سایش با نیترید بور مکعبی

مطالعه ها بر روی سایش سرامیک های Ce-TZP با استفاده از چرخ های ساینده ی CBN، در شکل 1 نشان داده شده است. این فهمیده شده است که امکان سایش Ce-TZP با استفاده از نیروهای کوچک تر، مقدور می باشد. به هر حال، سطح در این حالت زبرتر از سطح حاصله از سنگ الماسه است. مشاهدات نمونه وار در مورد چرخ های CBN در شکل 2 آورده شده است.  

کارایی مکانیکی مربوط به ابزارهای برش Ce-TZP

اجزای Ce-TZP زینتر شده با استفاده از ابزارهای برش استاندارد SNUN 1218 سایش پیدا می کنند. شعاع دماغه ی در یک ماشین تراش با پروفایل نوری، قرار داده می شود. سری های مربعی با شعاع دماغه ی 1.8 میلی متر، برای ماشین کاری چدن با گرافیت کروی، استفاده می شوند. شرایط ماشین کاری در این حالت، در جدول 1 آورده شده است.

کارایی برش

در طی ماشین کاری چدن های با گرافیت کروی، براده های کوتاه تولید می شود. این براده ها در شکل 3 نشان داده شده است. بخش روشن تر براده ها، نشاندهنده ی جریان نرم تر ابزار در کناره ها می باشد و نشاندهنده ی کاهش در اصطکاک سطح مشترک براده، می باشد. شرایط ماشین کاری مشخص می شود یعنی سرعت 200-300 m/min، a= 0.75 mm، S=0.063 mm/rev. نیروی برشی با استفاده از نیروسنج کیستلر، اندازه گیری می شود. تغییر در نیرو بر اساس تغییر در سرعت برش، در شکل 4 آورده شده است. همانگونه که در این شکل مشاهده می شود، میان سرعت 225 تا 275 m/min، تغییر اندکی در نیرو، مشاهده می شود. در سرعت های برش بزرگتر از 275 m/min، یک افزایش قابل توجه در نیرو مشاهده می شود که نشاندهنده ی شروع تغییر شکل دماغه می باشد. بررسی های میکروسکوپی گرم بر روی Y-TZP و Ce-TZP نشاندهنده ی این است که Y-TZP دارای پایداری ترمودینامیکی در زمان استحاله ی مونوکلینیک به تتراگونال، می باشد. این مسئله در دمای 600 درجه ی سانتیگراد، رخ می دهد در حالی که Ce-TZP یک استحاله ی مونوکلینیک به تتراگونال را در دماهای پایین تر، دارا می باشد.
در محیط های برش فلزی، دماهای بالا در سطح مشترک ابزار- براده گزارش شده است. همچنین لبه های برشی فشارهای برشی قابل توجهی دریافت می کنند که با سختی آنها در دمای برش، در ارتباط می باشد. بنابراین، مواد مورد استفاده در ساخت لبه های برشی، می تواند هم متحمل پایدارسازی ترمودینامیکی و هم کینتیکی، شوند. این مسئله به دما و فشار برش، وابسته می باشد.
کارایی برشی پایدار برای Ce-TZP در سرعت هایی بین 225 تا 275 m/min، ممکن است به دلیل حفظ 100 % فاز تتراگونال در سطح شیار می باشد (به دلیل وقوع استحاله ی مونوکلینیک به تتراگونال). با کاهش و افزایش سرعت های برشی، سطح ممکن است متحمل استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک بیشتری شود و این مسئله منجر به تغییر شکل دماغه و ایجاد الگوهای نیرو برای سرعت های برشی کمتر از 225 و بیشتر از 275 m/min، شود.

استحاله در حین برش

برای ارزیابی استحاله در طی برش، سری ابزار با استفاده از XRD مورد بررسی قرار گرفت. این مسئله قبل و بعد از ماشین کاری، انجام شد. الگوهای تفرق اشعه ی X نشاندهنده ی فاز تتراگونال 100% در هر دو مورد می باشد. به منظور ارزیابی این مسئله که آیا استحاله ی فاز مونوکلینیک به تتراگونال، ممکن است، شرایط در آسیاب کاری پروفایل نوری به گونه ای تغییر کرد که تشکیل فاز مونوکلینیک القا شود. این فهمیده شد که این ابزار به صورت جزئی در سری خود، دارای فاز مونوکلینیک است و پس از ماشین کاری به مدت یک دقیقه در سرعت 225، این فاز به طور کامل به فاز تتراگونال تبدیل می شود. یک چنین پدیده ای برای استحاله های سیکلی شاخص می باشد. در این استحاله ها، تنش در طی برش، منجر به استحاله ی فاز تتراگونال به مونوکلینیک می شود و حرارت اصطکاکی در سطح مشترک ابزار- براده، موجب تغییر فاز مونوکلینیک به فاز تتراگونال می شود.
از سایش لغزشی میان سطح مشترک سرامیک- فولاد، این مشاهده می شود که Ce-TZP دارای استحاله ی سیکلی است که علت آن، تنش های مکانیکی و حرارت سایشی است. به طور مشابه، Ce-TZP می تواند قابلیت برش کاری خود را حفظ کند که علت این مسئله، استحاله ی سیکلی اتفاق افتاده در ناحیه ی دماغه ی برش، می باشد. این مسئله محتمل است زیرا دما در سطح مشترک ابزار- براده، ممکن است در حد 1000 تا 1200 درجه ی سانتیگراد، باشد. در این دماها، تنها فاز تتراگونال پایدار است و از این روف هر فاز مونوکلینیکی که به دلیل تنش ایجادی در طی برش، ایجاد می شود، دوباره و به دلیل حرارت اصطکاکی در سطح مشترک براده- ابزار، به فاز تتراگونال تبدیل می شود. بنابراین، این به نظر می رسد که مته های تولیدی از جنس Ce-TZP قادر به استحاله های سیکلی کامل در محیط برش فلزی، هستند. این مسئله موجب تسهیل افزایش تافنس از طریق استحاله، می شود. در حقیقت این مسئله علاوه بر بهبود کارایی، موجب حفظ لبه های برشی می شود. استحاله های مشابه در طی برش، در مورد ابزارهای Y-TZP نیز مشاهده شده است.

سایش ابزار

شکل 5 نشاندهنده ی رشد سایشی پهلوها با افزایش زمان ماشین کاری، می باشد. این مشاهده می شود که مقدار 0.3 mm برای بخش سایش پهلویی، در واقع حد مورد انتظار برای ارزیابی سایش ابزار است و ددر طی مدت 4 دقیقه، ایجاد می شود. شکل 6 نشاندهنده ی یک الگوی سایش نمونه وار است. این می تواند مشاهده شود که تشکیل حفره ها و از بین رفتن لبه ها، اشکال متداول در سایش می باشد. علامت های بالا و پایین برای بیان ترک ها بر روی سطح عمودی مربوط به لبه های برشی اولیه و ثانویه می باشد. خط بندی ها همچنین یک شاخص نمونه وار برای افزایش تافنس با استحاله در بخش پهلویی می باشد. علت این مسئله افزایش حرارت به دلیل سایش و همچنین فشارهای تماسی لغزشی، می باشد. این مشاهده شده است که این ابزار دارای برش مناسبی برای مدت زمان 20 دقیقه، می باشد، حتی در این حالت، سایش از پهلو نیز بزرگتر از 0.3 mm است.

کاربردهای ماشین کاری ZTA

استفاده از زیرکونیا در آلومینا به عنوان کمک زینتر و یا افزایش دهنده ی دانسیته، در عمل از اوایل توسعه ی سرامیک های آلومینایی، استفاده می شده است. با توسعه ی ریزساختارهای مناسب، مفهوم افزایش استحکام با استفاده از مومنتون دانه ها، مطرح شد. این مسئله منجر به توسعه ی کامپوزیت های آلومینا- TiC شده است که در واقع در آنها افزایش تافنس با پراکنده سازی زیرکونیا در داخل آلومینا، ایجاد می شود. در ZTA، ریزساختار حاوی فازهای مخلتفی از آلومینا و زیرکونیاست. افزایش تافنس ZTA با انبساط حجمی و تنش برشی مربوط به استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک، وابسته می باشد.
اعمال تنش خارجی بر روی ZTA موجب ایجاد استحاله ی فاز مونوکلینیک در فاز تتراگونال شبه پایدار، می شود. این مسئله در واقع موجب انبساط حجمی 4 % و کرنش برشی 6 % می شود. این مسئله موجب ایجاد تنش فشاری می شود که می تواند موجب جلوگیری از گسترش ترک، شود. مطالعه های انجام شده بر روی افزایش تافنس با استحاله در ZTA، نشاندهنده ی وجود اندازه ی بحرانی در ذرات زیرکونیا می باشد. این اندازه ی بحرانی در زمینه ی حفظ فاز تتراگونال شبه پایدار، مهم می باشد. علاوه بر این، این نشان داده شده است که با تغییر در انرژی آزاد مربوط به استحاله، این مسئله ممکن می شود که تافنس و حتی استحکام سرامیک، بهبود قابل توجه پیدا کند.
کنترل ریزساختار ایجاد شده و انبساط حجمی مربوط به استحاله ی فاز تتراگونال به مونوکلینیک در طی سرد کردن از دمای زینترینگ و استحاله ی القا شده با تنش در طی فرایند شکست، می تواند موجب تسهیل افزایش تافنس و استحکام مربوط به سرامیک، می شود.
مطالعه های انجام شده بوسیله ی Coyle و Cannon و همچنین Marshall و James نشاندهنده ی بازگشت پذیری مربوط به فرایند افزایش تافنس با استحاله (استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک) می باشد. در واقع بر طبق این بررسی هاف تمام فاز مونوکلینیک استحاله یافته، می تواند به صورت کامل و با اعمال تنش، به فاز تتراگونال، تبدیل شود. اعمال تنش های فشاری سطحی و افزایش تافنس حاصله در کامپوزیت های ZTA، می تواند در کاربردهایی مانند سایش ZTA وبرش فلزات با استفاده از ZTA، تشخیص داده شوند.
مطالعه ها بر روی کامپوزیت های ZTA نشاندهنده ی این است که آلومینای ریزساختار می تواند هم با زیرکونیای ناپایدار و هم با PSZ مخلوط شود. ZTA همچنین می تواند آلومینایی باشد که در آن ذرات PSZ پراکنده شده اند یا آلومینا می تواند با ساختار دوگانه ی زیرکونیایی، مورد استفاده قرار گیرد.
مطالعه بر روی آلومینایی که زیرکونیای ناپایدار در داخل آن پراکنده شده است، نشاندهنده ی افزایش تافنس با میکروترک می باشد. در این مواد، میکروترک های پایداری در داخل کامپوزیت وجود دارد که دارای درصد حجمی پایینی از زیرکونیای ناپایدار می باشند. رویه های مشابهی در مورد مقاومت به شوک حرارتی، مشاهده می شود. ZTA معمولاً دارای خواص گرمایی خوبی است که نتیجه ای از وجود میکروترک و ذرات زیرکونیا، می باشد. هر دوی این مواد، دارای نفوذ گرمایی پایینی هستند. ZTA دارای زیرکونیای ناپایدار برای کاربردهای برش فلز، استفاده نمی شوند.

ZTA با ذرات PSZ پراکنده شده در داخل

پراکنده شدن PSZ در یک زمینه ی آلومینایی، مشابه سرامیک های PSZ اولیه ای می باشد که در آنها ذرات تتراگونال در زمینه ی مکعبی، موجود می باشند. اکسیدهای آلیاژی که برای پایدارسازی جزئی، استفاده می شوند، عبارتند از اکسید ایتریم و اکسید سریوم. مطالعه های انجام شده بوسیله ی Lange نشان داده است که تافنس شکست در مقادیر 50 % حجمی PSZ، به 8 MPa. m افزایش می یابد. البته با تغییر در میزان این درصد، تافنس افت پیدا می کند. مدول الاستیک و سختی نیز با اضافه شدن ایتریا به اکسید زیرکونیم، افزایش پیدا می کند. برای ایجاد تافنس و استحکام بهینه ی ZTA، ذرات PSZ باید به صورت داخل شبکه ای و منظمی در داخل ساختار، وارد شده باشند.
استحکام شکست بالا نیز در مورد ذرات آلومینای 5 میکرونی و ذرت PSZ 0.6 تا 1.5 میکرونی، مشاهده شدهش است. در مقاله ای که در مورد سرامیک های مهندسی برای ماشین کاری سرعت بالا، چاپ شده است، Whitney و Vaidyanathan توسعه ی سرامیک های مختلف برای کاربردهای برش فلزی را مورد بررسی قرار دادند. مکانیزم های افزایش تافنس برای مواد سرامیکی پیشرفته و ویژگی های پراکنده سازی در ابزارهای سیلیکون نیتریدی، نیز در این مقاله، بررسی شده است.
آزمون های مکانیکی انجام شده با استفاده از آلومینای حاوی ذرات PSZ پراکنده شده، بوسیله ی Mondal و سایر افراد، انجام شده است. ویژگی های مربوط به ابزارهای برشی مورد استفاده، در جدول 2 آورده شده است. این ابزارها، برای ماشین کاری مواد C-20 و C-50 استفاده می شوند. آزمون های ماشین کاری نشاندهنده ی یک کاهش اندک در نیروی برشی مربوط به ابزارهای ZTA در مقایسه با ابزارهای آلومینایی، می باشد. ابزارهای ZTA دارای مقاومت بالاتری نسبت به سایش شیاری و شکافی هستند که علت این مسئله، تافنس شکست بالا و پایداری شیمیایی می باشد.
###
مطالعه های انجام شده بر روی کارایی مربوط به ابزارهای آلومینا- زیرکونیا در سرعت های بالا، بوسیله ی Narutaki انجام شده است و این نشان داده شده است که ابزارهای ZTA دارای مقاومت به سایش حفره ای بالاتری در مقایسه با ابزارهای آلومینایی خالص، هستند. به هر حال، ابزارهای ZTA دارای سایش بیشتری هستند.
کارایی بهبود یافته برای ابزارهای ZTA در برش متناوب مانند تراشکاری، ممکن است به دلیل تنش های فشاری سطحی باشد که بوسیله ی افزایش تافنس مواد سطحی، ایجاد می شود.
مطالعه های انجام شده بر روی خستگی دینامیکی و مقاومت به سایش ZTA نشاندهنده ی استحاله ی القا شده با تنش است که موجب کاهش نرخ پیشرفت ترک و در نتیجه افزایش کارایی خستگی استاتیکی، می شود. به هر حال، مقاومت به سایش مربوط به ZTA وقتی با آلومینای خالص مقایسه می شود، بیشتر است که علت این مسئله، تشکیل میکروترک های القا شده با استحاله های فازی تنشی بر روی سطح است.
زیرکونیای افزایش تافنس یافته با استحاله ی فازی دارای خواص استثنایی مانند مقاومت به شوک حرارتی بالا و سختی متوسط می باشد. این ویژگی ها موجب می شود تا کارایی ماشین کاری بوسیله ی این ابزارها، در مقایسه با ابزارهای آلومینایی خالص، بهبود یابد. با افزودن 20 % وزنی آلومینا به Y-PSZ، سرامیکی ایجاد می شود که به صورت تجاری، Super-Z نامیده می شود. این ابزارها دارای کارایی برشی بهتری نسبت به ابزارهای TTZ هستند. Super-Z دارای تافنس بهبود یافته و مقاومت به شوک حرارتی بهبود یافته، می باشد. کامپوزیت های Y-PSZ به همراه آلومینا، دارای استحکام شکست بالایی هستند و تافنس شکست در آنها برابر 17 MPa.m^(1/2) می باشد. Super-Z با استفاده از پرس گرم ایزواستاتیک و پودر میکرونیزه، تولید می شود. آزمون های مکانیکی نیز بوسیله ی Sornakumar و سایر افراد بر روی این مواد انجام شده است. این آزمایش ها در ماشین تراش VDF با سرعت بالا، انجام می شو. این ابزارها برای برش چدن با گرافیت کروی، استفاده می شوند. زبری سطحی ایجاد شده بر روی قطعه ی کاری، و عمر مفید ابزار مورد استفاده در ماشین کاری (در سرعت 200 m/min، نرخ تغذیه ی 0.63 mm/rev و عمق برش 0.75 mm) در جدول 3 اورده شده است. این مشاهده می شود که ابزارهای Y-PSZ دارای کارایی قابل مقایسه ای با ZTA هستند (از لحاظ کیفیت سطح و مقاومت در برابر سایش). استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

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