انجماد فلزات

2

  1. گزارش کار آزمایشگاه انجماد

  2. مروری بر فناوری انجماد سریع 

1

  1. گزارش کار آزمایشگاه انجماد

  2. مروری بر فناوری انجماد سریع 

3

  1.  نفوذ در انجماد Diffusion in soldification 

  2. رشـــــــــد دانـــــــــه ۱

  3. رشـــــــــد دانـــــــــه ۲

استحاله فلز از حالت مذاب به حالت جامد ناشی از انتقال ماده به موقعیت ترمودینامیکی پایدارتری با انرژی ازاد f کمتر       می باشد. اگر تبدیل فازی همراه با تغییر حجم کوچکی باشد، آنگاه طبق قانون دوم ترمودینامیک خواهیم داشت :

F = H – TS

که در آن H انرژی کلی یا آنتالپی سیستم، T درجه حرارت مطلق و S آنتروپی سیستم می باشد. در یک درجه حرارت مشخص می توان انرژی کل سیستم را مرکب از دو قسمت در نظر گرفت. انرژی ازاد F و انرژی پیوند TS انرژی های آزاد و پیوند هر دو می توانند بطور همزمان به اشکال متعددی در سیستم وجود داشته باشند، اما سرانجام کلیه این اشکال متعدد مجدداً به گرما تبدیل می شوند. باین دلیل هر دو نوع انرژی را معمولاً با واحدهای حرارتی ارزیابی می کنند و مجموع آنها به همان گرمای موجود در سیستم نسبت داده می شود. انرژی آزاد (F) را نیز می توان انرژی مفید فرآیندهای ایزوترم (همدما) توصیف نمود، به عبارت دیگر تحت شرایط معین این انرژی می تواند رها شده و ازسیستم خارج گردد. بدون اینکه تغییر در دمای سیستم بوجود آورد.

انرژی پیوند در فرآیندهای ایزوترم قابل استفاده نبوده و نمی تواند بدون آنکه تغییر در دمای سیستم بوجود آورد، از آن آزاد گردد.

شکل ۱-۱ تغییرات انرژی آزاد را در رابطه با دما به طور شما تیک نشان می دهد. در دمای Ts مقدار انرژی آزاد هر دو حالت جامد و مذاب یکسان است. این دما را در دمای تعادل انجماد یا ذوب فلز نامیده و در آن هر دو فاز (مذاب و جامد) می توانند به طور همزمان وجود داشته باشند. اختلاف بین درجه حرارت تعادل انجماد Ts و درجه حرارت Tk (که این فرایند در آن صورت می پذیرد)، تحت شرایط معین، درجه فوق انجماد یا فوق تبرید نامیده می شود.

فیلم رشد حالت های انجماد

  1. Cellular

  2. Dendritic Solidification

سمینار نفوذ در انجماد


فرآیند انجماد سریع :

استفاده از سرمایش زیاد یا فوق سرمایش زیاد برای ایجاد سرعت بالا در حرکت جبهه انجماد است.

تاریخچه :

در بین سال های ۱۸۶۰تا ۱۸۷۰ میلادی برای اولین بار جهت ایجاد فویل های فلزی از روشsplatcooling استفاده شد. برای این منظور یک قطره از مذاب را در معرض وزش هوای شدید قرار می دادند و مذاب را با برخورد به یک صفحه مسی سرد می کردند.

طبقه بندی روش ها :

  •  اتمیزه کردن (Atomization) :

بخش بسیار ریزی قطرات از مذاب با یک جریان با انرژی بسیاربالا حاصل از یک منبع گاز فشرده رانده می شوند .

  • روش سرمایشی (chill):

چرخ دوار حامل مذاب یکی از مهم ترین و گسترده ترین روش های تولید است که هم سرمایش مطلوب و هم روش تولید ساده ،آن را به یکی از بهترین روش های تولید rsp  بدل کرده است . در این روش می توان ریبون های پیوسته از مذاب حتی با ضخامت ۳ میلی متر تهیه کرد که از سال ۱۹۱۱ استفاده می شود . روش پیشرفته منجر به تولید روش   planer flow castingشده است.

  • کوئنچ سریع مذاب توسط سطح زیر پایه (Quenching):

هدف اصلی این روش بهبود سطح زیر ساختار توسط انجماد سریع لایه مذاب بالای آن است.منبع گرما عمدتاٌ لیزر با پرتوهای الکترونی است که کار دوباره ذوب کردن سطح و ایجاد لایه نازک مذاب را بر عهده دارند. در این روش نیازی به ایجاد جوانه نیست چون زبانه های ماده زیرساخت خود مکان مناسبی برای جوانه زنی به حساب می آیند .

  • اگر فلز مذاب به صورت گرد در یک محیط سرد پاشیده شود، ذرات ریز فلز با سرعتی بسیار زیاد، یک میلیون درجه فارنهایت در ثانیه ، منجمد می شوند در این فرآیند انجماد سریع، اتم ها پیش از آن که بتوانند در شبکه ای بلوری انسجام یابند از مایع به جامد تبدیل می شوند.

انجماد سریع سبب به وجود آمدن حالت جدیدی از ماده می شود. فلزات سریع منجمد شده ساختارهای جدید و خواص جدید مغناطیسی، استحکام، سفتی و مقاومت در برابرخوردگی و گرما دارند.از فلزات به دست آمده در فرایند انجماد سریع در ساختن ترانسفور ماتورها (ورق های از جنس آلیاژ مغناطیسی آهن و موتور های جت استفاده می شود.

 مروری بر فناوری انجماد سریع :

فناوری انجماد سریع روش نسبتاً جدید برای فرآوری مواد فلزی وتولید محصولاتی با مشخصات ویژه ومنحصر به فرد از جمله آلیاژهای آمورف و نانو بلوری و سوپر آلیاژهای پایه نیکل می باشد . گسترش روز افزون دامنه کاربردهای صنعتی محصولات فراوری شده با این فناوری ، علی الخصوص در صنایع با تکنولوژی بالا ، ضرورت کسب دانش فنی و توجه ویژه به بومی سازی این فناوری را ایجاب می کند. در این راستا گردآوری اطلاعات جامعی دررابطه با انواع فناوری ها ، آلیاژها و کاربردهای صنعتی آنها می تواند مفید باشد که درمقاله حاضر، به طورخلاصه بیان می گردند. در فرآیند ذوب ریسی با دیسک مبرد که از متداول ترین و کارآمدترین روش های فناوری انجماد سریع می باشد ، سرعت سرد شدن مذاب در محدوده قرار داردو از آنجائیکه این فرآیند برای تولید حسگرهای مغناطیسی آمورف در گروه پژوهشی متالورژی به کاررفته ودانش فنی آن کسب شده،به طور جداگانه اشاره خواهد شد .

طبق اولین گزارش علمی در خصوص تغییرات ریزساختاری ناشی از انجماد سریع مذاب توسط پل دوز و همکارانشان در سال ۱۹۶۰  میلادی، توجه محققین بسیاری را به این فناوری تعادلی جلب کرده و موجب ابداع روش های متعدد این فناوری در دهه های اخیر شده است.

سرعت سرد کردن مذاب در انجماد معمولی، معمولاً کمتر از۱۰۰Ks-1 می باشد، در حالیکه در بیشتر فرآیند های انجماد سریع سرعت سرد کردن مذاب در محدوده ۵)۱۰۶ Ks-1  ۱-) قرار داشته و تحت تبرید معمولا بیش از۱۰۰k در نظر گرفته می شود. در نتیجه، سرعت پیشروی فصل مشترک جامد/ مذاب به شدت افزایش یافته و عموما به بیش از ۱cm/s رسیده ولذا نفوذ به شدت محدود می شود. تحت چنین شرایطی، ترکیب شیمیایی جامد یکنواخت تر شده و ساختارهایی با دندریت ها و دانه های ریز تشکیل می شوند و حتی ساختارهای نانو بلوری وآموف نیز قابل دست یابی است.

انجماد سریع منجر به تغییرات ترکیبی و ریز ساختاری در مواد می گردد، تغییرات ترکیبی شامل افزایش حد حلالیت در حالت جامد، به حداقل رسیدن جدایش، اصلاح و یا حذف فازهای ناشی از جدایش، انجماد فازهای بلوری و شبه بلوری غیر تعادلی و تولید فلزات آمورف و شیشه ای می باشد و تغییرات ریزساختاری عبارتند از تغییر در مورفولوژی فازها، ریز شدن اندازه دانه ها و همچنین کم شدن فواصل بین دندریتی که سبب بهبود خواص مکانیکی، خوردگی و مغناطیسی می شود.

 فناوری ها:

جهت حصول به سرعت سرد شدن بالا در فرآیندهای انجماد سریع، جریان فلز مذاب باید حداقل در یک طیف بسیار نازک باشد تا از نسبت سطح به حجم بسیار بالایی برخوردار بوده و انتقال حرارت از آن به سهولت صورت پذیرد. همچنین حداکثر تماس بین مذاب و محیط خنک کننده الزامی است. با توجه به موارد فوق می توان فرایندهای مختلف انجماد سریع را بر اساس انواع شکل مذاب  درست قبل از انجماد     (قطره ای، میله ای و نواری) و عامل خنک کننده (گاز، مایع و جامد) تعریف و طبقه بندی کرد. انواع فناوری انجماد سریع را می توان در سه دسته زیر تقسیم بندی نمود (جدول۱):

روشهای افشانی:

در این روشها،جریان پیوسته و باریکی از فلز مذاب توسط سیال دیگری به صورت قطرات بسیار ریز تبدیل شده و به صورت قطرات بسیار ریز تبدیل شده و به صورت پودر انجماد سریع پیدا می کند. سهولت در مراحل شکل دهی و متراکم سازی بعدی وهمچنین  از نظر اقتصادی یک روش مفید در مقایسه با سایر روشهای تجاری انجماد سریع محسوب می گردد.

روش های تبریدی:

در این حالت ، جریان پیوسته ای از مذاب قبل از انجماد به  وجود آمده  و انجماد سریع طی تماس مذاب  با یک سطح خنک کننده اتفاق می افتد .این  روش ها معمولاً بر مبنای یکی از مکانیزم های  تزریق مذاب درون فضای یک قالب ،کاهش دادن سطح  مقطع مذاب با فورج کردن آن توسط یک پیستون و سنئان ،تزریق مذاب بر روی یک سطح خنک کننده و یا خارج کردن مذاب از یک  مخزن در اثر انجماد آن بر روی یک سطح دیسک چرخان می باشند.

روش های سطحی ، بر خلاف دو روش گفته شده که بر پایه ذوب کامل آلیاژ قبل از انحماد سریع بودند، ای روش ها شامل ذوب موضعی  وو متعاقباً انجماد  سریع  یک  لایه نازک بر روی سطح ماده ای با ضخامت قابل توجه که به عنوان جاذب گرما عمل می کند، می باشند.

پاسخ دهید