شکل دهی فلزات در حالت نیمه جامد: تیکسوفرمینگ

در علم متالورژی، روش های بسیاری برای ساخت و تولید قطعات ابداع شده و امروزه به کار گرفته می شوند. برخی از این روش های بسیار قدیمی هستند و قدمتی چند هزار ساله دارند. مانند ریخته گری و شکل دهی که بشر از هزاران سال قبل برای ساخت ابزار آلات مورد نیاز برای امرار معاش و دفاع از خود آن ها را ابداع کرده بود. اما در طول قرن های گذشته شاید کمتر کسی به فکر تلفیق این دو روش و خلق روشی فوق العاده به نام شکل دهی نیمه جامد (Semisolid Metal Forming) افتاده بود به گونه ای که قدمت این روش به بیش از 50 سال نمی رسد.

تکنولوژی فلزکاری نیمه جامد یکی از روش های جدید برای ساخت قطعات محسوب می شود که امکان تولید قطعات نازک و با هندسه ی پیچیده را فراهم می کند. این روش تا حد زیادی توانسته بر مشکلات موجود در روش های شکل دهی و ریخته گری تحت فشار فائق آید و قطعات با خواص مکانیکی بالایی را تولید کند. تیکسوفرمینگ (Thixoforming) یک دسته از این روش های شکل دهی در حالت نیمه جامد است که در این مقاله قصد داریم با آن آشنا شویم. اما پیش از آن اجازه دهید تا اشاره ای به مواد نیمه جامد و روش های شکل دهی نیمه جامد داشته باشیم.

مقدمه ای بر شکل دهی نیمه جامد

هنگامی که ماده در دمایی بین دمای سالیدوس و لیکوئیدوس قرار می گیرد، حالت نیمه جامد به خود می گیرد. در این حالت ذرات جامد که جوانه زده و درون فاز مداب رشد کرده اند، پراکنده شده و ماده حالتی خمیری یا دوغابی پیدا می کند.

کشف رفتار تیکسوتراپیک (Thixotropic) مواد سبب توسعه فرایندهای شکل دهی نیمه جامد برای فلزات شد. تیکسوتراپی خواصی است که در سیالات مشاهده می شود. این گونه مواد، در حالت عادی ویسکوزیته بالایی دارند، اما با هم زدن مشاهده می شود که ویسکوزیته آن ها کاهش پیدا کرده و سیالیت آن ها بالاتر می رود. این خاصیت به علت تغییر ریزساختار مواد در هنگام انجماد از حالت دندریتی به کروی ایجاد می شود.

یکی از روش های دستیابی به ریزساحتار کروی در مواد، هم زدن آن ها به طور پیوسته است. در این حالت ساختار دندریتی که در حالت انجماد معمولی به وجود می آمد، تشکیل نخواهد شد. با کروی شدن ساختار و عدم تشکیل دندریت، مشکلاتی از قبیل به دام افتادن مذاب و تشکیل حفره و مک وجود نخواهد داشت و ساختاری یکدست با خواص مکانیکی مناسب به دست می آید.

فرایند تیکسوفرمینگ به چه صورتی اجرا می شود؟

در قسمت قبل بین کردیم که در فرایندهای فلزکاری نیمه جامد، قطعه نهایی باید ساختاری کروی داشته و عاری از ساختار دندریتی باشد. بنابراین در مرحله اول باید شمشی با ساختار کروی تهیه کرد. در مرحله بعد این شمش باید تا بالای دمای شروع استحاله جامد به مذاب (سالیدوس) حرارت داده شود. به گونه ای که ساختار خمیری پیدا کرده و آماده ی ریختن شود.

این کار را می توان با حرارت دادن شمش توسط کوره های القایی انجام داد. در مرحله آخر، این دوغاب خمیری درون قالب تزریق می شود تا شکل نهایی قالب را پیدا کند.فرایند تیکسوفرمینگ به روش های مختلفی انجام می شود که تفاوت این روش ها در نوع شکل دهی آن ها پس از پیش گرم شمش در کوره است. بر این اساس روش هایی نظیر تیکسوفورجینگ، تیکسوکستینگ، تیکسومولدینگ، تیکسورولینگ و تیکسواکستروژن تعریف شده اند که در این بخش به معرفی آن ها می پردازیم.

تیکسوفورجینگ (Thixoforging)

این روش مشابه روش شکل دهی در قالب بسته است. در این روش، شمش نیمه جامد بین دو نیمه قالب قرار گرفته و با بسته شدن آن ها پرس می شود تا قطعه نهایی تولید شود. معمولا در این روش شمش ها کمی بالاتر از دمای سالیدوس حرارت داده می شوند تا چندان حالت خمیری پیدا نکنند. این روش قادر به تولید قطعاتی با ضخامت دیواره بالا و ابعاد دقیق در گوشه ها و انحناهای قطعه است. آلومینیوم یکی از فلزاتی است که به این روش شکل داده می شود و تاکنون تحقیقات بسیاری بر روی آن انجام شده است.

تیکسوکستینگ (Thixocasting)

در روش تیکسوکستینگ، شمش توسط یک پیستون با فشار به درون قالب تزریق می شود تا شکل نهایی را به خود بگیرد. بدیهی است که قطعه باید تا دمای بالایی حرارت داده شود تا سیالیت آن افزایش یافته و به راحتی جاری شود. به منظور اجرای عملیات به صورت صحیح، نیاز است بین 40-60 درصد از قطعه به حالت مذاب دربیاید. در شکل زیر تفاوت این روش با تیکسوفورجینگ به خوبی نشان داده شده است. این روش تاکنون به صورت موفقیت آمیز بر روی آلیاژهایی از آلومینیوم، منیزیوم و قلع و سرب اجرا شده است.

تیکسومولدینگ (Thixomoulding)

تیکسومولدینگ یکی دیگر از روش های تیکسوفرمینگ محسوب می شود که به دلیل سهولت و سرعت بالای آن مورد توجه قرار گرفته است. در این روش شکل دهی تنها در یک مرحله اجرا می شود. برای این کار آلیاژ جامد فلزی به قطعات کوچکی خرد می شود و درون ماشین قرار داده می شود که تا حالت نیمه مذاب حرارت داده شود. پس از حرارت دیدن قطعات به صورت دوغاب نیمه جامد درمی آیند و به درون قالب تزریق می شوند تا شکل نهایی تشکیل شود.

این روش از تیکسوفرمینگ، روشی پرطرفدار برای آلیاژهای منیزیوم محسوب می شود. منیزیوم فلزی فعال است که پس از حرارت دیدن به سرعت با اکسیژن واکنش می دهد و می تواند فاجعه آفرین باشد! به همین دلیل در طول فرایند معمولا از یک گاز خنثی مثل آرگون برای محافظت استفاده می شود.

تیکسورولینگ (Thixorolling)

نورد فرایندی است که قطعه با قرار گرفتن بین دو غلتک، نازک شده و به صورت تخت در می آید. از این روش برای تبدیل شمش، تختال و ورقه های با ضخامت بالا به ورقه هایی با ضخامت پایین تر برای فرایندهای شکل دهی بعدی استفاده می شود. با توجه به ضخامت ورق، این عملیات می تواند در چند مرحله و با استفاده از غلتک های مختلف انجام شود.

در روش تیکسورولینگ نیز شمش حرارت داده شده با ساختار کروی بین دو غلتک جریان می یابد تا نواری باریک از ورقی نازک را پدید آورد.امروزه بر روی این روش مطالعات زیادی انجام شده و روش هایی تکامل یافته تر نظیر نورد پودری نیمه جامد (Semisolid powder Rolling) به وجود آمده اند که از آن ها برای تولید قطعاتی حساس مانند قطعات مورد استفاده در فضاپیما استفاده می شود.

تیکسواکستروژن (Thixoextrusion)

تیکسواکستروژن یکی دیگر از فرایندهای تیکسوفورمینگ است که برای شکل دهی بیلت ها استفاده می شود. این فرایند در مقایسه با اکستروژن مزایای زیادی دارد؛ از جمله سیالیت بالای مواد در هنگام عملیات اکسترود، فشار کاری کمتر و در نتیجه افزایش عمر قطعات مهندسی.در این فرایند، بیلت که حرارت داده شده و ساختاری کروی پیدا کرده است، درون قالبی بسته فشرده و در اصطلاح کوبیده می شود.

طی این فرایند شمش مورد نظر شکل قالب را به خود می گیرد. این تکنولوژی نیز به صورت گسترده ای برای استفاده در صنایع مختلف به خصوص صنعت اتومبیل سازی مورد مطالعه قرار گرفته است. از جمله آلیاژهایی که با این روش شکل داده می شوند، آلیاژهای آلومینیوم و آلومینیوم-مس هستند که به سختی شکل می گیرند.