**اکستروژن اصطکاکی** (به انگلیسی: Friction Extrusion) 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
-----------------------------------

 شکل ۱. ماشین فرز C-شکل که برای اکستروژن اصطکاکی اصلاح شده‌است. در سمت چپ یک تصویر کامل و در سمت راست یک تصویر نزدیک از محور ماشین نشان داده شده‌است که چرخش قالب را فراهم می‌سازد و سیلندر هیدرولیکی فشار اکستروژن را تأمین می‌کند. سیم به صورت عمودی از طریق میله اتصال توخالی ماشین فرز اکسترود می‌شود. این پیکربندی مشابه با اکستروژن مستقیم و قالب چرخنده است: یعنی اینکه مواد (در این مورد شمش) در قالب چرخنده تحت فشار قرار می‌گیرند.
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.

 شکل ۲. ماشین ™ShAPE در آزمایشگاه ملی شمال‌غربی آرام که قابلیت اعمال ۱۰۰ تن نیروی خطی و گشتاور ۱۰۰ فوت- پوند را در ۵۰۰ دور بر دقیقه دارد.
بر اساس آنچه بیان شد، می‌توان گفت که پارامترهای کنترلی اساسی در اکستروژن اصطکاکی عبارتند از:

1. سرعت قالب.
2. هندسه قالب.
3. نیروی اکستروژن عمود بر قالب ***یا*** سرعت پیشروی قالب در مواد.

و پارامترهای واکنش متناظر عبارتند از:

1. گشتاور و قدرت مورد نیاز.
2. دمای اکستروژن
3. نرخ اکستروژن با وجود کنترل نیروی اکستروژن یا نیروی اکستروژن با وجود کنترل نرخ اکستروژن.
4. خصوصیات و ریزساختار ماده اکسترودشده.

تجهیزات اکستروژن اصطکاکی
------------------------

 شکل ۳. فرایند اکستروژن اصطکاکی تا حد زیادی مقیاس‌پذیر است. دهانه اکستروژن در سمت چپ قطری برابر با ۷٫۵ میلیمتر دارد و دیگری در سمت راست ۵۰ میلیمتر قطر دارد. این اکستروژن‌ها روی یک ماشین جوشکاری اصطکاکی TTI انجام شده‌است.
 شکل ۴. اشکال هندسه پیچش قالب برای ساخت میله و لوله. قالب‌ها به شکل این پیچش‌ها می‌چرخند و به جریان مواد به سمت ورودی قالب کمک می‌کنند.
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.

 شکل ۵. توزیع سیم شاخص AA2195 در سیم ۶۰۶۱ اکسترودشده. شاخص در ۱/۳ شعاع شمش قبل از اکستروژن روی شمش قرار داده می‌شود. مقدار برش تابعی از نرخ اکستروژن نسبت به نرخ چرخش قالب است: این نسبت از a-h افزایش می‌یابد.

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.

 شکل ۶. یک سیم اکسترودشده، سطح مقطع کلی، و ریزساختار سیم که بوسیله اکستروژن اصطکاکی پودر Ti64 تولید شده‌است.
 شکل ۷. اندازه دانه و گسترش بافت در یک لوله با عملیات اکستروژن اصطکاکی که مستقیماً از براده مذاب AZ91 (آلیاژ منیزیم) تولید شده.
 شکل ۸. لوله‌های اکسترودشده اصطکاکی آلیاژ منیزیم ZK60 که با استفاده از ماشین shAPE در آزمایشگاه ملی شمال‌غربی آرام از یک شمش ریخته‌گری اکسترود شده‌است. لوله‌های اکسترودشده ریزساختار و بافت کریستالی مطلوبی دارند که در مقایسه با لوله‌های اکسترودشده معمولی، شکل‌پذیری و قابلیت جذب انرژی تغییرشکل آن‌ها بهبود یافته‌است.

قابلیت تجاری‌سازی اکستروژن اصطکاکی
----------------------------------

1. لوله‌کشی فولادی مقاوم در برابر خزش.
2. ساختارهای سبک از منیزیم و آلومینیوم.
3. مواد با ویژگی‌های حرارتی بهبودیافته.
4. بازیافت ضایعات و براده‌های ماشین‌کاری آلومینیوم.
5. مواد نانوکامپوزیت عملیاتی.

مزایا و معایب در مقایسه با اکستروژن معمولی
------------------------------------------

### مزایا

1. 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.
2. اکستروژن اصطکاکی قابلیت ایجاد میکروساختار ریزدانه را از پودر/تراشه/براده (پایین به بالا) و شمش‌های جامد (بالا به پایین) را دارد.
3. قادر به اکستروژن موادی مانند Mg2Si است که نمی‌توان به سادگی توسط روشهای معمولی آنها را اکسترود کرد.
4. 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.
5. قابلیت بهبود خواص گروهی مانند مصرف انرژی را در آلیاژهای منیزیم دارد.

### معایب

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

جستارهای وابسته
---------------

* اکستروژن
* اکستروژن منیزیم
* اکستروژن فشاری تناوبی آلیاژ منیزیم
* اکستروژن پلاستیک
* ساخت فیلمان ذوبی
* ریزساختار

منابع
-----

1. ↑  "Forming metallic composite materials by urging base materials together under shear"

US patent #5262123 A, Inventors: W. Thomas, E. Nicholas, and S. Jones, Original Assignee: The Welding Institute.
2. 1 2  Tang, W.; Reynolds, A.P. (2010). "Production of wire via friction extrusion of aluminum alloy machining chips". *Journal of Materials Processing Technology*. **210** (15): 2231–2237. doi:10.1016/j.jmatprotec.2010.08.010.
3. 1 2 3 4  "Scaled-up fabrication of thin-walled magnesium ZK60 tubing using shear assisted processing and extrusion (ShAPE™)", S. Whalen, V. Joshi, N. Overman, D. Caldwell, C. Lavender, T. Skszek, Magnesium Technology, 315-321, 2017.
4. 1 2  "Dispersoid distribution and microstructure in Fe-Cr-Al ferritic oxide dispersion-strengthened alloy prepared by friction consolidation", D. Catalini, D. Kaoumi, AP Reynolds, G. Grant, Metallurgical and Materials Transactions A, v. 46, no. 10, pp. 4730–4739, 2015.
5. ↑  "Manufacturing Processes for Engineering Materials, 5th ed. ", S. Kalpakjian and S. R. Schmid, شابک ‎۰۱۳۲۲۷۲۷۱۷, pp. 307-314, 2008.
6. 1 2  "Strain and texture in friction extrusion of aluminum wire", X. Li, W. Tang, AP Reynolds, WA Tayon, CA Brice, Journal of Materials Processing Technology, v. 229 ,pp. 191-198, 2016.
7. 1 2 3 4  "Microstructural evolution of rapidly solidified AZ91E flake consolidated by shear assisted processing and extrusion (ShAPE™)", N. Overman, S. Whalen, M. Olszta, K. Kruska, J. Darsell, V. Joshi, X. Jiang, K. Mattlin, E. Stephens, T. Clark, S. Mathaudhu, Materials Science and Engineering A, 701, pp. 56-68, 2017.
8. ↑  "Friction consolidation processing of n-type bismuth-telluride thermoelectric material", S. Whalen, S. Jana, D. Catalini, N. Overman, J. Sharp, Journal of Electronic Materials, 45(7), pp. 3390-3399, 2016
9. ↑  "Friction consolidation of gas-atomized Fe-Si powders for soft magnetic applications", X. Jiang, S. Whalen, J. Darsell, S. Mathaudhu, N. Overman, Materials Characterization, v. 123, pp. 166-172, 2017
10. ↑  J. Milner, F. Abu-Farha, "Microstructural evolution and its relationship to the mechanical properties of Mg AZ31B friction stir back extruded tubes]", Magnesium Technology, pp. 263-268, 2014
11. ↑  "A numerical model for Wire integrity prediction in Friction Stir Extrusion of magnesium alloys", D. Baffari, G. Buffa, L. Fratini, Journal of Materials Processing Technology,pp. 1-10, 2017
12. ↑  "AZ31 magnesium alloy recycling through friction stir extrusion process", G. Buffa, D. Campanella, L. Fratini, F. Micari, International Journal of Material Forming, 1-6, 2015
13. ↑  "A preliminary study on the feasibility of friction stir back extrusion", F. Abu-Farha, Scripta Materialia, 66, pp. 615-618, 2012.
14. ↑  "Production of wire from AA7277 aluminum chips via friction-stir extrusion (FSE)", R. Behnagh, R. Mahdavinejad, A. Yivari, M. Abdollah, M. Narvan, Metallurgical and Materials Transactions B, 45:4, pp. 1484–1489, 2014
15. ↑  "Microstructure evolutions and mechanical properties of tubular aluminum produced by friction stir back extrusion", M. Khorrami, M. Movahedi, Materials and Design, 65, pp. 74-79, 2015
16. ↑  "Direct solid-state conversion of recyclable metals and alloys", V. Manchiraju, Final Technical Report DE-EE0003458, Oak Ridge National Laboratory, 2012
17. ↑  "Microstructural characterization of pure copper tubes produced by a novel method – friction stir back extrusion", I. Dinaharan, R. Sathiskumar, S. Vijay, N. Murugan, Procedia Materials Science, 5, pp. 1502–1508, 2015
18. ↑  Baffari, Dario; Reynolds, Anthony P.; Li, Xiao; Fratini, Livan (2017). "Influence of processing parameters and initial temper on Friction Stir Extrusion of 2050 aluminum alloy". *Journal of Manufacturing Processes*. **28**: 319–325. doi:10.1016/j.jmapro.2017.06.013.
19. 1 2 3  "High shear deformation to produce high strength and energy absorption in Mg alloys", V. Joshi, S. Jana, D. Li, H. Garmestani, E. Nyberg, C. Lavender, pp. 83-88, Magnesium Technology, 2014
20. ↑  Catalini, David; Kaoumi, Djamel; Reynolds, Anthony P.; Grant, Glenn J. (2013). "Friction Consolidation of MA956 powder". *Journal of Nuclear Materials*. **442** (1–3): S112–S118. Bibcode:2013JNuM..442S.112C. doi:10.1016/j.jnucmat.2012.11.054.