افزایش تافنس با استحاله

مقدمه

پیشرفت های سریع در زمینه ی صنعت هوایی، هسته ای و سایر صنایع، نیازمند بهبود کارایی اجزای مهندسی در حالت سرویس دهی می باشد. این الزامات منجر به توسعه های بزرگ و استفاده از مواد ماشین کاری مختلفی شده است که مشکلات ماشین کاری قابل توجهی ایجاد می کنند. این تصور وجود دارد که فرایندهای ماشین کاری غیر متداول و جدید متعددی مورد بررسی قرار گرفته اند و همچنین روش های ماشین کاری سنتی نیز هنوز مورد استفاده قرار می گیرند و کاربردی هستند. ماده ی مورد استفاده در یک ابزار برش، باید چندین ویژگی مهم داشته باشد تا بتوان از آن در فرایند برش، استفاده کرد. انرژی تغییر شکل به دلیل تغییر شکل پلاستیک گسترده ی ابزار و انرژی اصطکاکی که به دلیل برهمکنش در سطح ابزار- براده و سطح ماشین کاری شده، ایجاد می شود، به سری اعمال می شود. اگر چه بیشتر حرارت بوسیله ی براده، پراکنده می شود، مقداری از حرارت در ناحیه ی کوچکی در نزدیکی سری، تمرکز می یابد. این مسئله موجب افزایش دمای مربوط به سری تا حدود 1000 درجه ی سانتیگراد، می شود. صرفنظر از اثر دما، تنش های مکانیکی اعمال شده بر سری نیز بسیار بالاست. برای اثربخشی بیشتر، مواد مورد استفاده در ابزار برشی باید الزامات زیر را داشته باشند:
سختی بالا برای اثربخشی در فرایند برش
مقاومت مکانیکی بالا برای اعمال نیروی برشی
مقاومت بالا در برابر سایش، شکست و پوسته ای شدن و
سختی بالا و استحکام بالا در دمای عملیاتی
مقاومت سایشی مربوط به یک ابزار برشی به سختی، پایداری فیزیکی و شیمیایی ابزار و همچنین تافنس در طی عملیات برش واقعی فلز، وابسته می باشد. این الزامات مربوط به کامپوزیت ها تا حدی بوسیله ی فعالیت های تحقیقاتی و توسعه ای انجام شده، ارضا شده است. این مسئله موجب توسعه و استفاده از ابزارهای HSS تولید شده با متالورژی پودر و کاربیدهای سمنته ی پوشش دار و بدون پوشش، شده است. این ابزارها برای برش در دماهای پایین تر، مناسب می باشند. در دماهای برش بالاتر، راه حل، انتخاب موادی است که مقاومت به سایش و دیرگدازی بیشتری داشته باشند مانند سرامیک ها. این مواد می توانند تقاضای ماشین کاری مدرن را برطرف کنند.

توسعه ی ابزارهای برش سرامیکی

Degussa اولین ابزار برش سرامیکی تجاری را در آلمان در در طی سال 1905، روانه ی بازار کرد. ابزار برشی سرامیکی دیگری نیز در انگلیس ( در سال 1912) و در ایالات متحده ی آمریکا (1942) ثبت اختراع شد. در شوروی سابق، تلاش هایی در سال 1943 به منظور تولید ابزارهای برش سرامیکی انجام شد. این تلاش ها در مؤسسه ی تکنولوژی شیمیایی موسکو، انجام شده است. ابزارهای برشی سرامیکی، کاربردهایی را در سال 1954 و در آمریکا، بدست آورده بودند. شرکت فورد، اولین بار از این ابزاراها به منظور تولید انبوه محصولات خود، استفاده کرد. به هر حال، کارایی این ابزرهای سرامیکی اولیه نسبت به کاربیدهای سمنته ی سنتی، بهتر نبودند. دلیل اصلی برای شکست این ابزارهای سرامیکی اولیه، به صورت زیر می باشد:
استحکام ناکافی و عدم تطابق در کارایی
ابزارهای ماشین کاری بدون صلبیت
عدم توانایی در انجام برش کاری در سرعت های بالا و افزایش زمان تولید.
برای مثال، جو اقتصادی و فنی برای توسعه ی ابزارهای سرامیکی در آن زمان، مستعد نبود. به صورت سنتی، سرامیک ها موادی غیر فلزی، غیر آلی و دارای نقطه ی ذوب بالایی هستند. هر توسعه در مواد مورد استفاده در تولید ابزارهای برش سرامیکی، نه تنها باید این کیفیت ها را دارا باشد، بلکه همچنین باید کارایی بهبود یافته ای نیز داشته باشند. سرامیک های مورد استفاده در کاربردهای برشی، باید نسبت به کرنش های شدید نیز مقاوم باشند. به منظور ایجاد براده های خوب و یک فرایند برش اقتصادی، مواد سرامیکی باید سختی بالایی در دماهای بالا داشته باشند. لبه ی ابزار باید نسبت به فشار مقاومت داشته باشند و استحکام اتصال و تافنس بالایی داشته باشند. در طی برش فلزی، اصطکاک میان لبه های برش و براده های خارج شده، موجب ایجاد سایش بر روی لبه های برش می شود. این مسئله موجب افزایش زمان برش می شود. ابزارهای برش اغلب اشکال مختلفی از سایش را تجربه می کنند. این اشکال مختلف به عوامل متعددی وابسته می باشد. شکل 1 نشاندهنده ی برخی از عوامل ایجاد سایش در ابزار می باشد که در حقیقت وابسته به حرارت می باشند. واکنش های شیمیایی در سطح تماس میان ابزار برش و براده های ایجاد شده، منجر به سایشی می شود که در حقیقت در حقیقت، به سختی و مقاومت به سایش آن وابسته است. در این حالت، سرامیک باید به صورت شیمیایی پایدار باشد. علاوه بر کیفیت های بیان شده در بالا، یک ابزار برش سرامیکی، باید علاوه بر این، مقاومت به شوک حرارتی خوبی داشته باشد تا بدین صورت در برابر تغییرات دمایی، مقاومت کند. بنابراین، یک ابزار برش سرامیکی ایده آل، ابزاری است که سختی دما بالا، مقاومت بالا در برابر فشار، استحکام پیوند خوب و تافنس کافی داشته باشد. همچنین یک چنین ابزار سرامیکی باید پایداری شیمیایی، مقاومت به سایش و مقاومت به شوک حرارتی خوبی داشته باشد.
اولین ابزار ماشین کاری سرامیکی، آلومینای خالص هستند که در دماهای بالا، زینتر شده است. یک چنین ابزاری برای تراشکاری نهایی چدن خاکستری و فولادهای نرم خاص، مناسب بودند. خواص مواد مانند مقاومت به سایش استثنایی و سختی بالا، از جمله مهم ترین این خواص می باشند. این مواد با فقدان در تافنس شکست و مقاومت به شوک حرارتی، روبرو بودند.
خواص سرامیک های آلومینایی اولیه با افزودن اکسید منیزیم و زیرکونیا بهبود یافته اند. آزمایش های انجام شده با استفاده از نسل های جدیدتر این ابزارها، که در واقع سرامیک های آلومینایی متراکم شده به صورت سرد می باشند، دارای ظرفیت اصلاح سری بسیاری خوبی هستند. به هر حال، این ابزارها به گونه ای براده برداری می کنند که منجر به سایش شیاری و شکست های ناگهانی در دماغه ی آنها می شود. سایش شیاری نمونه وار در ابزارهای سرامیکی، در شکل 2 نشان داده شده است. آنالیز ناحیه ی شیاردار شده بوسیله ی میکروسکوپ الکترونی اوژه (AES) نشاندهنده ی تشکیل فاز اسپینل Fe_2 O_3-Al_2 O_3 می باشد. طیف AES نشاندهنده ی وجود آهن در ابزار می باشد (شکل 3). در طی ماشین کاری، سری ابزار برش متحمل فشار و دمای ماکزیمم در نواحی مجزا مانند عمق خط برش (DCL) و لبه های برش ثانویه (دقیقاً پشت دماغه ی سری) می شود. وجود دماها و فشار بالا تحت تماس اولیه با سطح کاری، ممکن است منجر به تشکیل سایش شیاری در ناحیه ی DCL و ناحیه ی پهلویی ثانویه، می شود. مقالاتی در این زمینه، گزارش داده اند که دماهای برشی در حدود 1000 تا 1200 درجه ی سانتیگراد در طی ماشین کاری چدن در سرعت های برش 200 m/min و با استفاده از ابزارهای برش کاربیدی مختلف، ایجاد می شود. به دلیل اینکه سرامیک های آلومینایی دارای رسانایی گرمایی پایین تری هستند، دماهای برش بالاتر ممکن است در این بخش ها، ایجاد شود. Mirao و Sata دماهای برشی تا 1600 درجه ی سانتیگراد را نیز گزارش کرده اند. دماهای برش بالاتر و حالت فشار هیدرواستاتیکی در سری برش، ممکن است موجب افزایش واکنش های شیمیایی در شیارها می شود. شکل 4 بیان کننده ی یک دیاگرام فازی مربوط به FeO-Al_2 O_3-Fe_2 O_3 می باشد که نشاندهنده ی حلالیت جامد Fe_2 O_3 در آلومینا و تشکیل فاز اسپینل Al_2 O_3-Fe_2 O_3 در دمایی در حدود 1200 تا 1500 درجه ی سانتیگراد می باشد. تشکیل یک چنین اسپینلی موجب تضعیف زمینه و در نتیجه ایجاد پلیسه یا تراشه می باشد. ایجاد پلیسه بر روی آلومینا به دلیل تشکیل شیشه ی اکسید کلسیم- آلومینا، می باشد. Ham و Narutaki واکنش میان اکسید کلسیم و آلومینا و تشکیل این فاز شیشه ای را مورد بررسی قرار دادند. یک چنین واکنشی می تواند موجب تضعیف سطح ابزار و افزایش سایش می شود.
Suh و همکارانش پایداری شیمیایی مواد مورد استفاده در ابزار برش را مورد بررسی قرار دادند و ارتباط خوبی میان نرخ سایش ابزارهای مختلف و انرژی آزاد تشکیل آنها را مورد بررسی قرار دادند. آنها فهمیدند که به دلیل انرژی آزاد منفی پایین تر مربوط به تشکیل، اکسیدها و نیتریدها پایداری بیشتری از ابزارهای برش کاربیدی، دارند. به هر حال، استثناهایی نیز در این زمینه، وجود دارد.
King و Wheildon پیشنهاد کرده اند که برهمکنش میان براده و ابزار سرامیکی، موجب تشکیل برخی از ترکیبات شیمیایی می شود که ممکن است تحت شرایط اکسیداسیونی، ایجاد شوند. برای ابزارهای سرامیکی آلومینایی، اثر مواد شیمیایی ممکن است اغلب قابل توجه باشد. این مسئله به عنوان اساسی برای توسعه ی ابزارهای برش بهبود یافته، می باشد. مستعد بودن ابزارهای سرامیکی آلومینایی نسبت به شوک حرارتی، موجب شده است تا کاربردهای صنعتی این ابزارها، محدود شود. دلیل اصلی مربوط به تافنس شکست ضعیف ابزارهای تولیدی از آلومینای خالص، وجود فاز ثانویه ی داکتیل می باشد. در کامپوزیت های کاربید سمنته مانند کاربید تنگستن با پیوند کبالت و یا کاربید تیتانیم با پیوند نیکل، یک فاز داکتیل از کبالت و یا نیکل، وجود دارد. یک روش مشابه موجب توسعه ی ابزارهای کامپوزیتی بهبود یافته از جنس آلومینا- TiC شده است که استحکام گسستگی عرضی آنها 84-9 kgf/mm^2 می باشد (این مقدار برای ابزارهای آلومینایی خالص و سنتی برابر با 70-84 kgf/mm^2 می باشد). در کامپوزیت های آلومینا- TiC، دانه های TiC موجب بی حرکت شدن ترک هایی می شود که در سطح ابزار ایجاد شده اند. این مسئله به دلیل مصرف انرژی بیشتری مورد نیاز برای اشاعه ی ترک در حول ذرات کاربیدی، می باشد. زمینه ای تشکیل شده از ذرات TiC در داخل آلومینا، منجر به بهبود تافنس شکست شده است. آزمایش های تراشکاری نهایی که بوسیله ی این ابزارها و بر روی چدن آلیاژی حاوی کروم و مولیبدن در سرعت های بالا انجام شده است، نشاندهنده ی کارایی بهتر کامپوزیت های آلومینا- TiC می باشد. شکل 5 نشاندهنده ی یک سطح نهایی نمونه وار می باشد. برخلاف ابزارهای آلومینایی، ابزارهای آلومینا- TiC براده برداری را در لبه های برش، انجام می دهند. یک میزان معین از تغییر شکل در دماغه ی برشی منجر به ایجاد سطح نهایی بهتر، می شود (شکل 6).     زمینه ی سرامیکی تقویت شده با ویسکرهای خالص SiC یا سیلیکون نیترید، موجب افزایش تافنس شکست می شود. توسعه های بعدی در ابزارهای برش سرامیکی، در شکل 7 نشان داده شده است. ابزارهای برش سرامیکی می توانند به سه گروه اصلی، تقسیم بندی شوند: اکسیدها، سرامیک های مخلوط و سرامیک های غیر اکسیدی. در میان سرامیک های غیر اکسیدی، بور نیترید مکعبی کاربردهای زیادی پیدا کرده است در حالی که سیلیکون نیترید و الماس کاربردهای خاص دارند. این ابزارها در طی چندین سال گذشته توسعه یافته اند و برخلاف سرامیک های اکسیدی، آنها دارای مقاومت به شوک حرارتی بالا و استحکام پیوند بزرگتری هستند. شکل 8 نشاندهنده ی ویژگی سختی گرم نمونه وار ابزارهای نیترید سیلیکونی و آلومینا- TiC می باشد. همانگونه که در شکل 8 مشاهده می شود، ابزارهای سیلیکون نیتریدی دارای بالاترین سختی در دماهای بالا می باشند.   به هر حال، این ابزارها کارایی فوق العاده ای برای ماشین کاری چدن و نمونه های فولادی را ندارد. این مشاهده شده است که سیلیکون نیترید متحمل سایش دماغه ای بالاتری می شود و بدین صورت کارایی برشی آن کاهش می یابد. میزان سایش بالاتر، علارغم سختی سیلیکون نیترید، مربوط به تخریب دماغه ی برشی به دلیل واکنش های شیمیایی و برهمکنش با ابزار می باشد. سایش دماغه های مسطح تر و سه گوش می تواند به دلیل وجود نفوذ انحلالی در سطح مشترک قطعه- ابزار، رخ دهد. Vigneau و Boulanger مشاهداتی مشابه، را گزارش داده اند. سیلیکون نیترید به صورت شیمیایی با آهن و منیزیم واکنش می دهد. این مسئله در حضور اکسیژن و در دماهای بالا، رخ می دهد. Tennonhouse و Runkle پیشنهاد داده اند که منیزیم و اکسیژن می توانند در سایش سیلیکون نیترید مورد استفاده برای ماشین کاری آلیاژهای بر پایه ی آهن، مشارکت کنند.
از بررسی ها بالا، این فهمیده می شود که اگر پتانسیل سرامیک های پیشرفته و کامپوزیت ها به صورت کامل، فهمیده شوند، طراحی سطح مشترک می تواند تکامل یابد. این مسئله با پوشش دهی زیرلایه با مواد پایدار شیمیایی، سخت و مقاومت به سایش مانند TiN، TiC و سیلیکون نیترید و یا سایر مواد، انجام می شود.
عدم توانایی ابزارهای سیلیکون نیتریدی در ماشین کاری قطعات آهنی منجر به توسعه ی سرامیک های اکسیدی خاص مانند آلومینای با تقویت کننده ی دوگانه، شده است. بر اساس مقاومت به سایش استثنایی آلومینا و تردی آن، آلومینا با زیرکونیا و SiC تقویت می شود. زیرکونیا موجب می شود تا آلومینا، بواسطه ی استحاله، تقویت شود، در حالی که ویسکرهای SiC منجر به تقویت ماده در برابر نیروهای کششی می شوند. شکل 9 نشاندهنده ی آلومینای با تقویت کننده ی دوگانه می باشد که در حقیقت دارای سختی داغ و پایداری شیمیایی مناسب، می باشد. ویژگی های منحصربفرد ابزارهای آلومینایی با تقویت کننده ی دوگانه، به دلیل افزایش تافنس و رسانایی گرمایی، می باشد. مفاهیم مربوط به افزایش تافنس با استحاله، در ادامه، مورد بررسی قرار می گیرد. استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

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