پوشش های آلومینیوم اکسید

مقدمه

تاریخچه ی ابزارهای برشی در طی ابداع موادی درخشان است که موجب بهبود قابل توجهی در بهره وری ادوات برش، شده اند. در دهه ی 1890، این توسعه های قابل توجه در زمینه ی فولاد تند بر بود. بعدها، مواد غیر آهنی ریخته گری شده و در طی دهه ی 1920، کاربیدهای سمنته وارد بازار شدند. از زمان توسعه ی کاربیدها، بسیاری از مواد مورد استفاده در تولید ابزار برش دیگر نیز توسعه یافتند. این مواد شامل کاربیدهای برشی فولاد، سرمت ها، ابزارهای برشی سرامیکی مختلف، بور نیترید مکعبی و سری های الماسه می باشد. البته هیچکدام از آنها موفقیت تجاری فوری و قابل توجهی، پیدا نکردند.
پوشش های تیتانیم کاربید (TiC) به صورت تجاری در سال 1969 معرفی شدند. از آن زمان به بعد، انواع مختلفی از پوشش ها توسعه یافتند اند که این موارد شامل تیتانیم نیترید (TiN)، هافنیم کاربید و نیترید، زیرکونیم نیترید، کربونیتریدها، پوشش های حاوی بور و انواع مختلف اکسیدها شامل اکسید آلومینیم می باشند. دو شکل از پوشش های آلومینایی، موجود می باشند. یکی شکل آلفا است که پایدارترین شکل از این ماده است. شکل دیگر، شکل کاپاست. شکل آلفا متداول ترین شکل از آلومینا می باشد و به احتمال زیاد، بهترین شکل برای ماشین کاری چدن می باشد. موفق ترین پوشش های برای کاربردهای ماشین کاری عمومی (معمولاً مواد آهنی)، TiC، TiN و آلومینا، می باشند. هر کدام از این پوشش ها در بخش های خاصی موفق بودند. به صورت ساده باید گفت که پوشش های TiN برای برش سرعت پایین ترجیح داده می شوند. به دلیل سختی این ماده در دماهای متوسط و پایین، این ماده در سرعت های متوسط بسیار مؤثر عمل می کند. در واقع از این پوشش در جاهایی استفاده می شود که مکانیزم برش غالب، سایش مکانیکی باشد. پوششی که بالاترین پتانسیل در زمینه ی بهبود بهره وری را ایجاد می کند، آلومیناست. مزیت آلومینا، این حقیقت است که این ماده از لحاظ شیمیایی خنثی است و سختی خود را در دماهای بالا حفظ می کند.
امروزه، پوشش های آلومینایی معمولاً در لایه های چند گانه و در جاهایی استفاده می شوند که تمام این سه لایه، به منظور ایجاد بهترین خاصیت، ترکیب شوند. بعدها، در مورد این مسئله، صحبت خواهد شد.
دو شکل از پوشش های آلومینایی، موجود می باشند. یکی شکل آلفا است که پایدارترین شکل از این ماده است. شکل دیگر، شکل کاپاست. شکل آلفا متداول ترین شکل از آلومینا می باشد و به احتمال زیاد، بهترین شکل برای ماشین کاری چدن می باشد. اخیراً آلومینای کاپا نیز به شکل لایه ای تولید شده است. مزیت های این ماده، ساختار ریزدانه و ایجاد لایه ای نرم و یکنواخت بر روی سطح است که عموماً نسبت به شکل آلفا، عیوب کمتری دارد.
فرایند رسوب دهی پوشش های آلومینایی با استفاده از CVD به خوبی تدوین شده است. تشکیل این اکسید می تواند به صورت واکنش زیر، توصیف شود:

مزیت های مربوط به ابزارهای پوشش داده شده

تقریباً تمام کاربیدهای مورد استفاده در ماشین کاری مواد آهنی، پوشش دار هستند. دلیل این مسئله، متعدد می باشد اما مهم ترین دلیل استفاده از این پوشش ها، افزایش بهره وری و انعطاف پذیری می باشد. با توجه به بهره وری، وجود یک پوشش موجب افزایش قابل توجه در سرعت برش و افزایش عمر مفید قطعه، می شود. در حقیقت، در حالی که یک سری پوشش داده شده، می تواند جایگزین یک سری بدون پوشش (و تحت شرایط مشابه) شود و موجب بهبود قابل توجه در عمر مفید قطعه شود، افزایش در سرعت برش، مؤثر ترین علت استفاده از این پوشش ها، می باشد. بهبود در قابلیت تولید با استفاده از آلومینا، در شکل 1a و 1b نشان داده شده است. شکل 1a نشاندهنده ی عمر مفید ابزار به عنوان تابعی از سرعت برای سری های پوشش دار و بدون پوشش است. این سری ها برای ماشین کاری یک ماده ی فولادی، استفاده شده اند. افزایش در سرعت برش با استفاده از پوشش های آلومینایی، می تواند به طور قابل توجهی موجب بهبود تولید و بهره وری مربوط به فرایند ماشین کاری، شود. مزیت تولید مربوط به آلومینا، حتی در زمانی بیشتر نمود می یابد که می خواهیم چدن را ماشین کاری کنیم (شکل 1b). این مسئله در حالی است که هنوز، علت این مورد، به خوبی فهمیده نشده است. انعطاف پذیری نیز یک مسئله ی بسیار مهم می باشد. افزایش آگاهی و تجربه در مورد این مواد و در طی چند سال اخیر، منجر به توسعه ی یک گستره ی وسیع از محصولات پوشش دار شده است. این محصولات از ابزارهای بسیار سخت برای عملیات های پرداخت سریع گرفته تا ابزارهای با تافنس بالا، موجب افزایش عمر مفید و سرعت برش ابزار می شوند. اما به دلیل سختی، مقاومت به سایش و پایداری شیمیایی می تواند با اعمال پوشش، افزایش یابد. همچنین مقاومت به تغییر شکل و تافنس نیز می تواند به طور قابل توجهی با اعمال پوشش، افزایش یابد. برای مثال، با کاربید بدون پوشش، یک استفاده کننده مجبور است تا کاهش قابل توجهی در مقاومت شکست بدهد تا بدین صورت سایش بالا و مقاومت به تغییر شکل مناسب، بدست آورد. با پیشرفت در پوشش ها، شما می توانید لایه های سطحی با مقاومت سایشی استثنایی را در یک زیرلایه ی با تافنس بالا ایجاد کنید و بدین صورتف مقاومت به سایش و تافنس، را به طور همزمان، بهبود دهید.
مزیت های عملی مربوط به این مواد، به صورت شماتیکی، در شکل 2 قابل مشاهده می باشد. در این مورد، مقاومت به سایش نسبت به مقاومت به شکست، ترسیم شده است. عموماً یک تافنس مینیمم مشخص برای ابزاری مورد نیاز است که می خواهیم از آن برای برش، استفاده کنیم. در شکل 2، نشان داده شده است که مینیمم تافنس تعریف شدهش که آن را A می نامیم، قابل مشاهده می باشد. اگر مجبور به استفاده از پوشش های بدون پوشش باشیم، باید B واحد را برای مقاومت به سایش، در نظر بگیریم تا بدین صورت، یک طول عمر مناسب، برای ابزارمان، بدست آوریم. به هر حال، اگر بتوان از سری های پوشش دار استفاده کنیم، می توان C واحد را برای مقاومت به سایش و عمر مفید استفاده کنیم (در یک تافنس مشخص). اگر چیزی که اتفاق می افتد، حالت مینیمم داشته باشد، هیچ شیبی در سیستم وجود ندارد و از این رو، هر نوسانی، موجب می شود تا نقاط سخت در ماده ی کاری، منجر به آسیب رسیدن به ابزار شود. اگر از ابزارهای پوشش دار، استفاده شود، D واحد از تافنس می تواند در B واحد از مقاومت به سایش، مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، استفاده کننده ابزاری دارد که مناسب تر است. نتیجه ی این مسئله، این است که در گرید پوشش دار ممکن است یک کاربرد وسیع تری را نسبت به ابزار بدون پوشش داشته باشد. این بدین معناست که اشتباهات کاربردی کمتری مشاهده می شود.

مکانیزم های سایش

با ابزارهای ماشین کاری امروزی، دماهای بالا و بارهای براده برداری سنگینی، ایجاد می شود و ابزار موفق، ابزاری است که می تواند در برابر این ناملایمات، تحمل داشته باشد. ابزارها به طور نمونه وار به دلیل ترکیبی از عوامل سایش، برهمکنش شیمیایی با ماده ی کاری و یا براده برداری از سطح ابزار ساینده، تخریب می شوند. بسیاری از مکانیزم های تخریب متداول بوسیله ی پوشش آلومینا، تحت تأثیر قرار می گیرند. سایش حفره ای، سایش از پهلو، لبه های خورده شده و در برخی موارد، ایجاد شکاف، می تواند در زمانی کاهش یابد که ابزار با پوشش آلومینایی، پوشش کاری شده است. مقاومت به تغییر شکل و تافنس در اصل تابعی از زیرلایه می باشند و بوسیله ی وجود و یا عدم وجود پوشش، تحت تأثیر قرار نمی گیرند.

سایش حفره ای

مهم ترین مزیتی که پوشش های آلومینایی ایجاد می کنند، مقاومت در برابر نفوذ و یا سایش حفره ای است. حفره دار شدن یک مسئله ی جدی در ماشین کاری مواد آهنی است و این مسئله زمانی نمود بیشتری دارد که دما (سرعت) افزایش یابد. این فرایند می تواند با چشم مشاهده شود. در حقیقت این حفره ها به صورت خرده شدن مواد ابزار در زمان کار بر روی قطعه، مشهود می باشند. به دلیل اینکه این واکنش به پایداری ماده ی مورد استفاده در ساخت ابزار، وابسته می باشد، مهم ترین پارامتر پوشش کاری، انرژی آزاد تشکیل در حضور ماده ی کاری می باشد. با تخمین درجه اول بر روی مواد ابزاری، این نشان داده شده است که موادی که دارای پایین ترین انرژی آزاد تشکیل در حضور ماده ی کاری هستند، دارای اثربخشی بالاتری می باشند. بنابراین، یک ارزیابی بر روی مقاومت به حفره دار شدن پوشش ها، می تواند با بررسی ترمودینامیکی ماده ی کاری و ابزار و بررسی نرخ نفوذ عناصر پوشش در ماده ی کاری، تعیین شود. بدبختانه، این محاسبات، بسیار پیچیده است و تاکنون انجام نشده است. اما در حالی که محاسبه ی دقیق انجام نشده است، تجربه نشان می دهد که انرژی آزاد استاندارد تشکیل می تواند برای تخمین کارایی نسبی پوشش های مختلف، استفاده شود. این مقادیر در شکل 3 نشان داده شده است. نتایج تجربی این مسئله در شکل های 1a و 1b قابل مشاهده می باشد. در این اشکال مشخص شده است که در سرعت های بالایی که فاکتورهای شیمیایی مهم تر از فاکتورهای مکانیکی هستند، پوشش هایی که عمر مفید بالاتری ایجاد می کنند، پوشش های اکسیدی هستند. همانگونه که در شکل 4 مشاهده می شود، مقاومت به حفره دار شدن نسبت به ضخامت پوشش ترسیم شده است. در این حالت پوشش های متداول، مقاومت به حفره دار شدن خوبی از خود نشان می دهند اما انرژی آزاد تشکیل پایین تر، موجب افزایش مقاومت به انحلال می شود. سختی در واقع فاکتور مهم دیگر، می باشد. اگر چه پوشش ها ممکن است از لحاظ شیمیایی بی عیب بمانند، عمل براده برداری و تماس با براده در محل مشترک، می تواند موجب سایش از طریق اصطکاک، شود. سختی مربوط به آلومینا در دمای اتاق، کمتر از سایر پوشش هاست اما این پوشش سختی خود را به صورت مؤثر با افزایش دما نیز حفظ می کند. این مسئله در جدول 1 نشان داده شده است. در زیر دمای 500 درجه ی سانتیگراد، پوشش TiC سخت تر است و این انتظار وجود دارد که عملکرد سایشی بهتری دارد. در بالای این دما و در بسیاری از عملیات های ماشین کاری فولاد که سرعت از 200 m/min بیشتر نمی شود و دما از 1000 درجه بیشتر نمی شود، پوشش آلومینایی سخت تر است و بهترین مقاومت به سایش را فراهم می آورد. یک متغیر سوم که مهم می باشد، ضخامت است. همانگونه که انتظار می رود، افزایش ضخامت پوشش موجب افزایش عمر می شود. این مسئله هم از لحاظ فیزیکی و هم از لحاظ شیمیایی قابل توجیه می باشد. این مسئله در شکل 5 نشان داده شده است. در این شکل یک سری از نمودارها وجود دارد که نشاندهنده ی سایش حفره ای نسبت به زمان در برش با ابزارهای پوشش داده شده با آلومینا و در ضخامت های پوشش مختلف می باشد. ضخامت پوشش بر روی هر سری در شکل نشان داده شده است. سه نتیجه ی مهم می تواند از اشکال 4 و 5 بدست آید: • اول اینکه، نرخ سایش حفره ای به طور قابل توجهی بعد از ایجاد نفوذ در پوشش، افزایش می یابد. نرخ سایش نسبتاً پایینی در زمانی کم عمق بودن حفرات مشاهده می شود.
• دوم، اینکه حتی پس از اینکه پوشش از بین می رود و نرخ سایش به دلیل برهمکنش میان براده ها و زیرلایه، افزایش می یابد، نرخی که در ان عمق حفره افزایش می یابد، به طور قابل توجهی به تحت تأثیر وجود پوشش در لبه ی حفره است. شیب نمودارهای مربوط به شکل 5 با افزایش ضخامت پوشش، کاهش می یابد. وقتی پوشش ضخامتی برابر 8.5 میکرون دارد، نرخ سایش یک دهم چیزی است که در سری های بدون پوشش، مشاهده می شود.
• مقاومت در برابر حفره ای شدن به صورت مستقیم با ضخامت پوشش در ارتباط می باشد (شکل 4). این رابطه ی خطی صرفنظر از این مسئله که چه رشد حفره ای تعریف شود، اتفاق می افتد.
رفتار سایش حفره ای مربوط به یک سری پوشش دار دارای دو مرحله می باشد. در طی مرحله ی اول، که در واقع با نفوذ براده در پوشش به اتمام می رسد، پایداری شیمیایی بسیار بالای پوشش در اصل منجر به جلوگیری از رشد حفره می شود. زمان این مرحله از سایش به صورت مستقیم به ضخامت پوشش وابسته می باشد و تقریباً برای پوشش آلومینایی، دو برابر پوشش TiC و TiN است (شکل 6). بنابراین، در سرعت های بالا، پوشش اکسیدی بالاترین عمر مفید را دارا می باشد. وقتی حفره در پوشش ایجاد می شود، نرخ سایش حفره ای به سرعت افزایش می یابد که علت این مسئله، افزایش در تماس میان براده و زیرلایه ی ابزار، می باشد (زیرلایه به صورت ذاتی، نرخ سایش بالاتری دارد). در طی مرحله ی دوم، پوشش در لبه های حفره متحمل رشد می شود و یک افزایش مؤثر با ضخامت پوشش را تجربه می کند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney