مواد مورد استفاده در ابزارهای برش و مته ها (1)

مقدمه

سودمندی صنایع تولید در طی دهه ی 20 ام میلادی به طور پیوسته افزایش یافته است. این مسئله نتیجه ای از افزایش غیر منتظره در سرعت براده برداری بوسیله ی ابزارهای برش، نفوذ سریع تر مته ها به داخل نمونه ها بوده است. همچنین یکی دیگر از عوامل مؤثر بر این موضوع، بهبود مقاومت به خوردگی، خستگی و خوردگی اجزای مورد استفاده در سیستم های مکانیکی است.
این دستآوردها عمدتا به کشف، مطالعه و توسعه ی مواد سخت و ابر سخت مانند سرامیک ها و سرمت ها بر می گردد.
واژه ی سرمت نشاندهنده ی یک ماده ی کامپوزیتی است که حداقل از یک فاز سرامیکی و یک فاز فلزی تشکیل شده است. این تعریف در واقع تعریفی کلی است. اگر بخواهیم دقیق تر صحبت کنیم باید بگوییم که در این مواد از اکسیدها (همچون آلومینا، اکسید کروم، اکسید زیرکونیوم، اکسید اورانیوم)، کاربیدها (همچون کاربید تنگستن، کاربید تیتانیوم، کاربید تانتالیوم، کاربید کروم)، نیتریدها (همچون نیترید تیتانیوم)، بریدها (همچون برید تیتانیوم، برید کروم)، ترکیبات و محلول های جامد آنها می باشند. ذرات سرامیکی در این کامپوزیت ها دارای اندازه ی ذره ای بین 0.1 تا 100 میکرون می باشند و کسر حجمی این مواد در سرمت ها کمتر از 15 % است. بایندرهای فلزی نیز از فلزات انتقالی مانند کبالت، نیکل و آهن و یا آلیاژهای آنها مانند آلیاژهای نیکل- کبالت، نیکل- کروم، نیکل- مولیبدن، آهن- کروم و ... انتخاب می شوند.
سرمت های بر پایه ی کاربیدها عمده ترین سرامت هایی هستند که به صورت تجاری تولید می شوند. این سرمت ها به 4 گروه تقسیم می شوند:
سرمت های WC-Co، WC-Ti-Co، WC-TaC-Co، WC-TiC-TaC-Co، WC-Fe، WC-Ni و ... .
TiC-Ni، TiC-Ni/Cr، TiC-Ni/Mo،-Ni/Mo TiC-، Ti(c,N)-Ni/Mo
TiC-Fe، TiC-Steel و ...
، و ...
سرمت های بر پایه ی WC به طور سنتی فلزات سخت زینترشده یا فلزات سخت نامیده می شوند.

مواد مورد استفاده در برش کاری

ماشین کاری و خصوصیت های ابزارهای برش

در حقیقت، واژه ی ابزار برش گستره ی وسیعی از مواد را در بر می گیرد. این گستره ها عبارتند از تراشکاری، مته ها، ابزارهای برش زنی، ابزارهای ایجاد خراش و ایجاد تراشه، فرزکاری، ابزارهای حکاکی، ابزارهای برقو زنی، نوارها و قالب ها و چرخ های ساینده می باشد.
تمام عملیات های ماشین کاری سه بازیگر دارد: بخش ماشین کاری شده، ابزار ماشین کاری و ابزار ایجاد برش. میزان تولید به دو بازیگر اول بستگی دارد:
خصوصیت های مواد ماشین کاری شده (مانند طبیعت شیمیایی، حالت متالورژیکی و ویژگی ها).
هندسه و شکل، ابزارهای دقیق، پرداخت کاری و یکنواختی سطحی قطعه ی ماشین کاری شده.
اندازه ی حجمی بخش های ماشین کاری شده ( بخش های کوچک یا حجیم).
نوع برش کاری (سایش نرم یا پرداخت کاری، پیوسته یا گسسته و ... )
شرایط برش (با سرعت بالا یا پایین).
شرایط و ظرفیت ها در ابزارهای ماشینی موجود (جدید یا قدیمی، مناسب بودن میزان صلبیت و توان، سرعت تزریق و ... ).
سیستم های حمایتی (تجربیات و مهارت تراشکار، سنسورها، کنترل ها، بررسی میزان بررسی روان سازهای مورد استفاده در چیپ ها و ...).
همانگونه که در مورد ابزارهای برش صحبت کردیم، این ابزارها بوسیله ی هندسه و شرایط برش، تحت تأثیر قرار نمی گیرند اما همچنین این وسیله باید بتواند در برابر شرایط سخت تحمل داشته باشد:
سایش که در سطح لبه های برش رخ می دهد.
حرارت که بوسیله ی انرژی مورد نیاز برای جداسازی مکانیکی تکه های ماده ایجاد می شود
شوک های داخلی در هنگام عمل برش
برای حفظ ابزار برش در برابر این شرایط سخت، ابزار باید از موادی ساخته شود که خواص زیر را داشته باشند:
سختی بالا برای فایق آمدن بر سایش
مقاومت در برابر اثرات دمایی به دلیل حرارت ایجاد شده
تافنس کافی برای مقاومت در برابر ضربه
مقاومت به شوک حرارتی
پایداری شیمیایی مخصوصا با توجه به ماده ای که تحت ماشین کاری قرار می گیرد.
این ابزارها باید درجه ی بالایی از سختی را داشته باشند و بنابراین مقاومت به سایش آنها بالا باشد تا بدین صورت از ایجاد تغییر ابعادی در حین اصطکاک، جلوگیری شود. وقتی ابزار گرم می شود، باید میزان بالایی از سختی را داشته باشد به نحوی که در حین ماشین کاری، لبه های برشی و شکل یکنواخت باشند. اگر این مسئله وجود نداشته باشد، لبه های بررشی سریع از بین می روند و ابزار غیر قابل استفاده می شود. تافنس این ابزار به آن کمک می کند تا نیروهای برشی و ضربه ای را جذب کند. این مسئله در طی برش های متناوب مهم می باشد. اگر تافنس به حد کافی مناسب نباشد، لبه های برشی تحت اثر لرزش های ایجاد شده در ابزار، خرد می شوند. مقاومت به شوک حرارتی برای فایق آمدن بر اثرات سیکل های پیوسته حرارتی و سرمایشی می باشد مخصوصا در هنگام مته کاری و برش متناوب. یک ابزار با مقاومت پایین در برابر شوک حرارتی باید تنها تحت شرایط خاص و در هنگام ایجاد عمل برش پیوسته، مورد استفاده قرار گیرد. در نهایت، شرایط ایده آل این است که هیچ میل ترکیبی میان مواد موجود در این ابزارها وجود ندارد. در غیر این صورت، توسعه ی سریع لبه های تشکیل دهنده، اجتناب ناپذیر است. حال، این مسئله موجب اصلاح هندسه ی ابزار و در نتیجه کاهش در ظرفیت گسستگی ذرات ابزار، می شود. علاوه بر این، نیروهای برشی افزایش می یابد و سطح نهایی ماده ی ماشین کاری شده اصلاح نمی شود.

فروآوری مواد

کارایی ابزارهای برش به ترکیب شیمیایی آنها، ریزساختار (اندازه ی دانه و ...)، عیوب (تخلخل، ناخالصی و ...)، شرایط سطحی، تنش های باقیمانده ، هندسه ی ریزساختاری و شرایط عملیاتی آنها بستگی دارد.
ترکیب شیمیایی بر روی ضرایب الاستیسیته، خواص ترمومکانیکی، تافنس شکست (K_1c)، سختی و قابلیت چکش خواری مواد اثرگذار است. سه خاصیت آخری به ریزساختار نیز وابسته اند. بنابراین این واضح است که فرآوری که به منزله ی آماده سازی پودر می باشد ( تنظیم خواصی همچون ترکیب شیمیایی، اندازه و شکل ذرات و ...)، استحکام بخشی و زینترینگ این مواد بر روی کارایی آنها اثرگذار است. بنابراین، ما این مسئله را مناسب دیدیم که خلاصه ای درمورد مراحل فرآوری این مواد برای شما ارائه دهیم.
شکل 1 روش های اصلی آماده سازی پودر برای تولید مواد سخت و ابرسخت را نشان می دهد. این مواد بوسیله ی روش های متالورژی پودر متداول در صنعت سرامیک، شکل دهی می شوند. این روش های به صورت زیر هستند:
زینترینگ: شکل دهی تحت فشار (در قالب یا به صورت ایزواستاتیک)، قالب گیری تزریقی، ریخته گری دوغابی یا ریخته گری تزریقی، پیش زینترینگ (برای از بین بردن بایندر یا مواد روان ساز و مواد فرار دیگر) به منظور افزایش مقاومت مکانیکی در زمانی که ماشین کاری برای تغییر ابعاد ضروری است، زینترینگ.
پرس گرم ( این روش همچنین به روش زینترینگ تحت فشار معروف است): شکل دهی تحت فشار (در قالب و یا به صورت ایزواستاتیک) یا بدون اعمال فشار، پرس گرم در قالب گرافیتی.
پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) i) با پوشش: پرس کردن یا شکل دهی بدون فشار، ii) بدون پوشش: HIP بر روی ماده ی پیش زینترشده با دانسیته ی تئوری بیش از 93 % دانسیته ی تئوری، استفاده از فشار گاز در انتهای زینترینگ برای از بین بردن تخلخل های باقیمانده.

خواص ماده

گستره ی مواد مورد استفاده در فرایندهای برش کاری گسترده است و به سه گروه تقسیم می شود:
فلزات سخت زینترشده و سرمت های بر پایه ی تیتانیوم کاربید ( با 50 % از فروش سالانه ی این محصولات)؛
فولاد تندبر (با فروش جهانی 45 %)؛
سرامیک ها (با فروش جهانی 5 %) و مواد ابر سخت ( با فروش جهانی 1 %).
جدول 1 خواص اصلی این محصولات مختلف را نشان می دهد. همچنین در شکل 2، مقایسه ای در زمینه ی سختی به استحکام مکانیکی نشان داده شده است.

فولادهای تندبر

فولادهای در سال 1868 کشف شدند و از سال 1898 تاکنون مورد استفاده قرار گرفته اند. علت این استفاده ها، ظرفیت سختی این مواد ( تقریبا تا دمای 600 درجه ی سانتیگراد) می باشد. این فولادها، از آن دسته از فولادهایی است که قابلیت سخت کردن آنها با استفاده از اعمل عملیات حرارتی وجود دارد و می توان سختی آنها را تا 1000 HV افزایش داد. اگر چه این فولادها سرامیک نیستند اما به دلیل خواص جالب توجه، روش های عملیاتی و وجود رسوبات تقویت کننده در آنها، در این جا در مورد آنها صحبت می کنیم.
ما می توانیم فولادهای تندبر را به دو گروه طبقه بندی کنیم:
نوع یا سری T: دارای 12 تا 20 درصد W، حدودا 4% Cr می باشد و علاوه بر این عناصر در آنها از V و Co نیز استفاده شده است. T42 در زمان هایی که مقاومت به سایش در لبه های برشی نیاز باشد، مورد استفاده قرار می گیرد.
نوع یا سری M: دارای 3.5 تا 10 % Mo، حدودا 4% Cr می باشد. و علاوه بر این عناصر در آنها از V، W و Co نیز استفاده می شود. برای مثال M2 برای تولید مته ها سوراخ کاری و قلاویزها مناسب می باشد در حالی که M35 و M42 برای تولید ابزارهایی مناسبند که در آنها نیاز به مقاومت به دمای بالا ضروری است و مخصوصا این نوع از فولادهای تندبر برای ایجاد پوشش های TiN نیز مناسب هستند.
کربن (به مقدار 0.7 تا 1.6%) یک ماده ضروری در این مواد است. مقدار این ماده باید کاملا کنترل شده باشد. اضافه کردن کبالت موجب می شود تا سختی دما بالای و مقاومت به سایش این مواد افزایش یابد اما اندکی تافنس را کاهش می دهد.
متالورژی پودر یکی از روش های اصلی در تولید فولادهای تندبر با کارایی بالا می باشد زیرا در مقایسه با فولاد های تندبر نفوذی، این فولادها قابلیت ماشین کاری بهتری دارند، با سهولت بیشتری ساییده می شوند و قابلیت کنترل آنها در طی عملیات حرارتی وجود دارد.
پودر فولاد تندبر بوسیله ی روش اتمیزاسیون گازی یا آبی تهیه می شود. پودر تولید شده با روش اتمیزاسیون آبی باید در خلأ یا تحت اتمسفر هیدروژن آنیل شود تا بدین صورت داکتیلیته ی آن افزایش یابد و بتوان این پودر را برای استفاده در پرس ایزواستاتیک سرد یا قالب آماده سازی نمود. پودر آماده شده با روش اتمیزاسیون گازی برای اعمال پرس ایزواستاتیک گرم، مناسب می باشد.
روش متداول یعنی روش پرس در قالب و زینترینگ، به ما کمک می کند تا لبه هایی ایجاد کنیم که ابعاد آنها به ابعاد براده بردارها نزدیک است. زینترینگ تحت خلأ در نزدیکی دمای سالیدوس به ما کمک می کند تا ابعاد کلی بدون نیاز به ماشین کاری، ایجاد کنیم. بخش های زینترشده سپس تحت عملیات آنیلینگ، آستنایتیزینگ و تمپرینگ قرار می گیرند. این فرایندها منجر به افزایش میزان سختی از 65 % به 70 % HCR می شود.
قابلیت ماشین کاری و سهولت سنباده زنی از جمله مهمترین فاکتورهای است که بر روی انتخاب ابزارهای پولیش کاری، در نظر گرفته می شوند. فولادهای تندبر دارای قابلیت ماشین کاری بهتری نسبت به محصولات معمولی (تهیه شده با روش ذوبی) هستند زیرا این محصولات در برابر درصدهای بالاتر گوگرد، مقاومت می کنند (بدون کاهش در تافنس یا کارایی آنها در عملیات برش). این نوع از فولادها همچنین با سهولت بیشتری ساییده می شوند زیرا کاربیدهای آنها ریزترند و دارای توزیع هموژن تری هستند.
این تخمین زده شده است که کمتر از 10 ٪ از عملیات هایی که به صورت چرخشی انجام می شود و بیش از 80 ٪ از عملیات هایی که به صورت سوراخ کاری است، با استفاده از ابزارهای تولید شده از فولاد تندبر، انجام می شود. این فولاد ها امروزه برای بسیاری از کاربردهایی که در آنها صلبیت کم می باشد، مناسب است. برای سوراخ کاری بخش های سخت تر نیازبه استفاده از ابزارهای فلزی سخت است که به روش زینترینگ تولید می شوند. فولادهای تندبر همچنین 40 ٪ از بازار آسیاب ها را به خود اختصاص داده است. با استفاده از پوشش های تیتانیوم نیترید (باضخامت 3 میکرون) که با استفاده از روش پوشش دهی شیمیایی از فاز بخار تولید می شوند، می توانیم کارای برشکاری این بخش ها را افزایش دهیم.

فلزات سخت زینترشده

فلزات سخت زینترشده مواد کامپوزیتی هستند که از ذرات سخت کاربیدی تشکیل شده اند (عمدتا از جنس کاربید تنگستن). این ذرات بوسیله ی بایندرهای فلزی به همدیگر متصل می شوند (عمدتا ازجنس کبالت). درصد کاربید مورد استفاده معمولا بین 70 تا 97 ٪ جرم کل می باشد. و متوسط اندازه ی این ذرات در گستره ی 0.3 تا 20 میکرون می باشد.
گریدهای اولیه از کامپوزیت های WC-Co ساختار اصلی فلزات سخت زینترشده را تشکیل داده اند. این نوع از کامپوزیت ها، از سال 1925 تاکنون، به طور تجاری موجود می باشد. این نوع از ساینده ها، به طور موفقیت آمیز برای ماشین کاری چدن و فلزات غیر آهنی مورد استفاده قرار می گیرند. سرعت برش در این نوع از ساینده ها نسبت به فولادهای تندبر متداول، بیشتر است. اما این مسئله به زودی نشان داده شد که وقتی با استفاده از این ساینده ها، فولاد های فریتی تحت عملیات سایش قرار می گیرند، این فولاد ها تحت حمله ی عوامل شیمیایی قرار می گیرند و خورده می شوند. برای جلوگیری از ایجاد خوردگی در این فولادها، TiC به این ساینده ها افزوده می شود (5 تا 25 ٪). TiC ماده ای سخت است و میزان واکنش پذیری آن نسبت به فولاد نیز کم است. بعدها، در سال 1950، TaC یا مخلوطی از کاربید Ta و Nb برای بهبود سختی دما بالا و جلوگیری از تغییر شکل پلاستیک لبه های برشی، مورد استفاده قرار گرفته است. این کاربیدها عموما در همدیگر حل می شوند و درصد بالایی از کاربیدهای تنگستن را درخود حل می کنند. بنابراین متداول ترین نوع از این نوع ساینده ها، ساینده های گرید WC-(W,Ti,Ta,Nb)C-Co هستند.
همچنین این ممکن است که تمام یا بخشی از کبالت را با سایر فلزات مانند نیکل جایگزین کرد. این نوع از ساینده ها دارای کاربردهای خاصی هستند. کاربید وانادیوم یا کاربید کروم نیز برای جلوگیری کردن از رشد دانه های WC در طی فرایند زینترینگ، مورد استفاده قرار می گیرد. افزودنی هایی از جنس مولیبدن و یا کروم به عنوان بایندر می تواند موجب افزایش مقاومت به خوردگی این گریدها می شود.
ویژگی های مهم کامپوزیت های WC-Co در شکل 3 تا 12نشان داده شده است. ما باید به این مسئله توجه کنیم که در اینجا رابطه ی مورد نظر میان استحکام فشاری، صلبیت، سختی، ضریب انبساط گرمایی پایین و رسانایی گرمایی بالا در این گریدهای دو جزئی مشاهده می شود. خواص گریدهای سه تایی معینی در جدول 1 نشان داده شده است. مقاومت به خوردگی این گریدها در شکل 13 نشان داده شده است.
بر طبق استاندارد ایزو R513 ، فلزات سخت زینترشده به سه گروه تقسیم می شود. این طبقه بندی با توجه به ناحیه ی کاربرد برشی، انجام می شود. در هر کدام از این گروه ها، نوع کاربرد با اعداد 01، 05، 10، 20، 30، 40 و 50 نشان داده می شود. هرچه عدد کوچکتر باشد، سایش نرم تر انجام می شود، در حالی که عدد بزرگتر نشان دهنده ی سایش زیاد می باشد.
رویه های کنونی در تحقیقات موجود در زمینه ی فلزات سخت زینترشده به صورت زیر می باشد:
تحقیق در زمینه ی پودرهای درشت تر یا ریزتر WC ( تولید این پودرها) و پودرهای غیر فلزی مورد استفاده برای برش کاری و سوراخ کاری

کنترل مورفولوژی WC (نوک تیز، کروی و بیضوی)

کاهش یا کربونیزاسیون مستقیم اکسید تنگستن و کاهش یا کربوریزاسیون ترکیبات تنگستن و Co
کاهش درصد TiC، NbC یا TaC با ایجاد پوشش
جایگزینی کبالت با Co/Fe/Ni (کاهش هزینه و افزایش مقاومت در برابر خستگی گرمایی)
بررسی آسیاب کاری تر (آسیاب کاری در بستر مایع)
بررسی، مدل سازی و کنترل نیروی پرس محوری و مدل سازی فرایند تزریق یا اکسترو‍ژن
پیشرفت در زمینه ی مدل سازی و بررسی زینترینگ فاز مایع
پیشرفت در زمینه ی زینترینگ ماکروویو و الکتریکی
توسعه در زمینه ی زینترینگ تحت اتمسفر کنترل شده (متان، نیتروژن و ...)
امروزه ابزارهای برشی متداول از جنس فلزات سخت زینترشده هستند. حتی با اینکه این محصولات از سال 1962 به بازار آمده اند، اثر آنها بر روی صنعت تولید این محصولات قابل توجه بوده است. تاکنون گریدهای پوششی مختلفی تولید شده است و هر کدام از این گریدها دارای کارایی بهینه ای در زمینه ی معین هستند. در کاربردهای خاصی از این محصولات، پوشش های چندگانه تولید می شود که حداقل از 3 یا 4 ماده ی دیرگداز مانند TiC، Ti(C,N)، TiN و تشکیل شده اند. این 4 ماده را می توان با روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار تشکیل شود و ریزساختار هر کدام از این لایه ها را می توان با کنترل فرایند شیمیایی، کنترل نمود. این دو محدودیت فرایند CVD می تواند با بهبود فرایند، اصلاح گردد. اگرچه استفاده از فرایند رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار به از بین رفتن این مشکلات کمک می کند، تنها پوشش های TiN و Ti(C,N) هم اکنون با روش PVD در مقیاس صنعتی تولید می شوند.
روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار با کمک پلاسما توجه کمتری را به خود اختصاص داده است. علت این مسئله مشکلات حاصل از وجود ناخالصی های کلردار در پوشش های Ti(c,N) یا TiN می باشد.
با انجام فرایند CVD در دمای متوسط می توان میزان از دست دادن کربن بوسیله ی زیرلایه را کاهش داد. بنابراین، پوشش های Ti(C,N) را با استفاده از این روش می توان در دماهایی در گستره ی 800-900℃ تولید کرد. این تکنیک همچنین به سهولت با روش CVD استاندارد ترکیب می شود.
توسعه ی سریع تکنولوژی پوشش دهی نیازمند کار بر روی زیرلایه ها و تولید پوشش های چندلایه ی پیشرفته است. از آنجا که توسعه های اخیر در زمینه ی پوشش های گرادیانی ایجاد شده است، تافنس لبه های برشی به گونه ای بهینه می شود که مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک نیز حالتی بهینه داشته باشد. بنابراین، ما می توانیم با ایجاد یک سطح غنی از بایندر کبالتی، مقاومت در برابر اشاعه ی ترک را افزایش دهیم. مکانیزم های دخیل در این فرایند، پیچیده است. این مسئله نیازمند وجود کنترل قابل توجهی بر روی مواد اولیه و پارامترهای زینترینگ می باشد. یکی از پیشرفت های اخیر در زمینه ی تکنولوژی CVD، توسعه ی یک روش برای بدست آوردن پوشش تک فازی از جنس آلفا آلومینا است. هم اکنون امکان تولید پوشش دو فازی از جنس آلفا و بتا آلومینا مقدور شده است. به هر حال، پیشرفت مهم در این زمینه، تولید پوشش های الماسی است که برای ماشین کاری آلیاژهای آلومینیوم، پلیمرهای تقویت شده با الیاف و سرامیک های خام مورد استفاده قرار می گیرد. اگر چه اصول رسوب دهی الماس از فاز بخار چندین سال است که شناخته شده است، برای تولید محصولات تجاری، نیاز به وجود متخصصین زبده ای در زمینه ی پوشش دهی و زینترینگ فلزات سخت می باشد. مشکلات مربوط به چسبندگی پایین، با استفاده از تجهیز ادوات رسوب دهی به پلاسما و استفاده از زیرلایه های گرادیانی، برطرف گردیده است.
در نهایت، فلزات سخت زینترشده بخش عمده ای از کاربردهای ماشین کاری (50 %) را به خود اختصاص داده است. این تخمین زده شده است که 70% از عملیات های تراشکاری با استفاده از ابزارهای کاربیدی انجام می شود. گستره ی وسیعی از ترکیبات شیمیایی در این پوشش ها ایجاد شده است و هر کدام کاربرد خاص خود را پیدا کرده است. کاربیدهای پوشش داده شده نیز موجب می شوند تا سطوح بالایی از بهره وری ایجاد گردد.

سرمت ها

سرمت های جدید نتیجه ای از ایجاد انقلاب در زمینه ی تولید سرمت های TiC-Ni است. این سرمت ها در اوایل دهه ی 1950 تولید شدند. سرمت های برشی ابتدایی دارای 70 % TiC، 12 % Ni و 18 % بودند. این سرمت ها با دانسیته ی 6.08دارای سختی 92HRA و استحکام خمشی 860Mpa می باشند. با توجه به سختی این مواد، استحکام مکانیکی بالا و رسانایی گرمایی پایین، این ساینده ها برای عملیات های تراشکاری نهایی مناسب می باشد.
هم اکنون، عمده ی سرمت ها از جنس تیتانیوم کربونیترید هستند. در این سرمت ها عمدتا از Ni و Mo به عنوان بایندر استفاده می شود. بهینه سازی فاز سخت و کنترل دقیق ترکیب شیمیایی بایندر می تواند موجب بهبود قابل توجه در تافنس سرمت حاصله شده و موجب ایجاد مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک شوند. ریزساختارهای حاصله در این سرمت ها پیچیده هستند و در آنها یک یا چند فاز سخت با گرادیان ترکیبی وجود دارد.
مشابه با فلزات سخت زینترشده، تولید سرمت ها نیازمند کنترل دقیق فرایند، انتخاب مناسب مواد اولیه و تنظیم پارامترهای فرایندی می باشد. خواص برخی از این گریدها در جدول 1 نشان داده شده است. در نهایت، اخیرا تکنولوژی پوشش دهی به طور قابل توجهی به سمت سرمت ها معطوف شده است.
جدول 1
سرمت ها به طور قابل توجهی بازار ژاپن را به خود اختصاص داده اند (25%). در زمان مشابه در اروپا این مواد تنها 3-4 % از بازار را به خود اختصاص می دهند. علت این مسئله به خاطر دلایل زیر می باشد:
تلاش ها برای جایگزینی تنگستن کاربید در دوره ی زمانی بین سال های 1950 تا 1960. این مسئله موجب تسریع توسعه ی سرمت ها در ژاپن شده است.
تکنولوژی ابزارهای ماشین کاری در ژاپن خیلی پیشرفت کرده است. ماشین های موجود در این کشور قدرتمندتر و صلبت تر هستند.
توسعه ی فلزات سخت زینترشده ی پوشش داده شده در ژاپن نسبت به آمریکا و اروپا، آهسته تر است. ژاپنی ها از سرمت ها برای کاربردهایی استفاده می کنند که در جاهای دیگر، به جای سرمت از مواد دیگری در این کاربردها استفاده می کنند.
در حالی که سرمت ها دارای سختی مشابه با فلزات سخت زینترشده هستند، این مواد نسبت به نفوذ حساست تر هستند و دارای سایش و رفتار سایشی بهتری هستند. آنها قادرند تا سرعت ماشین کاری را افزایش دهیم. در کاربردهایی که در آنها تراشکاری شبه پرداخت و پرداخت کاری فولاد و فولاد ضد زنگ مد نظر باشد، این مواد عالی عمل می کنند. عیوب موجود در زمینه ی فولادهای تندبر و فلزات سخت زینتر شده بواسطه ی کامپوزیت سازی این مواد بهبود می یابد. این کار با پراکنده کردن ذرات TiC یا TiN در زمینه ای از فولاد، قابل انجام است. این کامپوزیت ها دارای قابلیت عملیات حرارتی نیز می باشند. این مواد که فروکاربید تیتانیوم یا فرو نیترید تیتانیوم نامیده می شود، برای کاربردهای آسیاب کاری و سوراخ کاری خاص مورد استفاده قرار می گیرند. این کامپوزیت ها در حالت آنیل شده دارای سختی پایینی هستند (35 تا 50 راکول ‍C) و امکان ماشین کاری آنها وجود دارد. علاوه براین، ابزارهای مورد استفاده را می توان آنیل کرد و دوباره ماشین کاری کرد و با اعمال عملیات حرارتی، سختی دوباره افزایش می یابد.

سرامیک ها

بازار ابزارهای برشی سرامیکی در بین دو سرامیک عمده یعنی آلومینا و سرامیک های بر پایه ی سیلیسیم نیترید، تقسیم شده است.

سرامیک های برپایه ی آلومینا

ابزارهای برشی از جنس آلومینای زینتر شده از سال 1905 تاکنون مورداستفاده قرار می گیرد و اولین ثبت اختراع به سال 1912 برمی گردد. اما توسعه ی تجاری این نوع از سرامیک ها از سال 1954 ایجاد شده است. ابزارهای برشی اولیه شکننده بودند زیرا زینترینگ آنها به طور کامل انجام نمی شد و دانه های موجود در ماده بزرگ بود. با ورود پرس گرم در بین سال های 1944 و 1945 و افزودن منیزیا به این ساینده ها و در نهایت استفاده از پودرهای زیر میکرونی مواد اولیه، توسعه های قابل توجهی در زمینه ی این ساینده ها ایجاد شده است.
آلومینای خالص دارای تافنس پایین، استحکام مکانیکی پایینی و رسانایی گرمایی پایینی است. بنابراین این ماده نسبت به تنش های گرمایی و مکانیکی، حساس است. بااینحال، در دهه ی 1960، این ماده در صنایع اتومبیل برای ماشین کاری دیسک های ترمز و سیلندرهای چدنی، استفاده می شود. در سال 1976، این نشان داده شده است که افزودن 2 تا 10 % زیرکن به آلومینا می تواند به طور قابل توجهی تافنس و مقاومت به شوک حرارتی را بهبود دهد. این روش تقویت آلومینا بر اساس استحاله ی آلوتروپیک و ایجاد فاز مونوکلینیک بوجود می آید. این استحاله با سرد شدن نمونه و افزایش حجمی رخ می دهد. اگر دانه های زیرکونیا بسیار ریز باشند (کوچک تر از 0.3 میکرون) و به خوبی در آلومینا پراکنده شده باشند، این استحاله موجب تشکیل نیروهای فشاری در زمینه ی آلومینا می شود. وقتی یک ترک تشکیل می شود و گسترش می یابد، آزادسازی نیروهای فشاری که به دلیل اشاعه ی ترک ایجاد می شود، موجب می شود تا فاز شبه پایدار تشکیل شده، به فاز مونوکلینیک تبدیل شود. این تبدیل با انبساط همراه است و موجب می شود تا با تشکیل نیروهای فشاری، اشاعه ی ترک محدود گردد. این استحاله ها موجب می شود تا در کل تافنس ماده بهبود یابد. سرامیک های آلومینا-زیرکنی ضرورتا برای برشکاری منقطع چدن و فولاد مورد استفاده قرار می گیرد.
از سال 1955، افزودن کاربید تیتانیوم (TiC) به آلومینا پیشنهاد شده است. ما می توانیم اکنون در بازار سرامیک هایی از جنس و و مخصوصا با 60 تا 70 % آلومینا، پیدا کنیم. این سرامیک ها دارای تافنس، استحکام مکانیکی و رسانایی گرمایی بالاتر نسبت به آلومینای خالص هستند و علاوه براین، سخت تر نیز هستند. استحکام آنها همچنین می تواند با استفاده از فرایند پرس گرم افزایش یابد. زمینه های مهم استفاده از این ساینده ها در ماشین کاری چدن کوئنچ شده، فولادهای سخت کاری شده و ماشین کاری نهایی چدن می باشد.
در سال 1985، این نشان داده شد که افزودن 25 تا 30 % ویسکرهای سیلیسیم کاربید به سرامیک های و ، استحکام مکانیکی، تافنس و مقاومت به شوک حرارتی این سرامیک ها افزایش می یابد. دو مکانیزم برای توصیف این استحکام بخشی، پیشنهاد شده است. یکی منحرف شدن ترک ها و دیگری وجود ویسکرها (unearthing of whiskers). به دلیل تفاوت بزرگتر در ضرایب انبساط حرارتی با SiC، ویسکرها تحت نیروهای فشاری هستند در حالی که زمینه تحت کشش است. به دلیل اینکه اشاعه ی ترک عمود بر تنش های کششی باشد، این تنش ها بوسیله ی ویسکرها جذب می شود و موازی یا عمود بر آنها اشاعه پیدا می کند. آگاهی یافتن از مکانیزم موجود برای استحکام بخشی بوسیله ی ویسکرها به نحوی است گسستگی ضرورتا در طول سطح مشترک زمینه و ویسکر رخ می دهد. شکل دهی این کامپوزیت ها تنها می تواند با استفاده از زینترینگ تحت فشار یا فرایند پرس ایزواستاتیک گرم انجام شود. از این کامپوزیت ها در ماشین کاری سوپرآلیاژهای پایه نیکل، آلیاژهای فولاد سخت کاری شده و چدن با گرافیت کروی، استفاده می شود. به هرحال مشکل ایجاد شده بوسیله ی ویسکرها سمیت آنهاست. در واقع کوچک بودن این ویسکرها ممکن است موجب شود تا این ویسکرها مانند آزبست عمل کنند.

سرامیک های بر پایه ی سیلیسیم نیترید

سیلیسیم نیترید دارای ضریب انبساز حرارتی پایینی است. وجود این خاصیت موجب می شود تا شوک حرارتی ایجاد شده در این ماده کاهش یابد. در کل این ماده را نمی توان با استفاده از روش زینترینگ فاز جامد و بدون اعمال فشار، زینتر کرد اما افزودن اکسید ایتریوم، اکسید منیزیم، اکسید زیرکونیوم یا آلومینا موجب ایجاد زینترینگ فاز مایع می شود. فاز مایع با استفاده از واکنش این مواد افزودنی با لایه ی سیلیسی تشکیل شده بر روی سطح دانه های سیلیسیم نیترید، تشکیل می شود. در طی زینترینگ، پودر آلفا سیلیسیم نیترید (دانه های 2 میکرونی) در فاز مایع حل می شود و دوباره به صورت دانه های بتا سیلیسیم نیترید رسوب دهی می کنند. بخشی از فاز حل شده نیز به صورت فاز آمورف رسوب دهی می کنند که باید با کنترل سرعت حرارت دهی و سرمایش، این فاز به طور کامل یا جزئی کریستالی شود. با استفاده از پودر آلفا سیلیسیم نیترید و کنترل شرایط زینترینگ و تنظیم مقدار فاز مایع، می توان فرایند رشد بتا سیلیسیم نیترید را به گونه ای تنظیم نمود که بلورهایی طویل (ویسکرهایی با نسبت طول به قطر 3) تشکیل شوند. این بلورها ساختار را تقویت می کنند. ابزارهای سیلیسیم نیتریدی که دردهه ی 1970 توسعه یافتند، 10 سال بعد تجاری سازی شدند. به دلیل واکنش پذیری این مواد درتماس با فولاد، این سرامیک ها را نمی توان برای ماشین کاری فولاد استفاده کرد.
در اوایل دهه ی 1970، این کشف شد که اکسیژن می توان به جای نیتروژن در شبکه ی بتا سیلیسیم نیترید جایگزین شود به نحوی که خنثی بودن این شبکه حفظ می شود. محلول جامد حاصله که سیالون نامیده می شود معمولا با نماد ( ) نشان داده می شود. پایداری بتا سیلیسیم نیترید با افزایش z ، افزایش می یابد اما با افزایش z، تافنس، استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر شوک حرارتی کاهش می یابد به نحوی که برای کاربردهای برشی باید مقدار Z کمتر از 2 باشد.
برای بتا سیالون، افزودنی های زینترینگ نیز مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از این افزودنی ها، اکسید ایتریوم است. در طی زینترینگ، سیلیس با آلومینا و اکسید ایتریوم واکنش می دهد و فاز مایع تشکیل می دهد. این فاز مایع سیلیسیم نیترید را حل می کند و بعد از این انحلال، سیلیسیم نیترید به صورت فاز بتا سیالون رسوب دهی می کند (دانه های سوزنی شکل و با اندازه ی یکنواخت). بعد از زینترینگ، ریزساختار از فازهای آلفا و بتا سیالون و فازهای کریستالی تشکیل می شود که این فازهای کریستالی بوسیله ی کریستالی شدن فاز بایندر زجاجی، تشکیل می شود. سیالون های برای ماشین کاری فولادهای دیرگداز، فولادهای زمینه سخت و چدن ( با سرعت بالا) مناسب هستند. این مواد همچنین برای ماسین کاری فولاد نیز مناسب اند.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.