ريزدانه كردن وافزايش استحكام آلياژAZ91 منيزيم بااستفاده ازنانو ذرات زيركونيا در اين طرح براي ريز دانه كردن و افزايش استحكام و داكتيليتي آليآژ AZ91 منيزيم ، از نانو ذرات زير كونيا و تحت فرايند هم زدن اغتشاشي گرديده است. پودر هاي مورد نظر، توسط فرآيند ريخته گري ، در دماي 650 درجه سانيت گراد ، به مدت 3 دقيقه و تحت همزين سه پر و با سرعت دروني 500 rpm در يك قالب فولادي با مذاب مخلوط شده ( شكل 1) و سپس اين مجموعه ها در دماي 615 درجه سانتي گراد در قالب ماسه CO2 قالب گيري شدند. براي مقايسه نتايج استفاده گرديد. روش ساده ريخته گري به كار گرفته شده براي توزيع يكنواخت نانو ذرات زير كونيا بسيار مناسب بوده است . با اضافه شدن 5% وزني نانو ذرات زير كونيا ، نتايج پارامتر هاي سختي ، استحكام كششي ، دانسيته ، حراكثر استحكام فشاري ، داكتيليتي ، اندازه دانه و اصلاح ريز ساختار ، نسبت به نمونه بدون تقويت كننده به طور چشم گيري بهوبد پيدا كردند.

در اين اختراع فولادي كم كربن حاوي مس، آلومينيوم و منگنز طراحي و ساخته شد كه در طراحي آن سيليسيم كه عنصر معمول فولادهاي كم كربن و مستحكم موجود است با آلومينيوم جايگزين شده است تا وزن فولاد كاهش يابد. پس از ساخت فولاد از عناصر آلياژي خالص در كوره القايي تحت اتمسفر آرگون، با انجام عمليات نورد گرم، فولاد به صورت ورق نازك 1 ميليمتري توليد شد. سپس عمليات همگن سازي روي آن انجام گرفت و در نهايت توسط يك سيكل ساده عمليات حرارتي شامل آستنيته كردن ناقص و بازپخت بعدي به مدت 1 ساعت، فولادي دو فازي حاصل شد كه ضمن دارا بودن استحكام كششي MPa 870 انعطاف پذيري بسيار خوبي در حدود 20 درصد را از خود نشان داد. سيكل ساده عمليات حرارتي اين فولاد، سهولت توليد آن را نشان مي دهد. اين ويژگي به همراه خواص مكانيكي قابل توجه حاصل شده در اين فولاد، پتانسيل قابل توجه آن را براي استفاده در صنعت آشكار مي‌سازد. شايان ذكر است كه خواص مكانيكي فولاد مذكور قابل مقايسه و بعضا برتر از فولادهاي دو فازي كم كربن فوق مستحكم مورد استفاده در صنايع خودرو سازي امروزي است. فولاد مذكور كه با تركيب شيميايي جديد طراحي و توليد شده و با اعمال يك سيكل ساده عمليات حرارتي ساخته شده است، از نظر محصول نهايي و فرايند توليد كاملا با فولادهاي دو فازي موجود متفاوت است و راه گشاي مسير جديدي براي توليد فولادهاي دو فازي محسوب مي‌شود.

اندازه گيري دقيق دما بخشي ضروري از بسياري از فرايندها و تجهيزات صنعتي و ازمايشگاهي مي باشد و عدم دقت كافي در اين امر مي تواند موجب بروز مشكلات بعضا جبران ناپذير براي تجهيزات، محصولات و حتي نيروي انساني گردد. پركاربردترين ابزار اندازه گيري دما ترموكوپل است كه در انواع مختلفي ارائه مي گردد. از دلايل كاربرد زياد ترموكوپل ها مي توان به دقت و تكرارپذيري مناسب و محدوده كاري وسيع آنها اشاره كرد. البته براي تبديل ولتاژ خروجي از هر ترموكوپل به دما نياز به يك ترمومتر و ترجيحا يك سيستم ثبت داده ها مي باشد. اين سيستم ها عموما توسط يك كابل مستقيما به ترموكوپل متصل شده و داده هاي خروجي ترموكوپل را دريافت مي كنند. نياز به استفاده از كابل اتصال بين ترموكوپل و سيستم ثبت داده ها، استفاده از آنها بر روي تجهيزات متحرك و به خصوص دوار را مشكل و حتي غير ممكن مي سازد. به همين منظور سيستم اندازه گيري و ثبت دمايي طراحي گرديد تا با قرارگيري بر روي تجهيزات متحرك و دوار(از جمله اين تجهيزات، سيستم هاي ريخته گري گريز از مركز مي باشد)، بدون نياز به اتصال مستقيم به ترموكوپل، داده هاي دمايي را ثبت و براي استفاده بعدي ذخيره نمايد. در ادامه به منظور تست دستگاه، آزمايشاتي به منظور اندازه گيري و ثبت دما در دو حالت ريخته گري ساكن و ريخته گري گريز از مركز صورت گرفت.

در اين اختراع نانو ذرات آمورف سيليكا با اندازه ذرات بين 10 تا50 نانومتر ساخته شد. نانوذرات سيليكا به دليل مساحت ويژه بالا و گروه هاي فعال سطحي زياد به طور عمده در صنايعي نظير رنگ، لاستيك، داروسازي و بتن مورد استفاده قرار مي گيرد. اين نوع ذرات اغلب از روش هاي شيمي تر چون رسوب گذاري و سل ژل توليد مي شوند. نياز به استفاده از انواع مواد شيميايي خطرناك (اسيد و بازها) ، احتياج به فراوري مواد در دماهاي مختلف در كوره و مراقبت هاي لازم در استفاده و دفع مواد اوليه باعث افزايش هزينه و زمان توليد اين ذرات شده است. در اين اختراع، نانوذرات سيليكا با يك روش سريع و كم هزينه با پيروليز و سوختن يك ماده پليمري ارزان قيمت و بي خطر (سيليكون اچ تي وي) در هوا ساخته شد. به اين منظور، مقدار لازم از ماده پليمري وزن شده و در داخل يك كوره تيوبي تحت اتمسفر هوا به ارامي تا دماي ℃700 گرم و يك ساعت در اين دما نگه داشته شد. در اين دما عمل پيروليز و سوختن ماده پليمري صورت گرفته و عناصر اضافي به صورت گاز خارج شد. محصول واكنش به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM)، ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)، پراش پرتو ايكس (XRD) و طيف سنجي مادون قرمز تبديل فوريه (FTIR) مورد بررسي قرار گرفت. نتايج حاكي از اين بود كه ماده حاصل نانوذرات سيليكا با ساختار غير كريستالي و با اندازه ذرات بين 10 تا50 نانومتر است. بر خلاف روش هاي متداول قبلي، در اين روش كل فرايند توليد در يك مرحله، با استفاده از فقط يك ماده اوليه بي خطر و در مدت زمان يك ساعت بدون نياز به آماده سازي قبلي و با هزينه اي بسيار كم انجام مي شود. صرفه جويي زماني توليد نانو ذرات سيليكا به روش ابداع شده در اين اختراع حدود 20 ساعت و بالاي 85 درصد تخمين زده مي شود. همچنين با توجه به سهولت روش، امكان توليد در حجم بالاي اين ماده وجود دارد.

دستگاه اندازه گيري زاويه تماس و زاويه لغزش به روش قطره چسبان روشي متداول براي بررسي خصوصيات سطحي مي باشد كه اندازه گيري زاويه ترشوندگي و آبگريزي سطح را مي توان بررسي نمود. دستگاه اندازه گيري زاويه تماس(گانيومتر) روشي عمده براي اندازه گيري زاويه تماس است اما مشكل عمده گران بودن نمونه خارجي آن و عدم توانايي اندازه گيري زاويه تماس توسط دستگاه تنشيومتر(دستگاهي با كاربرد مشابه براي الياف ها و پليمرها) براي نمونه هاي فلزي است. در دستگاه ساخته شده سعي شده با سيستمي نسبتا ساده و قيمت تمام شده بسيار كمتر از نمونه خارجي ساخته و مورد آزمايش قرار گيرد. اين دستگاه با كنترل سرعت اندازه گيري در كج شدن صفحه اندازه گيري زاويه لغزش مي تواند دقت بالايي در گزارش اين مورد بيان كند.

ساختار متداول انجمادي در روش هاي معمول ريخته گري به صورت دندريتي مي باشد. روش هاي ريخته گري نيمه جامد به منظور غلبه بر معايب ساختارهاي دندريتي توسعه داده شده اند. يك وجه مشترك همه روش هاي شناخته شده نيمه جامد اين است كه در تمامي آنها فرايند در طي دو مرحله انجام مي پذيرد. به اين صورت كه ابتدا در خارج قالب يك دوغاب نيمه جامد با اعمال تنش برشي يا ايجاد جوانه زني شديد در مذاب ايجاد مي شود و سپس اين دوغاب در يك قالب فلزي تحت فشار بالا، ريخته گري و يا شكل داده مي شود. با وجود مزيت هاي شناخته شده در روش ريخته گري نيمه جامد، وجود مشكلاتي از قبيل هزينه زياد تجهيزات مورد نياز و گراني قالب ها، عدم امكان توليد تك قطعه اي و يا با تيراژ پايين و مشكلات ريخته گري نيمه جامد آلياژهاي با نقطه ذوب بالا محدوديت هايي را براي كاربرد آنها به وجود آورده است. هدف از اختراع حاضر رفع اين محدوديت ها به منظور ريخته گري نيمه جامد تك مرحله اي چدن خاكستري در قالب ماسه اي است. دستگاه اختراع شده شامل يك جفت درجه فولادي ، يك قالب به شكل مورد نظر با سطح جدايش عمودي و يك مبرد فلزي مركزي دو جنسي (فولاد و مس) است كه بر روي يك سيستم گريز از مركز ظاهري دور متغير نصب مي شود. روش كار به اين صورت است كه چدن خاكستري در داخل كوره ذوب و به فوق¬گداز مناسب رسانده مي شود. سپس مذاب با كنترل دمايي به آرامي درون راهگاه باريز ريخته شده، پس از تماس با مبرد مركزي، تحت نيروي گريز از مركز و با فشار از يك مجراي باريك بين مبرد و ديواره قالب عبور كرده، قالب را پر مي كند. بعد از سرد شدن قطعه، قالب از دستگاه گريز از مركز جدا شده و پس از تخريب قالب ماسه اي، قطعه بيرون آورده مي شود. يك نكته مهم در موفقيت اين روش تنظيم پارامترهاي فرايند براي رسيدن به دمايي متناظر با كسر جامد حدود 2/0 در مذاب در ابتداي ورود مذاب به قطعه پس از تماس آن با سطح مبرد و عبور از مجراهاي پاييني است. نتايج آزمايشگاهي ريز شدن شديد ساختار گرافيت هاي لايه اي و افزايش قابل ملاحظه سختي در ريخته گري نيمه جامد چدن خاكستري با اين روش را نشان داد. از ديگر ويژگي هاي مهم اين روش تك مرحله اي بودن آن، استفاده از قالب ماسه اي و تجهيزات ارزان قيمت و امكان توليد تك قطعه اي مي باشد.

توليد كامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي از طريق فرايندهاي ذوبي با مشكلاتي از قبيل واكنش‌هاي نامطلوب بين زمينه و تقويت‌كننده، توزيع نامناسب ذرات تقويت‌كننده در زمينه و ترشوندگي ضعيف ذرات با زمينه مواجه است.در اين اختراع براي رفع مشكلات يادشده، از روش پيروليز يك ماده آلي ارزان قيمت در مذاب استفاده شد. ماده آلي انتخاب شده سيليكون اچ تي وي مي¬باشدكه پس از پيروليز، ذرات سيليكاي آمورف را به صورت درجا در زمينه ايجاد مي¬كند. براي ساخت اين كامپوزيت آلومينيوم خالص در دماي750 درجه سانتي¬گراد ذوب گرديد.سپس مذاب به مدت 20 دقيقه همزده شد و در اين حين 4 درصد وزني از سيليكون اچ تي وي به صورت تدريجي وارد مذاب گرديد. بررسي¬ها ايجاد توزيع يكنواختي از ذرات سيليكا با ترشوندگي مناسب در زمينه را نشان داد. ايجاد اين ذرات باعث افزايش قابل توجه سختي و استحكام كششي و تسليم سرد و گرم نسبت به نمونه غير كامپوزيتي شد. در اين روش، ذرات تقويت كننده پايدار با استفاده از يك ماده و روش كم¬هزينه در مذاب ايجاد مي¬شوند. با توجه به سهولت روش، امكان توليد در حجم بالاي اين ماده وجود دارد. از اين كامپوزيت مي¬توان به عنوان ماده¬اي با استحكام مخصوص بالا در صنايعي مانند خودروسازي، هواپيمايي، هوافضا‌‌ و نظامي استفاده كرد.

اعمال ميدان الكتريكي در حين انجماد يكي از جديدترين روش هاي بهسازي و ريزسازي ساختار است. به دليل مشكلات كار در دماي بالا و نيز غيرشفاف بودن فلزات، تاكنون امكان بررسي دقيق ارتباط ميدان الكتريكي با متغيرهاي رشد و تاثير آن بر مراحل انجماد ارايه نشده است. در اين اختراع، براي اولين بار در جهان، سيستمي با قابليت اعمال ميدان الكتريكي كنترل شده در حين انجماد مواد شفاف و مشاهده مستقيم رشد بلورها در آنها طراحي و ساخته شده است. اين سيستم قابليت استفاده با هر نوع ماده شفاف هادي الكتريسيته و با نقطه ذوب پايين را دارد كه در اين توصيف، نتايج كاربرد آن با سوكسينونيتريل (با نام مخفف SCN) كه يك ماده پليمري مدل شفاف، بلوري، هادي الكتريسته و خصوصيات انجمادي مشابه فلزات است، ارايه شده است. در اين اختراع ابتدا محفظه رشد تك دندريت، كه امكان رشد دندريت هاي پليمري تحت ميدان الكتريكي در آن وجود دارد، طراحي و ساخته شد. اين محفظه در يك حمام هم دما با قابليت كنترل دما نصب شده است. سيستم مجهز به منبع جريان و اهم متر براي اعمال كنترل شده جريان الكتريكي، دوربين، لنز و نرم افزار ويژه اي است كه مي تواند مراحل رشد و شكل گيري بلورها و دندريت ها را در مقياس ميكروسكوپي ثبت كند و امكان بررسي تاثير جريان الكتريكي بر متغيرهاي رشد را با استفاده از آناليز تصويري فراهم آورد.

خلاصه اختراع عنوان اختراع: ساخت آلياژ و نانوكامپوزيت لحيم بدون سرب قلع-مس خلاصه اختراع استفاده از آلياژهاي لحيم قلع- سرب بدليل مشكلات زيستي و زيست محيطي در سال¬هاي اخير محدود شده و پژوهش¬هاي فراواني براي توسعه آلياژهاي لحيم بدون سرب در حال انجام است. آلياژ يوتكتيك قلع- مس يكي از اين آلياژهاست كه قيمت پاييني دارد اما خواص مكانيكي ضعيف، كاربرد آن را محدود كرده است. در اين اختراع ساخت لحيم بدون سرب Sn-Cu و لحيم نانو كامپوزيت Sn-Cu تقويت شده با از نانو ذرات SiO2به¬روش متالورژي پودر، با طي مراحل آسياكاري، فشرده¬سازي، تف جوشي و اكستروژن با موفقيت انجام شد. نتايج نشان داد كه آلياژ سازي مكانيكي پودر Sn-Cu به مدت 60 ساعت با سرعت 250 دور بر دقيقه با نسبت گلوله به پودر 10 و تحت اتمسفر آرگون منجر به تشكيل آلياژ Sn-Cu مي‌شود. از طرفي افزودن نانو ذرات SiO2 باعث بهبود خواص حجمي اين لحيم مي‌شود به¬صورتي كه افزايش 5/1 درصد نانو ذره موجب افزايش 27 درصدي استحكام نهايي، افزايش 23 درصدي استحكام تسليم و افزايش 41 درصدي استحكام فشاري نسبت به نمونه شاهد شد. از طرفي با افزايش ذرات تقويت كننده تا 2 درصد، زاويه تر شوندگي لحيم با زيرلايه مسي نيز 50 درصد كاهش نشان داد. بررسي تصاوير ميكروسكوپي نشان داد با افزايش نانو ذرات بيش از نيم درصد، نانو ذرات در مرز پودرهاي اوليه كلوخه شده و نواحي مرز مانندي را ايجاد كرده، باعث افت خواص كامپوزيت در مقدار بيش از 5/1 درصد نانو ذره تقويت كننده مي¬شوند.

خلاصه تحقيقات مختلف نشان داده كه دانه ريز بودن ساختار دانه ها و به خصوص فازهاي بين فلزي و توزيع يكنواخت آنها در آلياژ منيزيم AZ91 سبب بهبود خواص مكانيكي آن از جمله افزايش استحكام، چقرمگي سختي و در عين حال انعطاف پذيري آنها مي گردد. سالهاست روش هاي مختلفي به منظور اصلاح و بهسازي فازهاي مياني آلياژهاي ريختگي ارائه شده كه از آن جمله مي توان به بهسازي شيميايي و تبريدي اشاره نمود كه هر كدام با مشكلاتي نيز همراه است. به طور مثال در روش هاي بهسازي شيميايي اضافه كردن عناصر بهساز ممكن است سبب افزايش ناخالصي هايي در آلياژ مورد نظر شود و يا تركيب شيميايي آن را به هم بزند. همچنين در مواردي انجام واكنشهاي ناخواسته با مذاب در اثر اضافه كردن عناصر و تركيبات بهساز اجتناب ناپذير است. همچنين در روش هاي بهسازي تبريدي، سرعت بالاي مورد نياز اجازه پر شدن كامل مقاطع نازك را از بين برده و علاوه بر آن ممكن است باعث تاب برداشتن و اعوجاج قطعات گردد. در اختراع حاضر روش جديدي به منظور ساختار فازهاي مياني در آلياژ منيزيم AZ91 ارائه گرديده است. در اين روش با اعمال امواج فراصوت (آلتراسونيك) بر روي مذاب در حين سرد شدن و انجماد مي توان ساختاري ريزدانه با توزيع يكنواخت فازهاي مياني و خواص بهبود يافته و بدون تغيير تركيب شيميايي مذبا بدست آورد. عمليات آلتراسونيك يكي از روش هاي ديناميكي موثر بر روي فلزات مذاب در حال انجماد مي باشد. عمليات آلتراسونيك با تاثيرگذاري بر هر دو مرحله انجماد يعني جوانه زني و رشد، باعث ايجاد دانه هاي هم محور و ريز شده و از ايجاد ساختارهاي ستوني يا فازهاي مياني ترد به هم پيوسته در ريخته گري قطعات و شمش ها ممانعت به عمل مي آورد و سبب بهبود ساختار و توزيع همگن فازهاي موجود در ساختار مي شود.