نویسندگان: آر کریشنامورتی
سی وی گوکولارات نام
مترجم: حبیب الله علیخانی

همانگونه که قبلا گفته شد، تحقیقات دقیق و مطالعه های توسعه ای بر روی سیستم های Y-TZP و Ce-TZP با هدف بهبود این مواد و استفاده در ماشین کاری فولاد و چدن، انجام شده است. تحقیقات در واقع برروی تولید سری ها، سایش سری های تولیدی و استفاده از این سری ها به عنوان ابزار برش، معطوف شده است.
طراحی و استفاده از سرامیک های افزایش تافنس یافته با استحاله، مانند Y-TZP بر اساس استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک القا شده با تنش Y-TZP یا Ce-TZP می باشد. شکل 1 نشاندهنده ی کاربردهای بالقوه ی سرامیک های مهندسی می باشد. همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، سیستم کوالانسی SiC و سیلیکون نیترید دارای کاربردهای دما بالاتر هستتند، در حالی که سیستم های تافنس یافته با استحاله (مانند TZP و ZTA و ...)، در کاربردهای با تنش بالاتر، استفاده می شوند.

اعمال تنش بالا به اتصال های یونی، موجب می شود تا سرامیک های اکسیدی ترد بتوانند تنش مورد نیاز برای انجام استحاله ی زیرکونیا را فراهم آورند. دلایل دیگری که موجب شده است تا از سرامیک های افزایش تافنس یافته با زیرکونیا، در کاربردهای دما پایین استفاده شود، عبارتند از:
نرخ خزش زیرکونیای پایدار شده به صورت جزئی (PSZ) و TZP نسبت به سیلیکون کاربید و سیلیکون نیترید، بالاتر است.
افزایش تافنس با استحاله، از تنش هایی ایجاد می شود که بوسیله ی استحاله ی فازی القا می شوند. این مسئله موجب کاهش در دمای تعادلی (

) می شود.

که در اینجا، Ms دمای شروع مارتنزیت

As دمای استحاله ی معکوس می باشد.
شکل 2 نشاندهنده ی بیان شماتیک از نمودار دمای انبساط مربوط به سرامیک های افزایش تافنس یافته با زیرکونیا، می باشد. همانگونه که در شکل 2 مشاهده می شود، در طی حرارت دهی، یک استحاله ی مونوکلینیک به تتراگونال مشاهده می شود که این استحاله با افزایش در حجم، همراه است. در طی سرد کردن (استحاله ی معکوس تتراگونال به مونوکلینیک)، زمینه مخالف انجام استحاله ی معکوس است و این مسئله منجر به بروز ترک و شاخه دار شدن ترک های موجود می شود. وقتی ترک اشاعه می یابد، یک رهایش قید مشاهده می شود. این مسئله موجب تسهیل افزایش تافنس می شود. در زیر دمای استحاله ی روبه جلو (RT)، تنش القا شده در سری ترک، موجب بوجود آمدن استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک می شود و این مسئله موجب افزایش حجمی و افزایش تافنس زمینه، می شود. این مکانیزم افزایش تافنس، مربوط به پایدارسازی کینتیکی مربوط به فازها در TZP است. نوع پایدار سازی، کینتیک و دینامیک مربوطه، بعدها، مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

سیستم Y-TZP

جزئیات تولید

پودر ریز ایتریا با زیرکونیا مخلوط می شود (این پودرها به شیوه های شیمیایی و یا هم رسوبی، تولید می شوند) و در آسیاب سیاره ای و یا سایر انواع آسیاب های مناسب، مخلوط سازی و آسیاب می شوند. ترکیب زیرکونیا و ایتریا با 4 % وزنی پلی وینیل استات و یا پلی وینیل الکل مخلوط می شوند (به عنوان بایندر) و در هوا خشک می شوند. توزیع اندازه ی ذرات ایتریا – زیرکونیا، بوسیله ی آنالیزور لیزری اندازه ی ذره، بررسی می شود. برای مثال، اندازه ی متوسط مربوط به اندازه ذرات در زمان های آسیاب کاری مختلف برای یک مخلوط 2 % وزنی ایتریا- زیرکونیا، در زیر آورده شده است:

بنابراین، اندازه ی ذره ی پودر مورد نیاز برای زینترینگ، می تواند بوسیله ی تنظیم شرایط آسیاب کاری، تنظیم شود.

استفاده از Y-TZP به عنوان ابزار برش

آزمایش های ماشین کاری با استفاده از Y-TZP انجام شده است. مطالعه شامل زینترینگ، سایش و ماشین کاری، می باشد.

زینترینگ سری های Y-TZP

پودر ریز Y-TZP حاوی مقادیر متغیر مولی از ایتریا، در یک آسیاب سیاره ای و در محیط استون مخلوط سازی و آسیاب کاری می شود تا بدین صورت اندازه ی ذره ای در حدود 0.83 میکرون، ایجاد شود. پودر با استفاده از 4 % وزنی بایندر پلی وینیل استات و یا پلی وینیل الکل و با فشار 200 مگاپاسکال، فشرده سازی می شود. توده ی متراکم سپس در هوا و در دماهای بالا و در داخل یک کوره ی عملیات حرارتی سیلیکون کاربیدی، زینترینگ می شود. نمونه ها سپس مورد بررسی قرار می گیرند. نمودار ستونی مربوط به زینترینگ، در شکل 3 نشان داده شده است.

مشاهدات مربوط به زینترینگ

مطالعات انجام شده بر روی کامپوزیت زینتر شده، نشان داده است که حفظ فاز تتراگونال دما بالا در دمای اتاق، به دانسیته ی حاصله در حین تولید، وابسته می باشد. این مسئله در شکل 4 نشان داده شده است. این مشاهده شده است که وقتی دانسیته افزایش می یابد، میزان فاز تتراگونال نیز افزایش می یابد. وقتی متراکم شوندگی ایجاد می شود، قید ایجادی بوسیله ی دانه های همسایه، افزایش می یابد و این مسئله منجر به حفظ بهتر فاز تتراگونال می شود. اندازه ی دانه ی بحرانی همچنین بر روی فرایند استحاله، مؤثر می باشد. شکل 5 نشاندهنده ی اثر نمونه وار مربوط به میزان ایتریا بر روی اندازه ی دانه ی بحرانی می باشد. این مشاهده می شود که تقریباً در 2.5 % مولی ایتریا، یک افزایش شدید در اندازه ی دانه، رخ می دهد.

پارامتر دیگر که بر روی اندازه ی دانه، اثرگذار است، دمای زینترینگ می باشد. شکل 6 نشاندهنده ی اثر دمای زینترینگ بر روی اندازه ی متوسط دانه می باشد. بنابراین، برای حصول نتایج خوب در افزایش تافنس با استحاله، این ضروری است که مقادیر قابل توجهی از فاز تتراگونال در دمای اتاق، حفظ شود. این مسئله در واقع بوسیله ی میزان ایتریا و دمای زینترینگ، تعیین می شود.

تشکیل فاز تتراگونال در طی زینترینگ

همانگونه که قبلا گفته شد، استفاده از استحاله ی فازی تتراگونال به مونوکلینیک در Y-TZP (TTZ) براساس حفظ و ایجاد حالت شبه پایدار فاز تتراگونال در زمینه، می باشد. مطالعه ی تفرق اشعه ی X بر روی کامپوزیت های 2 % مولی YTZP، نشان داده است که میزان فاز تتراگونال در حالت فشرده سازی و زینترینگ، بیشتر از حالت پودری منفرد است. شکل 7 نشاندهنده ی الگوهای تفرق اشعه ی X برای فازهای مختلف در نمونه های زیرکونیای زینتر شده، می باشد.

برای آگاهی یافتن از استحاله های ایجاد شده در فاز تتراگونال شبه پایدار به مونوکلینیک، روش های سخت کاری رسوبی اعمال می شوند. نمونه های کوئنچ شده تحت عملیات های آنیل در دمای پایین قرار می گیرند. این مشاهده شده است که کوئنچ موجب افزایش میزان فاز تتراگونال می شود. جدول 1 نشاندهنده ی مشاهدات مربوط به اشعه ی X بر روی این نمونه هاست.

آنیل در دمای 200 درجه ی سانتیگراد و به مدت 24 ساعت، منجر به استحاله ی یک میزان مناسب از فاز تتراگونال به فاز مونوکلینیک، می باشد. این مسئله نشاندهنده ی این استس که فرایند کوئنچ، منجر به یک میزان قابل توجه از ذرات تتراگونال با قابلیت استحاله، می شود. اثر عملیات های حرارتی مختلف بر روی تشکیل فاز تتراگونال، دانسیته و استحکام خمشی در جدول 2 آورده شده است.

سختی مربوط به TTZ تحت تأثیر عملیات حرارتی است. شکل 8 نشاندهنده ی سختی ویکرز نمونه وار برای شرایط عملیات حرارتی مختلف است. حساسیت بار نسبت به مقادیر سختی می تواند به دلیل افزایش تافنس با استحاله ی TTZ باشد. همانگونه که قبلا گفته شد، TTZ می تواند موجب ایجاد تنشی شود که منجر به القای استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک، می شود. این مسئله نشاندهنده ی یک افت در مقدار سختی به میزان 100 تا 150 پوند می باشد. زمان آنیل نیز بر روی سختی نمونه های TTZ مؤثر است.

شکل 9 نشاندهنده ی یک تغییر نمونه وار در سختی و زمان آنیل می باشد. افزایش در زمان آنیل، موجب کاهش در مقدار سختی می شود. افزایش و کاهش مشاهده شده در مقادیر سختی در حدود زمان آنیل 4500 دقیقه، می تواند مربوط به اثر ترکیبی استحاله ی القا شده با تنش، میکروترک ها و برهمکنش ذرات بالک، باشد.

زمان زینترینگ همچنین بر روی سختی اثرگذار است (شکل 10). در زمان زینترینگ 150 دقیقه، ماکزیمم سختی بدست می آید. بر اساس این مشاهده ها، تمام سری های از جنس TTZ که برای کاربردهای ماشین کاری استفاده می شوند، عملیات حرارتی زیر را تجزیه می کنند: