بخشی از مقاله
مقدمه
روش پـرسکـاري- تـفجوشـی یکـی از روشهـاي
اقتصادي براي تولید قطعاتی به شکل نهایی و یا نزدیک
به نهایی است، و از آن میتـوان بـراي تولیـد قطعـات بسیار پیچیده در صنایع خودرو و هـوا- فضـا اسـتفاده
کرد. تفجوشی آلـومینیم بـهدلیـل ایجـاد یـک لایـهي
اکسیدي بر روي سطح آن، معمولاً کاري مشکل اسـت.
براي شکسـتن ایـن لایـهي اکسـیدي و ایجـاد شـرایط
مناسب بـراي نفـوذ و تـفجوشـی، لازم اسـت حـین
تفجوشی فاز مایع تشکیل شود. تفجوشی در حضور فاز مایع به دو شکل اصلی انجام میگیرد:
-1 تفجوشی در حضور فاز مایع گذرا: در این حالت، مذابی که حین تفجوشی بهوجود میآید با انجـام فرایند تفجوشی بهدلیل انحلال در فاز جامد و یـا
تشکیل یک فاز جامد از بین میرود.
-2 فاز مذاب پایدار: در این حالت، مـذاب در دماهـاي بالاي فرایند تفجوشی و درون مخلوط پودر و یـا
درون پودر پیش آلیاژ شده تشکیل میشود. به نـوع
اول فرایند، تفجوشی در حضور فاز مـایع (LPS, Liquid Phase Sintering)، و بــه نــوع دوم آن
تفجوشی فراجامد در حضور فـاز مـایع (SLPS,
Supersolidus Liquid Phase Sintering) میگویند .[1]
در فرایند تفجوشی فراجامد، پـودر پـیش آلیـاژ
شده در گسترهي دمایی نمودارهاي جامد و مـایع گـرم میشود، و این منجر به تشکیل فاز مـذاب درون ذرات خواهد شـد. مـذاب تشـکیل شـده بـهدلیـل خاصـیت
مویینگی در مرزهـاي دانـه پخـش شـده و در نتیجـهي
نظمدهی مجدد چگالش سریع رخ میدهد.
عوامل زیادي بر خواص قطعات تفجوشی شده
تأثیر دارنـد. محـیط کـوره یکـی از عوامـل کلیـدي در
تفجوشی است. اغلب مطالعات بر روي تـفجوشـی
در حضور فاز مایع در مورد پودرهاي مخلوط شده بـه
روش عنصــري متمرکــز شــده اســت. علــیرغــم
تأثیر محیطهاي نیتروژن و خلاء...
شباهتهایی که بـین دو فراینـد مختلـف تـفجوشـی وجود دارند، تفاوتهایی هم با یکدیگر دارند. این دو
فرایند بهطور مختصـر در جـدول (1) بـا هـم مقایسـه
شدهاند.
جدول 1 مقایسه فرایندهاي تفجوشی در حضور فاز مایع و فراجامد در حضور فاز مایع
تفجوشی در تفجوشی فراجامد
حضور فاز مایع در حضور فاز مایع
نوع پودر پیش آلیاژ شده مخلوط پودرهاي
عنصري
ذوب مختصر - ذوب یک عنصر
ایجاد مذاب - توسط واکنش بین
ذرات
عناصر
موقعیت ذوب درون ذرات بین ذرات
چندبلور
وابسته به ترکیب
کسرحجمی شیمیایی و دما وابسته به ترکیب
مذاب (مطابق قانون شیمیایی
اهرم)
جدایش تهنشینی ذرات تهنشینی دانههاي جامد
جامد بهمیزان
جامد- مذاب در آلیاژهاي سنگین
مختصر
محیط کوره در تفجوشـی سـه نقـش متفـاوت
دارد:
-1 جلوگیري از وقوع واکنشهاي نامطلوب و اکسایش
-2 احیاي اکسیدهاي واقع بر روي سطح فلزات
-3 وقوع واکنشهاي مطلوب و کمک به خـروج مـواد فرّار
احیــاي لایــههــاي اکســیدي بــر روي آهــن در
محیطهاي رایـج ماننـد آمونیـاك رخ مـیدهـد. لایـهي
اکسید آلومینیم از نقطه نظر ترمودینامیکی بسیار پایـدار است و احیاي آن در محیطهاي متداول ناممکن اسـت.
بنابراین، محیط در تفجوشی آلومینیم باید از اکسـایش
Al-Cu-
نشریه مهندسی متالورژي و مواد 65
مجدد درون کوره جلوگیري کند. تحقیقهـاي اخیـر در
مورد تفجوشی آلـومینیم نشـان دادهانـد کـه رطوبـت موجود در محیط براي دستیابی بـه خـواص مطلـوب
مضر اسـت .[2] گـزارش شـده اسـت کـه نیتـروژن از
آمونیاك و خلاء موثرتر است. در بـیشتـر گـزارشهـا
تأثیر مفید نیتروژن را مربوط به واکنش آن با آلومینیم و
تشــکیل نیتریــد آلــومینیم (AlN) و بهبــود چگــالش دانستهاند .[3] این واکنش بهصورت زیر است :[2]
(1) Al N AlN
بعضــی از محققــان تــأثیر هیــدروژن را نــاچیز گزارش کردهانـد [4]، و گـروه دیگـري از آنهـا تـأثیر
حضور هیـدروژن در محـیط نیتـروژن را بسـیار مضـر
دانستهاند .[5] افزون بر این، حضور بخار آب همراه بـا
هیدروژن را موجب پایداري هیدرات آلومینـا و مـانعی براي انقباض معرفی کردهاند .[5] تأثیر افزودن قلـع بـر
بهبود تفجوشی مخلـوط پودرهـاي عنصـري
[3,5] Mg و یا پیش آلیاژي Al-Si بررسی شـده اسـت
.[6] با اینحال، تحقیق چندانی در مـورد تـأثیر محـیط
کوره و افزودن جزئی قلع بر روي فراینـد تـفجوشـی فراجامد پودرهاي پیش آلیاژ Al-Cu-Mg انجـام نشـده است . در تحقیق حاضر، تأثیر محیط و افـزودن جزئـی عنصر قلع بر فرایند تـفجوشـی فراجامـد پـودر آلیـاژ
آلومینیم 2024 بهشکل پیش آلیاژ و نقش آن بر چگالش
بررسی شده است.
روش آزمایش
در ایـن تحقیـق، از پـودر پـیش آلیـاژ 2024 بـا
ترکیــب شــیمیایی موجــود در جــدول (2) و ذرات
کوچکتر از 100 میکرون (تولید شده بهروش افشانش
توسط شرکت متالوژي پـودر خراسـان) اسـتفاده شـده
اسـت. ترکیـب شـیمیایی پـودر مـورد اسـتفاده توسـط
دســتگاه XRF تأییــد شــد. در شــکل (1)، تصــویر
میکروسکپ الکترونـی روبشـی (SEM) از مورفـولُژي
پودر مورد استفاده نشان داده شده است. پـودر قلـع (از
نوع مرك آلمان) با اندازه ذرات کمتر از 71 میکرون به میزان 0/1 درصد وزنی بهعنوان افزودنی بههمراه پـودر
پیش آلیاژ درون یک آسـیاي مـاهوارهاي بـا تعـداد کـم
گلوله مخلوط شد. پودرهاي بـا و بـدون قلـع بـهروش
تحلیل حرارتی (DTA) بررسی شدند. نرخ افزایش دما
10 درجــهي ســانتیگــراد در دقیقــه انتحــاب شــد، و محیطهاي خلاء و نیتروژن براي مطالعه در نظر گرفتـه
شدند.
جدول 2 ترکیب شیمیایی پودر پیش آلیاژ 2024 (به درصد وزنی)
Mn Fe Si Mg Cu Al
0.36 0.27 0. 45 1.23 3.95 بقیه
شکل 1 تصویر میکروسکپ الکترونی روبشی از پودر پیش آلیاژ
2024 مورد استفاده در این تحقیق
با فشردن مخلوط پـودر پـیش آلیـاژ بـا و بـدون
افزودنی قلع با فشار 300 MPa درون قالب استوانهاي
بهقطر 12 میلیمتر، نمونههاي خام تهیه شدند. از اسـید ُالییک بهعنوان مادهي روانسـاز سـطوح قالـب اسـتفاده
شد. نمونه ها بهمدت 20 دقیقه در دمـاي 300 C درون
یک کورهي افقی پیشگرم شدند. سرعت حرارتدهـی
نمونه ها تا دماي تفجوشی، 10 درجهي سانتیگراد بـر
دقیقه بود. فرایند تفجوشی در دماي مورد نظر بهمدت
66
30 دقیقه انجام گرفـت. تـفجوشـی درون دو محـیط نیتروژن و خلاء صورت پذیرفت.
چگالی نمونه هاي تـفجوشـی شـده مطـابق بـا استاندارد [9] ASTM B328، اندازهگیري شد. از آزمون خمش سه نقطهاي، مطابق بـا اسـتاندارد ASTM B528 [10]، براي بررسی خواص مکانیکی نمونـههـا اسـتفاده شد. براي این منظـور، نمونـه هـایی بـه ابعـاد 6×5×20
میلیمتر تهیـه شـدند. پـس از تـفجوشـی در شـرایط بهینهي دمـایی، آزمـون خمـش انجـام شـد. مطالعـات ریزساختاري و بررسیهاي سطح شکست با استفاده از میکروسکپهاي نوري و الکترونی انجام گرفت.
