روشهاي ساخت و مقايسه برخي آلياژ هاي حافظه دار

روشهاي ساخت و مقايسه برخي آلياژ هاي حافظه دار

ساخت آلياژ هاي حافظه دار :

مهمترين روش هاي توليد قطعات از جنس آلياژهاي حافظه دار عبارتند از :
1ــ ذوب و ريخته گري

2ــ متالورژي پودر

3ــ سنتز احتراقي

1-3 فرآيند ذوب و ريخته گري

در روش هاي ذوب و ريخته گري محدوديت شکل و ابعاد قطعه به صورتي که در روش هاي متالورژي پودر و سنتز احتراقي وجود دارد،وجود ندارد . همچنين توليد قطعات در مقياس صنعتي به اين روش به لحاظ ارزان قيمت بودن مواد اوليه نسبت به بقيه روش ها و حذف هزينه مورد نياز براي قالب و پرس ، داراي توجيه اقتصادي مي باشد . در عين حال مشکلاتي از قبيل هزينه اوليه تجهيزات ، عدم توانايي در کنترل بهينه ترکيب شيميايي مذاب ، ناهمگني ساختار و وجود ناخالصي هايي که در حين ساخت وارد آلياژ مي شوند ، از جمله محدوديت هاي اين روش محسوب مي شود . به همين جهت به منظور به حداقل رساندن اين مشکلات و نيز افزايش کيفيت متالورژيکي مذاب ، روش هاي مختلف ذوب و ريخته گري ابداع شده اند .

مهمترين آنها شامل دو روش زير است :

* ذوب در کوره هاي قوس الکتريکي با الکترودهاي فنا شونده

* ذوب در کوره القائي تحت خلاء

* ذوب در کوره هاي قوس الکتريکي با الکترودهاي فنا شونده :

در اين روش مواد اوليه در داخل يک بوته قرار گرفته و با ايجاد قوس الکتريکي بين الکترود و مواد اوليه ، حرارت لازم براي ذوب آنها فراهم مي شود . براي به حداقل رساندن آلودگي ها مثلا در توليد نايتينول ، جنس بوته معمولا از نوع مسي و آبگرد انتخاب شده و داخل آنرا با نسوزهايي از جنس اکسيدهاي تيتانيوم نسوز کوبي مي شود . به همين منظور جنس الکترودها نيز معمولا تيتانيوم اسفنجي پرس شده ، شمش تيتانيوم و يا قطعات قراضه تيتانيوم که به هم جوش داده شده اند ، انتخاب مي شود .

از طرف ديگر براي جلوگيري از واکنش مذاب و گازهاي موجود در اتمسفر ، فرآيند ذوب اغلب تحت اتمسفر گاز خنثي انجام مي شود . براساس مطالب گفته شده آلودگي در مذاب در اين روش به حداقل مي رسد ، اما به دليل ساکن بودن حوضچه مذاب که در زير الکترود قرار دارد ، وجود جدايش ها و غير يکنواختي در ترکيب شيميايي آلياژ اجتناب ناپذير است . براي کاهش اين غير يکنواختي پس از تهيه آلياژ، قطعه ريخته شده چندين بار (گاه تا هفت مرتبه ) ذوب مجدد مي شود تا ترکيب شيميايي حدالامکان يکنواخت شود .

* روش ذوب در کوره القائي تحت خلاء :

در اين روش ، فرآيند ذوب توسط کويل القائي در اتمسفر خلاء انجام مي شود . به دليل استفاده از خلاء در سيستم ، آلودگي مذاب و در نتيجه حلاليت گازهاي موجود دراتمسفر در ذوب حداقل شده و از اين نظر از کيفيت بالايي برخوردار است . در برخي سيستم ها ، علاوه بر ذوب تحت خلاء امکان ريخته گري نيز فراهم شده است که اين شرايط موجب افزايش کيفيت متالورژيکي مذاب مي شود .
يکي ديگر از مزاياي اين روش ، يکنواخت بودن ترکيب شيميايي آلياژ است . اين خاصيت از تلاطم و حرکت ايجاد شده در مذاب در نتيجه وجود جريان هاي القائي در داخل آن بدست مي آيد . از جمله معايب اين روش مي توان به درصد بالاي کربن مذاب اشاره نمود . از آنجائي که بوته هاي مورد استفاده در اين روش گرافيتي هستند (به خاطر احيا بوته سراميکي توسط تيتانيوم ، امکان استفاده از آنها وجود ندارد) بنابراين با حرکت و تلاطم مذاب در داخل آن ، فلز کربن جذب مي کند . اين مسئله موجب کاهش کيفيت متالورژيکي ذوب به خصوص کاهش قابليت تغيير فرم آن مي شود . امروزه براي برطرف نمودن اين مشکل از کوره هاي القائي با فرکانس بالا استفاده مي شود . در اين کوره ها به خاطر بالا بودن فرکانس ، زمان ذوب کاهش يافته و در نتيجه مقدار کربن حل شده در داخل مذاب کمتر مي شود . همچنين در برخي از سيستم ها ، به جاي بوته هاي گرافيتي از بوته هاي آبگرد مسي استفاده مي شود که در اين صورت آلوده شدن فلز مذاب اتفاق نمي افتد .

2-3 متالورژي پودر

در اين روش پودر فلزات در قالبي فلزي به شکل نهايي خود فشرده مي شود و پس از طي مراحل تف جوشي در کوره با اتمسفر کنترل شده و يا خلاء به صورت قطعه صنعتي آماده در مي آيد .
از مزاياي اين روش مي توان به کاهش يا حذف عمليات ماشين کاري نهايي اشاره کرد . بنابراين تلفات مواد به حداقل مي رسد و زمان توليد نيز کم مي شود . آلياژ بدست آمده پس از تف جوشي همگني مناسبي دارد و توزيع خواص فيزيکي و مکانيکي در آن يکسان است . بعلاوه آلودگي هاي ترکيبات ناخواسته آلياژي به حداقل مي رسد . اما از نکات منفي آن هزينه بالاي سرمايه گذاري اوليه و توليد قطعات متخلخل است که باعث افت خواص مکانيکي مي گردد .

عامل اصلي در پديده تف جوشي نفوذ اتمي بين ذرات پودر است . در واقع نگهداري يک نمونه فشرده شده پودري در دمايي زير نقطه ذوب فلز يا آلياژ سبب مي شود که اتم هاي فلز در يکديگر نفوذ کنند و پيوند مکانيکي حاصل از فشار پرس را به پيوند فلزي تبديل کنند . اين موضوع سبب مي شود که اولا استحکام قطعه افزايش يابد و ثانيا آلياژسازي حاصل شود . يکي از روش هاي متالورژي پودر مرسوم که در تهيه آلياژهاي حافظه دار کاربرد دارد روش آلياژسازي مکانيکي است .

مزاياي استفاده از روش متالورژي پودر:

دلايل استفاده از روش متالورژي پودر نسبت به ساير روشهاي توليد عبارتند از قيمت تمام شده پائين، شکل دهي دقيق، بالا بودن آهنگ توليد و قابل کنترل بودن خواص مورد نظر در قطعه است .
تداوم رشد فناوري متالورژي پودر را مي‌توان به عوامل زير وابسته دانست:

* توليد انبوه قطعات دقيق و با کيفيت بالا از آلياژهاي آهني

* دستيابي به قطعاتي که فرايند توليدشان دشوار بوده و بايد کاملا چگال و داراي ريز ساختار يکنواخت (همگن) باشند .

* توليد اقتصادي آلياژهاي مخصوص، به ويژه مواد مرکب محتوي فازهاي مخلوط، که در اغلب موارد با بهره گيري از فرايندهاي افزاينده چگالي توليد خواهند شد .

* توليد مواد غير تعادلي از قبيل آلياژهاي غير بلوري، ريز بلور و آلياژهاي ناپايدار .

* ساخت قطعات پيچيده که شکل و يا ترکيب منحصر به فرد و غير معمول دارند .

3-3 سنتز احتراقي :

ساخت گستره وسيعي از مواد پيشرفته شامل پودرها و محصولات نزديک شکل نهايي از سراميک ها، بين فلزي ها ، کامپوزيت ها و مواد با گراديان ترکيبي به وسيله اين روش انجام پذير است . نيروي محرکه واکنش در اين روش ، آنتالوپي منفي اختلاط عناصر و ترکيبات واکنش دهنده است که منجر به آزاد شدن انرژي به صورت گرما مي شود به طوري که واکنش به صورت خود به خود در مواد واکنش دهنده ، پيشروي مي کند . براي سنتز احتراقي دو روش وجود دارد :
1- سنتز احتراقي پيشرونده (SHS)

2- سنتز احتراقي حجمي (VCS)

در هر دو روش ابتدا مواد واکنش دهنده مخلوط مي شوند و به صورت يک پلت نوعاّ استوانه اي شکل پرس مي شوند و سپس پلت توسط يک منبع خارجي گرما داده مي شود .
در روش SHS ، پس از اشتعال موضعي ، موج احتراق در مخلوط هتروژن واکنش دهندها به طور خود به خود منتشر مي شود . دماي جبهه احتراق مي تواند به مقادير 2000-4000 درجه سانتي گراد برسد . در روش VCS کل نمونه به طور همزمان تا رسيدن به دماي اشتعال گرما داده مي شود تا واکنش به طور ناگهاني در سرتاسر حجم نمونه ايجاد شود . اين واکنش را انفجار حرارتي نيز مي نامند . روش VCS براي واکنش دهنده هايي که گرمازايي ضعيف دارند استفاده مي شود ، ولي در روش SHS مواد براي انجام واکنش به دماي پيش گرم بالا احتياج دارند . بنابراين به نظر مي رسد که روش VCS روش مناسب تري براي توليد مواد باشد ، اما تا به حال از اين روش فقط در آزمايشگاهها براي توليد مواد استفاده شده است .

4-3 مقايسه گروه هايي از آلياژهاي حافظه دار

از ميان آلياژهايي كه رفتار حافظه داري را نشان مي دهند ، آلياژهاي پايه ي Ni-Tiبراي كاربردهاي فناورانه، به دفعات مورد استفاده واقع شده اند . با اين حال، در كاربردهايي، از آلياژهاي پايه ي مس استفاده مي شود و اخيراً، آلياژهاي حا فظه دار پايه ي Fe-Mn-Si ، براي كاربردهاي صنعتي به كار گرفته شده اند . بدون شك، آلياژهاي پايه ي Ni-Ti، در كنار اثر حافظه داري مطلوبي كه از خود نشان مي دهند، هزينه ي باﻻي اين آلياژ، از كاربردهاي بسيار زياد آن براي استفاده هاي عملي ، جلوگيري مي كند . در اين ميان، آلياژهاي حافظه دار پايه ي آهن، عموماً ارزان تر هستند و در دهه ي گذشته، به عنوان يك گزينه براي جانشين شدن به جاي آلياژهاي حافظه دار پايه ي Ni-Tiتوجه زيادي را به خود جلب كرده اند .

به طور كلي، آلياژهاي پايه ي آهن، داراي 4 خصوصيت مهم ذيل هستند :

1 ( قيمت پايين

2 ( كارپذيري خوب

3 ( ماشين كاري خوب

4 ( جوش پذيري خوب

5-3 نايتينول ( Nitinol )

همان طور كه گفته شد، يكي از آلياژهايي كه امروزه در ميان گروه هاي مختلف از آلياژهاي حافظه دار، نظير آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس و پايه ي آهن، در صنايع مختلف، كاربردهاي فراواني يافته، ( نايتينول ) است . در دهه ي 1960 ، بوهلر و همكارانش، در آزمايشات خود، ويژگي حافظه داري را در آلياژ نيكل - تيتانيوم با نسبت اتمي معادل، كشف نمودند . اين آلياژ نايتينول (Nitinol) ناميده شد . دليل انتخاب اين اسم براي آلياژ حافظه دار نيكل - تيتانيوم (Nickel- Titanium ) ، اين بود كه اين آلياژ، براي اولين بار در آزمايشگاهي به نام Laboratory Ordance Naval ، شناسايي شد . نايتينول، به دليل ويژگي هاي مطلوبي كه از خود به معرض نمايش گذاشت، به زودي كاربرد هاي خاص خود را در علم پزشكي پيدا كرد . همان گونه كه از (شكل 3) مشخص است، نايتينول، رفتار مكانيكي بسيار مشابهي با اعضاي بدن از خود نشان مي دهد .

( شکل3 )

استنت هايي كه به وسيله ي فوﻻدهاي زنگ نزن و يا آلياژهاي پايه ي كبالت، به طور رايج مورد استفاده قرار مي گيرند، تنها قادرند در حدود 1 درصد از كرنشي كه توسط نيرو به آن ها اعمال شده را بازيابي كنند، درصورتي كه اين مقدار، در مقايسه با كرنشي كه مواد طبيعي (استخوان، تاندون و . . .) قادر به بازيابي آن هستند ( در حدود 10 درصد ) ، ناچيز است . با مقايسه اين اعداد و ( شكل 3 ) ، مي توان دليل افزايش كاربرد نايتينول را در علم پزشكي دريافت .

( شکل 4 ) : کاربرد آلياژهاي حافظه‌دار در پزشکي، به‌عنوان استنت

6-3 آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس

گروهي ديگر از آلياژهاي حافظه دار، آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس مي باشند . آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس، از جمله آلياژهاي حافظه دار تجاري متداول مي باشند . اين آلياژها، با توجه به خواص منحصربه فرد خود، در بسياري از صنا يع، مورد استفاده قرار مي گيرند . از جمله مزاياي آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس، مي توان به دماي كاري باﻻ، قيمت پايين تر و راحت تر بودن فرآيند توليد در مقايسه با آلياژهاي حافظه دار نايتينول، اشاره كرد . مهم ترين كاربرد آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس، در حسگرها و محرك ها مي باشد .

( شکل 5 )

از ميان آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس تجاري، آلياژ Ni-Al-Cu ، يكي از پركاربردترين آن هاست. از اين رو، شناخت و توسعه ي روش هاي توليد اين آلياژ كه از لحاظ اقتصادي به صرفه بوده و خواص مطلوبي ايجا د نمايند، ضروري به نظر مي رسد . يكي از چالش هاي اصلي مطرح در خصوص آلياژهاي حافظه دار، به خصوص، آلياژهاي حافظه دار پايه ي مس، مشكل بودن روش توليد آنهاست . حجم كم سرمايه گذاري، دسترسي به آلياژ همگن، كاهش مصرف ا نرژي، ساخت قطعه با كمترين هزينه، سرعت باﻻي توليد و به حداقل رساندن آلودگي، متغيرهاي تعيين كننده اي هستند كه روي انتخاب روش توليد اين آلياژها، اثر مي گذارند .

7-3 مقايسه برخي روش هاي توليد آلياژ حافظه دار پايه مس

به طور كلي، دو روش در توليد آلياژ حافظه دار پايه ي مس، متداول تر هستند: روش ريخته گري و روش متالورژي پودر . در روش ريخته گري، به دليل حساسيت باﻻي اين آلياژها به تردي در اثر درشت شدن دانه ها در فرآيندهاي ريخته گري متداول و به وجود آمدن رسوبات ترد، كنترل تركيب شيميايي، از اهميت فوق العاده اي برخوردار است . درشت شدن دانه ها و به وجودآمدن رسوبات، مهم ترين مشكلات توليد به روش ريخته گري است كه مي توانند باعث كاهش خواص حافظه داري، خواص مكانيكي و خصوصاً افت شديد داكتيليته[1] گردند . هرچند ريخته گري اين دسته از آلياژها، مزايايي مانند كاهش هزينه ها و قابليت توليد قطعاتي با شكل هاي پيچيده تر دارد، اما معايب روش ريخته گري، باعث مورد توجه قر ار گرفتن روش هايي مانند روش ( ريخته گري چرخشي ) و يا استفاده از ( متالورژي پودر ) ، در سال هاي اخير شده است .

8-3 کاربردهاي مختلف آلياژهاي حافظه‌دار

در اين قسمت، به كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار كه به طور كلي به پنج مجموعه تقسيم بندي شده است ، اشار ه مي شود :

* كاربردهاي با بازيابي آزاد ( استفاده از حركت) :

كاربردهايي كه در آنها، آلياژ حافظه دار، در حين سرد و گرم شدن آ زادانه، شكل اوليه ي خود را بازيابي مي كنند، بدون آن كه يك تنش بيروني، از اين كار ممانعت به عمل آورد و بنابراين ، توليد يك كرنش بازيابي مي كنند . براي مثال، در آنتن هاي سفينه هاي فضايي كه پس از قرارگرفتن سفينه در فضا، بدون اِعمال تنش بيروني و فقط با استفاده از گرم كردن، باز مي شوند .

* كاربردهايي با بازيابي مقيد ( استفاده از نيرو) :

به كاربردهايي اطﻼق مي شود كه در آن ها، نيروي خارجي، جلوي بازيابي كرنش در آلياژ را ميگيرد . اگرچه در اين كاربردها، هيچ كرنشي بازيابي نمي شود ولي مقدار زيادي ( تنش ) ايجاد ميشود . از اين خاصيت، در كاربردهايي مانند چفت ها و بست ها و كوپلينگ هاي لوله استفاده ميشود. اين كاربرد، وسيع ترين كاربرد آلياژ را شامل مي شود .

* كاربردهاي با بازيابي تحت فشار ( استفاده از كار) :

به كاربردهايي اطﻼق مي شود كه در آن ها، هم تنش و هم كر نش، در حين گرم كردن بازيابي شده و كار مكانيكي ايجادشده، مورد استفاده قرار مي گيرد . اين خاصيت، در محرك ها مورد استفاده قرار مي گيرد . اين محرك ها به دو نوع محرك هاي گرمايي و الكتريكي تقسيم مي شوند.

( شکل 6 )

در ( شكل 6 ) ، مصداقي از كاربرد يك سيم كه از جنس آلياژ حافظه دار است كه با تغيير دماي ناشي از مقاومت سيم در برابر جريان و بسته به شرايطي كه براي سيم حافظه دار تعريف شده، سيم، در محدوده معيني انبساط و انقباض مي يابد

* كاربردهاي ابركشساني ( ذخيره انرژي مكانيكي) :

اين كاربرد، بر اساس وجود درصد بسيار باﻻي كشساني يا بازگشت فنري كه در اكثر آلياژهاي Ni-Tiيافت مي شود، بنيان نهاده شده است و باعث ذخيره ي انرژي مكانيكي مي شود و دركاربردهايي نظير فنرها، مورد استفاده قرار مي گيرد . اگرچه محدوده ي دمايي بروز اين خاصيت، كوچك است، ولي در همين محدوده، آلياژ مي تواند رفتار اﻻستيك 15 برابر فوﻻدهاي فنري را از خود نشان دهد .

* خاصيت ميراكنندگي ارتعاشات :

از اين خاصيت، براي مهار ارتعاشات در سازه هايي كه تحت ارتعاشات شديد قرار دارند، استفاده مي گردد . براي مثال، مي توان به صفحات آزاد ميراكننده ي ارتعاش در سفينه هاي فضايي اشاره كرد . همچنين مي توان از اين آلياژها، در پي ساختمان، براي ميراكردن ارتعاشات ناشي از زلزله استفاده كرد .

دردسته بندي ديگري اين مواد از نظر کاربرد به سه گروه تقسيم بندي ميشوند:

ــ وسايل سوپر الاستيک

ــ عملگرهاي حافظه دار

ــ وسايل مارتنزيتي

* وسايل سوپر الاستيک

وسايل سوپر الاستيک در کاربردهايي که انعطاف پذيري بالا و يا قابليت تحمل نيروي گشتاوري زياد نياز باشد ، مورد استفاده قرار مي گيرند . اين مواد توانايي جذب مقادير زيادي از کرنش را دارند . از جمله اين مواد ، آلياژ TiـNi مي باشد که الاستيسيته آنها در حدود 10 برابر فولاد است . اين مواد همچنين با يک نيروي ثابت ، محدوده وسيعي از کرنش را از خود نشان مي دهند و در مقابل پيچش بسيار مقاوم هستند .

مثال هايي از کاربرد وسايل سوپر الاستيک شامل آنتن تلفن هاي همراه سلولار ، وسايل ضربه گير ، قاب عينک ، سيم هاي ماهيگيري و فايل هاي کانال ريشه در دندانپزشکي مي باشد .

* عملگرهاي حافظه دار

در اين وسايل از اثر حافظه داري براي بازيابي شکل ويژه جسم تحت دمايي بالاتر از دماي تغيير حالت استفاده مي شود . از اين اثر همچنين براي ايجاد نيرو و يا انجام کار استفاده مي شود .
مثال هايي از اين نوع کاربرد نيز شامل بست ها و اتصالات ، آندوسکوپ هاي فعال ، موتورهاي مبدل انرژي ، فعال کننده هاي حرارتي ،سوئيچ هاي حرارتي حافظه دار، اتصال دهنده استخوان ها و استنت ها مي باشد .

* وسايل مارتنزيتي

خواص بي نظير فاز مارتنزيت در آلياژهاي حافظه دار ، آنها را به ماده مناسبي براي بسياري از کاربردها تبديل نموده است . استحاله مارتنزيتي به دليل داشتن ساختار دوقلويي قابليت بسيار خوبي براي جذب انرژي دارد . از طرف ديگرفاز مارتنزيتي در اين آلياژها مقاومت خستگي بسيار خوبي دارد و بعلاوه به راحتي تغيير فرم مي دهد . در نتيجه مي توان از اين مواد در جذب کننده هاي ارتعاش ، سيم هاي با مقاومت خستگي بالا و ابزار جراحي با خم شدن مکرر استفاده نمود .

[1] - شکل پذیری (Ductility) یا داکتیلیتی یک خاصیت ذاتی و کیفی ماده است.

لینک دانلود فیلمها

http://s5.picofile.com/file/8121682718/Shape_Memory_Alloy_film.rar.html

لینک دانلود فایلهای word - pdf - powerpoint http://s5.picofile.com/file/8121672876/Shape_Memory_Alloy_WORD.rar.html

پسوورد فایلها : www.sahamabad.blogfa.com

روشهاي ساخت و مقايسه برخي آلياژ هاي حافظه دار

مطالب مشابه :

روشهاي توليد لوله

روشهاي توليد آمونیاک

اشناي با روشهاي توليد الكتريسيته

روشهاي توليد بن ساي(درختان مينياتوري)

روشهاي توليد ملكه زنبورعسل

روشهاي ساخت و مقايسه برخي آلياژ هاي حافظه دار

روشهاي توليد پودر فلزات