تف‌جوشی

دانه‌های کلینکر تهیه‌شده به روش تف‌جوشی.
تف‌جوشی یا سینترینگ یکی از روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی است. تف‌جوشی چسباندن یا چسبیدن ذرات یک یا چند ماده به یکدیگر از طریق ذوب سطحی براثر حرارت، همراه با فشار یا بدون آن، به‌طوری‌که به صورت یک توده جامد (solid mass) درآیند. اساس کار این روش کاهش انرژی آزاد سطحی ذرات در اثر چسبیدن به یکدیگر است.
مقدمه
پودر آهن
هنگامی که ذرات پودر متراکم شده تا دماهای بیش از نصف دمای ذوب مطلق گرم شوند، به یکدیگر خواهند چسبید. این پدیده تف جوشی نامیده می‌شود. یکی از ویژگی‌های انواع حالات تف جوشی، کاهش سطح همراه با افزایش استحکام فشاری است. این پدیده هنگام شکل گیری پیوند بین ذره‌ای، باعث تحریک اتمی دردمای تف جوشی می‌شود. حین انجام تف جوشی در فازمایع، یک فازمایع در کنار ذرات جامد قرار می‌گیرد. به طور معمول فاز مایع نرخ به هم پیوستن بین ذرات درحین تف جوشی را بالا می‌برد. همراه باایجاد پیوند بین ذره‌ای تغییرات عمده‌ای در ساختار حفره و خواص فشاری مانند استحکام، چقرمگی، رسانایی، تراوایی مغناطیسی و مقاومت به خوردگی رخ می‌دهد. تف جوشی در فاز جامد برای مواد تک فازی بهترین حالت شناخته شده تف جوشی می‌باشد. حتی در این حالت نیز مراحل پیچیده‌ای وجود دارد که پودر هنگام گرم شدن این این مراحل را طی می‌کند.
دسته‌بندی تف جوشی
دردسته بندی کلی تکنیک‌های تف جوشی، فشار اولین عامل موثر می‌باشد. بیشتر فرایندهای تف جوشی، بدون اعمال فشار خارجی انجام می‌گیرد. دربسیاری از کاربردها با عملکرد عالی، چگالی بالا توسط اعمال خارجی به دست می‌آید. در تکنیک‌هایی نظیر پرس گرم، پرس ایزواستاتیک گرم، فورج گرم و اکستروژن گرم برای چگالش نمونه متراکم از ترکیبی از دما، تنش و کرنش استفاده می‌شود. در بیشتر موارد تف جوشی در فاز مایع، اثر موئینگی یک نیروی داخلی بر روی ذرات جامد اعمال می‌کند. دراین حالت نیازی به نیروی خارجی بسیار بزرگ است.
۱. فاز مایع
 پودر پیش آلیاژی
 مخلوط پودری
o پایدار
o گذرا
۲. فاز جامد
 تک فاز
 مخلوط فازها
o فعال شونده
o همگن سازی
o کامپوزیتی
تفاوت در تکنیک‌های کاربردی
تفاوت اصلی بین تکنیک‌های تف جوشی بدون فشار، دراختلاف موجود بین فرایندهای تف جوشی در فاز مایع و جامد می‌باشد.
بیشترین بررسی‌های تئوری در مورد تف جوشی در فاز جامد در حالت تک فاز انجام شده است. بررسی‌های فراوانی جزئیات تئوری تف جوشی درفاز جامد، چندین حالت به همراه فازهای ثانویه وجود دارد. این فرایند شامل همگن سازی نمونه متراکم شده، تف جوشی فعال شونده و تف جوشی نمونه‌های چند فازی درحالت جامد می‌باشد. تف جوشی فعال شونده، فرایندی در حالت جامد بوده و مشابه تف جوشی در فاز مایع است که درآن، فاز جامد ثانویه موجب برقراری پیوند بین ذره‌ای می‌شود. همانند فولادهای پرکربن در دماهایی که فریت و سمنتیت در کنار هم وجود دارند، تف جوشی از نوع مخلوط فازی نیز در زمینه دوفازی تعادلی اتفاق می‌افتد. همگن سازی درحین تف جوشی پودرهای مخلوط شده که یک محصول تک فاز را تولید می‌کند، اتفاق می‌افتد. فازمایع ممکن است گذرا یا پایدار باشد که به میزان حلالیت رد حین تف جوشی بستگی دارد. از طرفی یک پودر ازپیش آلیاژی می‌تواند تا دماهای لیکوئیدوس و سالیدوس گرم شود. مخلوط فازهای جامد و مایع به دست آمده، منجربه تف جوشی درحالت سوپرسالیدوس می‌شود. در طبقه‌بندی اصلی تف جوشی در فاز مایع، متغیرهای بسیاری وجود دارند که به ویژگی‌های ماده وابسته هستند. برای مثال ممکن فاز جامد در فاز مایع حلالیت داشته باشد یا نداشته باشد. چنین متغیرهایی به شدت برنرخ تف جوشی و تحولات ریز ساختاری تاثیر می‌گذارند. عوامل اصلی دیگر به انرژی‌های سطحی بین فازهای مذاب و جامد (ترشوندگی درمقابل عدم ترشوندگی) و نفوذ نسبی مذاب درامتداد مرز دانه‌های جامد – جامد بستگی دارد. این متغیرها علاوه بر عوامل موثر بر فرایند مانند اندازه ذرات، دمای تف جوش، زمان، اتمسفر و استحکام‌تر، دارای اثرات چشمگیری برنوع ماده شکل گرفته توسط تف جوشی در فاز مایع می‌باشد.
روش کار
ابتدا ماده مورد نظر را به صورت پودر درمی‌آورند تا سطح ویژه آن بیشتر شود. سپس پودر حاصل را به شکل دلخواه پرس کرده و در کوره می‌گذارند. دمای کوره تا حدی بالا می‌رود که قطعه ذوب نمی‌شود.
در دماهای بالاتر دامنه نوسان اتمها بیشتر بوده و بنابراین نفوذ اتمی بیشتر می‌شود. اتمهای ذرات مجاور در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات را به هم می‌چسبانند.
کاربردهای تف جوشی در فاز مایع
تف جوشی در فاز مایع دربسیاری از محصولات تجاری وصنعتی کاربرد دارد. درسال‌های اخیر شناخت بهتری ازاین پدیده بنیادی همراه با افزایش کاربرد این روش بدست آمده است. اولین کاربرد این روش، تولید آجرهای ساختمانی از خاک رس (سیلیکات آلومینیوم هیدرات) بودکه یک فاز شیشه‌ای، فاز مایع را تشکیل می‌داد. تخمین زده می‌شودکه تاریخچه تولید آجرهای آتشی به هفتاد قرن پیش برمی گردد. همچنین بسیاری بسیاری ازدیگر مواد سرامیکی، توسط فرایند تف جوشی تولید فرایند تف جوشی در فاز مایع فرآوری می‌شده‌اند. این مواد سرامیکی به واسطه حضور یک فاز شیشه‌ای دردمای تف جوش تولید شده‌اند. علاوه براین بررسی میکروسکوپی با قدرت تفکیک بالا مشخص کرده که بسیاری از سرامیک‌های جدید در حین تف جوشی، درمرز دانه‌ها دارای فاز مایع هستند. امروزه اغلب محصولات سرامیکی باحضور فاز مایع مایع درحین تف جوشی تولید می‌شوند؛ مثل سایندها، خازن‌های فروالکتریک، آهنرباهای فریتی، مواد الکتریکی و سرامیک‌های با پیوند کووالانسی دمای بالا.
کاربرد تف جوشی در فاز مایع در فلزات به دوران باستان برمی‌گردد، که ذرات پلاتینیوم را توسط پیوندهای طلا به یک قطعه مستحکم تبدیل می‌کردند. تصور می‌شودکه طلا درحین تف جوشی ذوب می‌شود. مصنوعات ساخته شده به این روش نشان می‌دهند که قدمت استفاده ازاین روش به ۴۰۰سال قبل می‌رسد.
توسعه فناوری مدرن تف جوشی در فاز مایع، تولید کاربیدهای سمانته را به دنبال داشته است. تلاش‌های بسیاری منجر به توسعه ابزارآلات و مواد ماشین‌کاری در سال‌های ۱۹۰۰تا۱۹۳۰ شده است. درابتدای سال ۱۹۲۰کاربیدها توسط آلیاژهای پیونده دهنده فلزی تولید می‌شدند. به طور معمول در چنین ترکیباتی عملیات تف جوشی در فاز مایع توسط آهن، نیکل یا کبالت صورت می‌گرفت. فرایند تف جوشی در فاز مایع تولید کاربیدهای فشرده وبدون تخلخل را با خواص بهتر از ابزارهای برشی قبلی ممکن ساخته است. امروزه کاربیدهای سمانته یکی از قطعات اصلی مورد استفاده در صنایعی از جمله معدن کاری، ماشین کاری، شکل دهی فلزات، سنگ زنی، سوراخ کاری و برش کاری محسوب می‌شوند. این دامنه وسیع کاربرد کاربیدهای سمانته، به دلیل ضریب انبساط بالا و چقرمگی کافی آنها می‌باشد. همچنین تولید یاتاقانهای برنزی به وسیله فریند تف جوشی پودرهای قلع ومس توسعه پیدا کرده‌اند. یاتاقان‌های برنزی بدون روغن دارای یک شبکه متخلخل به هم پیوسته می‌باشند که توسط فاز مایع گذرا به هنگام ذوب شدن قلع به وجود می‌آید. این حفرات متعاقبا توسط روغن پرمی شوند تا موجب خود روانساز قطعه درحین کارشوند. بیشترین کاربرد این یاتاقان‌ها در تجهیزات و الکتروموتورهای باتوان پایین می‌باشد. توسعه آلیاژهای سنگین تنگستن دردهه ۱۹۳۰ زمینه‌ای تئوری برای تف جوشی در فاز مایع ایجاد کرد. این آلیاژها مخلوطی از پودر نیکل، مس وتنگستن می‌باشند. بررسی آلیاژهای سنگین، تصویر روشنی از اهمیت تف جوشی در فاز مایع نمایان ساخت. همچنین این آلیاژها خواص منحصر به فرد کامپوزیت‌های تولیدشده به روش تف جوشی در فاز مایع رانشان می‌دادند. کاربرد فرایندهای تف جوشی در آلیاژهای سنگین، به دلیل ویژگی‌هایی همچون دمای دمای ذوب، استحکام و چگالی بالا و چقرمگی، مقاومت به خوردگی و ضریب انبساط حرارتی پایین آنها می‌باشد. چنین خواصی در پوسته‌های محافظ رادیواکتیویته، وزنه‌ها، قطعات سایشی، قطعات محافظ ماشین‌کاری، موشکها و ابزارهای فلزکاری مفید می‌باشند.
بررسی مزایا و محدودیت‌های تف جوشی در فاز مایع
از نظر تکنیکی مزیت اصلی تف جوشی در فاز مایع، سرعت بالای این فراینداست. فازمایع موجب افزایش سرعت نفوذ اتمی نسبت به تف جوشی درحالت جامد می‌شود. اثر موئینگی ناشی از ترشوندگی فاز مایع، منجربه چگالش سریع بدون نیاز به فشار خارجی می‌شود. همچنین فازمایع اصطکاک بین دانه‌ای را کاهش می‌دهد و به آرایش مجدد ذرات جامد کمک می‌کند. علاوه براین حل شدن لبه‌ها و گوشه‌های تیز ذرات در فاز مایع موجب بهبود قابلیت تراکم می‌گردد. اندازه ذرات درحین تف جوشی در فازمایع قابل کنترل است، بنابراین تغییرات ریز ساختاری در جهت بهبود خواص، قابل دستیابی است. درنهایت دربسیاری از سیستم‌های تف جوشی در فاز مایع، فازی که نقطه ذوب بالاتری دارد سخت‌تر است. این روش با وجود مقادیر زیاد فاز سخت، اغلب در مواد کامپوزیتی دوفازی تف‌جوش شده، موجب دستیابی به قطعات با رفتار نرم می‌شود.
متالورژی پودر
تف جوشی
پرس ایزواستاتیک گرم