تحقیق مقاله ریخته گری

خشک و پخت:

یادآوری مواد اولیه:

پودر اکسید آلومینیوم: برای تهیه این پودر اکسید آلومینیوم به صورت مینرال کوراندوم در طبیعت وجود دارد که آن را به عنوان کریستال گران بهایی (یاقوت سرخ و یاقوت کبود) می شناسیم. یاقوت کبود و یاقوت سرخ از نظر شیمیایی خنثی بوده و جزء جواهرآلات می باشد. پودر  در مقیاس صنعتی توسط فرآیند بایرواز مینرال بوکسید به دست می آید. مینرال بوکسید به صورت هیدروکسید آلومینیوم  می باشد که همراه با ناخالصی های زیادی نظیر اکسید آهن مخلوط شده است با سود سوز آور NaoH کانی شویی انتخابی آلومینه انجام می شود و رسوب هیدروکسید آلومینیوم خالص عاری از هر گونه ناخالصی به دست می آید هیدروکسید آلومینیوم در اثر حرارت دادن به پودر  تبدیل می شود و در ساخت سرامیک های برپایه  به کار می رود از این پودر برای ساخت بودته (قالب ریخته گری) استفاده می شود.

پودر اکسید منیزیم یا از کربنات منیزم  یا از آب دریا به دست می آید به صورت هیدروکسید از آب دریا استخراج می شود و سپس توسط حرارت دهی به اکسید تبدیل می شود از پودر Mgo برای عایق های الکتریکی و آجر نسوز استفاده می شود.

پودر کاربید سیلیسیم (Sic): این پودر توسط فرآیند آچسان تولید می گردد در این فرآیند ماسه سلیسی () با کک (C) در یک محفظه ریخته می شود در داخل این محفظه دو الکترود وجود دارد جریان  الکتریکی بین الکترودها برقرار می کنیم بر اثر ایجاد حرارت ناشی از ایجاد جریان الکتریکی کک به دمای 2200 درجه سانتی گراد می رسد در این دما کک که خاصیت احیاکنندگی دارد اکسید سیلیسیم را احیا کرده و Sic به همراه گاز مونوکسید کربن Co یا دی اکسید کربن  تولید می شود بعد از اتمام واکنش مواد را از داخل مخفظه بیرون می آورند و مواد تفکیک می شود.

پودر نیترید سیلیسیم : این پودر توسط چندین فرآیند تولید می شود پودر سیلیسیم با نیتروژن در محدوده دمایی 1250 تا 1400 درجه ترکیب شده و پودر نیترید سیلیسیم سنتز می شود اگر این پودر را از کوره خارج کنیم مستقیماً قابل استفاده نیست در ابتدا باید آن را خورد و دانه بندی کنیم همچنین پودر حاصله ناخالصی های زیادی دارد (آهن- کلسیم و آلومینیوم). پودر نیترید سیلیسیم را با خلوص بالاتر می توان توسط احیا اکسید سیلسیم با کربن در محیطی که نیتروژن وجود دارد و واکنش  با آمونیاک تهیه کرد.

سرامیک ها به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند: سنتی و مدرن.

سرامیک های سنتی: این سرامیک ها قرن ها تولید می شود و از مواد اولیه طبیعی مثلاً مینرال های رسی با اضافه شدن آب که دارای خاصیت پلاستیک شده و با قالب شکل می پذیرد و در درجه حرارت بالا پخت می شود کاربرد این سرامیک ها در آجر، سفال، لوله های فاضلاب، کاشی، لوله ها، بوته ها، ساینده ها، کاغذ، سمباده و غیره.

سرامیک های مدرن (مهندسی یا پیشرفته): این سرامیک ها با خالص سازی مینرال های طبیعی به دست می آید و شامل اکسیدهایی نظیر  و غیره می باشد. کاربرد سرامیک های مدرن در صنایع هوافضا- عایق ها- سوخت های هسته ای و غیره.

برای ساخت یک قطعه سرامیکی ابتدا باید خواص را مورد نظر قرار داد مثلاً اینکه این قطعه در چه دمایی- در چه محیطی- تحت چه بارهایی – تحت تماس با چه موادی قرار دارد با توجه به این عوامل جنس ماده اولیه را انتخاب کرده سپس با توجه به همه این عوامل روش تولید، اندازه ذرات، توزیع ذرات و ... را انتخاب می کنیم در خیلی از کاربردها نیاز به پوردهایی با خلوص بسیار بالا داریم بنابراین برای انتخاب پودر سرامیکی میزان خلوص پودر برای ما اهمیت دارد.

خلوص پودر سرامیکی به شدت بر خواص نظیر: دمای بالا، استحکام، مقاومت با اکسیداسیون قطعه را پایین می آورد تأثیرگذار است.

تأثیر ناخالصی در خواص قطعه سرامیکی به عوامل زیر بستگی دارد:

شیمی ماده زمینه

شیمی ناخالصی

توزیع ناخالصی

شرایط کاری قطعه

به عنوان مثال کلسیم که یک ناخالصی است مقاومت خزشی  را که پرس گرم شده و حاوی Mgo به عنوان کمک زینتر است اما تأثیر کمی به مقاومت خزشی  که حاوی  است به عنوان کمک زینتر است تأثیر بسیار کمی دارد ناخالصی ها سبب تمرکز تنش و کاهش استحکام کششی قطعه می گردد تأثیر ناخالصی به اندازه آقال نسبت به اندازه دانه سرامیک و تفاوت انبساط حرارتی آخال و زمینه و تفاوت خواص الاستیکی زمینه و آخال.

اندازه ذرات و واکنش پذیری:

توزیع اندازه ذرات به روش متراکم سازی و شکل دهی بستگی دارد برای هر روش شکل دهی به توزیع اندازه ذرات خاصی نیاز داریم بنابراین با انتخاب روش شکل دهی به انتخاب توزیع اندازه ذرات می پردازیم اگر ذرات ما همگی در یک اندازه باشند تراکم خوب ایجاد می شود برای اینکه به حداکثر تراکم برسیم به توزیع از اندازه ذرات یا مجموعه ای از اندازه ذرات ریز و درشت نیاز داریم.

 ذرات سرامیکی عموماً از نظر شکل نامنظم بوده و نمی توانند فشردگی مطلوبی داشته باشند. عموماً درصد تخلخل بیشتر از 25% و در بعضی 50% است یکی از روش های حذف تخلخل انجام پخت است در حین عملیات پخت به مرور درصد تخلخل کاهش می یابد.

نمودار زیر مثالی برای  است:

با توجه به نمودار نتیجه می گیریم هر چه درصد تخلخل اولیه بیشتر باشد درصد تخلخل بعد از عملیات پخت بیشتر بوده و قطر دانه های قطعه پخته شده بیشتر است بنابراین انتظار این را نداریم که عملیات پخت روی درصد تمام تخلخل ها تأثیر یکسانی داشته و بتواند درصد تخلخل را به صفر برساند بنابراین باید دقت نمود در کاربردهایی که نیاز داریم درصد تخلخل قطعه سرامیکی پائین باشد در انتخاب روش فشرده سازی روشی انتخاب کنیم که درصد تخلخل را به حداقل برساند مثلاً روش پرس چند جهته ودیگر اینکه با توجه به این روش فشرده سازی توزیعی از اندازه ذرات را در نظر بگیریم که درصد تخلخل پائین ترین حد ممکن باشد.

 در بعضی از موارد سرامیکی مانند نسوزها نیاز به مقداری تخلخل داریم که این مقدار تخلخل به خاطر کاهش هدایت حرارتی و مقاومت در برابر شک حرارتی می باشد همچنین در نسوزها اندازه ذرات باید بزرگ باشد نسبت سطح به حجم در فرآیند ساخت قطعات سرامیکی پارامتر بسیار مهمی است هر چه نسب سطح ذرات به حجم آن بیشتر باشد نیروی محرکه ترمودینامیکی بر ای چسبیدن ذرات به یکدیگر بیشتر است ذرات ریز مساحت سطح بالایی دارند در نتیجه نیروی محرکه بسیار زیادی برای پیوند ذرات به یکدیگر وجود دارد.

 پودر های ریز زمان کمتری برای عمل پخت و زینترینگ نیاز دارد همچنین برای زینترینگ پودرهای درشت زمان زیادی نیاز داریم. بنابراین توزیع اندازه ذرات و در نتیجه واکنش پذیری ذرات در تعیین دما و زمان زینتر مهم بوده و باید در نظر گرفته شود هر چه قدر یک قطعه سرامیکی را در زمان طولانی تری در دمای بالا نگه داریم دو پدیده منفی صورت می گیرد: 1- رشد دانه 2- کاهش استحکام قطعه.

به منظور بهینه سازی استحکام و چگالش سریع پودر یا متراکم شدن سریع پودر حداقل رشد دانه مطلوب است نمونه اندازه ریز نسبت به اندازه درشت استحکام بالاتری دارد.

آماده سازی و دانه بندی پودرها:

نسوزها به کمک توزیع ذرات دو جزئی یا چند جزئی نیاز دارند ساینده ها باید در اندازه مختلفی وجود داشته باشند که هر کدام دارای اندازه باریکی می باشند.

روش های مختلف برای دانه بندی و آماده سازی پودر:

الف) روش های مکانیکی:

1- الک کردن                                                   6- آسیاب لرزشی

2- الوتریشن                                                      7 – توربوآسیاب (سریع)

3- جداسازی توسط هوا                                     8- آسیاب با انرژی سیال

4- بالمیل (آسیاب گلوله ای)                              9- آسیاب چکشی

5- آسیاب استحکاکی                                        10- خرد کردن غلتکی

ب) روش های شیمیایی:

1- رسوب دهی                                                  6- خشک کردن با نفت داغ

2- سل ژل                                                         7- پلاسما

3- اختلاط مایع                                                  8- لیزر

4- تجزیه                                                           9- هیدروترمال

5- خشک کردن انجمادی

ج) روش های متفرقه:

1- کلسینه کردن                                                3- بستر سیار

2- کوره های دوار                                             4- سنتز احتراقی

الف) دانه بندی مکانیکی:

1- الک کردن و غربال کردن یکی از روش های دانه بندی و تفکیک ذرات است ذرات بر اساس محدوده ی اندازه ذرات جدا می گردند ذرات بزرگتر از منافذ الک روی الک باقی مانده و ذرات کوچکتر تا رسیدن به الک با سوراخ های کوچکتر از میان الک ها عبور می کند. اندازه الک ها مطابق با تعداد منفذها در هر اینچ خطی طبقه بندی شده است که اندازه مش نامیده می شود (1 اینچ cm59/2) یعنی یک الک با مش 16 در هر اینچ طی دارای 16 منفذ است.