده و لذا نفوذ به شدت محدود مي شود. تحت چنين شرايطي ، ترکيب شيم اي يي جامد يکنواخت تر شده و ساختارهايي با دندريت ها و دانه هاي ريز تشکيل مي شوند و حتي ساختارهاي نانو بلوري و آمورف نيز قابل دست يابي است [٢].
انجماد سريع منجر به تغييرات ترکيبي و ريز ساختاري در مواد مي گردد. تغييرات ترکيبي شامل افزايش حد حلاليت در حالت جامد، به حداقل رسيدن جدايش ، اصلاح و يا حذف فازهاي ناشي از جدايش ، ايجاد فازهاي بلوري و شبه بلوري غيرتعادلي و توليد فلزات آمورف و شيشه اي مي باشد و تغييرات ريزساختاري عبارتند از تغيير در مورفولوژي فازها، ريزشدن اندازه دانه ها و همچنين کم شدن فواصل بين بازوهاي دندريتي که سبب بهبود خواص مکانيکي ، خوردگي و مغناطيسي مي شود[٣].
- فناوري ها
جهت حصول به سرعت سردشدن بالا در فرايندهاي انجماد سريع ، جريان فلز مذاب بايد حداقل در يک بعد بسيار نازک باشد تا از نسبت سطح به حجم بسيار بالايي برخوردار بوده و انتقال حرارت از آن به سهولت صورت پذيرد. همچنين حداکثر تماس بين مذاب و محيط خنک کننده الزامي است . با توجه به موارد فوق مي توان فرايندهاي مختلف انجماد سريع را بر اساس انواع شکل مذاب درست قبل از انجماد قطره اي ، ميله اي و نواري ) و عامل خنک کننده (گاز، مايع و جامد) تعريف و طبقه بندي کرد [١].
انواع فناوري هاي انجماد سريع را مي توان در سه دسته زير تقسيم بندي نمود (جدول ١) [٤]: روشهاي افشانشي : در اين روشها، جريان پيوسته و باريکي از فلز مذاب توسط سيال ديگري به صورت قطرات بسيار ريز تبديل شده و به صورت پودر انجماد سريع پيدا مي کند. فرايند اتميزه کردن به علت سهولت در مراحل شکل دهي و متراکم سازي بعدي و هم چنين از نظر اقتصادي يک روش مفيد در مقايسه با ساير روش هاي تجاري انجماد سريع محسوب مي گردد.
روشهاي تبريدي : در اين حالت ، جريان پيوسته اي از مذاب قبل از انجماد بوجود آمده و انجماد سريع ي تماس مذاب با يک سطح خنک کننده اتفاق مي افتد. اين روش ها معمولا برمبناي يکي از مکانيزم هاي تزريق مذاب درون فضاي يک قالب ، کاهش دادن سطح مقطع مذاب با فورج کردن آن توسط يک پيستون و سندان ، تزريق مذاب بر روي يک سطح خنک کننده و يا خارج کردن مذاب از يک مخزن در اثر انجماد آن بر روي سطح يک ديسک چرخان مي باشند. روشهاي سطحي : برخلاف دو روش گفته شده که بر پايه ذوب کامل آلياژ قبل از انجماد سريع بودند، ن روش ها شامل ذوب موضعي و متعاقباً انجماد سريع يک لايه نازک بر روي سطح ماده اي با ضخامت قابل توجه که به عنوان جاذب گرما عمل مي کند، مي باشند.
- آلياژها
انجماد سريع افق هاي جديدي را به روي توسعه و گسترش آلياژها باز کرده است ، به طوريکه امروزه ياژهاي متنوعي نظير آلياژهاي پايه آلومينيوم ، تيتانيم ، منيزيم ، آهن ، کبالت ، نيکل ، مس ، زيرکونيوم ، وبيم ، تنگستن ، ژرمانيم و غيره تحت فرايندهاي مختلف انجماد سريع قرار مي گيرند [٦].
انجماد سريع آلياژهاي آلومينيم ، ارزش افزوده قابل توجهي را به اين آلياژها بخشيده است ، بطوريکه يکي از مشکلات اصلي در اين مورد که پايداري حرارتي پايين مي باشد توسط انجماد سريع مرتفع گشته است .
منظور بهبود پايداري حرارتي مي بايست آلياژهاي آلومي يم حاوي غلظت هاي بالا از فلزات انتقالي با ضريب نفوذ پايين مانند کروم ، آهن ، نيکل ، تيتانيم ، زيرکونيوم و يا منگنز باشند. البته غلظت اين فلزات انتقالي در آلياژهاي متداول بدليل تشکيل فازهاي بين فلزي سخت و ترد محدود مي باشد. طي فرايند انجماد سريع مي توان غلظت فلزات انتقالي را به ميزان بيش از حد حلاليت جامد آنها افزايش داد. روش - ي انجماد سريع نظير ذوب ريسي و اتميزاسيون مذاب در مورد آلياژهاي آلومينيم گزارش شده است [٧].
از فرايندهاي ذوب ريسي ، کشش الياف از مذاب ، پلاسما و الکترود چرخان به منظور توليد آلياژهاي تانيوم انجماد سريع يافته شامل آلياژهاي مرسوم ، آلياژهاي تيتانيم - عناصر نادر خاکي و آلياژهاي حاوي عناصر شبه فلزي (B,C,Si) که حلاليت پاييني دارند، آلياژهاي يوتکتوئيد که حد حلاليت بسيار بالايي داشته ولي مستعد جدايش هستند و نيز آلومينايدهاي تيتانيم استفاده مي شود [٨].
آلياژهاي منيزيم انجمادسريع يافته را مي توان تحت دو گروه آلياژهاي با استحکام و مقاومت به خوردگي بالا و آلياژهاي با فرم پذيري بالا و چگالي پايين بررسي کرد. مشاهده شده است که ترکيب پودر حاصل از خردکردن نوارهاي انجماد سريع يافته و پودرهاي ريزتر موجب بهبود خواص اين آلياژها مي گردد [٨].
کاربرد فرآيند انجماد سريع در مورد سوپر آلياژهاي دماي بالاي پايه نيکل ، چندين سال است که در حال توسعه مي باشد. براي اين دسته از آلياژها، مزيت اصلي استفاده از انجماد سريع ، تهيه آلياژهاي همگن با بازه وسيع تري از مقادير عناصر محلول و حصول فازهاي با اندازه دانه ريزتر و توزيع همگن در مقايسه با فرآيندهاي ريخته گري مرسوم مي باشد. در بسياري از موارد، فرآيندهاي اتميزاسيون پودري با سرعت سردکردن به منظور حصول ساختار همگن ، کافي است [٩].
اثر انجماد سريع در مورد آلياژهاي فوق الذکر بر اساس بهبود خواص مکانيکي بوده است . ولي در يکي و دو دهه اخير، برخي از آلياژهاي آمورف به دست آمده از فرآيند انجماد سريع ، به علت خواص مغناطيسي نرم مطلوب ، از مقياس آزمايشگاهي وارد بازار تجاري شده اند. خواص مغناطيسي و ساختاري نظير چگالي شار اشباع (Bs)، دماي کوري (Tc)، دماي کريستاليزاسيون (Tx)، تغيير بعد مغناطيسي اشباع و sناهمسانگردي مغناطيسي را مي توان توسط ترکيب شيم اي يي آلياژ و عمليات حرارتي بعدي کنترل کرد. برخي از اين آلياژها داراي نفوذپذيري مغناطيسي بالا، پايداري حرارتي مناسب ، مقاومت به سايش و خوردگي خوب و مقاومت ويژه الکتريکي بالا نيز مي باشند. ترکيب چنين خواصي در آلياژهاي مغناطيسي آمورف پايه آهن وکبالت توليد شده طي فرايند انجماد سريع ديده مي شود [٨]. در جدول ٢، دلايل استفاده از فرايند انجماد سريع براي چند آلياژ پرکاربرد قابل مشاهده است .
