بهبود فرآیندهای شکل دهی مواد از طریق بکارگیری روانکار حاوینانوذرات

فرآیندهای شکل دهی فلزات یکی از مهم ترین روش های تولید هستند. نرخ تولید بالا، کیفیت بالای قطعه تولیدی و عدم نیاز به عملیات اضافی روی محصول نهایی از جمله مزیت های آن ها می باشد. از آنجا که در این فرآیندها تماس فلز با فلز برقرار است، اصطکاک در فصل مشترک آن ها نقش مهمی ایفا می کند. عدم کنترل این اصطکاک مضراتی ازقبیل افزایش بار تغییر شکل و کاهش کیفیت قطعه تولیدی را به همراه خواهد داشت. همچنین اصطکاک بالا و در نتیجه آن سایش بالا باعث تولید قطعات معیوب و همچنین شکست ابزار شکل دهی می شود. روانکاری یکی از روش های کاهش اصطکاک است که در این روش لایه ای با استحکام برشی کمتر از ماده خام بین دو فلز قرار گرفته و باعث کاهش اصطکاک می شود. پیشرفت های اخیر در زمینه نانو تکنولوژی، علم روانکاری را نیز تحت تاثیر قرار داده است. تکنولوژی هایی که در محدوده زیر 100 نانومتر قرار دارند در حوزه فناوری نانو قرار دارند. در علم روانکاری، افزودن ذراتی در محدوده نانومتر منجر به تولید نانو روانکارها میشود. روانکارهای حاوی نانو ذرات، به دلیل اندازه کوچک و خواص بهبود یافته در مقیاس نانو، به مراتب عملکرد و خواص بهتری نسبت به روانکارهای سنتی ارایه می دهند . قرارگیری در بین سطوح درگیر و تشکیل نانو بیرینگ، قرارگیری نانو ذرات بین سطوح و پرکردن ناهمواری ها و تشکیل سطوح تقریبا صاف و ایجاد لایه محافظ سطح از جمله مکانیزم های بهبود عملکرد روانکارها با استفاده از نانوذرات هستند. نانو ذرات مختلف با مکانیزم اثرهای متفاوت بین سطوح درگیر قرار گرفته و از طریق تغییر مکانیزم اصطکاک، مقدار اصطکاک و سایش سطوح را کاهش میدهند .کاهش اصطکاک باعث بهبود عملکرد روانکار و افزایش بازده این فرآیندها می شود. در این طرح، نانو ذرات آلومینا(Al2O3) با اندازه میانگین 70 نانومتر در روانکار پایه و استاندارد فرآیندهای شکل دهی، با غلظت های 1 - 0/1 درصد وزنی و با گام های 0/2 به صورت پایدار با استفاده از روش دو مرحله ای و به کمک همزن مغناطیسی و التراسونیک حمامی و پروبی مخلوط و پایدار شدند. سپس با استفاده از تست کشش عمیق(Deep drawing )به عنوان نمونه ای از فرآیندهای شکل دهی ورق، کارایی روانکار ارزیابی شد. همچنین عملکرد روانکارها با استفاده از روش اجزا محدود شبیه سازی و تحلیل شد. همچنین از تست حلقه(Ring compresion-test )برای ارزیابی عملکرد نانو روانکار ساخته شده در فرآیندهای شکل دهی حجمی بهره گرفته شد. نتایج نشان می دهند که بهینه ترین غلظت نانوذرات برای فرآیندهای شکل دهی ورق 0/3-0/7 درصد وزنی و برای فرآیندهای شکل دهی حجمی نیز در محدوده 0/5- 0/7 درصد وزنی می باشد. هم چنین نتایج آزمایش های تجربی نشان می دهد که در حالت استفاده نانو روانکار اصطکاک به ترتیب به میزان 57 و 33 درصد نسبت به حالت های بدون استفاده از هیچ گونه روانکار و روانکار متداول کاهش می یابد . هم چنین در فرآیندهای شکل دهی حجمی نیز در صورت بکارگیری نانوروانکار، اصطکاک به ترتیب به میزان 52 و 16 درصد نسبت به حالت های بدون استفاده از روانکار و روانکار متداول کاهش می یابد. در صورت بکارگیری نانو روانکار در فرآیندهای شکل دهی، میزان کاهش حداکثر نیرو نسبت به حالت خشک 24/32 درصد و نسبت به روانکار متداول 16/39 درصد در محدوده غلظت بهینه است. هم چنین در صورت استفاده از نانوروانکار، میزان بهبود کیفیت سطح نسبت به حالت خشک 69/48 درصد و نسبت به روانکار متداول 19/33 درصد می باشد و در حالت بکارگیری نانو روانکار ساخته شده، میزان بهبود در کاهش ضخامت نسبت به حالت خشک 40 درصد و نسبت به روانکار متداول 23/94 درصد می باشد. ذکر این نکته مهم است که افزایش مقدار نانو ذرات آلومینا از یک مقدار به بعد خواص روانکار را تضعیف کرده و اثری برعکس دارد. بنابراین، در صورت استفاده از نانوروانکار در فرآیندهای شکل دهی، میزان اصطکاک به طور قابل توجهی کاهش یافته و سبب ارتقا و افزایش راندمان این فرآیندها از طریق کاهش اصطکاک، کاهش سایش ابزار و قالب شکل دهی و نیز افزایش کیفیت و دقت محصول تولیدی خواهد شد.