مزایای استفاده از فرآیندهای نیمه جامد کاهش میزان تخلخلهای گازی و انقباضی و اصلاح ریزساختار است که بهبود خواص مکانیکی قطعه را بدنبال دارد. در این تحقیق از روش سطح شیبدار خنکشونده به منظور تولید شمشالهای اولیه استفاده شده است. هدف اصلی این مرحله تولید شمشالی با ریزساختار مطلوب از نظر کوچکترین اندازه دانه و بالاترین فاکتور شکل بوده که این امر از طریق ایجاد شرایط بارریزی کنترل شده و یکنواخت با قابلیت کنترل اتمسفر محقق گردید. در مرحله بعد با استفاده از شمشال به دست آمده و از طریق فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد، تولید قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62 بدلیل داشتن دیوارههای صاف و نازک صورت پذیرفت. هدف بخش دوم تولید قطعهای صنعتی نزدیک به شکل نهایی با استحکام مناسب بود. در این تحقیق تاثیر پارامترهای فرآیند سطح شیبدار شامل دما، طول و زاویه سطح شیبدار، دما و نرخ بارریزی به صورت جامع مورد بررسی قرار گرفت. برای اینکه بتوان اثر پارامترهای متقابل را مورد بررسی و تحلیل قرار داد از روش طراحی فاکتوریل استفاده شد. همچنین بررسی ارتباط بین پارامترهای فرآیند و عوامل موثر بر غیردندریتی شدن ریزساختار که شامل نرخ برش، مدت زمان اعمال آن و کسر جامد دوغاب میباشند، با استفاده از شبیهسازی اجزای محدود و از طریق نرمافزار Flow-3D بررسی گردید. در ضمن بدلیل اینکه آلومینیم فلزی است که بخصوص در حالت مذاب قابلیت واکنش شیمیایی و حلالیت فیزیکی با اجزای هوای محیط بخصوص اکسیژن و هیدروژن را دارد که منجر به ایجاد ترکیبات اکسیدی و تخلخل در شمشال میشود تاثیر کنترل اتمسفر توسط گاز آرگون مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله دوم نیز بعد از تولید قطعه سالم، تاثیر عوامل موثر نظیر دمای قطعه و قالب، مدت زمان نگهداری قطعه در دمای نیمهجامد، فشار اعمالی به قطعه و سرعت رام پرس بررسی گردید. برای داشتن تحلیل دقیقتر و برقراری روابط حاکم در تاثیر عوامل موثر با استفاده از نرمافزار Deform-3D، شبیهسازیهایی با شرایط حاکم انجام پذیرفت و با نتایج حاصل از آزمونهای آزمایشگاهی مقایسه گردید.
نتایج نشان داد که مطلوبترین نتیجه از نظر بالاترین درصد کرویت بیشترین مقدار سختی و کوچکترین اندازه دانه در نرخ بارریزی ml/s8، طول سطح mm400، زاویه سطح º40 و دمای بارریزی Cº625 بدست میآید. در این شرایط درصد کرویت و اندازه دانهها به ترتیب حدود 77% و µm76 و مقدار سختی حدود HB80 میشود. همچنین اثر متقابل پارامترها، تاثیر بیشتری را بر مقادیر خروجی نسبت به تاثیر هر پارامتر به صورت مجزا داشته که در این میان اثر متقابل پارامتر طول سطح شیبدار و نرخ بارریزی به میزان حدود 40% و اثر متقابل پارامترهای دمای بارریزی، طول سطح شیبدار و نرخ بارریزی به میزان حدود 17% دارای بیشترین تاثیر میباشند. در ضمن با بکارگیری اتمسفر محافظ بدلیل کاهش میزان ناخالصی و تخلخل در ریزساختار، شکلپذیری و استحکام آلیاژ به ترتیب 5/17% و 28% افزایش مییابد. مقایسه نتایج حاصل از آزمایشات تجربی با نتایج شبیهسازی نیز نشان میدهد که برای داشتن ریزساختار مناسب، در صورتی که کسرجامد دوغاب خروجی بین 30 تا 35 درصد باشد، باید نرخ برش و انرژی تلاطم را تا حد امکان بالا برد. در ضمن شبیهسازی انجام گرفته در بخش آهنگری نیمهجامد و ارائه پارامترهای وابسته به نرمافزار، به خوبی سیلان آلیاژ را در حالت نیمهجامد تقریب زده و تطابق خوبی را با نتایج حاصل از آزمونهای آزمایشگاهی نشان میدهد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش دمای قالب از °C25 به °C450، مقدار تناژ پرس 21% کاهش پیدا میکند. همچنین دمای قالب بالاتر باعث بروز ریزساختاری درشتتر و ناهمگن در آلیاژ میشود که این امر باعث کاهش تقریبی 13% سختی در نمونهها شده است. با افزایش دمای قطعه و مدت زمان نگهداری در آن دما، رشد دانهها به دلیل پدیده رایپنینگ اتفاق افتاد. نتایج نشان میدهد که اندازه دانهها برای مدت زمان نگهداری min 5، با افزایش دما از 570 به °C600 به میزان 5% و در دمای °C570 با افزایش زمان نگهداری از 5 به min 30 به میزان 74% افزایش مییابد.
واژههای کلیدی: شکلدهی نیمهجامد، طراحی آزمایشات، تست آزمایشگاهی، سطح شیبدار خنککننده، فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد
فهرست مطالب
1-1-1- روشهای توليد مخلوط مذاب و جامد. 3
1-1-2- فرآيندهاي توليد قطعه از مخلوط مذاب و جامد 5
1-1-3- مقایسه فرآیندهای رئوکستینگ با تیگسوکستینگ 7
1-1-4- سازوکارهاي حاكم بر تغييرات ساختاري در فرآيندهاي شكل‌دهي نيمهجامد. 8
1-1-4-1- نظریه تغییر شکل و تبلور مجدد بازوهاي دندریتی 8
1-1-4-2- ذوب ریشه بازوهاي دندریتی.. 9
1-1-4-3- سازوکار رشد کنترل شده. 9
1-1-4-4- سازوکار به هم پیوستن.. 9
1-1-5- پارامترهای موثر بر غیردندریتی شدن.. 10
1-2-2- مراحل مختلف طراحی آزمایش…. 11
1-2-3- انواع طرحهای آزمایشی.. 12
2- فصل دوم – پیشینه پژوهش…. 13
2-2- مروری بر پژوهشهای مبتنی بر ریختهگری روی سطح شیبدار 14
2-3- مروری بر پژوهشهای مبتنی بر عملیات حرارتی و گرمایش مجدد 20
2-4- مروری بر پژوهشهای مبتنی بر کدنویسی و شبیهسازی 24
2-5- مروری بر پژوهشهای مبتنی بر آهنگری شمش نیمهجامد 27
2-6- شرح مسئله و هدف از کار پژوهشی حاضر.. 33
3- فصل سوم – آزمایشات تجربی 36
3-2- تولید شمش نیمه جامد به روش سطح شیبدار.. 37
3-2-1- ماده اولیه مورد استفاده 37
3-2-2- اندازهگیری دماهای خطوط مذاب و جامد. 39
3-2-3- تجهیزات مورد استفاده 40
3-2-4- روش انجام آزمایش و پارامترهای مورد بررسی 42
3-3-1- معرفی قطعه و طراحی قالب… 44
3-3-2- شرایط دمایی حاکم و محاسبه میزان کسر جامد 45
3-3-3- روش انجام آهنگری و پارامترهای مورد بررسی 47
3-3-3-1- شکلدهی نمونههای سربی.. 48
3-3-3-2- شکلدهی نمونههای آلومینیمی.. 49
3-3-3-3- آزمون فشار و آزمون حلقه. 50
3-4- چگونگی اندازهگیری پارامترهای خروجی.. 51
3-4-2- محاسبه اندازه متوسط دانه و میزان کرویت 52
4- فصل چهارم – شبیه سازی اجزای محدود. 54
4-2- شبیهسازی اجزای محدود تولید شمش نیمه جامد. 55
4-2-2- معرفی مدل و چگونگی مشبندی… 57
4-2-3- تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات سیال 58
4-2-4- اعمال شرایط مرزی و اولیه. 59
4-3- شبیهسازی اجزای محدود فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد 60
4-3-3- تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات قطعه و قالب 61
4-3-5- شرايط مرزي و بارگذاري… 63
5-2- بررسی نتایج تولید شمش نیمهجامد. 66
5-2-1- بررسی مستقل پارامترها و مقایسه با نتایج شبیهسازی 66
5-2-1-1- اعتبارسنجی شبیهسازیها 66
5-2-1-2- اثر خنککنندگی سطح شيبدار. 68
5-2-1-4- اثر زاویه سطح شیبدار. 74
5-2-1-5- اثر طول سطح شیبدار. 79
5-2-2- بررسی مشخصات ساختاری نمونهها با استفاده از روش طراحی فاکتوریل.. 85
5-2-2-1- بررسی پارامترهای موثر روی درصد کرویت 87
5-2-2-2- بررسی کمترین قطر میانگین اندازه دانه 93
5-2-2-3- بررسی میزان سختی.. 97
5-2-3- مقایسه حالت بهینه ریختهگری در محیط خنثی و اتمسفر 102
5-2-3-1- بررسی میزان تخلخل.. 102
5-2-3-2- بررسی نمونهها با پراش تفرق اشعه ایکس (XRD) 106
5-2-3-3- بررسی نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) 107
5-2-3-4- بررسی خواص کششی.. 108
5-3- بررسی نتایج آهنگری شمش نیمهجامد قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62.. 108
5-3-1- اعتبارسنجی شبیهسازیها 108
5-3-2- بررسی تاثیر گرمایش مجدد روی نمونههای ریختهگری 109
5-3-3- بررسی تاثیر اصطکاک…. 111
5-3-4- تاثیر سرعت حرکت پرس (نرخ کرنش). 114
5-3-5- تاثیر دمای قالب و فشار پرس…. 116
5-3-6- اثر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری… 122
6- فصل ششم – نتیجه گیری و پیشنهادات… 128
فهرست اشکال
شکل 1‑1- مقایسهای بین آهنگری، ریختهگری و فرآیند نیمهجامد از نظر محدوده دمای کاری [2]. 2
شکل 1‑2- تصویر طرحوار روش سطح شیب دار خنک کننده [6]. 4
شکل 1‑3- تصویر طرحوار فرآیندهای ریختهگری و آهنگری با شمش نیمهجامد [7]. 6
شکل 1‑4- الف) حرارتدهی موفق ب) حرارتدهی ناموفق، ریزش مذاب و ایجاد پدیده پافيليشدن [7]. 7
شکل 1‑5- مقایسه انواع روشهای شکل دادن [8]. 8
شکل 2‑1- اثر زاویه بر (الف) قطر متوسط (ب) فاکتور شکل ذرات قبل و بعد از گرمایش مجدد[24]. 16
شکل 2‑2- سطح شیبدار ابداعی توسط بیرول[5]. 17
شکل 2‑4- تغییر ریزساختار در آلیاژ آلومینیم 6061Al در حالت الف) ریختگی و ب) نیمه جامد [27]. 18
شکل 2‑5- ریزساختار شمشهای ریختهگری شده در دماهای بارریزی و طولهای متفاوت در قالب سرامیکی[28]. 19
شکل 2‑6- ذرات فاز سیلیسیم يوتکتيک در ريزساختار آلياژ 319A بعد از انجام عمليات حرارتي[34]. 21
شکل 2‑7- ریز ساختار قطعه تولید شده از طریق همزن الکترومغناطیسی بعد از گرمایش مجدد[35]. 22
شکل 2‑8- ریزساختار مربوط به عملیات حرارتی (الف) T5 و (ب) T6 [41]. 23
شکل 2‑9- جدایش در مقیاس ماکرو با زاویه سطح °30 (الف) و °60 (ب). 26
شکل 2‑10- توزیع دمای دوغاب روی سطح با دو دمای بارریزی (الف) k 925 و (ب) k 955.. 27
شکل 2‑11- جدایش در مقیاس ماکرو با دو دمای بارریزی (الف) k 925 و (ب) k 955.. 27
شکل 2‑12- ریزساختار بعد از فرآیند حرارتدهی[52]. 28
شکل 3‑1- مراحل مختلف پژوهش…. 38
شکل 3‑2- دیاگرام تعادلی دوتایی آلومینیم سیلیسیم [69]. 39
شکل 3‑3- نمودار تغییرات دما بر حسب زمان (انجماد آلیاژ آلومینیم مورد مطالعه). 40
شکل 3‑4- نمودار دما-گرمای آلیاژ آلومینیم A356. 40
شکل 3‑5- نمایی از(الف) بوته و (ب) نگهدارنده طراحی و ساخته شده در این تحقیق. 41
شکل 3‑8- (الف) قالبهای فولادی مورد استفاده در این تحقیق، (ب) نقشه و ابعاد قالب فلزی… 43
شکل 3‑9- قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62.. 45
شکل 3‑10- نقشه ساده شده قطعه، ابعاد به میلیمتر.. 45
شکل 3‑11- نمودار تغییرات کسر جامد با کاهش دما برای آلیاژ آلومینیم 356A.. 46
شکل 3‑13- (الف) نمونه خام (ب) قطعات آهنگری شده 48
شکل 3‑14- قطعات آهنگری شده از نمونه سربی در دماهای مختلف… 49
شکل 3‑15- قطعههای دایکست و آهنگری شده از نمونه آلیاژها با ریزساختار دندریتی.. 49
شکل 3‑18- منحنیهای کالیبراسیون آلیاژ 356A برای دمای c°400 بر حسب فاکتور اصطکاک مختلف [69, 76]. 51
شکل 4‑1- نحوه شناسایی مدل هندسی توسط پیش‌پردازشگر نرمافزار Flow-3D [80]. 56
شکل 4‑2- تفاوت روش مشبندی در روش معمول اختلاف محدود (الف) و در روش چند بلوکی (ب) [80]. 57
شکل 4‑3- مدل سطح شیبدار و قالب در Catia (الف) و در Flow-3D به همراه مش (ب). 58
شکل 4‑4- render کردن با مش با اندازه شبکه نسبتاً درشت(الف) و با اندازه شبکه نسبتاً ریز (ب). 58
شکل 4‑5- شماتیک شرایط مرزی در نظر گرفته شده برای شبیهسازی… 60
شکل 4‑6- (الف) مجموعه قالب و قطعه (ب) ابعاد و شکل بیلت… 61
شکل 4‑7- مراحل انجام فرآیند شبیهسازی و آزمایشگاهی، مقادیر بر حسب درصد اتمام عملیات… 62
شکل 4‑8- نحوه المان بندی قطعه در مراحل مختلف تولید بر حسب درصد اتمام کار.. 63
شکل 5‑3- مقایسه نتایج مقاله کاند و دوتا با نتایج حاصل از این پژوهش…. 68
شکل 5‑9- نرخ برش در لحظات اولیه برخورد با سطح شیبدار (واحد نمودار بر ثانیه میباشد). 72
شکل 5‑13- کسر جامد دوغاب خروجی در زمانهای 2 و 5 ثانیه برای دماهای بارریزی مختلف… 73
شکل 5‑15- تاثير زاویه سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، طول mm400.. 74
شکل 5‑17- نرخ برش در زاویههای مختلف سطح شیبدار، طول mm 400.. 76
شکل 5‑18- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویههای مختلف، طول mm 400.. 76
شکل 5‑19- کسر جامد دوغاب در زاویههای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در طول mm 400.. 76
شکل 5‑21- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویههای مختلف، طول mm 600.. 77
شکل 5‑22- کسر جامد دوغاب در زاویههای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در طول mm 600.. 78
شکل 5‑23- دوغاب منجمد شده روی سطح شیبدار با دمای بارریزی C°650 و طول mm 600 و زاویه °40.. 78
شکل 5‑24- انرژی اغتشاش در زاویههای (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار 1-j.kg). 79
شکل 5‑26- تاثير طول سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، زاویه º40.. 80
شکل 5‑27- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه º40.. 81
شکل 5‑28- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه º40.. 81
شکل 5‑29- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه º50.. 81
شکل 5‑30- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه º50.. 82
شکل 5‑34- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح در نرخهای مختلف بارریزی برای طولهای 400 و mm 600.. 84
شکل 5‑38- نمودار نرمال عوامل موثر روی میزان درصد کرویت. 88
شکل 5‑39- تاثیر عامل واکنش همزمان V.L روی میزان درصد کرویت. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625). 89
شکل 5‑41- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر میزان درصد کرویت. (زاویه: °60). 90
شکل 5‑43-نمودار میزان کرویت پیش بینی شده بر حسب کرویت واقعی. 92
شکل 5‑44-نمودار نرمال عوامل باقیمانده در مدل بیشینه کرویت. 92
شکل 5‑45-مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین درصد کرویت. 92
شکل 5‑46- نمودار نرمال عوامل موثر در کمترین قطر میانگین دانهها. 93
شکل 5‑48- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر اندازه دانهها. (زاویه: °60). 95
شکل 5‑50- نمودار میزان قطر میانگین دانهها پیش بینی شده بر حسب قطر میانگین دانهها واقعی. 97
شکل 5‑51- مقادیر نهایی جهت دستیابی به کمترین مقدار قطر میانگین دانهها. 97
شکل 5‑52- نمودار نرمال عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی. 98
شکل 5‑54- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L روی مقدار سختی. (زاویه: °40). 100
شکل 5‑55- مقدار سختی پیشبینی شده بر حسب سختی واقعی. 101
شکل 5‑56- مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین سختی. 101
شکل 5‑57- مقادیر نهایی جهت رسیدن به بهترین حالت ممکن. 101
شکل 5‑59- نحوه اندازهگیری بخشهای مختلف قطعه در روش آلتراسونیک. 105
شکل 5‑61- میانگین مقادیر بدست آمده در تست آلتراسونیک. 105
شکل 5‑63- آنالیز سطح نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی به همراه نتیجه آنالیز EDX. 107
شکل 5‑65- نمونه مورد بررسی در کار کنگ و همکاران [87]. 109
شکل 5‑66- مقایسه نتایج حاصل از کار کنگ با این پژوهش…. 109
شکل 5‑69- تغییرات مقدار اندازه دانه و فاکتور شکل بر اثر اعمال فرآیند گرمایش مجدد. 111
شکل 5‑70- تاثیر اصطکاک بر روی دمای قطعه و قالب – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s250.. 112
شکل 5‑72- رابطه تناژ پرس با اصطکاک – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 113
شکل 5‑73- تاثیر اصطکاک بر رویهم افتادگی لبهها – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20.. 113
شکل 5‑74- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس بر حسب درصد اتمام فرآیند، (واحد mm/s). 115
شکل 5‑75- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس، دمای قالب °c400.. 115
شکل 5‑76- تاثیر نرخ کرنش بر روی دمای قطعهکار (الف) mm/s 20 (ب) mm/s 300.. 115
شکل 5‑77- تاثیر نرخ کرنش بر روی تنش های وارده بر قطعهکار (الف) mm/s 20 (ب) mm/s 30.. 116
شکل 5‑78-تاثیر نرخ کرنش روی بیشینه و کمینه دمای قطعهکار، دمای اولیه قطعه کار °C590.. 116
شکل 5‑79- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در حین فرایند (نتایج شبیهسازی). 117
شکل 5‑80- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در لحظه 80% از اتمام فرآیند. 117
شکل 5‑81- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکلدهی در فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد. 117
شکل 5‑82- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکلدهی بر حسب درصد اتمام کار.. 118
شکل 5‑85- اثر تغییرات دمای قالب بر روی بیشینه چگالی المان.. 120
شکل 5‑86- تاثیر دمای قالب بر روی سختی در نواحی مختلف نمونهها 121
شکل 5‑87- تاثیر دمای قالب بر روی تنشهای وارده بر قطعه، دمای قطعه °C580.. 121
شکل 5‑88- تاثیر دمای قالب بر روی تنشهای وارده بر قطعه. 121
شکل 5‑89- تاثیر دما بر روی تنش وارده بر قطعه، (الف) °C570 (ب) °C580 (ج) °C590.. 123
شکل 5‑90- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400.. 123
شکل 5‑91- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400.. 124
شکل 5‑92- تاثیر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری بر ریزساختار.. 125
شکل 5‑93- تغییرات اندازه دانه با تغییرات دما و زمان نگهداری، دمای قالب °C400.. 126
شکل 5‑94- تاثیر دمای نمونه روی سختی در مناطق مختلف، زمان نگهداری قطعه: min10.. 127
فهرست جداول
جدول 2‑1- کسر جامد در زوایای مختلف سطح شیبدار.. 26
جدول 2‑2- خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیم 356A در فرآیندهای مختلف [67]. 33
جدول 3‑1- درصد عناصر تشکيل دهنده آلياژ A356. 37
جدول 3‑2- پارامترهای مورد بررسی فرآیند ریختهگری بر روی سطح شیبدار.. 42
جدول 3‑3- عوامل موثر بر فرآیند سطح شیب دار خنک کننده و سطوح آنها. 44
جدول 3‑4-درصد کسر جامد نسبت به دما 46
جدول 3‑5- پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق.. 48
جدول 3‑6- ضریب اصطکاکی به دست آمده از آزمونها 51
جدول 4‑1- مشخصات ماده و دیگر پارامترها 59
جدول 5‑1- لیست عوامل موثر بر کرویت. 87
جدول 5‑2- لیست عوامل موثر بر مدل کمترین قطر میانگین دانهها. 93
جدول 5‑3- لیست عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی. 98
جدول 5‑4- واکنشهای منجر به تشکیل ترکیبات غیرفلزی آلومینیم و تخلخل در نمونه. 102
جدول 5‑5- ارتباط درجه حرارت آب با چگالی آن [86]. 103
جدول 5‑6- اثر فشار اعمالی بر روی اندازه دانه و فاکتور شکل ذرات α اولیه. 120
1- فصل اول |
| اصول و کلیات |
1-1- مقدمه
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].
به عنوان یک تعریف ساده، ریزساختار نیمهجامد شامل فازهای جامد اولیهای است که دارای مورفولوژی غیردندریتی و تقریباً کروی بوده و توسط زمینه یوتکتیکی احاطه شده است [2]. از ویژگیهای مهم فرآيندهاي شكل‌دهي فلزات در حالت نيمهجامد مي‌توان به تخلخل كمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات با اشکال پیچیده اشاره کرد. همانطور که در شکل 1‑1 نشان داده شدهاست، این فرآیند از دیدگاه محدوده دمای کاری در حد میانی دو فرآیند ریختهگری و آهنگری قرار دارد. به بیان دیگر، دمای کاری در این فرآیند پایینتر از ریختهگری و بالاتر از آهنگری است.
شکل 1‑1- مقایسهای بین آهنگری، ریختهگری و فرآیند نیمهجامد از نظر محدوده دمای کاری [2].
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 تشکيل شاخههايي از فلز جامد در زمينهاي از فلز مذاب موسوم به دندریت. اين شاخهها باعث بالا رفتن گرانروي مذاب شده و مانع تغذيه و پر شدن حفرهها ميشود.
هر دو عامل فوق باعث پايين آمدن كيفيت قطعه توليدي میشود.
آهنگری هم دارای محدودیتهایی به شرح زیر است [3]:
1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده
2-رویهم افتادگی[3] 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 مفيدي که از خود نشان دادهاند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].
1-1-1- روشهای توليد مخلوط مذاب و جامد
ماده اولیه ورودی فرآیند و روش تهیه آن و نیز چگونگی شکلدهی این مواد، مهمترین مشخصههای کلیدي به منظور شناخت روشهای نیمهجامد هستند. در این فرآیندها، مخلوطی متشکل از ذرات جامد غیردندریتی پخش شده در فاز مذاب فلزي به عنوان ماده شروع کننده فرآیند مورد استفاده قرار میگیرد.
به طور کلی روشهای تولید دوغاب نیمهجامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیمبندی میشوند. روشهای همزدن مکانیکی[4]، همزدن مغناطیسی[5]، سطح شیبدار[6]، عملیات فراصوتی[7]، غلتک سرد کننده و گلولههای نسوز را میتوان از انواع روشهای تلاطمی برشمرد. روشهای اسپری کردن[8]، رئوکست نیمهجامد[9] و رئوکست جدید[10] 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 شيبدار خنككننده يكي از ساده‌ترين و در عين حال جالبترين روشهاي ابداعي برای توليد مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضيح در مورد اين روش به اين دليل كه دقيقاً مفهوم سرعت تغيير شكل زاويه‌اي (نرخ برش) و نيز مفهوم قانون لزجت نيوتن را در خود جاي داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روشهاي جدید تولید قطعات از طریق فرآیند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمشهاي تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].
شکل 1‑2 تصویر طرحوار این روش را نشان میدهد. ریختهگری سطح شيبدار شامل ذوب کردن آلياژ در يك كوره مناسب نظیر کوره القايي و سپس سرد کردن آهسته آن تا دماي 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 بوسيله گردش آب در قسمت زيرين آن، خنك ميشود. توجه به اين مورد ضروری است كه جريان بارریزی بايد آرام باشد تا موجب لغزش لایههای آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابي كه به انتهاي سطح شيبدار مي‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی مي‌باشد [5].
شکل 1‑2- تصویر طرحوار روش سطح شیب دار خنک کننده [6].
در روش سطح شيبدار خنككننده، تنش برشی بر اثر شيب سطح و نيروي وزن سیال تامين ميشود. با تداوم اعمال تنش برشي، شاخه‌هاي بوجود آمده در مذاب نيمهجامد شكسته میشود و به تدريج كروي شكل مي‌گردد. زاویه و طول سطح شیبدار، دماي بارریزي، 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 روي سطح بیشتر میشود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاري با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواختتر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیبدار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، براي 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. دماي بارریزي نیز داراي یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیبدار و نیز قدرت خنککنندگی سطح تغییر میکند [6].
[1] -Dendritic
[2] -Slurry
[3] -Lapping
[4] -Mechanical Stirring
[5] -ElectroMagnetic Stirring
[6] -Cooling Slope
[7] -Ultrasonic Treatment
[8] -Spray Deposition Process
[9] -SemiSolid Rheocast
[10] -New Rheocast