پیشرفت های اولیه در علوم و تکنولوژی

در اوایل دهه ی 1960، علوم مواد سرامیکی در مراحل اولیه بود. Kuczyunski و همکارانش تئوری زینترینگ را توسعه دادند و یک تجدید حیات در زمینه ی تحقیقات مواد ایجاد کردند. همچنین مباحث خوبی در زمینه ی نابجایی ها در فلزات مورد بررسی و یادگیری قرار گرفت و این مباحث به مواد سرامیکی نیز بسط داده شد.
بریجمن با مشارکت کنسرسیومی متشکل از شرکت های جنرال الکتریک، کربوراندوم و نورتن، تلاش کرد تا المان مصنوعی تولید کند. آنها موفق نبودند اما تکنولوژی پیشرفت داده شده در این زمینه، توانست هم فشار و هم دمای بالا ایجاد کند. بعدها، محققین GE ادوات مربوط به سنتز الماس مصنوعی را توسعه دادند.
بیشتر ابزارهای کاربید سمنته، نیز با سنتز چرخ های سایش الماسی، مورد سایش قرار گرفت. این تکنولوژی در حقیقت فاکتور مهمی در زمینه ی توسعه ی مواد الماسی پلی کریستال بسیار ریز بود. GE فرایندی برای سنتز این نوع از الماس را از طریق تخلیه ی تانک های خازنی بزرگ در داخل دستگاه نواری، توسعه داد. محققین شرکت دوپونت نیز در این زمینه کار می کردند. آنها از انفجار برای ایجاد تغییر فازی از هگزاگونال به مکعبی در کربن، استفاده کردند. در این فرایند، پودر گرافیت بر روی حمام آب سوار می شد و موج ایجاد کننده ی شوک که حاصل انفجار بود، موجب می شد تا ذرات انرژی کافی برای تغییر فازی را دریافت کنند.
Coes که در شرکت نورتن کار می کرد، یک تئوری مکانوشیمیایی برای سایش ابداع کرد. یک بخشی از تحقیقات او همچنین بر روی واکنش هایی متمرکز بود که در سطح مشترک فلز- ساینده (در طی سایش فلزات) رخ می داد. اسپینل (FeO.Al_2 O_3) به عنوان گونه های واکنشی بودند که در حقیقت اکسیژن برای سایش سرامیک با این فرایند را مهیا می کردند. تحقیقات سایشی بر روی ابزارهای برش آلومینایی بوسیله ی Coes به دست گرفته شد و این فهمیده شد که اکسیژن یک جزء مهم در برخی از فرایندهای سایش می باشد.
چندین کار قابل توجه در این زمینه در طی این زمان انجام شد. Kingery، Bowen و Uhlmann کتابی با عنوان مقدمه ای بر سرامیک نوشتند. این کار یک کتاب اصلی بود که به عنوان یک منبع تدریس و مرجع مهم تلقی می شد. Kingery همچنین کارهای خود در زمینه ی شروع ترک به دلیل شوک حرارتی را منتشر کرد و Hasselman نیز تئوری خود در زمینه ی گسترش ترک گرمایی، ارائه کرد. یکی دیگر از کارهای انتشار یافته و مهم، "سرامیک ها در فرایندهای ماشین کاری" بود که موجب شد توسعه ها و تحقیقات این زمینه در دسترس علاقه مندان این رشته، قرار گیرد.
ابزارهایی همچون میکروسکوپ الکترونی عبوری نیز اطلاعات ارزنده ای در زمینه ی میکروساختار و پدیده های سایشی، ارائه کرد. آنالیز مساحت سطح نیز در این زمینه ها، متداول شد. میکروسکوپ نوری نیز موجود بود اما کاربردهای آن، بسط داده شد، مخصوصاً بوسیله ی ابزارهای آلمانی. آزمون های مکانیکی نیز به عنوان آزمون های روتین در این زمینه، توسعه یافت. طیف سنجی انتشاری نیز در حقیقت یک ابزار محوری در زمینه ی آنالیز مواد نسبتاً خالص بود.
همچنین در این دوره، توجه قابل توجهی بر روی فرآوری پودرهای سرامیکی با کیفیت بالا انجام شده است. Mazdiyasni و همکارانش یک تحقیق قابل توجه بر روی تولید پودرهای سرامیکی با استفاده از پیش ماده های آلی، انجام دادند. در حالی که یک رابطه ی مستقیم بین این کار و کاربردهای مستقیم آن در ابزارآلات برش وجود دارد، مشکلات قابل توجه در واقع در زمینه ی تولید پودرهای سرامیکی با کیفیت بالایی که در واقع دارای توزیع اندازه ی کنترل شده و شکل ذرات مدور می باشد. این مسئله در مورد زمینه ای مورد بررسی قرار می گیرد که امروزه آن را سرامیک های پیشرفته می نامند.
سپس Coble در شرکت جنرال موتور آلومینای شفافی را تولید کرد که آن را Lucalox نامید. پیش از این توسعه، سرامیک های آلومینایی، اپک بودند. در رواقع یک سرامیک شفاف حالت سنگی دارد. میکروساختار باید دانسیته ی کامل داشته باشد. با کنترل میزان کمک زینتر (اکسید منیزیم)، خواص پودر سرامیک، اتمسفر زینترینگ و سیکل زینترینگ، یک آلومینای شفاف حاصل می شود. Lucalox یک ماده ی کلیدی در تولید لامپ های بخار سدیم می باشند. در حالی که این پیشرفت به صورت مستقیم بر روی تحقیقات مربوط به ابزارهای برش اثرگذار نبوده است، توجه زیادی را بر روی فرایندهای حیاتی و تکنولوژی زینترینگ داشته است. وسایل برشی از طریق ویسکرهای سیلیکون کاربید و با کلیسیناسیون پوست برنج در یک محیط کاهشی، تولید شد. طراحی تجربی آماری نیز ابزار ریاضی دقیقی در این زمینه بوده است. این تکنولوژی ها در حدود 30 سال مورد استفاده قرار گرفت اما تا دهه ی 1960 دیگر به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت. طراحی تجربی کارخانه ای بوسیله ی فرزند رونالد آ. فیشر و در انگلیس انجام شد (دهه ی 1930). فیشر به خاطر استفاده از ریاضیات در روش های تجربی، شاخص بود. در آزمایشگاه بل، Shewhart از مباحث آماری برای سیستم کنترل کیفیت استفاده کرد. Deming مدافع کنترل فرایند آماری (SPC) بود. اگر چه او موفق به متقاعد کردن صنعت آمریکا برای استفاده از این برنامه نشد، او در سال های پس از جنگ جهانی دوم، موفق بود. در حالی که SPC در اصل یک ابزار کنترل کیفیت می باشد، این برنامه به صورت تدریجی برای بهبود تولید پیوسته، استفاده شد.
روش آماری به تحقیقات ابزارهای برش سرامیکی اضافه شد همانگونه که در سایر زمینه ها نیز مورد استفاده قرار گرفت. مشتری های اصلی مانند صنعت اتومبیل، نیازمند این بودند که فروشنده های این محصولات از روش های SPC استفاده کنند.

توسعه های اخیر در زمینه ی علوم و تکنولوژی

یک تغییر قابل توجه در سرامیک های فنی در طی سال های نزدیک به 1980 رخ داده است. یک بخش قابل توجه از این پیشرفت ها به دلیل پیشرفت در تکنولوژی های موجود و به کارگیری آنها در سرامیک های بهبود یافته، می باشد. برخی از این سرامیک ها امروزه به عنوان ابزارهای برش، استفاده می شوند.
به هر حال، یک خلاصه از برخی از پیشرفت های قابل توجه در این زمینه، در ادامه آورده شده است.
]

بیشتر بخوانید:کاربردهای علوم و تکنولوژی هسته ای

 

پودرهای سرامیکی پیشرفته

این پودرهای سرامیکی پیشرفته خالص هستند و ذرات ریزی دارند. این مواد عاری از هر گونه آلودگی می باشد. پودرها عموماً بوسیله ی روش های شیمیایی سنتز می شوند و بیشتر این مواد بوسیله ی محققین ژاپنی تولید شده است. پودرهای فوق العاده خالصی نیز توسعه یافته اند که ذرات آنها کاملا کروی است. این ذرات دارای توزیع اندازه ی ذره ی زیر میکرون و باریکی هستند و خلوص قابل توجهی دارند. مورگان برخی از کارهای قابل توجه در زمینه ی تولید این پودرها از روش غیر آبی را انجام داده است که ممکن است در آینده، این پودرها، کاربردهای قابل توجهی پیدا کنند. در نورتن، آلومینای با خلوص بالا با حل کردن آلومینیوم ایزوپروپوکسید تولید شده است. در این روش، ماده ی حل شده با بخار آب واکنش می دهد و پس از هیدرولیز، کلسینه می شود. طیف انتشار یافته از این ماده خالی از هر گونه پیک مربوط به ناخالصی است. به هر حال، ژاپنی ها هنوز هم بزرگترین منبع تولید پودرهای سرامیکی با کیفیت بالا مانند آلومینا، زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، سیلیکون نیترید و سیلیکون کاربید، هستند.

بیشتر بخوانید:سنتز پودرهای سرامیکی با خلوص بالا

 

پیشرفت ها در فرآوری

برخی از پیشرفت های مهم در زمینه ی فرآوری در ادامه آورده شده است:
Prochazka سیلیکون کاربید بتا را به صورت پلی کریستال و با دانسیته ی بالا تولید کرد.
مکانیزم افزایش تافنس زیرکونیای پایدار شده به صورت جزئی اولین بار بوسیله ی Garvie و همکارانش مشاهده شد و سپس بوسیله ی Evans و Heuer مورد بررسی قرار گرفت.
Claussen آلومینایی با تافنس افزایش یافته از طریق وقوع استحاله را تولید کرد.
آگاهی بهتری در مورد شیمی سوسپانسیونی بوسیله ی برخی از محققین مانند Askay، Sacks و Lange بدست آمد. کارهایی که بوسیله ی Lange انجام شد، بر روی اهمیت ترک ها در مواد سرامیکی، تمرکز یافت. الماس پلی کریستال دارای مقاومت به سایش استثنایی است و برای برش فلزات، شیشه و سرامیک ها، استفاده می شود. این ماده همچنین برای تولید سری های مته های حفاری نفت و گاز نیز استفاده می شوند. در حقیقت این عیوب، موجب گسترش ترک در ساختار می شوند و در نهایت منجر به شکستگی در سرامیک می شود. با استفاده از کاهش تعداد جوانه های ترک با فرایندهای هوشمند، او قادر شد تا استحکام گسستگی 2000 مگاپاسکال را در زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، ایجاد کند.
آلومینای پرس گرم شده با افزودن زیرکونیا به این ماده ایجاد شد. این ماده در ژاپن تولید شد.
شوروی سابق اعلام کرد که در حال تولید سرامیک های الماسی پلی کریستال است.
سیلیکون نیترید در اصل برای موتورهای حرارتی سرامیکی توسعه یافت. Jack و Wlison در انگلیس شیمی سیالون ها را مورد بررسی و توسعه قرار دادند.
وسایل برشی از طریق ویسکرهای سیلیکون کاربید و با کلیسیناسیون پوست برنج در یک محیط کاهشی، تولید شد.

پیشرفت های در ادوات و تکنولوژی فرآوری

در طی این دوره، پیشرفت های مربوط به ادوات و روش های فرآوری به موازات سایر پیشرفت ها، انجام شد که در ادامه در مورد آنها صحبت می شود.
این مسئله به نظر غیر منطقی می باشد اما قابلیت آسیاب کاری پودرهای سرامیکی، یک مسئله ی حیاتی است. محیط های آسیاب کاری پودرهای پیشرفته ای در ژاپن توسعه یافت که ضرورتاً هیچگونه ناخالصی وارد سیستم نمی کرد.
پرس ایزواستاتیک گرم در اصل درBatelle توسعه یافت و به طور گسترده ای برای افزایش دانسیته ی سرامیک ها، مورد استفاده قرار گرفت.
کوره های زینترینگ بهبود یافته ای ساخته شد که می توانستند برنامه ریزی دقیق تری داشته باشند و میزان ناخالصی های اندکی را وارد محیط کنند. کوره های عاری از گرافیت و پرس های گرمی که از فلزات دیرگداز ااستفاده می کنند و همچنین استفاده از پمپ های خلأ با توان بالا موجب شد تا محیط های تمیزی برای زینترینگ مواد مختلف در محیط های مختلف، فراهم آید.
اندازه گیری و تجهیزات نیز به طور قابل توجهی بهبود یافت. میکروسکوپ الکترونی روبشی و قابلیت اندازه گیری عناصر مختلف توانست ابزاری مناسب برای حل بسیاری از مشکلات، فراهم آورد. سایر ابزارها نیز امروزه در دسترس محققین می باشند مثلاً ادوات اندازه گیری اندازه ی ذرات، میکروسکوپ الکترونی عبوری، طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) ، میکروپروب های الکترونی (EMP)، طیف سنجی پلاسمایی مزدوج (ICP)، کروماتوگرافی گازی (GC)، طیف سنجی رامون، رزونانس معناطیسی هسته ای (NMR) و طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS).
توسعه ی ترانزیستورها در آزمایشگاه Bell منجر به یک انقلاب در ادوات، سنسورها و مهم تر از همه، توسعه ی کامپیوترهای پیشرفته شد. کامپیوترهای قدرتمند و ارزان قیمت نیز موجب شد تا بتوان بسیاری از فعالیت ها را که قبلا نمی توانستیم انجام دهیم، به سهولت اجرا کنیم.

ابزارهای برش سرامیکی کنونی

مواد سرامیکی در بازار ابزارهای برشی تنوع و گونه های مختلفی دارند. مواد اصلی عبارتند از:
کامپوزیت های ویسکر کاربید سیلیکون- آلومینا: افزودن کاربید سیلیکون موجب افزایش تافنس شکست به میزان قابل توجهی می شود. این کامپوزیت ها باید پرس گرم شوند تا بدین صورت از زینترینگ آنها در دماهای بالا جلوگیری شود و بدین صورت دانسیته ی بالا حاصل شود.
سیلیکون نیترید دارای تافنس 4-5 MPa-m^(1/2) می باشد. این ماده به طور گسترده برای ماشین کاری چدن مورد استفاده قرار می گیرد. سیلیکون نیترید دارای مقاومت به شوک حرارتی بالایی است و رسانایی گرمایی آن بالا و میزان انبساط گرمایی آن متوسط است.
مواد تولید شده از تیتانیم کاربید و یا تیتانیم نیترید به عنوان سرمت شناخته می شوند و مقاومت به سایش خوبی دارند.
سیالون ها (SiAlONs) محلول های جامدی هستند که در حقیقت ماده ای میان سیلیکون نیترید و آلومینا می باشند. وجود آلومینا موجب می شود تا مقاومت به اکسیداسیون در این مواد افزایش یابد.
70% آلومینا به همراه 30 % TiC برای ماشین کاری آلیاژهای کربن، فولاد ابزار و فولاد ضد زنگ، استفاده می شود.
الماس پلی کریستال دارای مقاومت به سایش استثنایی است و برای برش فلزات، شیشه و سرامیک ها، استفاده می شود. این ماده همچنین برای تولید سری های مته های حفاری نفت و گاز نیز استفاده می شوند.
نیترید بور مکعبی نیز پس از الماس، سخت ترین ماده ی سنتزی است. در حالی که کربن در آهن محلول است، نیترید بور مکعبی در آهن حل نمی شود. این مسئله موجب می شود تا این ماده در سایش فلزات آهنی، گزینه ی خوبی باشد.
آلومینا به عنوان سری های ابزار برش هنوز هم استفاده می شود.
کاربیدهای سمنته در حقیقت سرمت هایی هستند که در آنها جزء WC جزء سرامیکی می باشد. سختی وتافنس شکست این مواد می تواند دستکاری شود و یک خانواده از ابزارهای برش بدین واسطه تولید می شود. این مواد سختی بالا، مقاومت به شوک حرارتی و تافنس بالایی دارند و در سرعت های برش پایین، مقاومت به سایش بسیار خوبی دارند.

خلاصه

پیشرفت های مربوط به سرامیک ها در زمینه ی ابزارهای برش و کاربیدهای سمنه در حقیقت به عنوان نتیجه ای از ترکیب و ایجاد ساختارهای شبکه ای مناسب، می باشد. سرامیک ها به صورت ذاتی، سخت و خنثی هستند و خواص خود را در دماهای بالا حفظ می کنند. وقتی تمایل به شکست ترد در این مواد کاهش یابد، سرامیک قابلیت استفاده در ماشین کاری فولاد را دارد و می تواند جایگزین سری های کاربید سمنته شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney