سایش از پهلو

نویسنده: دونالد. ای گراهام
مترجم: حبیب الله علیخانی
در سرعت های پایین تر و یا زمانی که ماشین کاری برروی ماده ی ساینده انجام می شود، سایش اصطکاکی یا مالشی مهم تر از سایش حفره ای است. تحت این شرایط، پوشش با بالاترین سختی بهتر کار می کند. این مسئله در شکل 6 بخش اول این مقاله و شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل، سری های فرورونده با پوششی به ضخامت 5 میکرون از جنس TiC و آلومینا، پوشش داده شده اند و از آنها برای ماشین کاری فولاد و آهن، بهره برده شده است. نتایج ماشین کاری آهن در سرعت های 230 m/min در شکل 6 بخش اول این مقاله نشان داده شده است. تحت این شرایط و دماهای برشی، پوشش TiC سخت تر از پوشش آلومیناست و از این رو، عمر مفید بالاتری برای ابزار، ایجاد می کند. همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، سرعت در حالی افزایش می یابد که تمام وضعیت های دیگر، ثابت فرض شده است. در سرعت 300 m/min، دماها بالاتر است و پوشش آلومینایی سخت است و مقاومت به سایش آن نسبت به پوشش های TiC بالاتر است. یک مکانیزم شکست سوم که در حقیقت به صورت مؤثری بوسیله ی وجود یک پوشش آلومینایی، تحت تأثیر قرار می گیرد، لبه ی مؤثر (Built-up Edge) است. لبه ی مؤثر در واقع مسئله ای است که به صورت خاص در سرعت های پایین ایجاد می شود و در زمانی رخ می دهد که ذرات مربوط به قطعه ی کاری، به سختی به لبه ی ابزار فشرده شوند. اثر ضخامت پوشش در شکل 2 برای هر دو پوشش و در زمان ماشین کاری آهن، نشان داده شده است. مقاومت به سایش از پهلو ابتدا با افزایش در ضخامت پوشش، افزایش می یابد اما با افزایش ضخامت به بیشتر از 5 تا 6 میکرون، این مقاومت افت می کند. این مسئله با زمانی که سایش به صورت حفره ای ایجاد می شود، متفاوت است. در واقع این اثر افت در مورد این نوع از سایش تا ضخامت 10 میکرون، مشاهده نمی شود. دلیل این کاهش در کارایی، بعدها، توصیف شد و در واقع به این حقیقت ارتباط پیدا کرد که ناحیه ی بحرانی مربوط به سایش از پهلو در یک ناحیه ی باریک ایجاد می شود که در کف بخش سایش یافته از پهلو، قرار دارد. پوشش در این وضعیت نیازمند این است که این ناحیه را پوشش دهی کند تا بدین صورت سایش تماسی میان لبه ی برش و قطعه ی کاری بهبود یابد و بدین واسطه، مقاومت به سایش از پهلو، بهبود یابد. این سطح باریک مقاوم همواره به آهستگی و بواسطه ی ترکیبی از سایش مکانیکی و واکنش های شیمیایی، تخریب می شود. وقتی سرعت برش افزایش می یابد، سایش شیمیایی مهم تر می شود و پوشش آلومینایی عمر مفید بهتری در این وضعیت ایجاد می کند.

لبه ی مؤثر

یک مکانیزم شکست سوم که در حقیقت به صورت مؤثری بوسیله ی وجود یک پوشش آلومینایی، تحت تأثیر قرار می گیرد، لبه ی مؤثر (Built-up Edge) است. لبه ی مؤثر در واقع مسئله ای است که به صورت خاص در سرعت های پایین ایجاد می شود و در زمانی رخ می دهد که ذرات مربوط به قطعه ی کاری، به سختی به لبه ی ابزار فشرده شوند. وقتی سرعت افزایش می یابد، براده ها از لبه ی سایشی به سرعت و در اتصال های نفوذی مختلف عبور می کنند و در این حالت، مکانیزم شکست لبه ای رخ می دهد. با در نظر گرفتن این مسئله، یک سری از آزمایش ها بر روی نمونه های پوشش داده شده با مواد مختلف انجام شد و میزان سایش بر اساس تابعی از سرعت، اندازه گیری شد. مواد از هر لحاظ با هم مشابه بودند به جز ترکیب پوشش. همانگونه که درشکل 3 نشان داده شده است، تمام پوشش ها از ایجاد این خاصیت در لبه ها، جلوکیری می کنند اما برخی از آنها نسبت به سایرین، عملکرد بهتری دارند. در حالی که پوشش های نیتریدی، مؤثرترین پوشش ها محسوب می شوند، پوشش آلومینایی نیز مؤثر است و نسبت به سری های بدون پوشش، ترجیح داده می شود.

شکاف دار شدن

شکاف در خط عمق برش (Depth-of-cut line) یک مکانیزم شکست پیچیده تر است زیرا فاکتورهای زیادی می تواند بر روی آن مؤثر باشد. ایجاد شکاف معمولاً بوسیله ی روش های مکانیکی مانند براده برداری، سایش از سطح و یا لایه ی سطحی سخت شده، انجام می شود اما برخی اوقات، این شکاف می تواند بوسیله ی برهمکنش های شیمیایی میان ماده ی کاری و ابزار و مشابه روش شکافی، ایجاد شود. شکل 4 نشاندهنده ی اثر ایجاد شکاف بر روی پوشش و تحت شرایط ایجاد شکاف بوسیله ی فاکتورهای شیمیایی، می باشد. این مشاهده می شود که یک ابزار با پوشش آلومینایی کارایی بهتری نسبت به سایر ابزارها، دارد. دلایل مربوط به این رفتار، مشابه چیزی است که در زمینه ی مقاومت به ایجاد حفره، در مورد آن صحبت شد.

پوشش های چند لایه

روند موجود در زمینه ی ابزارهای برشی، در واقع ترکیب کردن چندین پوشش در یک ابزار است که به منظور افزایش مزیت های ابزار، انجام می شود. فرض کنید که لایه های منفرد به اندازه ی کافی ضخیم باشند و بتوانند به صورت مؤثر عمل کنند. بنابراین، این امکان دارد که سری هایی با مقاومت عالی در برای عوامل تخریب کننده، بسازیم. در واقع این پوشش های ترکیبی می توانند به دلیل وجود TiN در برابر سایش مقاوم باشند، به دلیل وجود TiC در برابر حفره دار شدن و در نهایت به دلیل وجود پوشش آلومینا، در برابر سایش از پهلو در دماهای بالا، مقاومت از خود نشان دهند. این ممکن است که یک چنین ابزاری از سرعت های پایین تا سرعت های بالا، کارایی مناسب داشته باشد. در حالی که این هدف احتمالا هیچگاه به طور کامل میسر نمی شود، روش های اتصال دهی بهبود یافته و توسعه ی زیرلایه های با خواص بهبود یافته منجر به افزایش گستره ی تولید محصولات می شود. محصولات چند لایه در حقیقت در ساخت سری های با اهداف عمومی استفاده می شوند. این محصولات چند لایه معمولاً دارای پوشش هایی با ضخامتی بین 5 تا 15 میکرون هستند اما به طور نمونه وار ضخامتی در حد 10 تا 12 میکرون دارند. در گذشته، یک چنین ضخامت هایی برای زیرلایه های قدیمی مناسب بود اما امروزه، با تغییر خاصیت این زیرلایه ها، سری هایی با تافنس خوب و مقاومت سایش مناسب تولید شده اند.
عموماً سری هایی با لایه های چندگانه، پوشش های نرم تری دارند مخصوصاً وقتی پوشش نازک باشد. جوانه زنی مجدد و پیوسته از لایه های مختلف موجب می شود تا اندازه ی دانه ها ریز باشند و این مسئله موجب نرمی سطح و یکنواختی پوشش می شود. این مسئله موجب کاهش سایش می شود.
همانگونه که قبلا گفته شده است، حتی محصولات با کارایی گسترده امروزه در زمینه های کاربردی خاص استفاده می شوند. پوشش هایی که برای عملیات های سرعت پایین مانند ایجاد دنده، شیار زنی، برش و عملیات های فرزکاری و برش سنگین، تولید شده اند، معمولاً نازک هستند و عمدتاً بر پایه ی تیتانیم و آلومینا، می باشند. به عبارت دیگر، سری هایی که برای عملیات های سرعت بالا و یا برای تراشکاری چدن، طراحی می شوند، معمولاً دارای لایه های ضخیم تر از جنس آلومینا، هستند. وقتی از کاربرد اول به سمت کاربرد دوم حرکت می کنیم، آلومینا نقش بیشتری پیدا می کند.

خلاصه

پوشش های حاوی آلومینا مزیت های قابل توجهی در زمینه ی طول عمر و بهره وری ابزار دارند. نسبت به سایر پوشش ها، پوشش های اکسیدی موجب افزایش قابلیت سرعت می شوند زیرا پایداری شیمیایی آنها بالاست، مخصوصاً در حضور مواد آهنی. مقاومت به سایش حفره ای این پوشش ها، در حقیقت دو برابر بیشتر از پوشش های TiC و TiN است و به صورت مستقیم با ضخامت پوشش در ارتباط می باشد.
پوشش های آلومینایی همچنین برای جلوگیری از سایش از پهلو، مناسبند، مخصوصاً در سرعت های بالا و زمانی که می خواهیم چدن را بواسطه ی آنها ماشین کاری کنیم. مقاومت به سایش از پهلو همچنین با ضخامت پوشش افزایش می یابد اما نقطه ای وجود دارد که دیگر افزایش ضخامت اثری بر افزایش مقاومت به سایش، ندارد. ناحیه ی بحرانی برای سایش از پهلو، در واقع ناحیه ی نازک در کف بخشی است که بواسطه ی سایش از پهلو، آسیب دیده است. پوشش تنها برای گسترش در این محل، ضروری می باشد.
لبه ی سایشی می تواند با استفاده از پوشش دهی سری ها، حذف و یا مینیمم شود. این مسئله با حضور پوشش های آلومینایی حل می شود. در برخی اوقات، این پوشش ها می توانند از عمق خط ایجاد شکاف، بکاهند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney