اكستروژن (آلیاژها)

دو مكانیزم اصلی برای اكستروژن وجود دارد : مستقیم و معكوس شكل1  در اكستروژن مستقیم ، سنبه قطعه كار را فشار می دهد و با عبور قطعه كار از قالب، سطح مقطع آن كاهش می یابد . در اكستروژن معكوس قطعه كار نسبت به مخزن اكستروژن ثابت می ماند و اصطكاكی بین قطعه كار و محفظه اكستروژن وجود ندارد . از هردو روش می توان برای اكستروژن پودر فلزات استفاده كرد . اكستروژن پودر روشی برای تولید مقاطعی است كه از سایر روشها نمی توان بدست آورد . ساخت لوله های بی درز ، سیمها و مقاطع پیچیده با اكستروژن پودر معمول است . اكستروژن پودر یك فرایند پرهزینه است اما همگن بودن محصول و یكسان بودن فرایند برای ساخت محصول در بسیاری موارد آن را یك شیوه مطلوب تولید نموده است . اكستروژن پودر می تواند موجب بهبود خواص مكانیكی آلیاژها در مقایسه با محصولات با تركیب مشابه كه با سایر روشها بدست آمده اند گردد . به عنوان مثال این امر درتولید آلیاژهای Al-Si-X دیده شده است . [6] . البته اكستروژن پودر می تواند بعنوان مرحله اولیه تولید قطعه درنظر گرفته شود و بعد از این مرحله روی قطعات ، دیگر فرآیندهای شكل دهی اعمال گردد . مثلا در یكی از تحقیقات انجام شده كامپیوزیت Al6061 تقویت شده با SiC را با اكستروژن پودر تهیه كردند و بعد به وسیله نورد آن را به شكل موردنظر در آورند و با انجام عملیات حرارتی مختلف خواص محصول را بررسی نمودند [7] .

یكی از آلیاژهایی كه اخیرا به كمك متالوژی پودر تهیه می شوند و به شدت موردتوجه می باشند آلیاژها زمینه آلومینیومی هستند . البته دیگر فلزات مانند فولادهای ابزاری ، سوپر آلیاژها ، تیتانیوم ، مس ، … و آلیاژهای آنها نیز با این روش شكل داده می شوند كه در ابزارسازی و هوا فضا قابل استفاده است .

تغییرشكل برشی همراه با فشار منجر به شكست لایه های اكسیدی وسایر فیلم روی سطح ذرات شده و موجب پیوندهای مناسب بین ذرات خواهد شد . بدین دلیل اكستروژن پودرهای آلومینیوم كه دارای لایه های اكسیدی زیادی است یك كار مفیدی است . تحقیقات روی مواد با خواص بهبود یافته و قابل استفاده در دماهای بالا یكی دیگر از توانایی های اكستروژن پودر محسوب می شود . سیستم های فلزی همراه با فازهای پراكنده غیرفلزی شامل اكسیدها و كاربیدها و نیتریدها و یا فازهای بین فلزی از آن جمله اند . از اكستروژن پودر می توان برای تولید ماكروكامپوزیت ها و میكوركامپوزیت ها استفاده نمود جزء تقویت كننده هم می تواند حین فرآیند و توسط واكنش های متالوژیكی بوجود آید و یا اینكه به عنوان یك جزء جداگانه به مخلوط پودر اضافه شود . كامپوزیت های تقویت شده با ذرات خاص به علت استحكام ، مدول ویژه بالا ، مقاومت به سایش بهتر و پایداری حرارتی انگیزه زیادی برای توسعه و ساخت دارند . آنها را می توان از طریق ریخته گری یا متالوژی پودر تهیه نمود . روش ریخته گری یك روش ساخت نسبتا كم هزینه است اما در عین حال در این روش بین زمینه فلزی و عامل تقویت كننده واكنش دیده می شود كه تا حد زیادی خواص كامپوزیت را تحت تأثیر خود قرار می دهد . استفاده از متالوژی پودر اگر چه پرهزینه تر است ولی بهبود دهنده خواص مكانیكی است [8] . علاوه بر كامپوزیت ها همراه با خواص خوب و كاربردهایشان یكدسته دیگر از موادی كه می توانند تحت اكستروژن پودر قرارگیرند آلیاژهای بین فلزی اند . در گروه آلیاژهای زمینه آلومینیوم مهمترین آنها ، آلیاژ Al-Ti كه به دلیل ویژگیهای خاصی كه دارد به شدت موردتوجه است . درقسمتهای بعدی در این مورد بیشتر صحبت خواهد شد .

تئوری :

اكستروژن پودرفلزات یك موقعیت ویژه در تكنولوژی اكستروژن بدست آورده است كه به دلایل زیر است :

- امكان شكل دادن به وسیله اكستروژن پودر موادی كه ریخته گری یا كارپذیری آنها مشكل است .

- بهبود خواص و كاركرد به خاطر تصحیح ریزساختار و كمترین جدایش در فرآیندهای پودری .

- كاهش فشار اكستروژن و محدوده وسیعتر دمای كاری و سرعت سنبه نسبت به قطعات ریخته شده .

- توزیع یك نوع از ذرات درنوع دیگر به طریق مخلوط كردن پودرها .

- قابلیت ایجاد ساختارهای كار شده از پودرها بدون نیاز به سینتر شدن یا سایر عملیات حرارتی .

روشهای مختلفی برای اكستروژن پودر وجود دارد .

 در روش اول پودرخام بدون پیش گرم داخل مخزن اكستروژن می ریزند اندازه ذرات معمولا بزرگ است . این پروسه برای اكسترود كردن بیلتهای پودر آلیاژهای منگنز با اندازه دانه 70m  تا 450m انجام گرفته است . مخزن اكستروژن گرمای موردنیاز بیلتها را تهیه كرده و اكستروژن در اتسمفر محافظت شده انجام می گیرد . روش دوم بیشتر برای اكستروژن بیلتهای متراكم استفاده می شود ، پیش تراكم در این روش مفید است ، زیرا كنترل شكل اصلی قطعه راحت تر است و فشردگی قطعه بیشتر می شود و برای اكستروژن بیلتهای تهیه شده از پودر آلومینیوم استفاده می گردد . پودر به صورت سرد متراكم می شود و سپس مانند بیلتهای ریخته شده آلومینیومی اكسترود می شود چگالی بیشتر قطعه سرعت حركت سنبه را كاهش می دهد و طول موردنیاز مخزن اكستروژن برای اكسترود كردن یك طول مشخص را كاهش می دهد . در این روش از پودری كه فشرده شده است استفاده می كنند . ذرات این نوع از پودرها بصورت خشن و دندانه دار با سطح ناهموار و یا بصورت پولكی (flake) هستند .

در اغلب كاربردهای اكستروژن گرم پودر فلزات روش سوم اعمال می شود. پودر در ابتدا در داخل كپسول یا قوطی فلزی (can) ریخته می شود و مقداری فشرده   می شود این قوطی ممكن است كه در خلاء بسته شود. و یا ممكن است كه از یك جهت در معرض اتمسفر باشد . بعد از اینكه پودرها در داخل قوطی ریخته شد گرم می شود و سپس همراه با قوطی اكسترود می گردد . زمانی خلوص پودر می تواند باقی بماند كه پودر را درون قوطی قرار دهیم و ایجاد خلاء كنیم و قوطی را ببندیم كه مرحله اولیه است . پیش تراكم سازی پودرها می تواند دانستیه آنها را از 30 تا 50درصد دانستیه تئوری به 70 تا 95درصد دانستیه تئوری برساند . گاهی اوقات برای افزایش مقاومت بیلت ممكن است حتی آن را سینتر هم بكنند .

مزایای استفاده از قوطی در روش سوم :

- جداسازی ماده اصلی از اتمسفر و مواد روانكار .

- جداسازی موادسمی مثل بریلیم و اورانیوم برای حمل و نقل ایمن .

- كپسوله كردن پودرهای كروی و سایر پودرهایی كه فشرده كردن آنها برای به شكل بیلت در آوردن مشكل است .

- بهبود حركت و سیلان فلز برای عبور از فصل مشترك قالب با انتخاب صحیح ماده قوطی .

- جداسازی مواد اصلی از قالب اكستروژن و ناحیه برشی شدید كه برای مواد با انعطاف پذیری كم حائظ اهمیت است .

در ابتدا فشار بصورت خطی با حركت نسبه افزایش می یابد تا بیلت كاملا مخزن اكستروژن را پر كند . به محض اینكه قطعه كاملا شروع به سیلان از داخل قالب نمود فشار به ماكزیمم خود می رسد كه به عنوان فشار عبور از قالب (break trough) شناخته می شود . در اكستروژن معكوس با جلو رفتن سنبه فشار اكستروژن به یك حالت پایدار می رسد . در اكستروژن مستقیم فشار به طور پیوست كاهش می یابد كه بعلت كاهش اصطحكاك بین بیلت و مخزن اكستروژن بدلیل كاهش سطح تماس بین آنهاست . ثابت بودن فشار در اكستروژن معكوس به این دلیل است كه هیچ حركت نسبی و درنتیجه هیچ اصطحكاكی بین بیلت و مخزن اكستروژن وجود ندارد . افزایش ناگهانی فشار پایانی نیز به علت مقاومت فرآینده سیلان بیلت باقیمانده و شروع مرحله دوم اكستروژن است . این تأثیر ممكن است بوسیله جا ماندن موادمصرفی بین بیلت و سنبه كه تمیز شدن قالب بوسیله بیلت را ناشی می شود ایجاد شود .

فشار اكستروژن تابعی از تنش تسلیم ماده ، دما