مقدمه
یکی از روشهای فرآوری مواد پودری روش آسیاکاری مکانیکی میباشد. با استفاده از دستگاههای آسیاکاری مکانیکی میتوان علاوه بر ریز کردن ذرات یک ماده فرآیند آلیاژسازی مکانیکی را نیز بر روی آنها انجام داد. در صورتی که این فرآیند در محیط گازی انجام شود آسیاکاری نامیده شده و در صورتی که محیط خردایش ذرات محیط مایع باشد این فرآیند را آسیابکاری مکانیکی مینامند. در این مقاله به بررسی انواع آسیابها و مزایا و محدودیتهای هریک میپردازیم.
۱- انواع آسیاب
۱-۱- آسیاهای افقی غلتان
۱-۱-۱- آسیاب افقی گلولهای غلتان
این نوع آسیاب در دسته آسیابهای کم انرژی قرار میگیرد و برای خردایش حجم قابل توجهی از پودر (تا بیش از ۱۰۰۰ کیلوگرم)، مورد استفاده قرار میگیرد. میزان خردایش ذرات به قطر محفظه آسیاب، سرعت چرخش آسیاب، اندازه گلولهها و اندازه ذرات اولیه بستگی دارد. جنس محفظه و بدنه در این آسیاها عمدتا فولادی میباشد. با چرخش محفظه آسیاب حول محور افقی، گلولهها به مواد ورودی به محفظه آسیاب برخورد کرده و موجب خردایش مواد ورودی به آسیاب میشوند. از آنجایی که این آسیابها در دسته آسیابهای پرانرژی قرار نمیگیرند، لذا اندازه ذرات نهایی بزرگتر اما ذرات بدست آمده دارای همگنی و یکنواختی بیشتری هستند. شکل ۱ نمونهای از آسیابهای افقی غلتان را نشان میدهد.
۲-۱-۱- آسیاب میله ای غلتان
در این آسیاب به جای استفاده از گلوله از میلههای فولادی برای خردایش مواد ورودی به محفظه آسیاب استفاده میشود. در نتیجه مقدار آلودگی پودر نهایی در اثر خردایش گلولهها و بدنه محفظه آسیاب در مقایسه با آسیابهای گلولهای غلتان کاهش مییابد. شکل ۲ نمونه از آسیابهای میلهای غلتان را نشان میدهد.
۲-۱- آسیاب ساینده
ساختمان این آسیاب از یک محفظه عمودی یا افقی تشکیل شده است که یک میله در مرکز محفظه آسیاب در حال چرخش است. انتقال انرژی از طریق پرههای متصل به میله مرکزی به گلولههای موجود در محفظه آسیاب صورت میگیرد. در اثر سایش گلولهها با مواد ورودی به محفظه آسیاب ذرات خرد شده و ریز میشوند. جنس بدنه و گلولهها معمولا فولاد ضد زنگ است. با این وجود برای کاهش آلودگیهای ناشی از خردایش گلولهها و بدنه محفظه آسیاب، جنس محفظه میتواند کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم، آلومینا و یا زیرکونیا باشد. حجم این آسیاب بین ۰/۵ تا ۴۰ کیلوگرم است و در دسته آسیابهای کم انرژی قرار میگیرد. شکل ۳ نمونهای از این نوع آسیابها را نشان میدهد.
۳-۱- آسیاب سیاره ای
در این آسیاب ۲ یا ۴ کاپ بر روی یک صفحه دوار قرار میگیرد و با چرخش این صفحه دوار، کاپها در جهت مخالف این صفحه دوار میچرخند. با چرخش کاپها، گلوله های موجود در آنها به مواد اولیه موجود در کاپ برخورد کرده و فرآیند خردایش ذرات اتفاق میافتد. با ورود گاز ارگون به محفظه کاپ، میتوان از اکسید شدن پودر جلوگیری کرد. از این آسیابها بیشتر جهت مصارف آزمایشگاهی و تحقیقاتی استفاده میشود. حجم این آسیابها کم بوده (معمولا چند ده گرم) و در دسته آسیابهای پرانرژی قرار میگیرند. جنس محفظه کاپ و گلولهها معمولا از فولاد ضد زنگ است اما در صورت نیاز میتوان از کاپها و گلولههای کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم، زیرکونیا یا کاربید تنگستن نیز استفاده کرد. نمونهای از این نوع آسیاب در شکل ۴ قابل مشاهده است.
۴-۱- آسیاب گلولهای- ارتعاشی
این آسیابها از یک محفظه خردایش بسیار کوچک استفاده میکنند و مقدار پودر قابل خردایش در آنها به چند گرم محدود میشود. در این آسیابها محفظه آسیاب با حرکت نوسانی در سه جهت فضایی سبب برخوردهای شدید بین گلولههای موجود در محفظه و ذرات پودر میشود و در کمترین زمان ممکن بیشتری خردایش ذرات پودر اتفاق میافتد. بیشترین فرکانس نوسان گلولهها در بین تمامی آسیابها به این آسیاب تعلق دارد. شکل ۵ نمونهای از این نوع آسیاب را نشان میدهد.
۲- کاربردهای آلیاژسازی مکانیکی
۱-۲- خردایش ذرات
با انتخاب مناسب پارامترهای دستگاه نظیر سرعت چرخش، نسبت گلوله به پودر و زمان آسیاکاری امکان دستیابی به نانوکریستالیتها در روش آسیاکاری مکانیکی وجود دارد.
۲-۲- آلیاژسازی مکانیکی
در فرآیند آلیاژسازی مکانیکی علاوه بر خردایش ذرات در حین آسیاکاری، واکنش بین مواد اولیه صورت گرفته و امکان دستیابی به ترکیبات جدید ریزدانه فراهم میشود. به طور مثال این روش، یک روش مناسب برای تهیه سوپرآلیاژها ننظیر ترکیبات بین فلزی Ni-Al و Ti-Al میباشد. علاوه بر این، با توجه به این که نوع واکنش انجام شده در فرآیند آلیاژسازی مکانیکی غیر تعادلی است، لذا مکان دستیابی به آلیاژهایی که با روشهای معمول امکانپذیر نیستند در این روش فراهم میشود.
از جمله کاربردهای دیگر آلیاژسازی مکانیکی میتوان به سنتز پودرهای اکسیدی، نیتریدی، کاربیدی و بورایدی اشاره کرد. به طور مثال ساخت بورایدهای تیتانیوم، کاربید سیلیسیم، کاربید تیتانیوم، نیترید زیرکونیوم، نیترید تنگستن و نیترید بور به روش آلیاژسازی مکانیکی امکانپذیر است. از آنجایی که این ترکیبات دارای سختی، مقاومت به سایش و مقاومت به خوردگی بالایی هستند، سنتز آنها به روش آلیاژسازی مکانیکی از اهمیت بالایی برخوردار است.