زیرکوینا به منظور استفاده به عنوان ابزار برش و تراش
چکیده: موادی که در حال حاضر به عنوان ابزارهای برش و تراش استفاده می شوند عبارتند از:
فلزات مانند فولاد های تندبر، سرمت ها و سرامیک ها. در این میان، مواد سرامیکی با توجه به ویژگی های خود، مانند مقاومت بالا به سایش، استحکام فشاری و خمشی مناسب و پایداری شیمیایی می توانند به عنوان ابزار برش و تراش به کار روند.
در کامپوزیت های آلومینا – زیرکونیا، حضور ذرات زیر کونیا در زمینه آلومینا، به شکل ذرات مجزا که قابلیت انجام دگرگونی فازی تتراگونال به فاز مونوکلینیک را دارند، ساز و کار اصلی افزایش چقرمگی می باشد.
هدف از پژوهش، ساخت قطعاتی از جنس کامپوزیت های آلومینا با درصدهای مختلف زیرکونیای نیمه پایدار شده با ایتریا است. مقدار زیرکوینا از 20-5 درصد حجمی و دمای سینتر از 1650-1500 درجه سانتی گراد متغیر بود. استحکام، چگالی و چقرمگی نمونه ها اندازه گیری شد.
مطابق نتایج به دست آمده با افزایش مقدار زیرکوینا، چقرمگی نمونه ها افزایش می یابد که بیشترین مقدار آن 6/2 Mp a.m1/2 مربوط به نمونه دارای 20 درصد حجمی زیرکویناست. مقدار استحکام نمونه ها در اثر افزودن زیرکوینا کاهش می یابد و با افزایش مقدار زیرکوینا، مقدار این کاهش کمتر می شود.
واژه های کلیدی: کامپوزیت، آلومینا / زیرکوینا، ابزار برش و تراش سرامیکی
1- مقدمه
نزدیک به صد سال است که از ابزار های برش سرامیکی استفاده می شود[1]. این مواد، طی سال
های متمادی و با پیشرفت علم، به صنعت معرفی شدند. هر کدام از این مواد با توجه به ویژگی
هایی که دارند برای کاربردهای معینی استفاده می شوند.
موادی که در حال حاضر به عنوان ابزارهای برش و تراش به کار می روند، عبارتند از فلزات، مانند فولاد تندبر، سرمت ها و سرامیک ها. در این میان مواد سرامیکی با توجه به ویژگی های خود مانند مقاومت بالابه سایش، استحکام فشاری و خمشی مناسب و پایداری شیمیایی می توانند به عنوان ابزار برش و تراش استفاده شوند.
افزودن بر موارد اضافه شده، این مواد می توانند ویژگی های خود را در دماهای بالا نیز حفظ کنند. در میان مواد سرامیکی، آلومینا یکی از نخستین موادی است که از آنبه عنوان ابزار برش استفاده شده است. آلومینا خاص، سختی بالایی دارد (9 در مقیاس موس) و استحکام فشاری، خمشی و مقاومت در برابر سایش آن نیز در حد قابل قبولی می باشد.
همچنین ایم ماده، پایداری شیمیایی خوبی دارد ولی چقرمگی شکست آن به عنوان ابزار برش و تراش، پایین است. هدایت حرارتی آن نیز در مقایسه با سرامیک های دیگر، کم است، بنابراین از شوک پذیری قابل توجهی بر خوردار نیست[2].
با توجه به ویژگی های اشاره شده در مورد آلومینا، برای بهینه سازی ویژگی های این ماده، از کامپوزیت های زمینه آلومینایی استفاده می شود. در این میان، می توان به کامپوزیت های آلومینا / ذرات کاربید تیتانیم یا نیترید تیتانیم ، آلومینا/ ویسکرهای کاربید سیلسیم و آلومینا / زیرکوینا اشاره کرد. علاوه بر آلومینا، از دیگر مواد سرامیکی که در ساخت ابزار برش و تراش کاربرد دارند می توان به نیترید سیلیسیم و الماس بس بلور و نیترید بور مکعبی نیز اشاره کرد.
2 – کامپوزیت های آلومینا / زیر کونیا
از مدت ها پیش، زیر کونیا به عنوان یک ماده افزودنی به آلومینا که به سینتر این ماده کمک می کند شناخته شده بود ]3[. زیر کونیا (اکسید زیر کونیم) به صورت خالص، دمای ذوبی در حدود
oC2700 و هدایت حرارتی پایینی دارد.
هنگام حرارت دادن، این ماده دچار دگرگونی فازی زیر می شود:
دگرگونی فازی تتراگونال به مونوکلینیک، یک دگرگونی فازی مارتنزیتی است و با انبساط حجمی حدود 4٪ همراه است. با افزودن برخی از اکسیدها، مانند MgO، CaO، Y2O3و....می توان فازهای دما بالای زیر کونیا را در دمای اتاق تثبیت نمود. این یون های فلزی هنگامی که با یون Zr جایگزین شوند، به دلیل داشتن ظرفیت کمتر، باعث ایجاد جاهای خالی اکسیژن می شوند.
این جاهای خالی در شبکه اجازه بازگشت به فاز های دما پایین را به ساختار نمی دهند و به این صورت فازهای دما بالای این ماده می تواند در دماهای پایین تثبیت شوند.
در اواخر دهه 1970 میلادی تحقیقات وسیعی در زمینه استفاده از زیر کونیا به عنوان فاز دوم در ساخت کامپوزیت ها آغاز شد]7-4[. ریز ساختار کامپوزیت های آلومینا/زیر کونیا (ZTA) بر پایه دو فاز جداگانه، بدون انجام واکنش و تشکیل محلول جامد میان این دو، بنا شده است.
ساخت آلومینای چقرمه شده توسط ذرات پراکنده زیر کونیا با ساخت زیر کونیای نیمه پایدار (PSZ) گسترش یافت. زیر کونیای نیمه پایدار شده (PSZ) مخلوطی از پلی مرف های زیر کونیاست که به دلیل کافی نبودن مقدار اکسید اضافه شده برای تثبیت فاز مکعبی و فاز نیمه پایدار زیر کونیای تتراگونال به دست می آید.
در واقع فاز زمینه مکعبی به ذرات تتراگونال، تنش فشاری لعمال می کند که باعث تثبیت این فاز شده و به همین علت این فاز به صورت نیمه پایدار در این نوع زیر کونیا وجود دارد و با اعمال تنش، این فاز می تواند به شکل فاز دما پایین زیر کونیا، یعنی مونوکلینیک تغییر شکل دهد. حضور این ذرات زیر کونیا در زمینه آلومینا، به عنوان ذرات مجزا که قابلیت انجام دگرگونی فازی تتراگونال به مونوکلینیک را دارند، سازوکار اصلی افزایش چقرمگی در کامپوزیت های آلومینا/زیر کونیا می باشد. با انجام این دگرگونی فازی، ذرات زیر کونیا دچار انبساط حجمی و کرنش برشی شده که سبب پدید آمدن سازوکار های چقرمگی مختلفی، مانند دگرگونی فازی پدید آمده از تنش، ایجاد ریز ترک، ایجاد تنش فشاری در سطح و انحراف ترک خواهد شد.
در حالتی که سازوکار دگرگونی فازی پدید آمده از تنش، در این نوع کامپوزیت وجود داشته باشد، ذرات نیمه پایدار فاز زیر کونیای تتراگونال در زمینه سرامیکی پخش شده اند، توانایی تغییر شکل، به حالت پایدار ترمودینامیکی خود (فاز مونوکلینیک) را بر اثر اعمال تنش (به عنوان مثال انرژی نوک ترک) دارند. این دگرگونی فازی، انبساط حجمی در حدود 4٪ و کرنش برشی در حدود 6٪ را به همراه داشته و تنش فشاری را که باعث بسته شدن ترک می شود، پدید می آورد]4[. این نوع کامپوزیت ها بر حسب نوع ذرات زیر کونیا به چهار دسته تقسیم می شوند]4[:
بحرانی وجود دارد که در زیر آن، ریز ترک پدید نمی آید. این نوع کامپوزیت ها از استحکام پایینی برخوردار هستند اما شوک پذیری بالایی دارند.
2 – 2 – آلومینا و ذرات زیر کونیای نیمه پایدار شده
John و Claussen از نخستین کسانی بودند که بر روی سیتم Al2O3 / PSZ تحقیق کردند--]7-4[. پس از آن ها، Lange این نوع کامپوزیت ها را با درصد های مختلف PSZ و با استفاده از پرس داغ ساخت ]10-8 .[آن ها ویژگی های مکانیکی این قطعات را بررسی کردند و دریافتند که استحکام و چقرمگی شکست این نوع کامپوزیت ها با افزایش مقدار درصد زیر کونیا، افزایش، اما مقدار سختی و ثابت کشسان آن ها کاهش می یابد.
علت افزایش چقرمگی و استحکام، مجود دگرگونی فازی پدید آمده از تنش می باشد اما کاهش مقدار سختی و ثابت کشسان، به دلیل پیروی از قانون مخلوط در مورد این ویژگی هاست. در واقع ذرات زیر کونیا از سختی و ثابت کشسان پایین تری نسبت به آلومینا برخوردارند ]8 .[
عامل دیگری که بر ویژگی این گونه کامپوزیت ها موثر است، اندازه ذرات PSZ می باشد. Hever و همکارانش پایداری ذرات زیر کونیای نیمه پایدار را با اندازه دانه های مختلف در کامپوزیت های ZTA بررسی کردند [4].