سیالون ها

در اوایل دهه ی 1970، تحقیقات سرامیک نشان داد که آلومینیوم و اکسیژن می توانند به ترتیب جایگزین سیلیکون و نیتروژن در ساختار سیلیکون نیترید، شوند و چیزی را تولید کنند که به آن سیالون β^' گویند. این ماده یک محلول جامد از سیلیکون- آلومینیوم- اکسیژن و نیتروژن می باشد. ترکیب عمومی این ماده
〖Si〗_(6-Z) 〖Al〗_Z O_Z N_(8-Z)
که در اینجا، Z نشاندهنده ی تعداد اتم های اکسیژن جایگزین با نیتروژن است و مقدار محدود آن در دمای 1700 درجه ی سانتیگراد، برابر 4.2 و در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد، برابر 2.0 است. این ادعا می شود که سیالون ها دارای خواص فیزیکی و مکانیکی مشابهی با سیلیکون نیترید است. علت این مسئله، شباهت ساختاری این ماده با ساختار کریستالی و پیوند کوالانسی آلومینا است (به دلیل خواص محلول جامد). یک مکانیزم پراکنده سازی ترک ثانویه که به منظور افزایش تافنس شکست مورد استفاده قرار می گیرد، انحراف ترک نامیده می شود. افزایش تافنس با استفاده از انحراف ترک، در زمانی اتفاق می افتد که میدان کرنشی در حوالی ذره ی پراکنده شده در زمینه و بواسطه ی ضریب انبساط گرمایی و یا عدم تطابق در مدول الاستیک میان زمینه و مواد جامد پراکنده شده در این زمینه، ایجاد شود. برای تولید بدنه های با دانسیته ی بالا، کمک زینترها باید به سیالون اضافه شود. علت استفاده از این کمک ذوب ها، همان دلیلی است که در مورد سیلیکون نیترید، گفته شده است. سرد شدن سریع از دمای فرایند موجب می شود تا یک ریزساختار از دانه های سیالون بتا پرایم با یک فاز شیشه ای بین دانه ای، ایجاد شود. اگر ایتریا به عنوان کمک زینتر، استفاده شود، یک بخش از این شیشه می تواند به صورت گارنت آلومینیوم ایتریم (YAG)، ایجاد شود. این کار با انجام عملیات حرارتی و سرد کردن آهسته، انجام می شود. به هر حال، بیشتر سیالون های زینتر شده، شامل مقادیری فاز شیشه ای باقیمانده، هستند، مخصوصاً در نقاطه سه گانه ی مرزها. مشابه سیلیکون نیترید، خواص سیالون ها به طور قابل توجهی به نوع و میزان کمک زینترها و فرایند مورد استفاده در تولید، وابسته می باشد. علاوه بر این، سیالون ها یک خانواده ی پیچیده تر از مواد هستند، زیرا واحدهای ساختاری آنها (〖Si〗_(6-Z) 〖Al〗_Z O_Z N_(8-Z))می تواند ترکیب متغیری داشته باشد، برخلاف سیلیکون نیترید که دارای استوکیومتری خاص می باشد. در حال حاضر، حداقل دو گرید از ابزارهای برش سرامیکی بر پایه ی سیلیکون نیترید به نظر سیالون هستند.
علاوه بر این دو خانواده از مواد بر پایه ی سیلیکون نیترید مونولیتیکی، سیلیکون نیترید به همراه کمک ذوب ها و سیالون ها، به عنوان مواد مورد استفاده در ابزارهای برش، استفاده می شوند.
افزودن فاز پراکنده شونده مانند کاربید یا نیتریدهای فلزات انتقالی (TiC، TiN، HfC و ...) به زمینه ی سیلیکون نیترید، منجر به افزایش در سختی کامپوزیت می شود. این مسئله از قانون مخلوط سازی، پیروی می کند (شکل 1a). یک مزیت دیگر که به واسطه ی افزودن فاز ثانویه ایجاد می شود، پتانسیل افزایش تافنس شکست به کامپوزیت از طریق برهمکنش ها در ترک ها، می باشد. اگر فاز پراکنده شونده، دارای مقاومت بالاتری نسبت به شکست (در مقایسه با زمینه) باشد، این امکان وجود دارد که از پیشرفت ترک میان ذرات فاز ثانویه، جلوگیری به عمل آید. این افزایش در تافنس شکست کامپوزیت به دلیل تنش هایی است که برای اشاعه ی ترک مورد نیاز می باشد.
یک مکانیزم پراکنده سازی ترک ثانویه که به منظور افزایش تافنس شکست مورد استفاده قرار می گیرد، انحراف ترک نامیده می شود. افزایش تافنس با استفاده از انحراف ترک، در زمانی اتفاق می افتد که میدان کرنشی در حوالی ذره ی پراکنده شده در زمینه و بواسطه ی ضریب انبساط گرمایی و یا عدم تطابق در مدول الاستیک میان زمینه و مواد جامد پراکنده شده در این زمینه، ایجاد شود. این مسئله موجب می شود تا جبهه ی ترک در حول مانع چرخش کند. افزایش تافنس در این حالت به دلیل ترک های غیر صفحه ای و ایجاد یک شدت تنش پایین تر نسبت به ترک های مشابه، ایجاد می شود. انرژی افزایش یافته و بسط داده شده، می تواند موجب افزایش تافنس شکست کامپوزیت در مقایسه با مواد زمینه، شود. یک جنبه ی دیگر از تئوری انحراف پیش بینی می کند که میزان تافنس به شکل ذرات پراکنده شده در داخل زمینه، وابسته می باشد. تافنس برای ذرات میله ای شکل، 4 برابر بیشتر می شود. در حقیقت، افزایش تافنس با استفاده از انحراف ترک، به صورت تجربی، در کامپوزیت های زمینه سرامیکی خاص، مشاهده می شود. در کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر (اشکال میله ای شکل)، کشش و پل زنی ترک بوسیله ی ذرات مدور، می تواند منجر به بهبود در تافنس شکست شود. تافنس شکست مربوط به کامپوزیت های حاوی سیلیکون نیترید به همراه ذرات TiC در مقادیر 10، 20 و 30 v/o به طور قابل توجهی با افزایش میزان TiC، افزایش می یابد (شکل 1b).
آنالیزهای ریزساختاری مربوط به کامپوزیت های سیلیکون نیترید- TiC و سیلیکون نیترید عاری از ذرات، نشان دهنده ی این است که ریزساختار مربوط به مواد عاری از TiC بواسطه ی اندازه ی دانه ی درشت سیلیکون نیترید و یک توزیع دانه ی سیلیکون نیترید، شاخص می باشد. تفاوت مشاهده شده در اندازه ی دانه ی سیلیکون نیترید، می تواند به دلیل تفاوت در حالت انحلال- رسوب دهی سیلیکون نیترید و یا رفتار رشدی باشد که ظاهراً تحت تأثیر وجود تیتانیم در فاز شیشه ای مربوط به کامپوزیت های سیلیکون نیترید- TiC می باشد. اگر چه این واضح که استفاده از ذرات TiC در داخل زمینه ی سیلیکون نیترید، می تواند به صورت بالقوه موجب افزایش تافنس شکست کامپوزیت ها شود، در این مورد، این اثر بوسیله ی کاهش اندازه ی ذرات سیلیکون نیترید، جبران می شود. در واقع علت این مسئله، واکنش سیلیکون نیترید- TiC در حین استحکام بخشی و تحت شرایط فرآوری مورد استفاده، می باشد. یک چنین کامپوزیت های بر پایه ی سیلیکون نیترید که دارای سختی و تافنس بهبود یافته می باشند، خواصی معادل سیلیکون نیترید مونولیتیکی و یا سیالونی دارد. کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر مانند سیلیکون نیترید به همراه ویسکرهای SiC نیز به عنوان ابزارهای برشی، مورد بررسی قرار گرفته اند، مخصوصاً برای ماشین کاری سوپرآلیاژها.

بیشتر بخوانید: سرامیک های سیالونی

 

کاربردهای ابزارهای برشی

مباحث بعدی، انعکاس دهنده ی حالت توسعه ی و کاربردهای بالقوه ی سیلیکون نیترید به عنوان ابزارهای برشی در سه زمینه ی غالب می باشد: یعنی براده برداری فلزی، ماشین کاری چدن خاکستری، فولاد و سوپرآلیاژها.

ماشین کاری چدن خاکستری

در عملیات های ماشین کاری، ابزار برش متحمل تنش و دماهای بالایی است که نتیجه ای از اصطکاک و برش فلز می باشد. در حالی که این شرایط بر روی ابزار ایجاد می شود، لبه ی برشی متحمل تغییر پیوسته ای می شود که به دلیل فرایندهای سایش، رخ می دهد. حالت های برشی غالب این ابزارها، بسته به شرایط استفاده و مواد قطعه ی کاری، متغیر است.
اگر چه فرایندهای شیمیایی به عنوان یکی از مشارکت کننده های بالقوه در سایش ابزارهای برش بر پایه ی سیلیکون نیترید در ماشین کاری چدن خاکستری، تلقی می شود، مکانیزم غالب در واقع آزمون تراشکاری در سرعت های برشی به اندازه ی 25 m/s می باشد. در این حالت، مکانیزم غالب سایش می باشد. بررسی های نفوذ نشان داد که برهمکنش های میان ابزارهای بر پایه ی سیلیکون نیترید و چدن خاکستری، حداقل می باشد (شکل 2a). این بررسی ها برای فولادهای آلیاژی نیز به همین صورت بوده است (شکل 2b). این به نظر می رسد که از آنجایی که فرایندهای شیمیایی حداقل مشارکت در مکانیزم غالب سایش را دارند، خواص مکانیکی مربوط به مواد سرامیکی موجب می شود تا کارایی مربوط به ماشین کاری چدن خاکستری، تعیین شود.
سایش مکانیکی بوسیله ی برهمکنش های مکانیکی مناسب مربوط به دو سطح کنترل می شوند. این مسئله در سطح تماس لغزشی رخ می دهد. مکانیزم هایی که در این طبقه بندی کلی سایش وجود دارند، عبارتند از: تغییر شکل پلاستیک و سایش. تغییر شکل پلاستیک خالص مربوط به لبه های برشی، منجر به افزایش نیروهای برشی و دما می شود. این مسئله منجر به افزایش نرخ سایش و ایجاد شکست های فاجعه بار می شود و جزء فاکتورهای مشارکت کننده در سایش ابزار مخصوصاً ابزارهای کاربید سمنته در بسیاری از کاربردهای برش فلز، می باشد. این فاکتور یک فاکتور مشارکت کننده اصلی در سایش ابزار برش نمی باشد. به هر حال، در مقیاس میکروسکوپیک، تغییر شکل پلاستیک محلی موجب بروز سایش ابزارهای سرامیکی، می شود.
حالت اصلی مربوط به سایش مکانیکی مربوط به ابزارهای برش سرامیکی، سایش خراشی است. در این حالت، ماده ی ابزار بواسطه ی وجود بخش های سخت در قطعه ی کاری، تخریب می شوند. مقاومت سایشی فلزاتی که می توانند متحمل کرنش های قابل توجهی پیش از شکست شوند، مورد بررسی زیادی قرار گرفته است و این نشان داده شده است که مقاومت به سایشی بوسیله ی سختی فلز تعیین می شود. در این مورد، دو فرایند رخ می دهد: 1) تشکیل شیارهای تغییر شکل یافته ی پلاستیکی که موجب حذف فلز نمی شود. 2) حذف ماده از طریق تشکیل میکروبراده ها.
با در نظرگرفتن مواد با مقاومت کمتر نسبت به کرنش مانند سرامیک ها، مقاومت به سایش بوسیله ی مستعد بودن ماده نسبت به شکست و همچنین سختی آن، دیکته می شود. این پدیده، بوسیله ی پاسخ خاص مواد ابزاری نسبت به نفوذ یک فرورونده، تعیین می شود.
در مورد مواد ترد، در یک بار بحرانی، یک ترک زیر سطحی بر روی صفحه ی تقارن میدان تنشی اعمال شده، ایجاد می شود. این ترک در واقع به دلیل جزء تنش کششی ایجاد شده در فرایند اینونتاسیون، ایجاد می شود. با اعمال بار بیشتر، این ترک زیر سطحی به اندازه ی بحرانی رشد می کند و در آن نقطه، ترک ناپایدار می گردد و به سطح نفوذ می کند. این پدیده در طی فرایند بارگذاری اتفاق می افتد (یعنی طی ماکزیمم شدن بار و برگشت به حالت بدون بار). در نهایت، یک ترک پایدار، و با شعاع مناسب برای گسترش، پدید می آید. طول ترک شعاعی نسبت به اندازه ی فرورونده با استفاده از تافنس مربوط به ماده ی فرورونده، تعیین می شود. در بارهای بزرگتر، یک ترک نوع دیگری می تواند تشکیل شود که به آن ترک عرضی می گویند. این ترک در زیر سطح اعمال نیرو شده تشکیل می شود و از سمت فرورونده و در داخل یک صفحه ی موازی با سطح، گسترش، می یابد.
برای سرامیک های ترد، حذف ماده بوسیله ی شکست و در حین سایش، می تواند در زمانی رخ دهد که ترک های عرضی مربوط به فرورونده های کناریف بوسیله ی نفوذ ایجاد شود. حجم حذف شده با فاصله ی فرورونده، عمق، و فاصله ی لغزش، در ارتباط است.
در نظر گرفتن وابستگی اندازه ی فرورونده و طول ترک ایجاد شده از فرورونده های زاویه دار بر روی سختی ماده و تافنس شکست موجب می شود تا ماکزیمم حجم حذف شده بوسیله ی سیستم فرورونده در عملیات فرزکاری، مشخص شود. این کار با در نظر گرفتن بار معین، فاصله ی لغزش انجام می شود.
از داده های تجربی مربوط به سایش که با روش سوزن بر روی دیسک، بدست آمده است، این فهمیده می شود که مقاومت به سایش ابزارهای برشی سرامیکی، به صورت مستقیم با کیوانسی به توان سه چهارم و سختی به توان یک دوم، در ارتباط است (شکل 3). با تخمین درجه اول، این پارامتر، یک میزان نسبی از مقاومت به سایش مواد ترد را تعیین می کند. کاربردهای مربوط به چدن محدود به صنایع ماشین کاری فلزی است که در آنها تولید حجم بالا انجام می شود مانند صنعت خودرو. در این بخش، معمولاً قطعات با سرعت بالا ماشین کاری می شود و از این رو، ماشین کاری باید به صورت مؤثر انجام شود. با استفاده از معیار گفته شده در بالا برای مقاومت به سایش، این ممکن است که کارایی نسبی مواد سرامیکی را در ماشین کاری چدن، تعیین کرد. در مقایسه با آلومینا، تافنس شکست بالای سیلیکون نیترید به همراه مقاومت به شوک حرارتی فوق العاده و سختی دما بالا، موجب می شود تا این ماده ی سرامیکی، بتواند عمر قابل توجهی را در ابزارهای برشی، ایجاد کند.
در این زمینه، ابزارهای برش سیلیکون نیتریدی کاربردهایی را در ماشین کاری چدن بدست آورده اند که قبلا به صورت گسترده بوسیله ی کاربیدهای سمنته و ابزارهای آلومینایی، انجام می شد. برای مثال، با استفاده از ابزارهای برشی بر پایه ی سیلیکون نیترید در عملیات ماشین کاری کاسه ی ترمز، یک بهبود بالای 30 % در بهره وری ایجاد می شود و عمر مفید ابزار سایش نیز نسبت به ابزارهای سرامیکی آلومینایی، 10 برابر می شود. در پرداخت نهایی سرعت بالا و در کاربردهای مربوط به زبری گیری، این ابزارها به دلیل مقاومت به سایش فوق العاده، نسبت به ابزارهای بر پایه ی اکسید آلومینیوم و کاربیدهای سمنته ی پوشش داده شده با اکسید، ارجعیت دارند. قابلیت های ابزارهای برش سیلیکون نیتریدی اجازه می دهد تا از آنها در ماشین های جدید و قدیم، استفاده کرد. با استفاده از ابزارهای سیلیکون نیتریدی، ماکزیمم نزخ براده برداری در تولید، از بهره وری بدست آمده از ابزارهای آلومینایی و کاربید پوشش دار، بیشتر است.
بر اساس تجربیات کنونی، این فهمیده شده است که بهبودهای قابل توجه در ابزارهای برش و بواسطه ی این ماده، ایجاد می شود. مثلا از جمله تحقیقات انجام شده در این زمینه، تولید ابزرهای برش سیلیکون نیتریدی حاوی تقویت کننده های ویسکری می باشد که موجب افزایش کارایی و بهره وری ابزار می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney