سیلیکون نیترید در برش کاری

اگر چه تکنولوژی امروزی متالورژی پودر پیشرفت های قابل توجهی را در زمینه ی تکنولوژی شکل دهی اشکال پچیده داشته است، بخش قابل توجهی از قطعات فلزی امروزه نیز با روش های تراشکاری، سوراخ کاری، فرزکاری و سایر عملیات های برش فلزی، تولید می شوند. هزینه ی ماشین کاری قطعات در ایالات متحده در حدود 100 میلیارد دلار برآورد شده است. از این میان، در حدود یک میلیون دلار از این هزینه، صرف خرید ابزارهای برشی می شود که برای تولید این قطعات، استفاده می شود. پتانسیل بازار برای ابزارهای برش سرامیکی به طور قابل توجهی با معرفی گروه های جدیدی از مواد مورد استفاده در این ابزارها، بسط پیدا کرد. این مواد شامل نیتریدهای سیلیکون می باشند که یکی از بالاترین تافنس ها و مقاومت به شوک حرارتی را در بین سرامیک های دیگر، دارند. براده بردازی فلزی مؤثر نیازمند ابزارهای سخت، محکم و مقاوم در برابر سایش می باشد. تقاضای روزافزون برای افزایش بهره وری و کاهش هزینه های تولید منجر به توسعه ی ابزارهای برش بهبود یافته ای شده است که قابلبیت کار در سرعت های بالا را دارا می باشند. در واقع یکی دیگر از نتایج افزایش سرعت تولید، افزایش دما در سطح مشترک ابزار- قطعه ی کاری، می باشد. از آغاز قرن جدید، فولادهای تندبر، کاربیدهای سمنته و ابزارهای برش کاربید پوشش دار و برخی از سرامیک های دیرگداز، وارد چرخه ی تولید ابزارهای برشی شده اند (شکل 1). اولین ابزارهای برشی سرامیکی که برای ماشین کاری مورد استفاده قرار گرفتند، بر پایه ی اکسید آلومینیوم ساخته شدند. اگر چه بیش از 40 سال است که این ابزارها، موجود می باشند و به طور موفقیت آمیز در برخی از فرایندهای ماشین کاری، استفاده شده اند، ابزارهای سرامیکی بر پایه ی آلومینا، قادر به تحمل ضربه های قابل توجه نیستند. علت این مسئله، تافنس شکست پایین و مقاومت به شوک حرارتی متوسط در این سرامیک ها، می باشد. این محدودیت ها، در آن زمان منجر به شکست های ناگهانی در ابزار و در طی فرایند برش می شد. این مسئله موجب شد تا نیاز به ایجاد ابزارهای برش سرامیکی مقاومت تر، مشهود شود. در واقع نیاز بود تا کامپوزیت های آلومینایی با تافنس بالاتر و همچنین مواد سرامیکی جدید برای این کاربردها، توسعه یابند.

بیشتر بخوانید: ابزارهای سرامیکی

پتانسیل بازار برای ابزارهای برش سرامیکی به طور قابل توجهی با معرفی گروه های جدیدی از مواد مورد استفاده در این ابزارها، بسط پیدا کرد. این مواد شامل نیتریدهای سیلیکون می باشند که یکی از بالاترین تافنس ها و مقاومت به شوک حرارتی را در بین سرامیک های دیگر، دارند. مراجع عمومی که این ابزارهای برشی بر اساس آن سنجیده می شوند، ابزارهای سیلیکون نیتریدی هستند که به صورت تک کریستال می باشند. در حقیقت سه خانواده ی مجزا از مواد سرامیکی بر اساس سیلیکون نیترید، وجود دارد. این گروه ها، عبارتند از:
سیلیکون نیتریدی که حاوی عوامل کمک زینتری هستند که تشکیل فاز شیشه ای می دهند.
محلول های جامد سیلیکون نیترید- آلومینیوم- اکسیژن (SiAlONs) و
کامپوزیت های با زمینه ی سیلیکون نیترید با سیستم ذرات پراکنده
دو خانواده ی اول از این مواد در اصل به عنوان مواد کاندید برای ساخت موتورهای کامیون توسعه یافتند، در حالی که گروه آخر در اصل برای کاربردهای ضد سایش، توسعه یافته اند.

سیلیکون نیترید

سیلیکون نیترید تک فاز ترکیبی با خاصیت کوالانسی بالاست و در دو فرم کریستالی پلی مورفی هگزاگونال (فرم های آلفا و بتا) موجود می باشند. فرم پایدارتر بتا نامیده می شود. هر یک از این ساختارها، از تتراهدرال های سیلیکون نیتریدی تشکیل شده اند که به صورت یک شبکه ی سه بعدی به هم متصل شده اند (با اشتراک گذاری گوشه ها). هر گوشه ی نیتروژنی در سه تتراهدال مشترک می باشد. هر ساختار می تواند از سایرین و با چرخش 180 درجه ای صفحات اصلی، تشکیل شود. در واقع، تبدیل سیلیکون نیترید آلفا به بتا، با یک واکنش انحلال- رسوب دهی سیلیکون نیترید و یک شیشه ی مذاب، همراه است. پیوندهای کوالانسی قوی سیلیکون نیترید موجب ایجاد خواص مهندسی مناسب در این ماده شده است. این خواص عبارتند از: استحکام بالا، پایداری حرارتی تا دمایی در حدود 1850 درجه ی سانتیگراد (در این دما، این ماده تجزیه می شود)، مقاومت به اکسیداسیون خوب، ضریب انبساط گرمایی پایین و مدول الاستیسیه ی بزرگتر از بسیاری از فلزات. به هر حال، یک اثر بد این پیوند، ضریب نفوذ پایین این ماده است که منجر می شود این فرایند شکل دهی سیلیکون نیترید و ایجاد یک ساختار بدنه ای دانس از طریق تکنولوژی های فرآوری متداول مواد سرامیکی (مثلا زیترینگ فاز جامد) غیر ممکن شود. از این رو، این ماده نیازمند کمک زینتر به منظور استحکام بخشی و ایجاد یک بدنه ی دانس، می باشد.
ناخالصی های غالب در پودر سیلیکون نیترید که به طور نمونه وار شامل یک بخش قابل توجه فاز آلفا هستند، عبارتند از دی اکسید سیلیسیم. این ماده در سطح ذرات پودر، مشاهده می شود. کمک زینترها، معمولاً به صورت پودری به سیلیکون نیترید افزوده می شوند و باا روش های متداول مخلوط سازی می شوند (مثلا آسیاب گلوله ای). سپس مخلوط حاصله بوسیله ی روش های متداول شکل دهی، شکل دهی می شود. قطعه سپس متراکم سازی می شود، معمولاً در اتمسفر نیتروژن و یا پخت در دماهای بالا. پرس گرم، زینترینگ تحت فشار و یا پرس ایزواستاتیک گرم در دماهایی بالاتر از 1600 درجه ی سانتیگراد، نیز روش هایی هستند که برای تولید قطعات سیلیکون نیتریدی دانس، مناسب می باشند. در فرایند تراکم بخشی، مخلوط کمک زینتر با دی اکسید سیلیکون موجود بر سطح ذرات واکنش می دهد و موجب تشکیل یک فاز مایع می دهد. این فاز مایع که در واقع یک شیشه می باشد، موجب تسهیل آرایش ذرات سیلیکون نیترید، می شود. این مرحله موجب افزایش دانسیته ی قطعه می شود. در حقیقت، دانسیته ی کامل از طریق مکانیزم زینترینگ فاز مایع، انجام می شود. ذرات سیلیکون نیترید آلفا در مایع حل می شوند و به صورت ذرات سیلیکون نیترید فاز بتا، و از طریق استحاله ی فازی بازسازی، رسوب دهی می کنند. وقتی زینترینگ ادامه می یابد، هسته های سیلیکون نیترید بتا، به صورت دانه های طویل رشد می کنند و موجب تشکیل ساختار دانه ای در هم تنیده، می شوند. در حین سرمایش، سیلیکون نیترید اضافی از فاز شیشه رسوب دهی می کند و در رشد دانه، مشارکت پیدا می کند.
کمک زینترهای مختلفی برای اکسیدها و نیتریدها، استفاده می شوند. در واقع انواع مختلف کمک زینترها، موجب تولید انواع مختلفی از خواص و ترکیبات می شوند. سرامیک های سیلیکون نیتریدی بوسیله ی یک ماده ی دو فازی شناسایی می شوند که حاوی کریستال های سیلیکون نیترید و یک فاز اتصال دهنده ی بین دانه ای می باشد. فاز بین دانه ای یک شیشه بر پایه ی دی اکسید سیلیکون و سایر کمک زینرهای مورد استفاده مانند آلومینا، ایتریا، اکسید منیزیم و ... می باشد. خواص مکانیکی یک سرامیک نمونه وار بر پایه ی سیلیکون نیترید به توزیع اندازه ی دانه های سیلیکون نیترید بتا، وابسته می باشد. این فرض می شود که کل فاز آلفا به فاز بتا، تبدیل شده است.
توزیع اندازه ی دانه در سیلیکون نیترید به طور قابل توجهی بر روی تافنس شکست (K_1C) ماده و استحکام آن، مؤثر می باشد.
α=K_1C/√C
که در اینجا، α = استحکام
K_1C = فاکتور شدت تنش بحرانی
C= اندازه ی بحرانی عیوب داخلی
این وابستگی در مثال های زیر، نشان داده شده است. یک ترکیب سیلیکون نیتریدی که حاوی 6.0 w/o ایتریا و 1.5 w/o آلومینا می باشد، A Y6 نامیده می شود. این ماده بوسیله ی پرس گرم شدن در زمان 90 دقیقه و 400 دقیقه، مورد بررسی قرار گرفت. تمام پارامترهای دیگر، ثابت فرض شد. دانسیته ی هر دو سرامیک که در زمان های متفاوت زینتر شده بودند، بزرگتر از 99 % دانسیته ی تئوری بود. بررسی ها بر روی ریزساختار (شکل 2) این دو ماده، نشان داد که افزایش در زمان زینترینگ، منجر به رشد دانه های سیلیکون نیترید بتا، شده است. نتایج بررسی های فضایی کمی بر روی این ساختارها، در جدول 1 آورده شده است. این مسئله جالب توجه است که در حالی که اندازه ی دانه افزایش می یابد، نسبت طول به عرض دانه های سیلیکون نیترید بتا، ثابت می باشد. تحت این شرایط، توسعه ی دانه های بزرگتر با نسبت طول به عرض معادل، از طریق زینترینگ با کمک فشار، منجر به یک افزایش 15 % در تافنس شکست می شود و استحکام نیز به همین میزان، افزایش می یابد (جدول 1). برای بدنه های سیلیکون نیتریدی زینتر شده با ایتریا (که حاوی 6 w/o ایتریا با و بدون افزودنی آلومینا می باشند)، اندازه ی دانه موجب افزایش در زمان زینترینگ و یا دما می شود. این در حالی است که نسبت طول به عرض دانه های سیلیکون نیترید تغییر اندکی از خود نشان می دهد. افزایش در اندازه ی دانه، منجر به افزایش خطی در تافنس شکست می شود و همین اثر نیز ببرای سایر سیستم های سیلیکون نیتریدی، گزارش شده است. یک تغییر در نسبت طول به عرض اثر قابل توجهی بر روی تافنس شکست دارد. بنابراین، اگر رشد دانه همراه با کاهش در نسبت طول به عرض باشد، یک کاهش خالص در تافنس شکست ممکن است مشاهده شود. یک مطالعه بر روی سیلیکون نیترید حاوی مقادیر زیادی کمک زینتر، نشان داد که افزایش در اندازه ی دانه، همراه با کاهش در نسبت طول به عرض و همچنین افزایش در زمان زینترینگ، موجب کاهش در تافنس شکست می شود.
بر اساس این مشاهدات، این فرضیه مطرح شده است که انحراف ترک و از بین رفتن اتصال دانه ای، موجب کنترل تافنس شکست و استحکام سرامیک های سیلیکون نیتریدی در دماهای پایین تر، می شود. در این موارد، شکست مشاهده شده، بیشتر از نوع داخل دانه ای بوده است.
داده هایی که اخیراً انتشار یافته، نشان داده است که خواص مکانیکی سرامیک های سیلیکون نیتریدی در دماهای بالا به طور قابل توجهی بوسیله ی مقدار و ترکیب فاز داخل دانه ای، تحت تأثیر قرار می گیرد، اگر چه توزیع اندازه ی دانه های سیلیکون نیترید نیز هنوز اثر خود را بر این پارامترها، می گذارد. برای مثال، اثر میزان افزودنی آلومینا بر روی استحکام سرامیک های سیلیکون نتریدی به همراه 6 w/o ایتریا، در شکل 3 قابل مشاهده است. دو کامپوزیت حاوی آلومینا (هر دو با دانسیته ی بالاتر از 99 % تئوری)، دارای استحکام دما اتاق برابر با 700 MPa می باشند. موادی که حاوی 2.5 w/o آلومینا هستند، استحکام خود را تا میزان 90 درصد در دمای 970 درجه ی سانتیگراد، حفظ می کنند. سپس این استحکام در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد، به 150 MPa افت می کند. نمونه ی مشابه که حاوی 1.5 w/o آلومینا بود، تا دمای 1080 درجه ی سانتیگراد، 90 % استحکام دما اتاق خود را حفظ می کند و سپس این استحکام در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد، به 200 MPa افت می کند. رفتار ماده ای که در آن آلومینا استفاده نشده است، به طور قابل توجهی، متفاوت می باشد. وجود یک کمک زینتر آلومینایی، موجب شده است تا متراکم شوندگی این ترکیب، با سختی بیشتری انجام شود که علت آن، کاهش در ویسکوزیته ی فاز شیشه ای، می باشد. این مسئله موجب یک کاهش در دانسیته نسبت به سیلیکون نیترید بدون آلومینا، می شود که علت این امر نیز، تخلخل باقیمانده، است که موجب افت نهایی استحکام در دمای اتاق، می شود. به هر حال، اتلاف استحکام در بالاتر از دمای 1000 درجه ی سانتیگراد، به طور محسوسی، کاهش می یابد (در مقایسه با دو نمونه ی حاوی آلومینا). در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد، متوسط استحکامی بالاتر از 400 MPa اندازه گیری شده است.
این مثال ها، نشاندهنده ی این است که وقتی صنعت پیشرفت می کند، انواع مختلفی از بدنه های سیلیکون نیتریدی دانس با کمک زینتر تولید می شود و این محصولات، کیفیت و ترکیب مختلفی دارند. بنابراین، ابزارهای برش تولید شده با این تکنولوژی خود خانواده ای تشکیل می دهند و خواص هر ابزار سیلیکون کاربیدی منفردی، می تواند متفاوت باشد، مخصوصاً در گستره ی دمایی که در زمان برش سریع فلزات، با آن روبرو هستیم.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney