فرآوری نیمه جامد یک فرآیند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه سریعی داشته است. در این فرآیند آلیاژ مورد نظر ابتدا تحت شرایط کنترل شده­ای ذوب شده، سپس در دامنه انجماد آن به مذاب تنش برشی وارد می­شود. اعمال تنش برشی در منطقه دو فازی منجر به تخریب ساختار شاخه­ای(دندریتی[1]) می­شود و در نتیجه می­توان یک مخلوط مایع-جامد[2] را به قطعه­ای با ساختار غیر دندریتی تبدیل نمود [1].

از معایب عمده ریخته‌گری می­توان به موارد زیر اشاره کرد[3]:

1- وجود حفره­های گازی بدلیل حلالیت بالای گاز در مذاب با دمای بالا

2- ایجاد حفره­های انقباضی، یعنی تشکیل شاخه­هایی از فلز جامد در زمینه­ای از فلز مذاب موسوم به دندریت. این شاخه­ ها باعث بالا رفتن گرانروی مذاب شده و مانع تغذیه و پر شدن حفره­ ها می­شود.

 هر دو عامل فوق باعث پایین آمدن كیفیت قطعه تولیدی می­شود.

آهنگری هم دارای محدودیت­هایی به شرح زیر است [3]:

1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده

2-روی­هم افتادگی[1] دیواره قطعات

3-نیاز به پرسهایی با تناژ بالا و در نتیجه افزایش هزینه تولید

فرآیندهای شکل­دهی در حالت نیمه­جامد در واقع به منظور برطرف­کردن محدودیت­های دو روش اشاره شده می­باشد. تولید قطعات با این فرآیند بخاطر خواص مفیدی که از خود نشان داده­اند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].

1-1-1- روشهای تولید مخلوط مذاب و جامد

به طور کلی روش­های تولید دوغاب نیمه­جامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیم­بندی می­شوند. روش­های هم­زدن مکانیکی[1]، هم­زدن مغناطیسی[2]، سطح شیب­دار[3]، عملیات فراصوتی[4]، غلتک سرد کننده و گلوله­های نسوز را می­توان از انواع روش­های تلاطمی برشمرد. روش­های اسپری کردن[5]، رئوکست نیمه­جامد[6] و رئوکست جدید[7] از انواع روش­های غیرتلاطمی می­باشند.

با توجه به اینکه در پایان نامه حاضر از روش سطح شیب­دار خنک­کننده استفاده شده است، از این رو، توضیح جامع­تری از این روش در ادامه خواهد آمد. به کارگیری سطح شیب‌دار خنك­كننده یكی از ساده‌ترین و در عین حال جالب­ترین روش‌های ابداعی برای تولید مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضیح در مورد این روش به این دلیل كه دقیقاً مفهوم سرعت تغییر شكل زاویه‌ای (نرخ برش) و نیز مفهوم قانون لزجت نیوتن را در خود جای داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روش­های جدید تولید قطعات از طریق فرآیند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمش­های تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].

شکل ‏1‑2 تصویر طرح­وار این روش را نشان می­دهد. ریخته­گری سطح شیب‌دار شامل ذوب کردن آلیاژ در یك كوره مناسب نظیر کوره القایی و سپس سرد کردن آهسته آن تا دمای معین، کمی بالای خط مذاب آلیاژ، است. به منظور تامین کسر جامد مشخص در انتهای سطح شیب­دار، دمای بارریزی تعیین می­شود. مذاب با حداقل دمای فوق گداز روی سطح شیب­داری که معمولاً از جنس همان فلز مذاب است، ریخته می­شود. سطح شیب­دار معمولاً نسبت به خط افق زاویه­ای بین 30 تا º60 دارد. گاهی اوقات سطح شیب­دار بوسیله گردش آب در قسمت زیرین آن، 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  خنك می‌شود. توجه به این مورد ضروری است كه جریان بارریزی باید آرام باشد تا موجب لغزش لایه­های آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابی كه به انتهای سطح شیب‌دار می‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی می‌باشد [5].

در روش سطح شیب­دار خنك­كننده، تنش برشی بر اثر شیب سطح و نیروی وزن سیال تامین می‌شود. با تداوم اعمال تنش برشی، شاخه‌های بوجود آمده در مذاب نیمه­جامد شكسته می­شود و به تدریج كروی شكل می‌گردد. زاویه و طول سطح شیب­دار، دمای بارریزی، نرخ بارریزی، جنس و دمای قالب، ارتفاع نازل تا سطح و میزان زبری سطح از عوامل مهم در روش سطح شیب­دار می­باشند. با افزایش زاویه سطح خنک­کننده، میزان نرخ برش و در نتیجه تلاطم ایجاد شده در مخلوط نیمه­جامد افزایش می­یابد. در مقابل، هر چه زاویه کمتر باشد مدت زمان سیلان ماده نیمه­جامد بر روی سطح بیشتر می­شود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاری با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواخت­تر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیب­دار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، برای تعیین شرایط بهینه سطح شیب­دار از نظر میزان و مدت زمان اعمال برش، باید تاثیر متقابل زاویه و طول سطح شیب­دار در نظر گرفته شود. دمای بارریزی نیز دارای یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیب­دار و نیز قدرت خنک­کنندگی سطح تغییر می­کند [6].

2-1-1- فرآیندهای تولید قطعه از مخلوط مذاب و جامد

فرآیند تولید نیمه­جامد از مجموع دو فرآیند ریخته­گری و شکل­دادن تشکیل شده است. در مرحله ریخته­گری، آلیاژ مذاب با دامنه انجماد وسیع یا نسبتاً وسیع آماده می­شود و طی سرد شدن درمحدوده دو فازی جامد-مذاب تحت تلاطم قرار می­گیرد. در این حالت، مخلوط یکنواختی از مذاب و جامد حاصل می شود. سپس مخلوط فوق به کمک یکی از روش­های شکل­دادن فلزات مانند اکستروژن یا دایکاست به شکل مورد نظر تبدیل می­شود. از آنجا که این مخلوط در مقایسه با روش­های شکل­دادن فلزات جامد از مقاومت کمتری برخوردار است، از این رو، نیاز به نیروی شکل­دهی کمتری دارد. فرآیند تولید در حالت نیمه­جامد به دو روش مستقیم یا رئوکستینگ[1] یعنی ریخته­گری با مخلوط مذاب و جامد و روش غیرمستقیم یا تیکسوفورمینگ[2] یعنی شکل­دهی با شمش نیمه­جامد تقسیم­بندی می­کنند. فرآیند شکل­دهی با شمش نیمه­جامد نیز خود به دو دسته آهنگری با شمش نیمه­جامد[3] و ریخته­گری با شمش نیمه­جامد[4] تقسیم می‌شود.

تیكسوفورمینگ اصطلاحی است كه به فرآیند تولید یک قطعه از شمشی كه به صورت جزئی ذوب گردیده و به داخل قالب تزریق می‌شود، اطلاق می­گردد. از این فرآیند برای تولید قطعات نزدیك به شكل نهایی[5] استفاده می‌شود. شمش مخصوص كه به صورت نیمه­جامد است (به صورت جزئی ذوب گردیده)، دارای ذرات جامد با ساختار كروی شكل می‌باشد. در این روش پس از تهیه مذاب و اعمال تنش برشی در ناحیه دو فازی، مخلوط جامد- مذاب را به صورت شمش ریخته­گری می­­کنند. سپس این شمش­ها تا دمای محیط سرد و به اندازه­های دلخواه بریده می­شوند. در عین حال، در این روش قبل از شکل­دهی، شمش­ها را دوباره تا دمای نیمه­جامد گرم و با اعمال فشار (از طریق تزریق در قالب یا آهنگری) شکل می­دهند. اگر فرآیند تولید، شامل تزریق شمش مخصوص نیمه جامدی با کسر جامد پایین باشد به این فرآیند ریخته­گری با شمش نیمه­جامد می‌گویند. در مقابل، اگر در فرآیند تولید قطعه از شمشی با کسر جامد بالا استفاده شود، به این فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد می‌گویند. تصویر طرح­وار این تعاریف در شکل ‏1‑3 آورده شده است.

فرآیند شکل­دهی با شمش نیمه­جامد شامل دو مرحله می‌باشد. مرحله اول که مهمتر است، حرارت دادن یكنواخت و كنترل شده شمش مخصوص می‌باشد. هدف این مرحله ذوب نمودن یكنواخت شمش مخصوص و تشكیل مخلوط مذاب و جامد همگن با كسر جامد مطلوب می‌باشد [7]. مرحله دوم، انتقال شمش به دستگاه تزریق ریخته­گری با شمش نیمه­جامد یا به داخل قالب می‌باشد. بعد از مرحله انجماد كامل مخلوط مذاب-جامد در قالب و تولید قطعه نهایی، این قطعه از قالب بیرون می‌آید و راهی مراحل بعدی تولید مانند ماشین­كاری می‌شود [7].

برای این كه بتوان به یك شمش مخصوص در حالت نیمه جامد با خصوصیات فوق دست پیدا کرد  باید پارامترهایی مانند دمای نگهداری، یكنواختی و همگنی در حرارت دادن مجدد و زمان اعمال این عملیات به شمش مخصوص به دقت تحت كنترل قرار گیرند. دمای نگهداری شمش مخصوص یا مخلوط مذاب-جامد تعیین­كننده مقدار كسر جامد آن است. حرارت دهی بیش از این دما، باعث بالا رفتن دمای شمش مخصوص و به دنبال آن، پایین آمدن مقدار كسر جامد در مخلوط مذاب و جامد می‌شود كه نتیجه آن ناپایداری ساختار شكل جامد شمش مخصوص خواهد بود و باعث بروز مشكلات در حمل و نقل آن می­شود. حرارت دادن در دمای كمتر از دمای مورد نظر باعث عدم ذوب شدن كامل شمش مخصوص و در نتیجه یكی شدن و به هم آمیختن و تشكیل فاز چند وجهی در استحاله یوتکتیکی می­شود [7]. علاوه بر كنترل دما در مرحله حرارت دهی مجدد، یكنواختی و همگنی دما در سراسر شمش مخصوص نیز بسیار حائز اهمیت است، زیرا عدم یكنواختی و همگنی درجه حرارت باعث نوسان در مقدار كسر جامد و خصوصیات مخلوط مذاب-جامد می­شود. همچنین این نوسانات علاوه بر داشتن تاثیر منفی بر روی خواص قطعه نهایی، باعث می­شود که هنگام تزریق ماده به داخل قالب، دو فاز كاملاً مجزای جامد و مذاب به وجود آید كه اثرات منفی آن كاملاً واضح است. این عدم یكنواختی همچنین می­تواند باعث ناپایداری شكل ظاهری جامد آن شود و مشكلات حمل و نقل بعدی را بوجود آورد. نمونه‌ای از اثرات حرارت‌دهی ناهمگن كه به مشكل پافیلی شدن[1] معروف است، در شکل ‏1‑4 مشاهده می‌شود [7]. زمان حرارت­دهی نیز باید به دقت كنترل شود و بهینه­سازی شود. زمان حرارت­دهی بالا باعث بزرگ­شدن اندازه ذرات جامد موجود در مخلوط مذاب و جامد می­شود. در مقابل، زمان حرارت دهی پایین باعث عدم كروی گردیدن كامل ذرات موجود در مخلوط مذاب و جامد می‌شود كه این امر باعث بوجود آمدن اثرات منفی بر روی خواص مخلوط مذاب و جامد می­شود و در نتیجه باعث بروز مشكلاتی در پر شدن قالب هنگام تزریق می­شود [8].

[1] -Foot Elephant

[1] -Rheocasting

[2] -ThixoForming

[3] -ThixoForging

[4] -ThixoCasting

[5] -Near Net Shaping

[1] -Mechanical Stirring

[2] -ElectroMagnetic Stirring

[3] -Cooling Slope

[4] -Ultrasonic Treatment

[5] -Spray Deposition Process

[6] -SemiSolid Rheocast

[7] -New Rheocast

[1] -Lapping