ریخته‌گری ترکیبی
ریخته‌گری ترکیبی یا کامپوکستینگ (به انگلیسی: compo-casting) روشی برای تولید کامپوزیتهای زمینه فلزی است بصورتی که ذرات تقویت کننده و مذاب یا ریخته‌گری آنها در حالی صورت گیرد که آلیاژ در منطقه دمایی بین مذاب و جامد نگه داشته شده‌است. فرآوری نیمه‌جامد یک فرایند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه فراوانی داشته‌است. در این فرایند آلیاژ ابتدا تحت شرایط کنترل شده ذوب می‌شود و سپس در دامنه انجماد آلیاژ، به دوغاب حاصل تنش برشی اعمال می‌گردد. نتیجه این تنش برشی در ناحیه دوفازی تبدیل ساختار دندریتی به ساختار غیر دندریتی می‌باشد. این فرایند در ادامهٔ گسترش فرایند رئوکستینگ که برای تهیه دوغاب‌های نیمه جامد تقویت نشده مورد استفاده قرار می‌گرفت، در سال ۱۹۷۵ ابداع گردید. ویسکوزیته پایین و قابل کنترل دوغاب‌های نیمه جامد خاصیتی منحصر به فرد بوده که آن را برای ساخت کامپوزیتهای زمینه فلزی ذره ای مناسب می‌سازد. تولید کامپوزیتهای زمینه فلزی با افزودن ذرات سرامیکی به دوغاب‌های نیمه جامد و ریخته‌گری دوغاب حاصله امکان‌پذیر بوده و مزایایی قابل توجهی دربردارد. ذرات جامد تقویت کننده می‌توانند در حین کاهش دما یا پس از رسیدن به دمای نهایی در حال هم زدن اضافه شوند. مخلوط کامپوزیتی به دست آمده می‌تواند مستقیماً به شکل نهایی ریخته‌گری شود یا با عملیات کار گرم به شکل نهایی درآید. برای اولین بار محرابیان این روش ساخت کامپوزیت را پیشنهاد و عنوان کامپوکست را برای آن برگزید. این روش می‌تواند شامل محدوده وسیعی از آلیاژها باشد مشروط برآن‌که آلیاژ زمینه دارای دامنه انجماد نسبتاً وسیعی باشد.
در نتیجه با استفاده از روش کامپوکست می‌توان درصدهای وزنی بالاتری از ذرات را نسبت به روش گردابی برای ساخت کامپوزیتهای زمینه فلزی در زمینه‌های فلزی مخلوط کرده و توزیع همگن‌تری از ذرات در زمینه ایجاد نمود. دلیل این امر آن است که جامد اولیهٔ موجود در دوغاب با ذرات فاز دوم که به دوغاب اضافه می‌شوند، اندر کنش مکانیکی داشته و از ته‌نشین شدن یا شناورشدن ذرات در سطح دوغاب جلوگیری به عمل می‌آورد. علاوه بر این فصل مشترک بین ذرات جامد اولیه و مذاب مکانی مناسب برای اتصال ذرات فاز دوم می‌باشد که موجب درگیری و خردشدن آگلومره‌ها می‌شود.
انواع روش‌های کامپوکست
روش‌های تولید کامپوزیت به شیوهٔ نیمه‌جامد می‌تواند بر حسب دمای دوغاب در حین اضافه کردن ذرات تقویت کننده و ریخته‌گری به روش‌های SS (نیمه جامد در نیمه جامد)، SL (نیمه جامد در مایع) و LS (مایع در نیمه جامد) تقسیم‌بندی گردد. در روش SS اضافه کردن ذرات و ریخته‌گری هر دو در حالت نیمه جامد انجام می‌گیرد. در روش SL ذرات تقویت کننده در حالت نیمه جامد اضافه شده و سپس دمای دوغاب حاصله برای مدت کوتاهی تا دمای ذوب بالا برده شده و ریخته‌گری انجام می‌شود. همچنین در روش LS اضافه کردن و هم زدن ذرات تقویت کننده در حالت مایع شروع شده و تا حالت نیمه جامد جهت ریخته‌گری ادامه می‌یابد. این سه روش در مقابل روش LL یا همان روش گردابی مطرح است. در روش LL عملیات اضافه کردن و هم زدن ذرات تقویت کننده و ریخته‌گری در حالت مایع انجام می‌شود.
در روش‌های SS و LS برای آنکه دوغاب حاصله ویسکوزیته مناسب را جهت ریخته‌گری داشته باشد حداکثر درصد وزنی ذرات جامد (مجموع ذرات جامد اولیه و ذرات تقویت کننده) در دوغاب می‌تواند ۵۰٪ باشد.
مزایا و معایب کامپوکستینگ
مزایای روش نیمه جامد
زمانی که یک مذاب در دمای ما بین لیکوییدوس و سالیدوس همزده می‌شود، ذرات در مذاب شناور می‌شوند. همزدن با سرعت بالا نرخ برش بالایی در مذاب ایجاد می‌کند، که تمایل به کاهش ویسکوزیته دارد و بالا بودن ویسکوزیته ناشی از حالت نیمه جامد مذاب را جبران می‌کند. چون این فرایند نسبت به سایر روش‌های ریخته‌گری در دمای کمتری انجام می‌شود از واکنش‌های شیمیایی جلوگیری می‌کند و حفرات انقباضی را کاهش می‌دهد. همزدن در دمای نیمه‌جامد موجب شکسته شدن دندریت‌ها، ریز شدن دانه‌ها، افزایش مرزدانه‌ها و همچنین بهبود خواص مکانیکی نسبت به نمونه حاصل از ریخته‌گری ثقلی می‌شود.
از مزایای روش کامپوکستینگ می‌توان به کاهش جدایش میکروسکوپی، شکسته شدن شاخه‌های دندریتی و تغییر آن به دانه‌بندی‌های مجزا یا سلول گسسته و پراکنده شدن ذرات تقویت‌کننده و فازهای ثانویه اشاره کرد. همچنین این روش برای تولید انبوه مناسب است.
از جمله مزایای روش SS نسبت به روش‌های LL و SL که تاکنون گزارش شده‌است عبارتند از:
- دمای کاری و فوق گداز و همچنین گرمای نهان کمتر که موجب افزایش عمر قالب و کاهش حملات شیمیایی به مواد تقویت کننده توسط آلیاژ زمینه می‌گردد.
- جریان یافتن مواد به صورت لایه ای و ویسکوز.
- کاهش انقباض ناشی از انجماد.
- کاهش تمایل ایجاد پارگی داغ.
- جلوگیری و کاهش جدایش، ته‌نشینی مواد تقویت کننده و آگلومره شدن آنها.
- افزایش نرخ تولید.
معایب روش نیمه جامد
معایب عمده روش SS نیز در ایجاد تخلخل و کنترل فرایند بسیار دقیق به علت ویسکوزیته بالای دوغاب خلاصه می‌شود اما با وجود مزایای قابل توجه ذکر شده در این روش بسیاری از محققان به دلیل سادگی فرایند همچنان از روش SL استفاده می‌کنند.
مهمترین چالش‌هایی که در تولید کامپوزیت‌ها با روش‌های ذوبی مخصوصاً گردابی و نیمه جامد جهت وجود دارد عبارت اند از:
- تخلخل.
- ترشوندگی بین تقویت کننده و زمینه.
- واکنش‌های ناخواستهٔ شیمیایی در فصل مشترک زمینه و تقویت کننده.
- آگلومره شدن و عدم توزیع یکنواخت تقویت کننده در زمینه.
تخلخل
تخلخل یا ناپیوستگی اجزاء به عنوان یکی از بزرگترین مشکلات در تولید کامپوزیتهای ریختگی با کیفیت بالا شناخته شده‌است. تخلخل علاوه بر تأثیر در سطح نهایی، می‌تواند در خواص مکانیکی از جمله سختی، استحکام، مقاومت به سایش و مقاومت به خوردگی قطعات نیز تأثیر گذار باشد. در کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی تولید شده به وسیلهٔ ریخته‌گری، تخلخل می‌تواند در اثر عوامل زیر ایجاد شود:
- حبس هوا در طی هم زدن شدید.
- حباب‌های هوای وارد شده به دوغاب (به‌طور مستقل یا احاطه شده در اطرف ذرات تقویت کننده).
- بخار آب روی سطح ذرات تقویت کننده.
- انقباض حین انجماد.
- رسوب گذاری هیدروژن یا گازهای دیگر از مذاب.شدت تأثیر موارد ذکر شده در یک کامپوزیت ریختگی تحت تأثیر عواملی چون روش ریخته‌گری، پارامترهای فرایند مانند زمان نگهداری مذاب، هندسه و موقعیت همزن، سرعت هم زدن و درصد حجمی ذرات تقویت کننده می‌باشد. اما به‌طور کلی مقدار تخلخل با افزایش اندازه، نسبت طول به ضخامت و کسر حجمی ذرات تقویت کننده افزایش می‌یابد. حبس هوا در طی اغتشاش ناشی از هم زدن و ریخته‌گری می‌تواند ایجاد شود.
همچنین اندرکنش بین آلیاژ مذاب و گازهای محیطی ناشی از عملیات هم زدن می‌تواند موجب انحلال گازها گردد. در صورتی که ویسکوزیته آلیاژ مذاب یا نیمه جامد به خاطر حضور ذرات با دمای ریخته‌گری پایین بیشتر شود، امکان خروج حباب‌های هوا کمتر شده و در نتیجه تخلخل بیشتر می‌شود. این مسئله با عملیات ریخته‌گری مناسب، سرعت بهینه هم زدن و کنترل کامل فرایند قابل حل می‌باشد. به‌طور کلی سرعت هم زدن باید به گونه ای باشد که ترشوندگی و توزیع مناسب ذرات تقویت کننده در زمینه حاصل گردد در حالیکه تخلخل از حد مطلوب بیشتر نباشد. یکی از مشکلات تخلخل‌های گازی جوانه زنی هتروژن (غیر یکنواخت) حباب‌ها بر سطح ذرات تقویت کننده در طی انجماد بوده که به شناور شدن ذرات کمک می‌کنند. مطالعات پژوهش‌گران نشانگر افزایش هر دو نوع تخلخل انقباضی و گازی با افزایش درصد وزنی ذرات تقویت کننده است. وقتی درصد وزنی ذرات در دوغاب افزایش می‌یابد، ویسکوزیته دوغاب افزایش یافته و بنابراین نرخ بیرون راندن گازهای محبوس شده از داخل دوغاب در حال انجماد کاهش می‌یابد. گاز موجود در سطح ذرات نیز عامل دیگری در ایجاد تخلخل می‌باشد. بدیهی است که هر چه درصد وزنی ذرات تقویت کننده افزایش پیدا کند، گاز وارد شده به دوغاب از این طریق افزایش می‌یابد. همچنین حضور ذراتی که دیرتر از مذاب اطراف خود سرد می‌شود، موجب می‌شود که نواحی دور از ذرات تقویت کننده جهت تغذیه از مذاب اطراف ذرات استفاده کنند، که منجر به مشاهدهٔ تخلخل‌های انقباضی در اطراف ذرات تقویتی می‌گردد. چندین روش برای کاهش تخلخل در کامپوزیتهای زمینه فلزی تولید شده به روش ریخته‌گری پیشنهاد شده‌است که به شرح ذیل می‌باشد:
جستارهای وابسته
- کامپوزیت
- کامپوزیتهای زمینه فلزی
- ریخته‌گری نیمه‌جامد
- کامپوزیت تقویت شده با الیاف
- کامپوزیت آلومینیومی تقویت شده با فیبر کربن
- متالورژی
منابع
- ↑ . به کوشش اسماعیل دماوندی. سلمان نوروزی. «بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیم A653 به روش کامپوکستینگ». فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی مکانیک جامدات (اول). تابستان 1393.
- ↑ اصول و مبانی فرایند فلز نیمه جامد. به کوشش میلاد بایگان. حمید آقاکرمی.
- ↑ "A review on the production of metal matrix composites through stir casting – Furnace design, properties, challenges, and research opportunities". Journal of Manufacturing Processes (به انگلیسی). 42: 213–245. 2019-06-01. doi:10.1016/j.jmapro.2019.04.017. ISSN 1526-6125.
- ↑ «مروری بر خواص مکانیکی و ریزساختاری کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی تقویتشده باذرات سرامیکی، تولیدشده با فرایندهای تغییرشکل پلاستیک شدید». به کوشش مسلم طیبی. رامین هاشمی.
- ↑ «en.wikipedia.org/wiki/Casting_defect».