روش تولید فوم فلزی

ارسالی از : سمیه مفیدی عسگر اباد

مقدمه

مواد فومی خانواده ای از مواد نو و پیشرفته به شمار میروند که، با توجه به ویژگیهای منحصر به فرد خود ، امکانات زیادی برای توسعه در سالهای آینده خواهند داشت. این مواد در سه گروه عمده شامل فوم های پلیمری، سرامیکی و فلزی مطرح بوده و تشابه زیادی با مواد طبیعی دارند. به عبارت دیگر طبیعت مواد موجود در خود را بیشتر به صورت سلولی و فومی عرضه نموده و کمتر به صورت توپر و به اصطلاح(solid form)ظاهر میشوند.

درخانواده مواد فومی یا سلولی، فومهای فلزی در مقایسه با فوم های سرامیکی و پلیمری جدیدتر بوده و میتوان اظهار داشت که بسیاری از افراد که در محدوه ی علم و مهندسی مواد فعالیت و مطالعه مینمایند با این مواد به تازگی آشنا شده و با روشهای تولید،خواص و کاربرد آنها کمتر آشنا هستند. به همین دلیل تحقیق در زمینه ی روشهای تولید، خواص و کاربرد این مواد به سرعت در حال گسترش بوده و به نظر میرسد که آینده ی درخشانی در انتظار این خانواده و گروه از مواد خواهد بود.

روشهای تولید فومهای فلزی، در خلال سالهای متمادی از طریق کار پژوهشی تنوع گسترده ای یافته است. برخی روشها کاملاً جاذبه ی تجاری پیدا کرده و کوشش های جاری بر روی کاهش قیمت آنها در جریان است. اما برخی از روشها در حد کار آزمایشگاهی باقی مانده و هنوز در حد تجاری عرضه نشده و یا چندان توسعه ای در زمینه ی تجاری نیافته اند.

در یک تقسیم بندی کلی روشهای تولید فوم فلزی به صورت زیرقابل ارائه است؛ که در این میان روشهای ذوبی اهمیت بیشتری یافته اند.

1. فرایند های حالت جامد
2. فرایند های حالت مایع(ذوبی)
3. رسوب دهی بخار فلز روی پلیمر

البته علاوه بر این دسته بندی کلی میتوان افزود که دو روش بنیادى براى ساخت فوم هاى فلزى وجود دارد که همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، روش هاى فوم سازى به روش مستقیم و روش هاى فوم سازى به روش غیر مستقیم مى باشند. روش هاى فوم سازى مستقیم شامل یک فلز مذاب و پخش غیر یکنواخت ذرات غیر فلزى به وسیله حباب هاى گاز یا تجزیه یک عامل فوم زا )مانند هیدرید تیتانیوم، کلسیم(از طریق شیمیایى یا رسوب دهى گاز حل شده در مذاب به وسیله کنترل دما و فشار مى باشند. این روش فوم شدن به طور وسیع در تولید فوم هاى تجارى سایمت به کار مى رود.

 

 

روش ساخت	مراحل فرایند	سازندگان فوم
فوم سازی مستقیم	1٫     ذوب الیاژ   2٫     ساخت الیاژ با قابلیت فوم شدن 3٫     ایجاد حباب های گازی 4٫     جمع اوری فوم 5٫     انجماد فوم	سایمت،کانادا saf   فوم تک،کره lasom هات کلنریچن بچ استرالیا hkb شینکو،وایر چینalporsa
فوم سازی غیر مستقیم	1٫     تهیه پیش شکل با قابلیت فوم شدن   2٫     ذوب مجدد پیش شکل 3٫     ایجاد فوم 4٫     انجماد فوم	الم،المانafs   الولایت اتریش alulight گلیج.ایو المان شانک،المان

جدول 1- روش هاى بنیادى براى ساخت فوم هاى فلزى، سازندگان رایج فوم هایی بر پایه آلومینیوم و نام تجارى این محصولات

روشهای ریخته گری تولید فوم فلزی

روشهای ریخته گری تولید فوم فلزی عبارتند از :

• ریخته گری دقیق با استفاده از مدل پلیمری
• ریخته گری دقیق مدل شبکهای پلیمری
• ریخته گری در فضای بین گلوله ها) ریختهگری نفوذی )

ابتدا به بیان موارد فوق میپردازیم.

 

 ریخته گری دقیق با استفاده از مدل پلیمری

در این روش از فوم های پلیمری به عنوان مدل برای ایجاد و یا ساختن قالب استفاده می شود. فوم های پلیمری با حفره های باز،چگالی های نسبتاً کم و گستره ی وسیعی از اندازه ی حفره ها را شامل شده و از منابع متعددی قابل تهیه و دسترسی هستند . لازم به تذکر است که چنان چه فوم پلیمری دارای حفره های بسته باشد، ابتدا لازم است با عملیات مناسب آنها را به فوم حفره باز تبدیل کرد.

جهت شروع عملیات ابتدا یک فوم پلیمری حفره باز و با اندازه ی حفره و چگالی نسبی مطلوب انتخاب می شود. در مرحله ی بعد این مدل، یعنی فوم پلیمری، با دوغالب ریخته گری دقیق ) مخلوطی از مولایت، رزین های فنلی و کربنات کلسیم) یا گچ پر شده،و آماده ی پخت می شود. سپس قالب هم به منظور سخت شدن و هم جهت تجزیه (تبخیر) مدل پلیمری پخته می شود. در نهایت قالب با آلیاژفلزی پر شده و سپس خنک میگردد. با اعمال فشار در مرحله ی ریخته گری، سیالیت کافی برای پر شدن مقاطع نازک فراهم می شود .

پیش گرم کردن قالب نیز نقش مهمی در پر کردن مجاری نازک داخل قالب، که در واقع منعکس کننده ی شکل و ریخت مدل پلیمری اولیه هستند، دارد. پس از سرد شدن و انجماد، مواد قالب زدوده شده و در نهایت فوم فلزی مشابه با فوم پلیمری اولیه باقی میماند

به این روش فوم هایی با حفره های باز، با انداز ه ی حفره ها بین1 تا 5 میلیمتر ، تعداد حفره ها بین 2 تا 16 عدد در هر سانتیمتر(5تا40ppi )و چگالی های نسبی در حد 0٫05  گرم بر سانتیمتر مکعب و میزان تخلخل بین 80 تا 97 در صد میتوان تولید نمود.

نکته جالب توجه این است که این چگالی حدود 1٫20اب است و مفهوم ان اینست که ماده حاصله به سادگی قابلیت قرا گرفتن روی سطح آب را دارد البته به شرط آن که داخل پوسته ای قرار گیرد . بهر حال این عملیات می تواند برای تولید فوم از هر فلزی که قابل ریختهگری دقیق باشد به کار رود . علاوه بر این تولید شکل های پیچیده، با توجه به این که مشخصات محصول تابع قطعه پلیمری اولیه است، نیز امکان پذیر است.

شکل ( 2) مراحل انجام عملیات را به طور شماتیک نشان میدهد.

نمونه محصولات فوق با نام تجاری دوسل  در اوکلند آمریکا به وسیله ی شرکت ارگ تولید شده و سالهای متمادی است که به بازار عرضه می شوند. مشابه این محصول به وسیله ی شرکت های ژاپنی نیز تولید و عرضه می گردد. نمونه ای از این گونه محصولات ، به همراه تصویر میکروسکپی آن، که در دانشگاه آخن تولید شده است در شکل ( 3) مشاهده میشود.

تولید قطعه از آلیاژهای آلومینیم مانند 6101 یا آلیاژ 356 با این روش بسیارمتداول است . به علاوه امکان تولید قطعه از فلزاتی مانند مس و منیزیم و آ لیاژهای آنها نیز

وجود دارد . این نوع فوم فلزی، از نظر قیمت گران بوده و هر اینچ مکعب آن حدود 10 دلار ارزش گذاری شده است . در حال حاضرحجم تولید محصول به این روش کم است لیکن به نظر می رسد که با توسعه و تحقیق بیش تر در زمینه ی ریخته گری ، شرایط برای افزایش تولید فراهم گردد.

شکل ( 3) : سمت راست. تعدادی از قطعات تولید شده به روش ریختهگری با کمک مدل پلیمری. قطر استوانه ی بزرگ در این شکل 40 میلیمتراست.

سمت چپ. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از یک قطعه ی تولید شده به روش مزبور. (SEM)

  ریخته گری دقیق مدل شبکه ای پلیمری

این روش، که در اساس بسیار مشابه روش قبل است، از یک شبکه ی پلیمری منظم به عنوان مدل اولیه استفاده می نماید . در این روش با چسباندن تعدادی چوبک پلیمری یک شبکه ی تک بعدی ساخته می شود. سپس با روی هم گذاشتن و چسباندن این شبکه ها روی یک دیگر شبکه ای سه بعدی تهیه شده و در واقع یک مجموعه ی کاملاً منظم سه بعدی حاصل میگردد.با انجام عملیات دوغاب دهی، با استفاده از گچ ژیبس همراه با مواد دیرگداز دیگر ، و به عبارتی پرکردن فضای کامل بین شبکه ی پلیمری با مواد دیرگداز و نهایتاً سوزاندن شبکه ی پلیمری اولیه فضای مناسبی برای ریخته گری و تولید یک شبکه ی منظم فلزی فراهم

میشود.

این نوع ساختار ، تحت عنوان مواد فومی شبکه ای، جزء مواد فومی قابل دسته بندی است . طول چوبک های پلیمری که به عنوان کوچکترین جزء شبکه مورد استفاده واقع می شوند به طور معمول6٫5تا25میلیمتر و قطر هر کدام از انها1٫5تا3٫8میلیمتر است.

مواد فومی شبکه ای از آلیاژهای مختلف قابل تهیه بوده و آلیاژ 356 آلومینیم و فولادهای زنگ نزن جزء تولیدات متداول به شمار می روند. مزیت اصلی مواد فومی شبکه ای خواص مکانیکی آنهاست که به خواص مکانیکی محاسباتی آنها نزدیک بوده و در نتیجه ضریب اطمینان مناسبی در کاربرد صنعتی خواهند داشت. بنابراین خواص مکانیکی این مواد قابل پیش بینی بوده و تکرار پذیری خواص نیز تاحد زیادی تضمین است.

  ریخته گری در فضای بین گلوله ها ) ریخته گری نفوذی )

در این روش ابتدا قالبی را از گلوله های رسی یا مواد مناسب دیگر پر کرده و سپس مذاب را در فضای خالی بین گلوله ها تزریق می-نمایند. البته به جای ریخته گری یا تزریق مذاب میتوان قالب حاوی گلوله ها را در داخل مذاب نیز فرو برد . شکل ( 4) نمای کلی فرآیندرا نشان میدهد.در مورد مواد قابل استفاده به عنوان گلوله میتوان به خاک رس، ورمیکولایت، نمک های جامد قابل حل در آب، گلوله های رسی پف داده شده ی توخالی یا توپر، گلوله های شیشه ای پف داده شده و گلوله های آلومینایی توپر یا پف داده شده اشاره نمود. استفاده از گلوله-های پلیمری و یا هر نوع ماده ی آلی دیگر ، به شرط آن که در هنگام ریخته گری مذاب سرعت انجماد فلز بالا بوده و واکنش سطحی شدید بین مذاب و مواد آلی ایجاد نشود، نیز امکان پذیر است.

استفاده از عامل فشار و گرما، به ویژه برای گرمایش گلوله ها و با توجه به این که تنش سطحی مذاب به عنوان عاملی باز دارنده جهت پر شدن فضای بین گلوله ها عمل می کند، روشی متداول است . جهت استفاده از عامل فشار، در تولید قطعه به این روش، کاربرد روش ریخته گری تحت فشار نیز امکان پذیر است.

فرآیند پیش گرم مواد، به منظور بهبود سیلان مذاب در حد فاصل گلوله ها  وجلوگیری از انجماد سریع، ضروری است . اگر ذخیره ی گرمایی موادی که به عنوان گلوله استفاده شده است بالا باشد روش پیش گرم کردن نقش مهم تری پیدا می کند. تخلیه ی هوای بین گلوله ها و استفاده از فشار همراه با کاربرد عامل پیش گرم مجموعه عوامل موثری هستند که برای توفیق در اجرای این روش به کار گرفته می شوند. این روش، چنان چه نیاز به اعمال فشار به مذاب نداشته باشد، راه حل مناسب و در بسیاری موارد کم هزینه است.

برای خروج مواد جامد از داخل فوم، در حالت عمومی ، میتوان قطعه را در داخل حلال مناسب قرارداد . استفاده از آب و برخی محلولهای اسیدی برای این مرحله،یعنی مرحله ی شستشو، مناسب است . روش دیگر، روش حرارتی است . در این حالت ماده ی فضاساز، با اعمال دما، ذوب و یا تبخیر شده و خارج می گردد. مرحله ی سوختن و به عبارتی انجام عملیات پیرولیزی  نیازمند کنترل مناسب است تا محصول مورد نظر کیفیت قابل قبولی داشته باشد.

 

شکل ( 4) : نمایش شماتیک روش ریخته گری نفوذی جهت تولید فوم فلزی.

 

استفاده از آلیاژهای آلومینیم، منیزیم، روی، سرب، قلع و بسیاری فلزات دیگر در این روش کاملاً عملی است. این روش به وسیله ی- دیواندری و آتش خویی، با استفاده از مواد رسی، انجام شده است.پژوهش در زمینه تولید فوم به روش ریخته گری منجر به تولید نمونه های مناسب شده است که وزن مخصوص کمتر از آب یکی از شاخص های جالب آنهاست. نمونه ای از فوم تولید شده به این روش در شکل ( 5) مشاهده میشود. این نمونه با گلوله هایی در اندازه ی 8 تا 10 میلیمتر تولید شده است.تخلیه ی گلوله های ماسهای ، چنان چه چسب مورد استفاده برای ساخت گلوله ها تحت تأثیر دما تجزیه شوند، نسبتاً آسان است.

 

شکل 5٫فوم تولیدی به روش ریخته گری نفوذی

روش دیگری که برای تولید فوم معرفی گرد یده، استفاده از موادی است که در ابتدا هر دو جامد بوده و قابل اختلاط هستند ولی میتوان در مرحله ی بعد یکی را حذف و مذاب را در فضای ایجاد شده ریخته گری کرد(شکل6)در این روش دو پودر که هیچ کدام کسر جمعی کم تر از 25 % ندارند با هم مخلوط شده و ساختارهای دو به دو متصل از هر دو فاز را به وجود می آورند. بعد از عملیات تف جوشی، و در واقع سخت شدن، یکی از پودرها(مثلاً نمک( در یک حلال مناسب شسته میشود.

شکل ( 6) : مراحل تولید فوم فلزی با استفاده از ترکیبات نمک

فومهایی که بر پایه ی مخلوط کردن پودر های آلیاژهای آلومینیم با کلرید سدیم هستند در ابعاد مناسب و با ساختارهای یکنواخت با استفاده از این روش تولید شده اند. محصول حفره دار حاصل به طور آشکار با فومهای ایجاد شده از سایر روشها متفاوت است . درعمل این روش به تولید موادی با چگالی نسبی بین 0٫3تا0٫5گرم برسانتیمتر مکعب محدود شده است . انداز ه ی حفره ها بااندازه ی ذرات پودر مشخص میشود و در دامنه ی 10 میکرون تا 10 میلیمتر قرار دارد.

اولین فوم های فلزی از این خانواده با پرکردن یک قالب دارای پوشش گرافیتی از سنگ نمک سخت ) نوعی که در آسیاب ریخته میشود، با دانه هایی به قطر حدود 4 میلیمتر( و حرارت دادن آن به طوری که دانه ها به هم بچسبند، تولید می شدند. این عمل یک ماده ی اولیه ی جامد از دانه های نمک به هم چسبیده ایجاد میکند. سپس مذاب آلومینیم داخل آن ریخته شده، و این در حالی است که قالب برای اطمینان از پخش شدن مذاب در ماد ی اولیه تکان داده می شود. سپس قالب سرد می شود. در مرحله ی بعد نمک در آب حل شده و یک شبکه از پیوندها و بستها، به شکل فضاهای خالی بین دانه های نمک، را باقی میگذارد.این روش 30 سال بعد از اولین بار انجام آن مجدداً مورد بررسی قرار گرفته و با بهبود روش تولید به عموم معرفی شد . در روش

جدید فلز مذاب ، تحت شرایط خلاء، به نمک افزوده میشود. در این حالت فلز بهتر پخش شده و دانه های نمک با اندازه ی کوچک تر قابل استفاده اند ؛ که البته حاصل آن تولید فوم های ظریف تر خواهد بود ) فومهای با حفره هایی به قطر کوچک در حد 3میلیمترتولید می شوند ( کیفیت فوم های تولید شده با این روش بسیار بالاست ولی هنوز تا مرحله ی تجاری شدن نیاز به کار و پژوهش بیش -تری دارد.

روش دیگری که تا حدی با روش های پیش گفته به لحاظ نوع محصول متفاوت است روشی است که طی آن ماده ی جامد فضا ساز) مثلاً کره های رسی یا نمکی ) داخل قطعه یا محصول تولیدی باقی بمانند . در این صورت محصول در واقع فومی نبوده و حالت توپرخواهد داشت . این محصول بیش تر ماهیت کامپوزیتی داشته و این نوع فوم به نام خاصی، تحت عنوان فوم ساینتکتیک  معروف شده است. جهت تولید فو م ساینتکتیک ) یعنی فومی که کره ها از درون مذاب جامد شده تخلیه نمی شود ( روش ریخته گری نفوذی باامکانات معمولی قابل اجرا بوده و داشتن امکانات استفاده ازخلاء، فشار و گرما شرایط لازم را برای تولید فوم های ظریف فراهم می –نماید

. شکل ( 7) شماتیک روش را نشان میدهد

 

شکل ( 7): مراحل تولید فوم ساینتکتیک که در آن گلوله در داخل قطعه باقی میماند /

 

گزارشهای مختلف نشان می دهند که در این روش از کره های توخالی آلومینایی با قطر 2٫1تا  3٫6میلیمتر و ضخامت100تا

200میکرون می توان استفاده نمود . ابتدا کره ها در داخل یک قا لب فولادی ریخته می شوند. سپس با ارتعاش دادن به قالب کره ها جای خود را باز کرده و به فشرده ترین حالت خود میرسند. در مرحله ی بعد مذاب آلیاژ منیزیم در دمای 700 درجه سانتیگراد جهت ریخته- گری نفوذی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش ساختار حاصله یکنواخت بوده و خواص فوم در همه ی جهات نسبتاً یکسان است.

یکی از ویژگی های این روش امکان تولید پانل های ساندویچی است. در این حالت کره ها بین دو صفحه قرار گرفته و سپس مذاب فلز بین دو صفحه ریخته گری می شود. با تماس مذاب با صفحات جانبی ، ذوب سطحی ایجاد شده  و اتصال بین ساختا ر ساندویچی برقرار می گردد. این روش برای ریخته گری قطعاتی با ساختار کامپوزیتی داخلی و لایه ای کاملاً فلزی در سطح بیرونی قابل اجرا است .در این حالت قطعه ی تولیدی ظاهری صلب دارد حال آن که فقط لایه ی ظاهری صلب بوده و قسمت درونی شامل فوم ساینتکتیک است.

 

شکل ( 8) :). قطعات فوق طوری تولید شده اند که بخش فومی با بخش غیر فومی حالت یک کامپوزیت را دارند(این محصول در شرکت فرانهوفر تولید شده است که از شرکتهای معتبر تولید کنندهی فوم فلزی

است)ارتفاع بزرگترین استوانه نشان داده شده در شکل 130 میلیمتر است.

مزایای روشهای نفوذی :

1٫با کنترل دقیق اندازه ی حفره ها، مواد اولیه ای با کنترل خوب اندازه ی دانه ها قابل تولید است و برای دانه های سنگ نمک با اندازه های مختلف و در مناطق مختلف هم قابل استفاده است.

2٫هرگونه فلز یا آلیاژی قابل استفاده است ) به شرطی که در زیر دمای تجزیه نمک ذوب شود(.

3٫نیازی به تعدیل کردن آلیاژ و یا افزودن ذرات برای مناسب کردن ویسکوزیته ی آن، به منظور جلوگیری از فرو پاشیدن فوم درحین تولید، نیست.

قالبها میتوانند نزدیک به شکل نهایی مورد استفاده قرار گیرند و به این طریق نیاز به ماشینکاری به حداقل میرسد.

معایب روشهای نفوذی :

1٫در این روش امکان تولید تخلخل بیش تر از 80 در صد وجود ندارد حال آن که برخی روش ها قابلیت ایجاد تخلخل تا 98 درصد را نیز دارند.

2٫این فرآیندها غیر پیوسته و بسیار پیچیده اند، بنابراین فومهای تولید شده دارای قیمت زیادی هستند.

3٫در این فوم ها ماشینکاری، پس از حذف نمک/گچ، دشوار است.

4٫روش رسوب بسیار گران تمام میشود.

 

حال به بیان موضوع تولید فوم فلزی به دوروش مستقیم و غیر مستقیم نیز اشاره ای مینماییم.

در شکل 9، شماتیکى از فرایند فوم سازى مستقیم آلیاژ پایه الومینیومى تقویت شده با ذرات سرامیکى نشان داده شده است.همانطور که مشاهده مى شود از یک گاز حل شده در فلز استفاده شده است.کاربید سیلیکون، اکسید آلومینیوم یا دیگر ذرات سرامیکى مى توانند براى فوم شدن آلیاژ هاى آلومینیوم به کار روند.

– کسر حجمى ذرات تقویت کننده در محدوده10تا20درصد است ومیانگین اندازه ذرات آن بین5تا20میکرون است.

شکل9

  در روش هاى فوم سازى غیر مستقیم از یک پیش ماده  جامد که شامل یک زمینه فلزى حاوى ذرات فوم زاى پراکنده شده است،استفاده مى کنند. برای آلیاژهاى پایه آلومینیومى بیشتر هیدریدزیرکونیوم یا تیتانیوم به کار مى روند. این مواد منبسط شده و فوم حاصل میشود.

 

 

شکل10٫ فوم سازی غیر مستقیم به روش غیر مستقیم از طریق پیش شکل جامد

 

مواد با قابلیت فوم شدن به روش هاى مختلفى تولید مى شوند که عبارت هستند از:

– 1به وسیله مخلوط کردن پودر آلومینیوم و هیدرید تیتانیوم و فشردن این مخلوط به وسیله پرس گرم، اکسترود یا نورد پودر که به شکل متراکم در آید. اگر فوم آلیاژ مورد نظر باشد، عناصر آلیاژى پودر شده باید به مخلوط اضافه شوند (فرایند آلولایت)

-2 به وسیله پیش فشرده سازى مخلوط پودر به شکل شمش وحرارت دهى آن تا به حالت نیمه جامد در آید.

3-با افزودن عامل فوم زا به مذاب آلیاژ آلومینیوم در یک ماشین ریخته گرى تحت فشار یا در یک بوته رایج در این مورد) فرایند فرم گریپ)

– 4به وسیله پاشش آلومینیوم مذاب و امکان تجزیه در حضور یک عامل فوم زا.

 

-2 فرایندهای تولید فلزات متخلخل در حالت مذاب

اولین دسته از روش های ایجاد ساختار متخلخل، فرایندهای حاصل از مذاب فلزات هستند. در این فرایندها فوم هاى فلزى یا به طورمستقیم از مذاب فلز به دست مى آیند و یا به صورت غیر مستقیم با استفاده از فوم هاى پلیمرى یا از طریق ریخته گرى فلز مذاب دراطراف پر کننده های جامد که پس از ریخته گری فلز مذاب، با حذف پر کننده، فضای خالی حفرات و روزنه ها ایجاد می شود.

 

فوم سازی مستقیم از مذاب فلزات

روش های مستقیم شامل روش هایی است که در آنها به فلز مذاب حاوی ذرات غیر فلزی با دانسیته کمتر از مذاب، یک عامل شیمیایی حباب زا ) به صورت پودر)یا مقداری گاز تزریق می شوند. حباب هاىگاز تولید شده، میل به حرکت به سمت بالا داشته و نیروى شناورى عامل موثر این حرکت به شمار مى رود. با افزایش ویسکوزیته مذاب مى توان مانع این حرکت یا حداقل کاهش سرعت آن شد. بالا بردن گرانروى با استفاده از پودرهاى سرامیکى مناسب یا برخى عناصرآلیاژى، به منظور تشکیل اجزاى پایدار در مذاب متداول است. مثلایکی از روش های معمول مستقیم فوم سازی، افزودن پودر کلسیم وسپس پودر به یک آلیاژ پایه آلومینیم و هم زدن مذاب آن تا جوانه زنی و گسترش گاز در سرتاسر مذاب است زیرا وجود کلسیم شدیدا پایداری فوم را در اثر افزایش ویسکوزیته مذاب بالا می برد.

حیدرى قلعه و همکارانش اثر افزودن هیدرید تیتانیوم را بر آلیاژ650آلومینیوم بررسى کرده اند. فرآیند فوم شدن در دماهای 750درجۀ سانتی گراد و در زمان های فوم شدن 30 ثانیه تا 2 دقیقه،با اضافه کردن1-2 درصد وزنی هیدرید تیتانیم انجام شده است – فوم های تولید شده تحت شرایط مختلف فوم شدن، دارای سلول هایی با اندازه متوسط 4تا 8٫2 میلیمترو چگالی نسبی 0٫3تا 0٫45و 50تا70

درصد تخلخل می باشند. فوم های تولید شده در دمای 700 درجه سانتی گراد با زمان فوم شدن 1 دقیقه و  1٫5 درصد وزنی هیدرید تیتانیم، نسبت به بقیۀ نمونه ها دارای ساختار سلولی همگن تر و عیوب کمتری می باشند. با افزایش دمای فوم شدن، مقدار هیدرید تیتانیم و زمان فوم شدن، اندازه سلول ها و میزان تخلخل افزایش و چگالی

فوم کاهش یافته است .

فوم سازی از طریق تزریق گاز:

این روش براى تولید فوم هاى آلومینیومى و آلیاژهاى آن توسط شرکت هیدرو  در نروژ و سایمت  در کانادا معرفى شده است(روش ها و ثبت اختراعات تولیدى اخیر متعلق به شرکت آلکان کانادا است)نمی توان مذاب فلزات خالص را به آسانی با دمیدن

یک گاز به داخل مذاب به فوم تبدیل کرد. حرکت و جذب مذاب به سمت پایین دیواره های حباب ها معمولا خیلی سریع رخ داده و منجربه ساخت فومى می شود که برای مدت زمان طولانی پایدار باقی می ماند تا منجمد شود .

تصویرى از این روش که براى تولید ورق هاى پیوسته فومى به کار مى رود، در شکل11نشان داده شده است. ابتدا آلومینیوم خالص یا آلیاژی از آلومینیوم ذوب می شود و 5 تا 15 درصد وزنی ذرات پایدار کننده سرامیکی به مذاب مذکور اضافه می شوداین ذرات با قطر0٫5تا 25 میکرون را می توان از آلومینا، زیرکونیا

یا کاربید سیلیسوم انتخاب کرد.

شکل11٫فرایند تولید فوم با تزریق گاز به درون مذاب

 

از الزامات اصلى این روش، نیاز به پخش حباب ها و نگهداشتن آن ها در مذاب براى مدت زمان کافى است تا قبل از کامل شدن انجماد حباب ها از مذاب خارج شوند. گاز فوم ساز توسط یک همزن درون مذاب پخش مى شود و حباب هاى تشکیل شده به سمت سطح مذاب حرکت مى کنند و مذاب توسط تسمه نقاله بیرون کشیده مى شود وبه آرامى تحت نورد قرار مى گیرد تا یک سطح صاف تولید شود ومذاب خنک شود .

فوم سازى به کمک عامل فوم ساز

این روش شامل افزودن یک عامل فوم کننده به مذاب فلز وسپس انجماد آن است. محصول نهایى یک بدنه متخلخل است که حباب هاى گازى در داخل آن به دام افتاده اند. فوم با استفاده از تجزیه عامل فوم کننده در داخل مذاب حاصل مى شود (معمولا هیدریدهاى زیرکونیوم و تیتانیوم استفاده مى شوند( کنترل فرایند کمى مشکل است و فلزات فوم شده ریزساختار غیر یکنواخت خواهند داشت.

فوم ریخته گرى شده با تزریق مستقیم گاز به داخل مذاب در طول منجمد شدن ساخته مى شود. در بسیارى از موارد، الیاف و ذرات به عنوان تقویت کننده و براى بهبود خواص مکانیکى به فوم مذاب افزوده مى شوند.این روش بر پایه ویسکوزیته مناسب مذاب براى پایدارى حفرات است که با استفاده از تجزیه حرارتى هیدرید تیتانیوم در آلومینیوم مذاب به دست مى آید.واکنش 1

TiH2 = Ti + H2

از این پروسه براى تولید تجارى فوم آلومینیومى با نام آلپوراس استفاده شده است. شرکت شینکو وایر  در آماگاساکى ژاپن از سال1986 این فوم را به میزان 1000 کیلوگرم در روز تولید مى کند. دراین روش به جاى تزریق گاز از عامل فوم ساز استفاده مى کنند که تحت حرارت تجزیه شده و با ایجاد گاز، منجر به متخلخل شدن ساختار مى شود. عامل فوم ساز را مى توان مانند شکل 12به مذاب

اضافه کرد و قبل از شروع تجزیه عامل حباب زا مذاب را به خوبى هم زد تا عامل حباب زا به طور یکنواخت در مذاب پخش شود و با آزاد شدن گاز در اثر تجزیه عامل حباب زا در فلز حفره تولید کرد. مانند روش اضافه کردن مستقیم گاز به مذاب در این روش هم ضرورى است تا فوم مذاب را قبل از فرو پاشى پایدار کرد که معمولا با اضافه کردن عناصر انفعالى مانند منیزیم و کلسیم به مذاب و هم زدن مذاب انجام مى شود و با تشکیل و پخش شدن ذرات اکسیدى ظریف ویسکوزیته مذاب افزایش مى یابد.

شکل12فوم شدن مستقیم مذاب با افزودن عامل ازلد کننده در فرایند الپوراس

فوم آلپوراس به طور عمده داراى حفرات بسته است. البته مى توان از یک عملیات نورد نهایى براى شکستن دیواره حفرات و به منظورافزایش قابلیت جذب صوت فوم استفاده کرد. در حال حاضر ژاپن تولید کننده انبوه این نوع فوم فلزى است.

با اینکه تنها کسر حجمى کمى از کلسیم و هیدراید تیتانیوم گران قیمت در تولید این نوع فوم استفاده مى شود، اما در مجموع این روش پر هزینه تر از روش تزریق گاز است، به این دلیل که این فرایند یک مرحله اى مى باشد امروزه این روش تنها براى آلیاژهاى آلومینیوم به کار مى رود. دلیل آن این است که هیدروژن اکثر فلزات را ترد مىکند و همچنین تجزیه هیدراید تیتانیوم در بالاى نقطه ذوب آلیاژها خیلى سریع رخ مى دهد.

. در تحقیقاتى که صورت گرفته از عامل هاى فوم ساز متداول(کربنات ها، نیترات ها( با دماى تجزیه بالا استفاده شده است.

 

شکل13مراحل فرایند تولید فومهاىآلومینیومى با استفاده از آزاد سازى گاز

منابع :

 

-1 مهدی دیواندری، علیرضا و حید گلپایگانی، حمید رضا شاهوردی ” فوم های فلزی” انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، 1385

2- John Banhart, “ Manufacture, Characterisation and application of cellular metals and metal

www.irmpm.com-2

–3هادی آتش خویی، مهدی دیواندری، ” اثر دما و فشار متالو استاتیکی در تولید فوم فلزی به روش ریخته گری ” پروژه کارشناسی،

دانشکده مواد، دانشگاه علم و صنعت ایران، 1383

-4 هادی آتش خویی، مهدی دیواندری، ” اثر دما و فشار متالو استاتیکی در تولید فوم فلزی آلومینیمی ” گزارش در دست انتشار .

دانشگاه علم و صنعت ایران.

5-Tetsuji Miyoshi, Masao Itoh, Shigeru Akiyama and Akira Kitahara, “ ALPORAS Aluminum

Foam: Production Process, Properties and Applications “, Advanced Engineering Materials, 2, No.

4, 2000٫

-6-مجله فنی مهندسی ساخت و تولید شماره