M a n u f a c t u r e

مکانیک ، ساخت و تولید ، فرآیندهای تولید ، طراحی صنعتی

روش های ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی

برخی از زمینه ها و ذرات مورد استفاده در ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی حاوی ذرات

 

زمینه

ذرات

اندازه ذرات ،میکرون

مقدار ذرات، %

آلومینیوم

گرافیت کروی

20-60

0.9-0.815

آلومینیوم

گرافیت دانه ای

15-1000

8-1

آلومینیوم

میکرو بالن های کربن

40 با ضخامت 1-2

...

آلومینیوم

زغال

125

15

آلومینیوم

ذرات آلومینا

3-200

3-30

آلومینیوم

الیاف کوتاه آلومینا

15

تا23

آلومینیوم

ذرات کاربید سیلیسیم

16-120

3-20

             

پاره ای از کاربردهای بالقوه کامپوزیت های تقویت شده با ذرات

کامپوزیت

کاربرد ها

ویژگی ها

آلومینیوم -گرافیت

یاتاقان ها

ارزان سبک،خود روانکار موجب صرفه جویی در مصرف مس ، روی ، قلع، سرب

آلومینیوم –گرافیت

آلومینیومآلومینای α

آلومینیوم-آلومینا- کاربید سیلیسیم

پیستون اتومبیل، جداره سیلندر ها ، رینگ پیستون ، شاتون

مقاوم به سایش ، سبک آسیب ناپذیر در هنگام استارت سرد ، موجب صرفه جویی در مصرف سوخت و راندمان بالا

مس- گرافیت

اتصالات الکتریکی

دارای هدایت الکتریکی بالا و مقاومت به چسبندگی سطوح

آلومینیوم- کاربید سیلیسیم

پروانه توربو و شارژرها

مقاومت در دمای بالا

آلومینیوم- شیشه

. . . .

مقاوم ، سبک وارزان 

آلومینیوم- سیلیکات زیرکونیوم

آلومینیوم- کاربید سیلیسیم

آلومینیوم- سیلیس

تیغه های برش و پروانه ها

مواد ساخت و مقاوم به سایش

آلومینیوم- خاک رس

. . . .

مواد ارزان قیمت

 

 

انواع کامپوزیت ها :

کامپوزیت های زمینه فلزی (MMC) : مجموعه ای است از زمینه آلیاژ فلزی نرم و افزودنی استحکام بخش ( که معمولاً ماده ای سرامیکی است ) و برای تامین استحکام و سختی مناسب تهیه می شود .

هدف از ساخت کامپوزیت های MMC :

بهبود استحکام در دمای بالا ، بهبود مدول (یا سختی ) ، امکان کاهش وزن بابالا بردن استحکام به وزن ف بهبود مقاومت سایش،کاهش ضریب انبساط حرارتی .

کامپوزیت های با زمینه آلیاژ های آلومنیوم مورد توجه غالب برنامه های تحقیق و توسعه و کاربرد های تجاری است.

مواد استحکام بخش در کامپوزیت های Al :

آلومینا ، آلومینو سیلیکات ، کاربید سیلیسیم ، گرافیت .

مواد استحکام بخش به صورت های مختلفی به کار میروند که عبارتند از :

الف) الیاف:          1. پیوسته      2. تکه تکه

ب) ذرات                          ج) وسیکرز ها

تاریخچه تولید کامپوزیت های زمینه فلزی :

در گذشته اجزای غیر فلزی (سرامیکی) داخل فلزات یا آلیاژ ها را به عنوان عواملی که باعث تخریب خواص مکانیکی از جمله استحکام و انعطاف پذیری 

 میشوند ، می دانستند .

در اواسط دهه 60 پودر گرافیت پوشش شده با نیکل را به وسیله جریان گاز آرگون در مذاب از آلیاژ آلومینیوم واردکردند. این سر آغاز تولید و بررسی کامپوزیت های زمینه فلزی بود و تحت نام MMPC معرفی شد.

در سال 1968 در انجمن تکنولوژی هندوستان در کنپور ، شخصی به وسیله روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومین به آلومینیوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن کامپوزیت های آلومینیوم – آلومین گردید این اختراع به نام ریختگری به روش به هم زنی نامیده شد .

 

 

 

 

 

       روش پراکنده سازی :

1.  ریختگری بهم زنی

2.  روش کمپو کستینگ

3.  روش الکترود پیچشی

        روش ریختگری بهم زنی :

در این روش آلیاژ کاملاً به صورت مذاب بوده و عامل تر کننده و ذرات داخل آن به هم زده میشوند . عمل به هم زدن به صور مختلف میتواند انجام شود که از آن جمله می توان به هم زدن با جریان های مغناطیسی را نام برد .عامل تر کننده وقتی که آلیاژ قابلیت تر کنندگی ذرات را به طور ذاتی داشت باشد یا ذرات دارای پوششهایی که توانایی تر شدن را دارند نیاز نمی باشد .

عوامل مهم در این روش :

حالت به هم زدن ، ابعاد به هم زدن ، سرعت به هم زدن

        روش کمپو کستینگ:

در روش کمپوکستینگ آلیاژ در حالت شبه جامد میباشد ، به این شکل که

آلیاژ را در دمایی کمتر از حد مایع به شدت به هم زده میشود .در نتیجه مذابی دوغابی شکل حاصل میشود که در آن فاز جامد دارای شکل غیر دندریتی یا مدور است و شکل دادن آن توسط ریختگری و ترجیحاً با اعمال فشار جهت سیلان مذا ب ویسکوز امکان پذیر است.

  ادعا شده است که روش مخلوط کردن مواد افزودنی به آلیاژ نیمه جامد دارای مزایای ناشی از گیر افتادن مواد استحکام بخش در میان آلیاژ یا فلز جامد شده جلوگیری از الگومراسیون ته نشین یا شناوری آن ها می شود

        روش اکسترود پیچی

در این روش از یک اکسترودپیچ که معمولا برای تولید پولیمر بکار می رود استفاده می شود.

این روش معمولا برای تلفیق و مخلوط کردن کامپوزیت های با پایه آلیاژ منیزیم بکار گرفته می شودفرآیند عمل به این شکل است که منیزیم ورقه ای و پودر استحکام بخش را از طریق دهانه دستگاه به داخل آن تزریق می کنند. در دمای 580 درجه ذرات منیزیم به صورت یک مخلوط دوغابی درآمده و از داخل غالب مربوطه ای که در انتهای پیچ قرار دارد عبور می کند و از انتهای سیستم یک میله ریخته گری شده کامپوزیت خارج می شود.

  این روش می تواند  برای تولید کامپوزیت های آلومینیوم نیز بکار رود. فقط می باید المان های گرمایی دستگاه را برای دمای بالاتر طراحی نمود متغیر های  این سیستم عبارت اند از:

1.  سرعت چرخش پیچ

2.  درجه حرارت میله خروجی از غالب

روش های اشباع سازی با فلز مذاب :

ریخته گری ضربه ای

ریخته گری نفوذ دهی فشاری

روش لانگساید

  در کامپوزیت های ریختگی که با روش اشباع با فلز مذاب تهیه می شوند مواد استحکام بخش توزیع کاملا یکسانی در داخل مذاب دارند. در این روش ها  مواد استحکام بخش ذره ای بسیار مناسب هستند. همچنین در این روش ها ویسکرزها و درصد های کمی از الیاف های کوتاه مورد استفاده قرار می گیرند اما برای توزیع الیاف طویل و پیوسته نا مناسب هستند

 

1.  ریخته گری ضربه ای

در روش ریخته گری ضربه ای مواد استحکام بخش شکل یافته و یا شکل نیافته را به وسیله آلیاژ مذاب تحت یک پرس هیدرولیک اشباع می کنند.

 

2.  ریخته گری نفوذ دهی فشاری

در این روش مواد شکل یافته می توانند پیش گرم و یا بدون پیش گرم به کار برده شوند که در حالت دوم مواد شکل یافته به وسیله گرمای ناشی از مذاب پیش گرم می شوند. متغیر های این سیستم مشابه روش ریخته گری ضربه ای است

 

3.   فرآیند لانگ  ساید

در فرآیند لانگ ساید مواد استحکام بخش به صورت مواد شکل یافته و یا بستری از ذرات پراکنده شونده بر روی شمش آلیاژی در درجه حرارت های بالاتر از درجه حرارت ذوب آلیاژ و تحت یک اتمسفر کنترل شده معمولا نیتروژن به همان صورتی که در شکل می بینید به کار برده می شوند .

 

  از آن جایی که نفوذ دهی تقریبا به صورت خود به خودی و بدون اعمال فشار خارجی می باشد بنابراین تر شوندگی در این روش از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است  متغیر های این سیستم عبارت است از درجه حرارت نفوذ دهی ابعاد و دانه بندی ذرات ترکیب شیمیایی آلیاژ طبیعت اتمسفر به کار رفتنی.

 

 فرآیند های پاششی

1.  روش رسوب پاشی

2.  روش انجماد سریع

1.  روش رسوب پاشی

در روش رسوب پاشی جریان فلز مذاب با چت گاز خنثی سرد ، که با سرعت زیاد عبور میکند برخورد کرده و از میان تفنگ اسپری کننده عبور میکند وبا پاشش مواد انتشاری مخلوط شده و روی سطح مورد نظر مینشیند    

        مزایای روش :

به دلیل سرعت عمل ، واکنش مواد انتشاری و مذاب کم است .

تولید بالا

اگر کنترل مناسب روی فرآیند اعمال شود عمل پاشیدن می تواند روی زمینه هایی با اشکال مختلف همچون اشکال لوله ای و پلیت انجام میشود .

        متغیر های این سیستم عبارت است از:

1.  درجه حرارت آلیاژ

2.  درجه حرارت زمینه

2.  روش انجماد سریع :

تولید کامپوزیت ها به روش انجماد سریع بدین شکل است که از مخلوط دوغابی شکل آلیاژ مذاب سرامیک که از قبل آماده شده است ، جریان دوغابی تحت فشار خارج شده است و بر روی غلتک مسی که به وسیله آب خنک می شود پاشیده میشود و در نتیجه پودر هایی سوزنی شکل تولید می شود که دارای طول 6-8 mm و عرض 0.5-0.7mm و ضخامت 40-60 میکرون است .

  دو پارامتر بحرانی که روی جریان موثر میباشد عبارتند از سرعت سرد کنندگی غلتک مسی و مقدار موادی که روی آن ریخته میشود نمی تواند مدت زمان زیادی روی آن باقی بماند و در نهایت نمی تواند ضخیم شود و طول سوزن های تولیدی به اندازه زیادی بلند گردد. از طرف دیگر اگر غلتک به آرامی چرخش کند باعث تولید سوزن های ضخیم می شود که برای پروسس بعدی آن غیر قابل قبول می باشد .

  بعد از تولید سوزن ها ، آ؛نها را به صورت بیلت درآورده یا مستقیماً استفاده میشود که در حالت دوم برای تولید کامپوزیت های متراکم با مواد افزودنی مناسب بکار برده می شود .

        تولید انتشاری مواد استحکام بخش

تولید انتشاری مواد استحکام بخش بهاین مفهوم میباشد که به وسیله عناصر موجود در آلیاژ زمینه و مواد یا عناصر دیگر ی که به زمینه اضافه میشود ، در حالت مذاب یا جامد باعث تولید یک سری فازهای ثانویه شویم ، که این فازها موجبات استحکام زمینه را فراهم میکنند .

  این فاز های ثانویه انتشار یافته دارای ترکیباتی به فرم TiC  ، TiB2 ، TiN  NbB2 و ... هستند . این اجزای انتشاری در اثر دیفیزیون اجزاء آنها در زمینه به سمت هم تماس برقرار کردن و واکنش نمودن در دماهای بالا بوجود می آیند که می تواند در حالت جامد یا مذاب باشد .

1.  واکنش شیمیایی در آلیاژ مذاب :

در این حالت عمل تولید انتشاری مواد استحکام بخش در حالت مذاب انجام می شود . معمولاً در آلیاژ های با پایه آلومینیوم ، مس یا ترکیبات بین فلزی همچون آلومینا می باشد . که یکی از اجزای واکنش به صورت محلول در مذاب و جزء دیگر را معمولاً به طور مداوم یا به صورت پودر به داخل مذاب می افزایند .

s  یک مثال نوعی آن تشکیل تقویت کننده های TiC در مذاب چدن میباشد که به وسیله افزودن تیتانیوم یا فرو تیتانیوم به مذاب چدن عملی می شود .

s        روش XD :

در روش XD مخلوط آلیاژ زمینه واکنش کننده ها در حالت جامد حرارت داده شده و مخلوط فوق واکنش خود رواجی انجام میدهد زیرا که واکنش های خود رواجی گرمازا بوده و باعث انجام شدن و اشاعه خودشان و دیگر محل های مساعد برای انجام واکنش می شوند .

s  نتیجه این فرآیند تولید ذرات تقویت کننده و در زمینه انتشار یافته ای است که خیلی ریز وغیر قابل دید با میکروسکوپ نوری است .

s  گرمای تولیدی ناشی از انجام واکنش ها باعث می شود که حوضچه هایی از مذاب در داخل زمینه بوجود می آید و این موضوع باعث می شود که عوامل واکنش کننده در این مذاب ها دارای سرعت دیفیزیون بیشتری بوده و این خود کمک به هر چه بهتر انجام شدن واکنش و رسیدن هر چه بهتر عوامل واکنش کننده به هم و افزایش سرعت انجام واکنش میگردد .

  با افزایش دیفیزیون عوامل واکنش کننده موجب تشکیل ذره های درشت و خشن تری می شوند و اندازه های آنها درشت تر و فاصله آنها نیز از هم بیشتر شده و در نهایت باعث کاهش استحکام و تنش تسلیم میشود .
امکان تولید کامپوزیت به روش ریخته گری فومی

 

        روش ریختگری فومی یکی از روشهای ریختگری است که حدوداَ از سال 1950 برای تولید قطعات بزرگ  صنعتی و یا تولید انبوه قطعات کوچک و متوسط به کار گرفته شده است

    یکی از امکانات این روش ، امکان قرار دادن الیاف یا ذره در داخل فوم یا مغزه گذاری (Coring) و سپس انجام عملیات ریخته گری است.

    به این ترتیب امکان تولید قطعات کامپوزیتی با خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب وجود داشته و باعث گسترده شدن دایره کاربرد این روش می شود

  با افزایش قطر سیم مسی درصد مس در آلیاژ بالا رفته و مقدار ترکیبات بین فلزی افزایش می یابد .

  وجود سیم مسی به علت خاصیت تبریدی و نیز انحلال مس در آلیاژ باعث ریز شدن دندریت ها ، ترکیبات بین فلزی و ساختار آلیاژ میشود .

 

 

+ نوشته شده در  یکشنبه یکم آبان 1390ساعت 22:53  توسط مسعود سعیدی  |