نویسندگان: آر کریشنامورتی
سی وی گوکولارات نام
مترجم: حبیب الله علیخانی
برای بدست آوردن اشکال شبه شبکه ای، سری های زینتر شده و عملیات حرارتی شده، با چرخ های ساینده ای از جنس نیترید بور مکعبی (CBN) و یا الماسه، ساییده می شوند. در طی فرایند سایش، حذف مواد با تغییر شکل های میکروسکوپیک و شکست در نواحی همراه است که ساینده، برخورد کرده است.
میزان حذف مواد در طی آسیاب کاری، به اندازه و دانسیته ی عیوب موجود در سرامیک (مانند حفرات، ترک ها و اندازه ی تنش میدان اعمالی)، وابسته می باشد. اندازه ی میدان تنشی به طول قابل توجهی تحت تأثیر نرخ حذف مواد می باشد. وقتی میدان تنشی کوچکتر از اندازه ی عیب باشد، ماده از طریق تغییر شکل پلاستیک و برش، حذف می شود. اگر میدان تنشی بزرگتر از اندازه ی عیب باشد، میکروساختار ترد محلی و گسستگی آنی مکانیزم اصلی حذف ماده می باشد. برخلاف مواد فلزی، سایش سرامیک ها، منحصربفرد است زیرا این مواد مستعد معیوب شدن می باشند. همچنین مواد ترد مانند سرامیک ها دارای E/H (نسبت مدول یانک به سختی) کوچکتر هستند. این مسئله منجر به ایجاد نواحی پلاستیک کوچک می شود که موجب افزایش کیفیت سطحی در طی سایش، می شود. شرایط سایش در جدول 1 آورده شده است.
یک پروفایل سطحی نمونه وار که برای سایش با سری الماسه پیشنهاد شده است، در شکل 1 آورده شده است. این مشاهده شده است که بافت سطح سایش یافته به طور قابل توجهی در بیشتر سرعت های سایش، یکنواخت است و تغییر اندکی در R_a و R_t و نسبت R_a/R_t وجود دارد.
شکل 2 نشاندهنده ی یک تغییر نمونه وار در سطح (R_a) با افزایش سرعت سایش برای سرامیک های Y-TZP می باشد. وقتی سرعت سایش افزایش می یابد، زبری سطحی نیز افزایش می یابد. به هر حال، وقتی سرعت سایش بین 700 تا 900 m/min باشد، یک بهبود قابل توجه در کیفیت سطح، ایجاد می شود. در طی سایش، تنش ها موجب تسهیل استحاله های القا شده با تنش مربوط به فاز تتراگونال به مونوکلینیک، می شود. در واقع در این حالت، دمای سایش موجب مساعد شدن استحاله ی مونوکلینیک به تتراگونال می باشد. بنابراین، در طی سایش، سری Y-TZP متحمل سیکل استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک و مونوکلینیک به تتراگونال می شود. این در حالی است که استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک موجب افزایش تافنس می شود و سیکل استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک و مونوکلینیک به تتراگونال موجب بهبود سختی می شود. بهبود در سطح نهایی در گستره ی 700-900 m/min ممکن است به دلیل استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک و مونوکلینیک به تتراگونال، باشد. به هر حال، این رویه نمی تواند حفظ شود زیرا تخریب کارایی سایش مربوط به چرخ الماسه در دماهای بالا، مربوط به سرعت سایش بالاتر می باشد.
همانگونه که در شکل 2 مشاهده می شود، سایش با الماسه ی یک گرید تجاری آلومینای متراکم و سرد منجر به تخریب کیفیت سطح با افزایش سرعت سایش، می شود. این مسئله به دلیل ناپایداری سرامیک ساینده در دماهای بالا، می شود.
شکل 3 نشاندهنده ی کارایی نسبی CBN و سایش الماسه بر روی سرامیک های Y-TZP و کیفیت های سطحی مربوطه، می باشد. CBN یک کیفیت سطحی بهتری ایجاد می کند که علت آن، ضریب سایش کوچکتر، می باشد (کریستال های CBN تا حدی تیز تر از ذرات الماسه می باشند و بنابراین، سطح نهایی بهتری ایجاد می کند).

سرعت سایش و فشار ویژه ی سایش

برای ارزیابی قابلیت سایش TTZ، اجزای نیروی سایش (یعنی F_n (جزء نرمال) و F_t (جزء تانژانتی)، با استفاده از نیروسنج حلقه ای هشت ضلعی، اندازه گیری می شود. از این موارد، فشار ویژه ی سایش محاسبه می شود. شکل 4 نشاندهنده ی اثر سرعت سایش بر روی فشار ویژه ی سایش برای CBN و سایش الماسه، می باشد. CBN می تواند TTZ را با استفاده از فشارهای ویژه ی سایش بالاتر نسبت به سری های الماسه، سایش دهد. نیترید بور مکعبی در برابر اکسیداسیون تا دمای 1300 درجه ی سانتیگراد، مقاومت دارد، در حالی که سری های الماسه تا دماهای پایین تر (800 درجه ی سانتیگراد) مقاومت دارد. مواد CBN همچنین سطحی صاف تر نسبت به سری های الماسه ایجاد می کنند. این مسئله به دلیل دانه های مسطح CBN می باشد برخلاف سری های الماسه که دارای خاصیت خود تیز شونده هستند. این مسئله موجب فشارهای ویژه ی سایش بالاتر می شود. این بد نیست گفته شود که فشار سایش بالاتر می تواند همچنین موجب ایجاد تنش هایی شود که منجر به استحاله از فاز تتراگونال به مونوکلینیک می شود. این مسئله در نهایت منجر به افزایش تافنس ماده ی سطحی، می شود. سایش مواد با تافنس بالا مربوط به تغییر شکل و نیروی برشی است که منجر به تنش های سایشی بالاتر می شود. این استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک، بوسیله ی پروفایل شدت اشعه ی X تعیین می شوند.
شکل 4 نشاندهنده ی افزایش آرام در فشار سایش در یک سرعت سایش تقریباً 1000 m/min می باشد. این مسئله ممکن است به دلیل تجریه ی گرمایی داخلی الماس باشد. برای ارزیابی کامل، مطالعات سایشی بر روی گریدهای تجاری از سری های آلومینایی سفید و تولید شده با روش پرس سرد، نیز انجام شد. شکل 5 نشاندهنده ی ارزیابی کاملی از سایش این دو سرامیک است. در مورد آلومینا، تغییر اندکی در فشار ویژه ی سایش نسبت به سرعت سایش، وجود دارد. این نشاندهنده ی این است که آلومینا، نسبت به اثرات گرمایی، حساس نمی باشد، در حالی که زیرکونیا به دلیل دمای سایش و فشار اعمالی، متحمل افزایش تافنس به دلیل استحاله می شود.
شکل 6 نشاندهنده ی شدت اشعه ی X نمونه وار می باشد. این مشاهده شده است که وقتی سایش با استفاده از CBN انجام می شود، TTZ متحمل تنش های بیشتری می شود که منجر به افزایش تافنس با استفاده از استحاله، می شود. این مسئله منجر به چین خوردن در سطح می شود و بنابراین، سطح بهبود می یابد.
از مطالعات مربوط به سایش، این مشاهده شده است که یک بهبود در کارایی سایش می تواند با سایش Y-TZP با استفاده از چرخ های سایش CBN ایجاد شود.

کارایی Y-TZP

در برش فلزات، یکی از مهم ترین محدودیت های مربوط به استفاده از آلومینای تولید شده با روش پرس سرد، کارایی غیر قابل اطمینان این ابزارآلات است که علت آن تکه شدن ناگهانی بخش دماغه، می باشد. این تمایل به طور قابل توجهی به تافنس شکست پایین سرامیک های سفید رنگ، وابسته می باشد و می تواند با استفاده از سرامیک های Y-TTZ با تافنس استحاله ای، بهبود یابد. شکل 7 نشاندهنده ی استفاده از ابزارهای برشی مختلف برای شرایط برش متفاوت(سرعت و نرخ تغذیه) می باشد. از شکل 7 مشاهده می شود که سرامیک های ترکیبی (آلومینا + TiC)، TTZ یا ZTA موقعیت هایی میان سرامیک های نیتریدی (سیلیکون نیترید) و سرامیک های خالص (آلومینای سفید) را به خود اختصاص داده اند.

کنترل سطح نهایی

آزمون های ماشین کاری بر روی فولاد ماشین کاری و با سرعت بالا انجام می شود. این کار بر روی ماشین تراش VDF انجام می شود. شرایط ماشین کاری در جدول 2 آورده شده است.
کارایی یک ابزار برش می تواند بوسیله ی فاکتورهایی همچون نیروی برشی، فشار ویژه ی برش، دمای برش و سطح نهایی، مورد ارزیابی قرار گیرد. سطح نهایی به طور قابل توجهی به شرایط برش و پایداری لبه های ابزار برشی، وابسته می باشد. برای تراشکاری، یک ابزار ایده آل، ابزاری است که بتواند دماغه ی خود را بدون انحراف، دماغه ی خود را بدون انحراف بچرخاند. این چرخش به پایداری شکلی لبه های برشی، وابسته می باشد. پایداری شکلی ابزار برشی، به سختی ابزار برشی در دمای ماشین کاری، پایداری شیمیایی ابزار و تافنس شکست آن، وابسته می باشد. شکل 8 بیان کننده ی تغییرات نمونه وار مربوط به سطح نهایی تحت تأثیر شرایط ماشین کاری، می باشد. همانگونه که در شکل 8 مشاهده می شود، این ممکن است که یک سطح نهایی خوب را با سرعت ابزاری در حدود 200 تا 300 m/min ، نرخ بارگذاری 0.1 mm/rev و عمق تقریبا 0.5 میلی متر برای ابزارهای TTZ، بدست آورد. بهبود در سطح بعد از عمق برش 0.7 mm با سرعت برش 102 تا 204 m/min و یک روند استاندارد بعد از 0.5 میلی متر برش، مناسب می باشد. تغییر شکل دماغه ی برشی می تواند مربوط به نرم شدن گرمایی و یا افزایش تافنس بواسطه ی انجام استحاله ی Y-TZP تحت شرایط فشار و دمای برش و در سطح مقطع ابزار براده بردار، باشد. شکل 9 نشاندهنده ی مشاهدات نمونه وار در مورد سطح نهایی است که تحت تأثیر سرعت برش می باشد.
 

نیروی برشی

شکل 10 بیان کننده ی اجزای نیروی برشی نمونه وار است که با استفاده از نیروسنح دستگاه تراش و در طی ماشین کاری فولاد با استفاده از سری های Y-TZP (TTZ) بدست آمده است. در سرعت های برش پایین تر (کمتر از 100 m/min)، یک افزایش در نیروی برشی به دلیل ایجاد شیار دماغه ی برشی بر روی سطح کاری، ایجاد شده است. با سرعت های برشی بیشتر از 100 m/min، برش پایدار با یک کاهش در اجزای نیرو، اتفاق می افتد.
روند افزایشی در جزء نیروی برشی، می تواند موجب تغییر شکل دماغه ی برشی شود که این مسئله نیز می تواند به دلیل افزایش تافنس به دلیل استحاله، رخ دهد. در طی آزمون های ماشین کاری، براده های مربوط به دماغه ی برشی مشاهده نمی شوند. شکل 11 نشاندهنده ی یک تغییر نمونه وار از فشار برشی ویژه ی محاسبه شده به عنوان تابعی از شرایط برشی می باشد. شکل 12 بیان کننده ی کارایی مقایسه ای مربوط به سری های TTZ نسبت به گرید تجاری سری های آلومینای سفید، می باشد. این سری های TTZ است که دارای کارایی مناسب تری هستند. این باید تذکر داده شود که سری های TTZ مورد استفاده، به روش پرس سرد و زینترینگ، تولید شده اند. اگر سری ها بر اساس استانداردهای صنعتی، تولید شده باشند، آنها دارای کارایی بهبود یافته، می باشند.
 
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

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