اکستروژن اصطکاکی

اکستروژن اصطکاکی  یک فرایند حرارتی-مکانیکی است که می‌توان از آن برای شکل‌دهی سیم، میله‌ها، لوله‌های جمع‌شده استفاده کرد یا اینکه دیگر اشکال فلزی غیردوار را شکل داد که به‌طور مستقیم از ترکیبی از مواد متشکل از پودر فلزات، پوسته‌ها، براده‌های ماشین‌کاری (تراشه یا براده) یا شمش جامد گرفته شده‌اند. این فرایند منحصر بفرد است و محصولات نهایی آن به‌صورت بالقوه تا حد زیادی ریزساختار مطلوبی دارند. اکستروژن اصطکاکی در موسسه جوشکاری انگلستان اختراع شده‌است و در سال ۱۹۹۱ میلادی به ثبت رسید. در اصل در آغاز کار به عنوان یک روش تولید برای ریزساختارهای همگن و توزیع ذرات در کامپوزیت‌های زمینه فلزی در نظر گرفته می‌شده‌است.

تعریف فرایند و متغیرهای اصلی فرایند 

همانند فرایندهای معمول اکستروژن، در اکستروژن اصطکاکی، تغییر شکل با اعمال بار از طریق حرکت یک قالب ایجاد می‌گردد؛ گرچه اکستروژن اصطکاکی از چند لحاظ با اکستروژن معمولی تفاوت دارد. در فرایند اکستروژن اصطکاکی ماده اکستروژن (شمش یا دیگر مواد متشکله) نسبت به قالب اکستروژن در حال چرخش است. هم‌چنین، مشابه با اکستروژن معمولی، نیروی اکستروژن طوری اعمال می‌گردد که مواد را با قالب، تحت فشار قرار دهد. در عمل یا قالب یا مواد ممکن است بچرخند یا اینکه ممکن است آن‌ها حرکت چرخشی مخالف هم داشته باشند. حرکت چرخشی نسبی بین قالب و مواد تأثیرات قابل توجهی روی فرایند دارد. اول، حرکت نسبی در صفحه چرخش به تنش‌های برشی بزرگی منجر می‌شود و از این رو تغییر شکل پلاستیک در لایه‌ی در تماس با قالب و نزدیک به آن به‌وجود می‌آید. این تغییر شکل پلاستیک توسط فرایندهای بازیابی و تبلور مجدد حاصل از حرارت ذاتی ماده تغییرشکل‌یافته برطرف خواهد شد. به سبب وجود حرارت شکل‌دهی، اکستروژن اصطکاکی معمولاً نیازی به پیش‌گرم کردن مواد با وسایل کمکی ندارد و این به این معنا است که به صورت بالقوه یک فرایند با بازدهی انرژی بیشتر محسوب می‌شود. دوم، سطح قابل توجهی از تغییرشکل پلاستیکی در ناحیه حرکت چرخشی نسبی می‌تواند جوشکاری حالت جامد پودرها و دیگر مواد متشکله خیلی ریز مانند تراشه‌ها و براده‌ها را تقویت کند که به شکل مؤثری مواد (استحکام اصطکاکی) را قبل از اکستروژن ترکیب و تثبیت می‌کند. نقش‌های پیچشی تعبیه شده در جلوی قالب به جریان مواد در داخل دهانه ورودی اکستروژن کمک می‌کند و می‌تواند در مقایسه با یک سطح مقطع معادل در اکستروژن معمولی به کاهش اندازه نیروی اکستروژن منجر شود. سوم، تأثیرات ترکیبی افزایش دما و مقادیر بالای تغییرشکل به‌طور معمول به اکستروژنی منجر خواهد شد که ساختاری با دانه‌های نسبتاً ریز و برابر دارد و اینکه از تبلور مجدد بعد از انجام تغییرشکل حاصل شده‌است. زمینه‌های کریستالی مطلوب نیز ممکن است به‌وسیله این فرایند ایجاد شود و تغییرشکل ساختارهای نانوکامپوزیت نیز غیرممکن نیست.

بر اساس آنچه بیان شد، می‌توان گفت که پارامترهای کنترلی اساسی در اکستروژن اصطکاکی عبارتند از:
 سرعت قالب.
 هندسه قالب.
 نیروی اکستروژن عمود بر قالب یا سرعت پیشروی قالب در مواد.

و پارامترهای واکنش متناظر عبارتند از:
 گشتاور و قدرت مورد نیاز.
 دمای اکستروژن
 نرخ اکستروژن با وجود کنترل نیروی اکستروژن یا نیروی اکستروژن با وجود کنترل نرخ اکستروژن.
 خصوصیات و ریزساختار ماده اکسترودشده.

تجهیزات اکستروژن اصطکاکی 

در اصل، اکستروژن اصطکاکی را می‌توان روی ماشینی انجام داد که حرکت خطی و چرخشی موردنیاز را بتواند بین قالب و مواد ایجاد کند. نمونه این ماشین‌ها عبارتند از ماشین‌هایی که برای جوشکاری اصطکاکی ساخته شده‌اند، ماشین‌های فرزی که برای اعمال نیروهای اکستروژن اصلاح شده‌اند و آن‌هایی که به منظور تجهیزات اکستروژن اصطکاکی ساخته شده‌اند مانند ماشین اکستروژن و پردازش به کمک برش (™ShAPE) در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام. شکل ۳ نمونه‌هایی از تجهیزات اکستروژن اصطکاکی و محصولات اکسترودشده را نشان می‌دهد. شکل ۴ قالب‌های نوعی اکستروژن اصطکاکی را نشان میدهد که برای تولید سیم، میله و لوله طراحی شده‌است. قالب‌هایی که در این جهت می‌چرخند، در طول فرایند، جریان ماده را به سمت دهانه اکستروژن تقویت می‌کنند.

کرنش در اکستروژن اصطکاکی 
در اکستروژن معمولی، کرنش ناشی از بار ضعیف است و با نسبت اکستروژن تعریف شده‌است. نسبت اکستروژن در واقع نسبت مساحت سطح مقطع شمش اکستروژن، A0، به مساحت سطح مقطع محصول اکسترودشده، Af است. پس کرنش برابر است با e=ln(A0/Af).

در اکستروژن اصطکاکی یک مولفه کرنش اضافی وجود دارد که از حرکت برشی قالب چرخنده زمانی که با بار در تماس است، ناشی می‌شود. کرنش حاصل از چرخش قالب در زمانی که تغییرشکلی صورت نگرفته‌است، باعث کار اضافی می‌شود. به منظور بررسی کرنش ناشی از برش مطالعات با مواد نشانگر تعبیه شده در ماده اکسترود شده انجام شده‌است. بعد از اکستروژن، این وسایل را با استفاده از روش‌های متالوگرافی بررسی می‌کنند و با توجه به روش جریان یافتن مواد در طول فرایند اکستروژن بینش درست حاصل می‌گردد. شکل ۵ یک نمونه را نشان می‌دهد که چگونه مقدار کرنش برشی با تغییر نسبت نرخ اکستروژن به نرخ چرخش قالب تغییر می‌کند. در محدوده نرخ‌های خیلی بالای اکستروژن، فرایند اکستروژن اصطکاکی نزدیک به فرایند اکستروژن معمولی با سطوح کرنش عمل می‌کند.

ریزساختار حاصل از اکستروژن اصطکاکی 
شکل ۶ سطح مقطع و ریزساختار سیم تیتانیوم را نشان میدهد که با اکستروژن اصطکاکی پودر Ti-64 تولید شده‌است. خصوصاً اینکه سطح مقطع کاملاً جامد شده‌است و ریزساختار b تبدیل شده‌است که به این معناست که احتمالاً اکستروژن در دمای نزدیک به ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد (بالاتر از تبدیل بتا برای این آلیاژ) اتفاق افتاده‌است. شکل ۷ اندازه دانه و جهتگیری کریستالوگرافی لوله با دیواره نازک را نشان میدهد که از تراشه مذاب AZ91 اکسترود شده‌است. دانه‌ها به کمتر از ۵ میلیمتر پالوده می‌شوند و جهتگیری صفحات (۰۰۰۱) به سبب مولفه چرخشی برش خارج از حد نرمال است. شکل ۸ نمونه‌های از لوله‌های آلیاژ منیزیم را با اکستروژن اصطکاکی نشان میدهد. استحکام اصطکاکی نیز به کار گرفته می‌شود تا اندازه دانه و ترجیحاً بافت جهت‌گیری در مواد اساسی مانند ترموالکتریک‌های تلورید بیسموت و مغناطیس‌های آهن-سیلیکون پالایش شود. نمونه‌هایی از اثر اکستروژن اصطکاکی بر ریزساختار برای AZ31، آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس خالص گزارش شده‌است.

قابلیت تجاری‌سازی اکستروژن اصطکاکی 
 لوله‌کشی فولادی مقاوم در برابر خزش.
 ساختارهای سبک از منیزیم و آلومینیوم.
 مواد با ویژگی‌های حرارتی بهبودیافته.
 بازیافت ضایعات و براده‌های ماشین‌کاری آلومینیوم.
 مواد نانوکامپوزیت عملیاتی.

مزایا و معایب در مقایسه با اکستروژن معمولی

مزایا 
 مصرف انرژی به شکل قابل توجهی پایین است و نیروی اکستروژن در مقایسه با اکستروژن معمولی به سبب وجود برش چرخشی ضرورتاً منجر به ایجاد حرارت می‌گردد و جریان مواد به کمک هندسه پیچشی در دهانه اکستروژن شکل می‌گیرد.
 اکستروژن اصطکاکی قابلیت ایجاد میکروساختار ریزدانه را از پودر/تراشه/براده (پایین به بالا) و شمش‌های جامد (بالا به پایین) را دارد.
 قادر به اکستروژن موادی مانند Mg2Si است که نمی‌توان به سادگی توسط روشهای معمولی آنها را اکسترود کرد.
 همانند فرایند فاز جامد، اکستروژن اصطکاکی را میتوان در دمای پایین انجام داد که به موجب آن ذرات و فازهای ثانویه در مقیاس نانو در مواد متشکله حفظ می‌شوند. قابلیت ساخت نانوکامپوزیت‌های بلوکی را دارد.
 قابلیت بهبود خواص گروهی مانند مصرف انرژی را در آلیاژهای منیزیم دارد.

معایب 
 سرعت اکستروژن در مقایسه با فرایندهای معمول اکستروژن تاکنون قابل دفاع نبوده‌است.
 به سبب غیریکنواختی کرنش، یکنواختی ریزساختار و خصوصیات مواد در صفحات عمود بر جهت اکستروژن به دشواری بدست آورده می‌شود.
 محدوده کاملی از مقیاس‌پذیری فرایند شناسایی نشده‌است.

جستارهای وابسته 
 اکستروژن
 اکستروژن منیزیم
 اکستروژن فشاری تناوبی آلیاژ منیزیم
 اکستروژن پلاستیک
 ساخت فیلمان ذوبی
 ریزساختار

منابع 

شکل‌دهی فلزات
ساخت و تولید
فلزکاری
مهندسی مکانیک