تفجوشی یا زینترینگ یکی از روشهای شکلدهی مواد فلزی و سرامیکی است در این روش ابتدا ماده اولیه که به صورت پودر است را پرس کردaه و در کوره میگذارند در دماهای بالای، کوره نفوذ اتمی تشدید شده و اتمهای ذرات مجاور در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات را به هم میچسبانند در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست میآید.
جهت ایجاد پیوند بین ذرات پودری و تهیه یک نمونه یکپارچه و رساندن دانسیته آنها به بالاترین میزان خود و بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی انجام عملیات تفجوشی در دما و زمان بهینه از اهمیت فوق العاده ای برخوردارست. نیروی محرکه برای تفجوشی و نفوذ جهت پرکردن خلل و فرج موجود در ساختار کاهش انرژی سطحی است . ایجاد پیوند بین ذرات پودری، تغییر ابعاد قطعه در اثر انقباضهای ناشی از کاهش اندازه و تعداد حفرات، آزاد شدن تنشهای داخلی تغییر فاز مانند تفجوشی حالت (مایع و همچنین انجام واکنشهای شیمیایی وقایعی است که در حین تفجوشی رخ خواهد داد. مطابق شکل زیر بطور کلی تفجوشی را میتوان به دو صورت انجام داد (الف) تفجوشی فاز مایع و (ب) تفجوشی فاز جامد.
فرایند تفجوشی مواد پلی کریستال توسط انتقال ماده از طریق مسیرهای مختلف انجام میشود که مکانیزمهای تفجوشی را شامل میشود. مسیر انتقال ماده از نواحی با پتانسیل شیمیایی بالاتر به نواحی با پتانسیل شیمیایی خواهد بود. به طور کلی حداقل شش مکانیزم در تفجوشی مواد پلی کریستال وجود دارد که در شکل زیر آورده شده است. این مکانیزمها شامل نفوذ سطحی، نفوذ شبکهای از مرزدانهای و از سطح، انتقال گاز، نفوذ مرزدانهای و تغییر شکل پلاستیک میباشند. مکانیزمهای تفجوشی باعث تشکیل اتصالات شیمیایی بین ذرات پودری شده و بنابراین استحکام نمونه خام، پودرهایی که تحت فشردهسازی سرد قرارگرفته است، در حین پروسه تفجوشی افزایش مییابد. با این وجود تنها تعدادی از این مکانیزمها باعث انقباض یا چگالش ترکیب پودری میگردد.
بنابراین، میتوان مکانیزمهای تفجوشی را به دو دسته مکانیزمهای چگالشی و مکانیزمهای غیر چگالشی تقسیمبندی کرد. بر این اساس مکانیزمهایی مانند نفوذ سطحی، نفوذ شبکهای از سطح و انتقال گاز که باعث اتصالات شیمیایی شده ولی نقشی در چگالش پودر ایفا نمیکنند در دسته مکانیزمهای غیر چگالشی؛ و مکانیزمهایی مانند نفوذ مرزدانهای، نفوذ شبکهای از مرزدانه و تغییر شکل پلاستیک که هم باعث اتصالات شیمیایی شده و هم چگالش پودرها را باعث میشوند، در دسته مکانیزمهای چگالشی قرار میگیرند.
جهت تهیه یک قطعه چگال در حین فرایند تفجوشی در دمای بالا مراحلی رخ میدهد. مراحل تفجوشی را میتوان بهصورت خلاصه چنین بیان نمود:
ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر
بیشترین تغییر در میزان استحکام، نه بیشترین استحکام، در این مرحله رخ میدهد، ولی انقباضی در ساختار اتفاق نمیافتد. قطعاتی که نیاز باشد دارای خلل و فرج بالا باشند فرایند تفجوشی آنها در همین مرحله متوقف میشود. پیوند بین ذرات در این حالت در نقاطی که در تماس کامل با یکدیگر هستند، اتفاق میافتد.
رشد گلوگاه
در این مرحله شعاع انحنای گلوگاه، اتصال شیمیایی بین ذرات که به صورت گلوگاه است، تشکیل شده بین ذرات شروع به افزایش میکند . شکل زیر مراحل 1 و 2 تفجوشی را بصورت شماتیک نشان میدهد. در این شکل در مرحله ابتدا پیوند بین دو ذره ابتدا ایجاد میگردد، و در مرحله دوم این اتصال رشد میکند.
شبیهسازی مرحله اول و دوم تفجوشی به کمک دو گلوله شیشهای در دمای 1000 درجه سانتیگراد.
مکانیزمهای مختلفی درمورد انتقال ماده در این مرحله مورد توجه قرارگرفته است. این مکانیزمها به صورت خلاصه در جدول زیر آورده شده است.
بستهشدن شبکه حفرهها
به طور کلی حفرات درون ساختار را میتوان به دو دسته تقسیم نمود:
- حفرات مرتبط: در این حالت هنوز ارتباط بین حفرات باقیمانده در سیستم از بین نرفته است و این حفرات کماکان در ارتباط هستند.
- حفرات منفرد: در این حالت حفرات بهصورت نقاط مجزا در ساختار وجود دارد و ارتباط آنها از بین رفته است. در این مرحله در اثر انجام مکانیزمهای نفوذی حفرات از حالت مرتبط به منفرد تبدیل میشوند.
مدور شدن حفرات
همانطور که از نام این مرحله مشخص است حفرات با شکلهای مختلف دارای انرژیهای متفاوتی هستند که این موضوع به دلیل سطح ویژه متفاوت آنها است. در این میان حفرات کروی به دلیل سطح حداقلی خود دارای کمترین انرژی هستند. در این مرحله در اثر کاهش انرژی سطحی، شکل حفرات از حالت غیرمنظم به حالت گرد تبدیل میشود.
چگالش یا انقباض حفرهای
در این مرحله حفرات شروع به از بین رفتن میکنند. مسئلهای که در اینجا بسیار حائز اهمیت است، محل قرار گرفتن حفره جهت انجام فرایند انقباض است. از سوی دیگر مرزدانه بهعنوان یک مسیر مناسب جهت انجام فرایند نفوذ مطرح است و از بین رفتن حفرات در اثر فرایند نفوذ وقتی بخوبی انجام میگیرد، که حفرات در مرزدانه حضور داشته باشند. همان طور که در شکل زیر نشان دادهشده است، وقتی حفرهای در مرزدانه قرار دارد، انتقال ماده جهت انقباض آن نه تنها از طریق مرزدانه بلکه از درون دانه نیز انجام میپذیرد. از طرف دیگر انقباض و انتقال ماده یک فرایند هم جانبه خواهد بود. این در حالی است که در صورت حضور حفره درون دانه، انقباض آن از هم طرف یکسان نخواهد بود. جدا شدن حفرات از مرزدانه در اثر تحرک بالای آن نه تنها موجب باقیماندن حفرات در ساختار میشود، بلکه موجب عدم رسیدن به دانسیته های بالا در پایان تفجوشی خواهد شد.
تأثیر جدا شدن یک حفره از مرزدانه و تفاوت مسیر نفوذی در انقباض آن، (الف) حفره متصل به مرزدانه و نفوذ از درون دانه و خود مرزدانه (ب) حفره جدا از مرزدانه و نفوذ از درون دانه.
همانطور که میدانیم یکی از پدیدههای مرسوم که هنگام بالارفتن دما برای تمام مواد پلی کریستال رخ میدهد پدیده رشد دانه است. بزرگشدن دانهها خواص مکانیکی مواد را تضعیف مینماید؛ بنابراین در تمام فرایندهای تولید جلوگیری از رشد دانه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است؛ بنابراین هر عاملی که بتواند تحرک مرزدانهایآن را کمتر نماید، میتواند با جلوگیری از رشد دانه در بهبود خواص مکانیکی سودمند باشد. وجود حفرات و همچنین ناخالصیها با نیروی بازدارندهای که به مرز وارد می نمایند تحرک آن را تا حد زیادی کاهش میدهند.
اگر میزان تحرک مرزدانه را با Mb نمایش دهیم و نیروی محرکه حرکت آن را برابر F در نظر بگیریم آنگاه سرعت حرکت مرزدانه از رابطه زیر تبعیت مینماید.
هنگامیکه تعداد N عدد حفره در واحد سطح مرزدانه به آن متصل باشند و نیرویی که به مرزدانه وارد میکنند برابر Fp باشد، آنگاه میتوان در مورد سرعت حرکت مرزدانه چنین بیان نمود:
به دلیل اینکه اتصال حفره و مرزدانه به معنی برابر بودن سرعت حرکت این دو است، بنابراین داریم:
بر این اساس میزان تحرک مرزدانه بر اساس رابطه زیر کاهش مییابد:
در مورد این رابطه میتوان چنین اظهار نمود که اگر NMb>>Mp باشد، آنگاه میزان تحرک مرزدانه از رابطه MNET=Mp/N تبعیت مینماید، که تابع تعداد حفرات متصل به مرز است. در حالت دیگر اگر NMb<<Mp نیروی اعمالی از سوی حفرات بر مرزدانه قابل صرف نظر بوده و MNET=Mb خواهد بود. در این حالت حفرات، دیگر نقشی در تحرک مرزدانه ندارند. عامل تعیینکننده در این حالت نیروی بازدارندهای است که از سوی اتمهای حل شده و ناخالصیها به مرزدانه وارد میشود. حالت دیگری نیز وجود دارد که تحرک مرزدانه از حفره آنقدر بیشتر است، که مرزدانه بهراحتی از حفره جدا میشود و حفره به درون دانه می رود. بر اساس مطالب گفتهشده نقشه مربوط به اتصال یا عدم اتصال حفره به مرزدانه در شکل زیر آمده است.
این نقشه شدیداً تابعی از میزان حفرات و همچنین درصد ناخالصی موجود در سیستم است. بر طبق این نقشه، اساس جدایش حفرات از مرزدانه، اندازه دانه و اندازه حفره است. هنگامی که اندازه حفرات به نسبت اندازه دانه بزرگ باشد، حفرات بهصورت متصل به مرز باقی میمانند و میتوان اظهار نمود که عامل مؤثر در کندشدن حرکت مرزدانه همان حفرات است. اما اگر حفرات به نسبت دانه کوچک باشند، آنگاه وجود یا عدم وجود این حفرات تأثیری در تحرک مرزدانه ندارد و تنها ناخالصیهای موجود در سیستم حرکتمرزدانهای را کند میکنند. در این حالت نیز حفرات بصورت متصل باقی خواهند ماند. درحالت سوم اگر اندازه حفرات و دانهها به یک نسبت بزرگ باشند، جدایش بین حفره و مرزدانه رخ خواهد داد که مطلوب نیست. اندازه حفرات و اندازه دانه نباید به این منطقه بحرانی برسد، در غیر این صورت چگالش در حین تفجوشی بخوبی انجام نمیگیرد.
با افزایش دانسیته ماده در حین تفجوشی و افزایش اندازه دانهها در سیستم امکان تحرک آنها افزایش یافته و امکان جدایش حفرات از دانهها بیشتر میشود. نقشه شکل زیر رسیدن به مرز جدایش بین حفرات و مرزدانه را نشان میدهد. مسیر نشان دادهشده در شکل مسیر افزایش اندازه دانهها برحسب دانسیته است.
جدا شدن حفرات از مرزدانه با زیاد شدن دانسیته و افزایش اندازه دانهها در سیستم آلومینا با مقادیر اندکی منیزیم (مسیر نشان دادهشده مسیر انجام فرایند تفجوشی است) خطوط نقطه چین مربوط به عدم حضور ناخالصی در سیستم است.
برای جلوگیری از عدم جدایش حفرات از مرزدانه دو راه وجود دارد:
راه اول، در بسیاری از موارد برای کمکردن سرعت حرکت مرزدانه و جلوگیری از رشد دانه، ناخالصیهایی در حد ppm به سیستم افزوده میشود تا با کمکردن تحرک مرزدانه از جدایش حفرات از مرزدانه جلوگیری کنند. بهعنوان مثال در مورد سیستم آلفا – آلومینا اضافهکردن مقادیر جزئی MgO ، SiO2 ، Y2O3 و یا ZrO2 میتواند علاوه بر ریز کردن دانهبندی نهایی در رسیدن به دانسیتههای بالا نیز مؤثر باشد.
راه دوم، با افزایش سرعت گرمکردن، پیش از افزایش نرخ رشد دانه، چگالش را در قطعات ایجاد نماییم. شکل زیر این تأثیر را بخوبی نشان میدهد.
تأثیر افزایش سرعت گرمکردن در حین تفجوشی و رسیدن به دانسیته های بالا با دانهبندی ریز در سیستم آلومینا.
بزرگشدن حفرات
در این مرحله حفرات بزرگ به قیمت از بین رفتن حفرات کوچکتر بزرگتر شده و تعداد زیاد حفرات ریز و پراکنده به تعداد کم حفرات درشت بدل میشوند. این موضوع به دلیل تمایل ماده به کمکردن انرژی خود از طریق کاهش سطح حفرات باقیمانده است.
شکل زیر تصویر میکروسکوپی یک نمونه در مراحل اولیه، مراحل میانی و مراحل پایانی تفجوشی نشان میدهد. همان طور که مشاهده میشود با پیشرفت فرایند تفجوشی ، میزان تخلخل در ساختار کاهشیافته و اتصال شیمیایی بین ذرات ایجاد میگردد.
تصویر میکروسکوپی یک نمونه در(الف) مراحل میانی، (ب) مراحل اولیه (ج) مراحل پایانی تفجوشی.
عوامل موثر بر تفجوشی در فرایند تفجوشی نمونههای از قبل فشرده شده
چندین عامل در تفجوشی فرایند تفجوشی نمونههای از قبل فشرده شده هستند. نقش نسبی عوامل موثر روی تفجوشی بستگی به نوع مواد مورد بررسی دارد. در بعضی از مواد، نفوذ سطحی مکانیزم غالب فرایند تفجوشی است و در مواد دیگر مکانیزم غالب تفجوشی، نفوذ بیندانهای شناخته میشود. فرایند تفجوشی عبارت است از چندین مکانیزم انتقال جرم که با بررسی اثر هر یک از مکانیزمها و جمعبندی آنها میتوان میزان سرعت تفجوشی را پیشبینی کرد. برای در بحث سرعت تفجوشی چندین عامل میتواند تأثیرگذار باشد که عبارتاند از:
- دما
- زمان
- نرخ گرمایش
- اندازه پودرها
- دانسیته خام
که به بررسی هرکدام از عوامل پرداخته خواهد شد.
دما یکی از مهمترین عوامل در بحث تفجوشی مواد است. مدل های تفجوشی اغلب شامل پدیدههایی هستند که به وسیله دما فعال میشوند، لذا هر فاکتور قابل اندازهگیری در تفجوشی مانند Y (برای مثال نسبت گلویی، میزان انقباض، یا کاهش سطح مقطع) توسط یک رابطه آرنیوسی مانند رابطه زیر به دما ربط داده میشود.
در حالی که T دمای مطلق، Q انرژی فعالسازی که به دمای ذوب ماده وابسته است، R ثابت گازها، C میزان ثابتی است که به نوع مواد و اندازه آنها وابسته است، Y فاکتوری است که میتواند شامل چند خاصیت باشد مانند، میزان انقباض، دانسیته چگالش، یا اندازه ناحیه گلویی، که هرکدام با میزان مشخصی از توان n همراه هستند. این رابطه در شرایط ثابت بودن میزان نرخ گرمایش، صادق است. برای مثال شکل زیر نمودار تغییرات میزان انقباض پودرها با ترکیب Fe-2Ni را نشان میدهد. که انقباض نمونه توسط دستگاه دیلاتومتری اندازهگیری شده است. نکتهای که حائز اهمیت است این است که در دمای استحاله آهن آلفا به آهن گاما میزان نرخ انقباض به شدت کاهشیافته است که به دلیل پایین بودن سرعت نفوذ در شبکه فشرده مکعبی با وجوه مرکز دار نسبت به شبکه مکعبی مرکز دار است.
نمودار تغییرات میزان انقباض بر حسب دمای تفجوشی در نمونه Fe-2Ni
زمان به عنوان یکی دیگر از عوامل موثر بر تفجوشی اثری دوگانه دارد. اگرچه نگهداشتن در دمای بیشینه باعث افزایش میزان تفجوشی میشود ولی از طرفی افزایش زمان نگهداری شده برای تفجوشی باعث درشت شدن دانهها میگردد. البته قابلذکر است که تأثیر بیشتر بودن زمان تفجوشی در میزان تفجوشی پودرها، کمتر از تأثیر دمای بیشینه در این پدیده است، شکل زیر این مقایسه را به تصویر کشیده است.
نمودار تغییرات مربع نسبت گلویی (X/D) نسبت به زمان نگهداری شده در دماهای مختلف، تفجوشی پودرهای کروی شیشه در دماهای مختلف.
تأثیر نرخ گرمایش را میتوان ترکیبی از تأثیرات زمان و دما روی تفجوشی تعریف کرد. بالا بودن نرخ گرمایش اغلب میزان نفوذ سطحی را کاهش میدهد، در نتیجه باعث چگالش بیشتر در دماهای بالا خواهیم بود. از طرفی افزایش نرخ گرمایش باعث کاهش زمان ایستادن در دمایی که باعث انقباض خالص نمیشود را کم میکند، همچنین میزان رشد دانه با سریع گرمکردن کاهش مییابد. به دلیل عدم وجود یکنواختی کامل در افزایش دما در نمونههای با ابعاد بزرگ به علت هدایت حرارتی کم، نرخ گرمایش استاندارد 2 الی 10 درجه سانتیگراد بر دقیقه توصیه میشود. ولی برای قطعات کوچک امکان بالابردن نرخ گرمایش وجود دارد.
اندازه متوسط پودرها از مشخصههای مهم پودرها به شمار میرود. یک آزمایش عملی تأثیر اندازه متوسط پودرهای نیکل را روی میزان تفجوشی، در یک نرخ گرمایش ثابت بررسی کرده است که در شکل زیر آورده شده است. تغییرات دانسیته نسبی بهدستآمده از تفجوشی نسبت به دما در این نمودار برای پودرهای با اندازه 05/0، 5 و 50 میکرومتر رسم شده است. ملاحظه میشود که با کاهش میزان متوسط اندازه دانه، دمای شروع تفجوشی به دماهای کمتر انتقال یافته است علاوه بر این چگالش بیشتری نیز در تمامی دماها بهدستآمده است. مشخصههای دیگر مربوط به پودرها نیز در تفجوشی مؤثراند، یکی از این مشخصههای مهم که اغلب موردنظر گرفته نمیشود انرژی کرنشی ذخیرهشده در پودرها است. پودرهای آلیاژ سازی شده در حین گرمایش با آزاد کردن انرژی کرنشی ذخیرهشده در خود، باعث شتاب دادن به فرایند تفجوشی میشوند. با این حال ایجاد تراکم در این پودرها سخت تر میشود.
مودار تغییرات میزان درصد دانسیته نسبی بر حسب دما در اندازه پودرهای مختلف، 05/0، 5 و 50 میکرومتر و نرخ گرمایش ثابت5 درجه سانتیگراد بر دقیقه.
دانسیته خام قابلدسترسی در متالورژی پودر اغلب در محدوده بسیار کمی قابل تنظیم است. دانسیته خام خیلی کم در عمل به کار گرفته نمیشود. فشردن در فشارهای زیاد برای رسیدن به دانسیته 100 درصد در عمل نشان دادهشده است، ولی این عمل اغلب به دلیل محدودیت در ابزار به کارگرفه شده و ظرفیت تحمل کم، فشار زیاد، استفاده نمیشود. زیاد بودن دانسیته خام نمونهها باعث افزایش خواص نمونههای تفجوشی شده میشود. به طور خلاصه وجود میزان دانسیته خام بالا باعث بیشتر شدن میزان نواحی تماس یافته بین پودرها شده (بیشتر شدن مناطق مناسب برای ایجاد مناطق گلویی) شده و علاوه بر این اندازه تخلخلهای کمتری نیز ایجاد میکند، که هر دو پدیده باعث افزایش میزان نرخ تفجوشی میشوند.
بدون دیدگاه