ریخته گری فوم فولادی برای استحکام سبک وزن

مقدمه

ورقه ای و شــمش های فــولادی به عنوان محصــولات كارپذير چندين دهه اســت كه به دليل توليد آســان و قيمت پايين كاربردهای متنوعی دارند. اما شــركت فولادريزی “Maynard” در ميل واكی آمريکا يک ابتکاری را در فرآيند ريخته گری صفحات و شمشال فولادی ايجاد نموده كه میتواند انحصار فولادهای كارپذير را شکسته و فرصت و بازاری جديد برای صنايع ریخته گری فولاد فراهم نمايد كه قبلا قابل دسترس نبوده است.طراحان نياز شــديدی برای قطعات سبک فولادی در خودروهای نظامی، سازه های دريايی، خودروسازی و سازه های شهری دارند.

هر چند كه در دسترس بودن چنين موادی در ابعاد صنعتی برای چندين دهه هنوز مبهم است، اما اخيرا شركت فولادريزی Maynard با اســتفاده از فرآيند ريخته گری در ماسه توليد فولاد سبک با وزن مخصوص متغير را توسعه داد كه به نظر میرسد با نگاه به آخرين تحولات در تحقيق بتواند اين پازل را كامل نمايد.

اين فولادهای سبک به صورت پنل و شمش های فولاد كم آلياژ با سختی در محدوده 100 تا 400 برينل توليد شده و قطعاتی كه از اين مواد توليد شده اند در خودروهای نظامی (زره پوش)، كشــتی های جنگی و پنل های محافظ برای كاربردهای معماری بوده است. اين مواد همچنين دارای قابليت به كارگيری در صنايع خودرو به صورت پيستون های سبک وزن را نيز دارد.

فوم های فلزی موادی هســتند كه در آنها عمدا حفرات و مک هايی ايجاد میشــود كه اين حفــرات موجب كاهش وزن مخصــوص و افزايش ضخامت ظاهــری میگردد. طراحی قطعات با فوم های فلزی باعث اســتحکام بيشــتر صفحات در مقابل خمش همراه با پايين تر آمدن وزن آنها خواهد شد.

تاكنونفوم هايی براســاس مواد پايه مانند پلیمرها، ســراميکها و برخی فلزات مانند آلومينيم و تيتانيم ســاخته شــده و فوم های آلومينيم و تيتانيم امروزه در صنايع هوا و فضا خودروســازی شناخته شده هستند. اما فولاد كه گسترده ترين كاربرد مهندســی در بين مواد را برای طراحان دارد، هنوز به صورت تجاری به صورت فــوم به كار نرفته و كاربردهای فوم فولادی در ســازهای شــهری هنوز ارايه نشده اســت.

به همين لحاظ اين فرصت برای فوم های فولادی با خصوصيات برتر از فولاد كارپذير در كاربردهای منتخب فراهم آمده و شــركت فولادريزی Maynard بــا فوم فــولادی با قيمتی مناســب میتواند مــوادی را با وزن مخصوصهــای دلخواه و با خصوصيات قابل پيشبينی و ســختی در محدوده 100 تا 400 برينل توليد نمايد.

اين خصوصيات نه تنها برای كاربرد در رزه های صنايع نظامی بلکه برای سازه های شــهری مانند ساختمان ها و پل ها میتواند جالب توجه باشد. اين شركت همچنين اميدوار است اين نوآوری، زمينه جديدی از تحقيــق را برای محققين مواد فراهم نمايد تا بتواننــد به موادی با هر وزن مخصوص دلخواه و خصوصياتی با سختی 100 تا 400 برينل دست يابند.

البته قبل از اينكه شــركت فولاريزی Maynard آزمايشــات بيشــتری برای تعيين قابليتهای فرآيند انجام دهد در جســتوجوی يافتن شريکی برای مشاركت بوده زيرا تاكنون محصول برای عرضه در بازار آماده نگرديده است.

تولید فوم فولاد سبک با وزن مخصوصهای متنوع

در شركت فولادريزی Maynard فوم فولادی با استفاده از ماسه و چسب خودگير و ماهيچه های توليدی با طرح ثبت شــده به وســيله پرينت سه بعدی جهت ايجاد ساختار متخلخل دلخواه، توليد شده است. مراحل كار شامل ساخت ماهيچه با چسب خودگير فوران به روش پرينت سه بعدی، قرار دادن ماهيچه ها در قالب ماســه ای با چسب خودگير و سخت كننده استر، پيشبينی يک سيستم راهگاهی مناسب برای ورود مذاب به داخل قالب، تخليه قالب و ماهيچه ها پس از ريخته گری و انجام عمليات حرارتی لازم پس از جداسازی سيستم راهگاهی، بوده است.

توليد صفحات فوم فــولادی و قطعات با وزن مخصوصه ای دلخواه و خصوصيات پيشبينی شــده در ابعاد صنعتی يک روش ارزان قيمت معمولی ماســه ای بسيار استثنايی است. اين شــركت پيشبينی مینمايد اين فرآيند جديد بتواند طراحی های آتی سازه های فولادی را تغيير دهد و يک آزادی در مــورد پديده مهــم وزن مخصوص متغير برای طراحــان ايجاد كند اين ريخته گری به طور موفقيت آميزی صفحات فولادی و شمشال هايی از فولاد ســاده كربنی و فولادهای كم آلياژ توليد نموده و فرآيند توليد برای دستيابی به تخلخلی دلخواه و يکنواخت اســتاندارد شــده اســت.

ترتيب قرار گرفتن ماهيچه ها در قالب به نحوی تنظيم گرديده كه بتوان به صفحات فولادی با وزن مخصوص متغير در يک طرف و در طرف ديگر ســطح بدون تخلخل و صاف دست يافت.

تحقیق در خصوص قابلیت اجرا

تحقيق بر روی مواد تمركز بر تحقيقی بنيادی برای دســتيابی به راهبردی ماندگار و با گسترشی قوی در مواد سازهای، بالستيک و علوم توليد، فرآيندی و پايداری تمركز يافته است. مواد سازهای با تمركز بر مواد بالستيک برای توسعه عملکرد و بهره وری سلاح های نظامی و سيستم های حفاظتی شامل مواد سبک وزن با عملکرد بالا و جاذب انرژی مورد مطالعه قرار گرفته اند.

علم توليد، فرآيند و پايداری بر كشــف، ابتکار و به بلوغ رساندن نوآوری های توليدی و آگاهی از خصوصيات مواد و مکانيزم ها فرســودگی میپردازد تا دوام سيستم های نظامی در محيطه ای سخت ارتقا يابد.فلزات متخلخل ســاخته شــده از آلومينيم و تيتانيم به دليل ســختی و در عين حال ســبکی وزن به طور روز افزونی برای اســتفاده در قطعات ســازهای خــودرو و هواپيما مورد توجه قرار گرفته اند.

البته كاربردهای مهندســی نيازمند موادی قوی تر و اقتصادیتر نســبت به فوم های آلومينيم يا تيتانيم است. فولاد ســاختمانی تجاری به عنوان يک ماده مهندسی اثبات شده و خوصوصيات اين فولاد در طول قرن گذشته بدون جايگزين باقیمانده است.

اما در تحقيقات انجام شــده برای حدود 10 تا 15 ســال اخير نشــان داده شــده كه اين امکان وجود دارد تا فوم های فولادی در ابعاد آزمايشگاهی تهيه شــود و به دليل قابليت دارا بودن خواص مکانيکی دلخــواه به كار روند.

اما با وجود مزايای اساسی فوم های فولادی از نظر علم مواد، دسترس به محصولات تجاری از اين ماده ميســر نگرديده و در نتيجه طراحان ســازه ها هنوز كشف و اســتفاده از مزايای بالقوه فوم های فولادی را در كاربردهای سازه های شهری آغاز نکرده‌اند.

شايد به دليل فقدان دسترسی های تجاری به فوم فولادی، تاكنون هيچ كابردی به طور گســترده توســعه نيافته، ليکن در چند ســال اخير توجه به فوم هــای فلزی به خصوص فوم های فولادی بــه طور قابل توجهی افزايش يافته اســت و علت اين امر كاربرد وســيع چنين پنل های ســبک وزن برای جذب انرژی در تصادفــات، كاهش دهنده صدای اگزوز، كنترل كننده ارتعاش و صــدا در صنعت خودرو و به عنوان فيلتــر، مبدل حرارتی، پنل های ديواری با اســتحکام بالا برای عايق كردن صدا و همچنين بيو اينپلنت های پزشکی اســت.

فوم های فولادی هنگامی كه تحت بار قرار میگيرند نسبت سفتی به وزن فوق العاده از خود نشــان میدهند، خصوصا پنل های ساخته شده از فوم فولادی نســبت به ورقه ای جامد فولادی با وزن معادل، مقاومت بالاتری را به خمش دارند.

علت اصلی فرآيند توســعه فومهای فولادی تلفيق خصوصيات مکانيکی و فيزيکی اســت كه از فومهــای فلزی مانند ســفتی و چقرمگی بالا، وزن مخصــوص پايين، قابليت بالای عبور گاز، هدايت حرارتی پايين، خصوصيات غير معمول آكوستيک، جذب ضربه بالا و خصوصيات بالای عايق الکتريکی انتظار میرود.

کاربردهای بالقوه سازهای

فوم هــای فــولادی كاربردهای بالقــوه زيادی دارنــد. در قطعات خودروهای نظامی میتوانند برای جذب انرژی در سپرها، ضربه گيرهای جانبــی درب، نردهای ايمنی برای تصادف، محافظ چرخ ها، محافظ های انفجاری برای كاميون های نظامی و محافظت در ماشين های مسابقه ای بــه كار روند.

در صنايع ريلــی نيز میتوانند به عنــوان قطعات محافظ در تصادم و پنل های ســازهای استفاده شــوند. پالتهای سبک وزن و كانتينرها، درب های محافظ در مقابل آتش، پارتيشنها و كفهای كاذب، باراندازهــا، كف بارگيری برای محموله ها دريايــی از كاربردهای بالقوه فوم های فولادی هستند.

ســاير كاربردها میتواند شامل فوم های فولادی به صورت ميلگرد و مفتــول، كف پاركينگ، ديوار كارگاه ها، ديوارهای ســبک و جاذب ضربه برای گارد ريل ها، ديوارهای آكوستيک و كفه ای جاذب صدا، محافظت خودرو و ســاختمان ها در مقابل موج انفجار و جاذب ضربه برای خودروها باشد.

منابع:

منبع خارجی: Modern Casting Jan.2017

منبع فارسی: فروردین و اردیبهشت 1396 – مجله صنعت ریخته گری

ترجمه : انجمن صنفی کارفرمایان صنعت ریخته گری ایران