ماشین کاری فولاد

در حالی که ابزارهای برش بر پایه ی سیلیکون نیترید، مقاومت به سایش قابل توجهی در ماشین کاری چدن، دارند، استفاده از این مواد برای ماشین کاری فولاد و برای بیشتر قطعات، موفقیت آمیز نیست. در واقع کوپل های نفوذی نشان داده شده در شکل 2 بخش دوم این مقاله نشاندهنده ی فعالیت شیمیایی نیترید سیلیکون در زمان در تماس قرار گیری این ماده با فولاد می باشد. تشکیل حفره بر روی ابزار شاخص ترین نوع سایش می باشد (شکل 1). علاوه بر در نظر گرفتن راه حل های تخمین زده شده در فولاد آلفا، این نشان داده شده است که مقاومت به سایش شیمیایی مربوط به ابزارهای برش بر پایه ی سیلیکون نیترید، می تواند با اصلاح ترکیب شیمیایی آنها، بهبود یابد. این مسئله نشاندهنده ی سهم قابل توجه سایش شیمیایی در زمان استفاده از این ابزارها در ماشین کاری فولاد می باشد. سایش ابزار در ماشین کاری چدن، تنها بر روی دماغه و کناره های ابزار مشهود می باشد. در مورد ماشین کاری فولاد 4340 با عناصر آلیاژی بالا، تشکیل حفرات بزرگ در یک دوره ی زمانی سایش کوتاه مدت، مشهود می باشد. این مسئله موجب تضعیف لبه های برش و بروز شکست های ناگهانی در ابزار می شود. این مسئله مشاهده شده است که سهم قابل توجه اجزای سایش شیمیایی در ماشین کاری فولاد به صورت کامل مقاومت به سایش استثنایی این ابزارها را از بین می برد. در حالی که خواص مکانیکی سرامیک های سیلیکون نیتریدی می تواند از طریق طراحی کامپوزیت افزایش یابد، افزایش در مقاومت به سایش مکانیکی، منجر به اطمینان حاصل شدن از کارایی در این کاربردها، نخواهد شد. علاوه بر در نظر گرفتن راه حل های تخمین زده شده در فولاد آلفا، این نشان داده شده است که مقاومت به سایش شیمیایی مربوط به ابزارهای برش بر پایه ی سیلیکون نیترید، می تواند با اصلاح ترکیب شیمیایی آنها، بهبود یابد. برای ماشین کاری فولاد، بهبودها در مقاومت به سایش شیمیایی مربوط به ابزارهای کامپوزیتی سیلیکون نیترید- ایتریا- TiC از طریق اصلاح زمینه بوسیله ی افزودن آلومینا، ایجاد می شود. آلومینا، ماده ای است که فعالیت کمتری نسبت به فولاد دارد (شکل 2a). با این اصلاح ترکیب، عمر مفید ابزار حاوی آلومینا، به طور قابل توجهی بهبود می یابد و می توان از آنها در ماشین کار فولاد، استفاده کرد. کارایی ماشین کاری ممکن است همچنین بوسیله ی طراحی کامپوزیت و از طریق استفاده از اجزای دیرگدار سخت تر و افزایش پایداری ترمودینامیکی، افزایش یابد. شکل 2b نشاندهنده ی کارایی ماشین کاری فولاد دو کامپوزیت می باشد (هر دو دارای یک زمینه ی سیلیکون نیتریدی به همراه 1.5 w/o آلومینا و 6 w/o ایتریا). این کامپوزیت ها، حاوی 30 v/o کاربید فلز انتقالی می باشند که در حقیقت در داخل زمینه ی گفته شده، پراکنده شده اند. ابزارهای حاوی HfC دارای عمر مفید قابل توجهی در مقایسه با کامپوزیت های حاوی TiC می باشند. علت این مسئله، این حقیقت است که حلالیت HfC در آهن کم تر از میزان حلالیت TiC می باشد. این به نظر می رسد که توسعه ی ابزارهای برش سیلیکون نیتریدی از طریق روش های ترکیبی، یک گزینه ی جذاب و مطمئن می باشد.
بهبودهای بیشتر در مقاومت به سایش شیمیایی برای ابزارهای بر پایه ی سیلیکون نیترید، همچنین از طریق استفاده از پوشش نیز، ایجاد می شود. اعمال یک پوشش که حلالیت آن در آلیاژهای آهنی، پایین است، در حقیقت می تواند موجب افزایش طول عمر ابزار سیلیکون نیتریدی شود.
شکل 3 نشاندهنده ی کارایی نسبی مربوط به ابزارهای برشی در ماشین کاری فولاد 4340 است. مزیت های مربوط به استفاده از پوشش های TiC و یا Ti(C,N) بر روی کامپوزیت های سیلیکون نیترید – TiC به طور کامل، مشهود می باشد. ویژگی مربوط به تغییر شکل پلاستیک در دماغه ی ابزار که در حقیقت مهم ترین دلیل استفاده از کاربیدهای سمنته ی پوشش داده شده در سرعت های بالاست، در مورد ابزارهای برشی سرامیکی، مشاهده نمی شود. نرخ سایش مربوط به کامپوزیت های سیلیکون نیترید پوشش داده شده با TiC و Ti(C,N) به طور قابل توجهی کمتر از کاربیدهای سمنته ی پوشش داده شده با TiC یا کامپوزیت های TiC با ذرات آلومینا، می باشد.

ماشین کاری سوپرآلیاژها

سوپرآلیاژها یک گروه از فلزات هستند که برای استفاده در دماهای بالا، توسعه یافته اند. برای مثال، اجزای موتور توربین باید استحکام خود در دماهای بالا (650 درجه ی سانتیگراد) را حفظ کنند و همچنین در برابر خوردگی داغ و سایش ایروژنی، مقاوم باشند. استحکام دما بالا و پایداری سوپرآلیاژها که در حقیقت این معیارها را دارند، به طور قابل توجهی به قابلیت ماشین کاری آنها محدود می شود. این مواد در اغلب موارد بوسیله ی کاربیدهای سمنته ی بدون پوشش و در سرعت های برش، پایین، ماشین کاری، می شوند. حتی در این سرعت ها نیز، عمر ابزار کوتاه است و بهره وری بدین علت، پایین است. به منظور افزایش بهره وری، نرخ براده برداری بالا مطلوب می باشد. بنابراین، در سال 1970 برای اولین بار، ابزارهای کامپوزیتی بر پایه ی آلومینا- تیتانیم کاربید، تولید شدند که در آن زمان، بهترین ابزارهای برشی برای این کاربرد، محسوب می شدند. اگر چه بهبود قابل توجهی به دلیل استفاده از این ابزارها، ایجاد شد، عمر ابزار ساینده هنوز هم محدود بود که علت آن، ایجاد شکاف های عمیق (DOC) بر روی ابزار بود. ابزار باید در برابر این گونه از شکاف برداشتن ها مقام باشد تا بدین صورت از شکست های ناگهانی در طی ماشین کاری، جلوگیری به عمل آید.
تراشکاری اینکونل 718 با ابزارهای بر پایه ی آلومینا در گستره ی سرعت 0.5 تا 2.0 m/sec، موجب ایجاد دمایی در گستره ی 800 تا 1200 درجه ی سانتیگراد، می شود. دماهای بالا و تنش های مربوط به ماشین کاری سوپرآلیاژ موجب افزایش در پیوند میان سطح مشترک ابزار/ نمونه ی کاری می شود. این مسئله موجب افزایش در اصطکاک و گیر کردن وسیله بر روی سطح می شود. انتقال و اتصال دهی ماده ی کاری بر روی سطح شیاردار شده ی ابزار برش اغلب موجب ایجاد لبه (BUE) در ساختار می شود. تشکیل BUE نتیجه ای از تغییر شکل پلاستیک و ایجاد جریان در لایه ی سطحی براده هایی می شود که در تماس با ابزار است. این مسئله به طور قابل توجهی بوسیله ی شرایط برش (سرعت، نرخ تغذیه و هندسه ی ابزار) ، خواص گرمایی/ شیمیایی مربوط به ابزار و اتصال ماده ی ابزار با ماده ی قطعه، تحت تأثیر قرار می گیرد. وقتی اتصال ایجاد می شود، BUE ممکن است موجب افزایش برهمکنش های شیمیایی میان ابزار و نمونه ی کاری می شود. مدل فرض شده برای ابزار برش، در واقع یک محلول جامد با جریانی از براده های قطعه ی کاری، را در نظر می گیرد. بر این اساس، آلومینا ماده ی مناسبی برای ابزار برش است زیرا پایداری شیمیایی بالایی در تماس با نیکل و آهن دارد. به هر حال، کارایی محدود مربوط به یک چنین موادی در ماشین کاری سوپرآلیاژها، منجر به کاهش تافنس شکست می شود و تعادل در طراحی ابزار برش را به هم می زند.
عمق برش یکی از ویژگی های مهم در سایش ابزار سرامیکی است و اغلب موجب محدود شدن عمر ابزار می شود. در یک مطالعه که با استفاده از ابزارهای سیالونی در ماشین کاری اینکونل 901، انجام شده است، این مشخص شده است که مدل سایش در حقیقت نتیجه ای از برهمکنش میان ابزار و براده می باشد. اگر ایجاد شکاف DOC، یک فرایند سایش شیمیایی باشد، بنابراین، انتظار این است که وابستگی با دما داشته باشد و این وابستگی، با افزایش دما، افزایش یابد. به طور مشابه، این انتظار وجود دارد که مواد سرامیکی با پایداری شیمیایی بالاتر مانند آلومینا، دارای مقاومت به سایش شکافی بالاتری نسبت به سیلیکون نیترید و یا سیالون ها، دارد. به هر حال، شواهد تجربی تا حدی متناقض است. علاوه بر این مسئله که ایجاد شکاف در سیلیکون نیترید موجب کاهش سرعت برش می شود، این مشاهده شده است که ابزارهای برش آلومینایی دارای مقاومت پایین تری نسبت به شکاف برداشتن، هستند. این مسئله در واقع پیشنهاد می دهد که حالت سایش را در عمق برش، چیزی به غیر از فاکتور شیمیایی است.
خط تماس در عمق برش در حقیقت یک محل گرادیان گرمایی و تنشی است که شدت این گرادیان، به خواص نمونه ی کاری، شرایط برش و هندسه ی ابزار، وابسته می باشد. ویژگی های ماشین کاری مربوط به اینکونل 718 منجر به ایجاد شرایط ناپایداری برشی در طی تغییر شکل می شود و منجر به مرفولوژی های بی نظم در براده ها، می شود. در واقع این براده ها، لبه هایی شبه دندانی دارند. تافنس مربوط به براده ها، با افزایش سرعت، کاهش می یابد. این مسئله به دلیل افزایش پیوسته در جدایش نواحی برشی، اتفاق می افتد. ظاهراً شدت نرخ برشی نقش مهمی در تعیین جدایش براده ها، دارد.
مکانیزم مربوط به ایجاد شکاف DOC در ابزارهای برش سرامیکی، مربوط به فرایند جدایش بسیار بی نظم براده ها در ناحیه ی برشی است که در حقیقت، موجب بروز گیرکردن ها، کشش و شکسته شدن ابزار برشی، می شود.
از آنجایی که شواهدی در مورد اثرات شیمیایی قوی در ناحیه ی شکاف DOC وجود ندارد، این انتظار می رود که فرایند جدایش براده ها و اقدامات ترکیبی بر روی سطح قطعه ی کاری (کار سختی) موجب ایجاد شرایط سایشی در ناحیه ی شکاف می شود. به صورت مشابه، مقاومت سایشی شکاف DOC در اصل ویژگی سایش اولیه دارد و بنابراین، مربوط به پارامتر خواص مکانیکی کیوانسی و سختی می شود.
به دلیل گرادیان گرمایی شدید در خط DOC، مقاومت شوک حرارتی یک نقش مهم در تشکیل شکاف DOC دارد. یک مطالعه که در آن از ابزارهای برش بر پایه ی آلومینا- سیلیکون نیترید، استفاده شده است، نشاندهنده ی این است که میزان شکاف برداشتن ابزار به مقاومت به شوک حرارتی ابزار وابسته می باشد. مقاومت به شوک حرارتی یک ابزار برش به رسانایی گرمایی ماده، نفوذ، ضریب انبساط گرمایی، استحکام و مدول الاستیک، وابسته می باشد.
جدول 1 نشاندهنده ی خواص فیزیکی و شوک حرارتی محاسبه شده برای برخی از ابزارهای برشی سرامیکی، می باشد. از آنجایی که دماهای مربوط به ابزار برشی سرامیکی در زمان تراشکاری اینکونل 718، در حدود 1000 درجه ی سانتیگراد، می باشد، پارامتر شوک (R) با داده های موجود در دماهای بالا، محاسبه می شود. مقدار مطلق این شوک ممکن است به پیکربندی، قیود فیزیکی و یا تنش های موجود، وابسته باشد. به هر حال، تحت موارد کاربرد مشابه، این مسئله یک روش مورد قبول برای طبقه بندی مواد بر اساس مقاومت به شوک حرارتی می باشد. پارامتر R برای ارزیابی مقاومت یک ماده در برابر شروع شکست مورد استفاده قرار می گیرد و در حقیقت یک معیار برای تغییر ماکزیمم در دما در شرایط جریان حرارت پایدار، می باشد. همانگونه که در جدول 1 مشاهده می شود، ابزارهای آلومینای مونولیتیکی دارای پایین ترین تفاوت دمایی (〖∆T〗_c) می باشد. در این حالت، افزودن ویسکرهای SiC موجب افزایش گستره دمای بحرانی می شود. مقاومت به شوک حرارتی ابزارهای برشی آلومینا- ویسکر SiC در حقیقت به دلیل رسانایی گرمایی بالاتر، کاهش ضریب انبساط حرارتی، افزایش تافنس شکست و استحکام در مقایه با ابزارهای آلومینایی، بهبود می یابد.
مواد سیلیکون نیتریدی حاوی مقادیر R بالاتر هستند و مقدار این پارامتر از مواد ابزاری آلومینایی بیشتر است. این مسئله انعکاس دهنده ی مقاومت به سایش در زمانی است که شکاف دار شدن DOC رخ می دهد. این مسئله بوسیله ی مقایسه در زمان ایجاد شکاف در ابزارهای سیلیکون نیتریدی- SiC و ابزارهای آلومینا- ویسکر SiC نشان داده شده است (شکل 4). مقاومت به سایش شکافی هر دو ماده از سایش خالص انحراف می یابد و این مسئله نشاندهنده ی این است که آسیب ناشی از شوک حرارتی مربوط به ایجاد شکاف DOC است.
کامپوزیت های بر پایه ی سیلیکون نیترید دارای مقاومت به شکاف خوردن DOC بیشتری هستند (در مقایسه با کامپوزیت های آلومینایی حاوی ویسکر). این مسئله نشاندهنده ی مزیت های قابل توجه ضریب انبساط گرمایی پایین تر و استحکام بالاتر در کنترل این حالت از سایش می باشد. کامپوزیت های سیلیکون نیترید جدیدتر عمر مفید بیشتری در ماشین کاری سوپرآلیاژها، دارند. توسعه ی کامپوزیت ها برای این کاربرد، تنها شروع شده است و توسعه های بالقوه می تواند منجر به بهبود عمر مفید این ابزار در کاربردهای مختلف شود. یک دید بهینه ی مربوط به خروجی این توسعه، به طور قابل توجهی بوسیله ی تشخیص این مسئله، حمایت می شود که فاکتور اصلی محدود کننده ی سیلیکون نیترید، برهمکنش شیمیایی میان ابزار و قطعه ی کاری است. تحت این شرایط، این به نظر محتمل می رسد که از روش مورد استفاده برای ابزارهایی استفاده شود که برای برش فولاد استفاده می شوند. در حقیقت این مسئله موجب افزایش مقاومت و بهره وری ابزار برش می شود.

خلاصه

در سال های اخیر، ابزارهای سیلیکون نیتریدی به دلیل تافنس شکست بهبود یافته و قابلیت اطمینان، دارای مقبولیت قابل توجهی در زمینه ی صنایع تراشکاری، پیدا کرده است. به هر حال، این باید تشخیص داده شود که کاربردهای ابزار برش بسیار خاص و ویژه می باشد. به منظور طراحی یک ماده ی مورد استفاده در ابزار برش در یک چنین کاربردهایی، آگاهی از فاکتورهای چندگانه ی مؤثر بر فرایند سایش، یک پیشنیاز می باشد. در حالی که مواد توسعه یافته برای سایر کاربردها، ممکن است پایه ی محتملی برای موارد دیگر باشند، استفاده از آنها برای ماشین کاری، نیازمند یک آگاهی مناسب از مکانیزم های سایشی است که تحت شرایط استفاده ی خاص، ایجاد می شود. این دانش موجب تدوین اصولی برای بهبود کارایی برش در فلزات، می شود.
دو مکانیزم سایشی مهم که در حقیقت بر روی کارایی ابزار برشی اثرگذار می باشند، سایش مالشی و شیمیایی می باشد. تحقیقات قابل توجهی بر روی بهبود کارایی ابزارهای سیلیکون نیتریدی از طریق روش های مکانیکی و شیمیایی، انجام شده است.
بهبودهای انجام شده در خواص مکانیکی می توانند از طریق بهینه سازی ریزساختار و کنترل توزیع اندازه ی دانه در مواد مونولیتیکی و کامپوزیتی، ایجاد شود. در حقیقت این بهبود با افزایش مقاومت به سایش شیمیایی، انجام می شود. علاوه بر این، می توان از فازهای پراکنده شونده، در داخل فاز اصلی، استفاده کرد. بهبودهای دیگر در زمینه ی مقاومت به سایش مالشی و شیمیایی، از طریق استفاده از لایه های نازک تشکیل شده از مواد مقاوم در برابر سایش شیمیایی و مالشی بر روی زیرلایه های سیلیکون نیتریدی، انجام می شود.
در حالی که توسعه ی این مواد در مرحله ی شروع است، ابزارهای برش بر پایه ی سیلیکون نیترید می توانند چالش های حال و آینده در زمینه ی ماشین کاری با توان بالا را برطرف کنند. علاوه بر این، به دلیل پایداری دما بالا، مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی و همچنین قابلیت دستکاری ریزساختار و خواص، این ابزارهای برشی سیلیکون نیتریدی، ممکن است به موازات توسعه ی کاربیدهای سمنته، توسعه یایند.
در حالی که مثال ها و بحث های انجام شده بیشتر اشاره به تراشکاری داشت، اما ابزارهای برش بر پایه ی سیلیکون نیترید می توانند در سایر کاربردهای ماشین کاری مانند فرزکاری نیز مورد استفاده قرار گیرند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney