ارسال پاسخ

۹ بهمن ۱۳۹۵

istma.ir

سرمت

سرمت ها مخلوطی از فلز و سرامیک هستند

گردآورنده: الهه نادروش

دانشجوی رشته مهندسی صنایع دانشگاه پیام نور مراغه

نام استاد:جناب آقاي فاتحي اقدم

 

چکید

سرمت ها مخلوطی از فلز و سرامیک هستند. سرمت از حدود سال 1930 به اشکال مختلف مورد استفاده قرار گرفته است ولی تا سالهای 1970 کار عملی جدی روی آن انجام نشده بود. این پیوند مولکولی می تواند مابین فلزات مختلفی مانند آهن، کبالت، نیکل و کروم و سرامیک‌های نظیر اکسید، کربور، نیترور، بورور، سیلیکات تشکیل شود. پیوند مولکولی تشکیل شده این فلزات و سرامیک ها بسیار محکم بوده و این مواد دارای خواص ویژه ای می باشند.

بسته به نوع فلز و سرامیک ترکیبی، سرمت های متفاوت با خواص متمایز جهت کاربردهای خاص می تواند تشکیل شود ولی تقریباً کلیه سرمتها در خواص ذیل مشترک می باشند.

  • سختی بسیار بالا
  • مقاومت در مقابل خوردگی شیمیایی
  • رفتار مکانیکی مابین فلز و سرامیک
  • مقاومت حرارتی بالا
  • مقاومت خوب در برابر خزش

امروزه از فرمول های متنوع تری از سرمت مانند تنگستن کارباید تیتانیوم کاربونیتریدها برای افزایش عمر و کاربری بهتر ابزار برش استفاده می شود. همچنین فلزاتی نظیر آلومینیوم، تیتانیوم، مس و آلومینیوم تیتانیوم بین فلزی که با الیاف یا ویسکرهای کاربید سیلیسیم تقویت شده اند از خود افزایش قابل ملاحظه ای در خواص مکانیکی به ویژه در دماهای بالا نشان می دهند این سرمت های برای سازه های هوا فضای پیشرفته مورد توجه است.

 

فصل اول:تعريف و طبقه بندي سرمت ها

 

1-1- مقدمه:

سرمت، نامی اختصاری که در تمام جهان برای ترکیبی همگن که از فلزها یا آلیاژها یا یک یا چند فاز سرامیکی است که متشکل از تقریباً 15 تا 18 درصد از حجم آن است و انحلال پذیری نسبتاً اندکی بین فازهای فلزی و سرامیکی در دمای آماده سازی وجود دارد به کار می رود. تعریفی خوب از کلمه سرامیک را می توان در« فهرست سرامیکی» پیدا کرد . هر نوع محصول غیر عادی، غیر فلزی که در طول ساخت یا استفاده در معرض دمای بالا قرار می گیرد. بطور نمونه، اما نه منحصراً، سرامیک یک اکسید،براید،کاربید فلزی، یا ترکیب یا مخلوطی از چنین موادی است؛ که در آنها آنیونهایی وجود دارد که نقش مهمی در ساختار و خواص اتمی بازی می کند.» با داشتن منبعی خاص در مورد سرمت ها، این تعریف از جزء سرامیکی می تواند تا مرزی گسترش یابد که شامل نیتریدها، کربونیتریدها و سیلیسیدها نیز بشود.

در دیدی وسیع، سرمت ها همانند نوع خاص مواد  سخت و دیرگداز موجود در طبقه کلی، زمینه فلزی کامپوزیت ها هستند. در مقاله های علمی این موضوع پوشش خوبی داده شده است، به ویژه در طیف حجم شکستگی های خاص قابل مقایسه و اجزاء فلزی. در مقام مقایسه با لایه های کامپوزیت،ترکیب فلز و غیر فلز در سرمت ها در مقیاس بسیار ریز اتفاق می افتد.فاز غیر فلزی معمولاً غیر رشته ای است اما تعدادی دانه های ریز غیر هم محور تشکیل یافته که به خوبی در هم پراکنده شده و به زمینه فلزی چسبیده اند. در صورتی که جزء فلزی یا سرامیکی غالباً به صورت رشته‌ای می باشند، ماده باید به عنوان یک ماده ی کامپوزیتی در نظر گرفته شود. اتصال بین فاز غیر فلزی و زمینه فلزی اثرات مهمی را در بین سرمت ها ایجاد می کند؛ این مورد به شدت بر ارتباطات فازی، انحلال پذیری و ویژگی های مرطوب شدن که در ارتباط با اجزاء سرامیکی و فلزی هستند، تاًثیر می گذارد. تفاوت در بین اندازه ی جزء سرامیکی به سیستم و کاربرد آن مربوط است. این میتواند ریزی 50 تا 100 میکرومتر باشد، همانگونه که در بعضی از انواع سرمت ها بر پایه ی دی اکسید اورانیوم(uo2) که برای عناصر سوخت راکتور هسته ای استفاده می شوند یا به ریزی 1 تا 2 میکرومتر، که در نوع ریز ذرات کاربیدهای سمانته شده وجود دارد. می باشد. در صورتی که جزء سرامیکی، کوچکتر و در اندازه های کمتر می باشد، ماده می تواند به عنوان طبقه ای از آلیاژ مقاوم شده تلقی شود و بنابراین از تعریف مورد قبول برای سرمت ها خارج می شود.

هدف اصلی از ترکیب فلز و سرامیک در مقیاس معمولی، دستیابی یه کیفیت مورد نظر و حذف خواص نا مناسب و نا خواستنی هر دو نوع ماده است. مثال برجسته ای از خواص مطلوب که از مواد سرامیکی و فلزی حاصل می شود انواع فلزات سخت است که از کاربیدهای سمانته ساخته می شوند.

کاربیدهای سمانته شده از رشدی دائمی در 6 دهه ی گذشته برخوردار بوده اند.در طول این زمان، توسعه مواد ابزارهای ساخته شده از سرمت/ فلز سخت از کاربیدهای با پایه ی فلز تنگستن به مواد پیچیده ی کاربیدی و با پایه ی نیتریدی رفت(جدول 1)

بطور کلی سرمت ها برای کاربردهایی نظیر ابزار برش استفاده می شدند. در حدود 45 سال پیش، آنها در کاربردهای دیگری نیز به ایفای نقش پرداختند همانند سیستم های پیشرانش(فشار به سوی جلو) از این مواد انتظار می رود که خواص سرامیک مانند رفتار دیرگدازی، مقاومت و پایداری در مقابل خوردگی، بطور مفیدی با بخش پایه ی فلزی که خواصی مانند شکل پذیری بالا، و هدایت حرارتی دارد همکاری نماید و دیگر اینکه بعضی از مواد عالی جدید برای کاربردهای با دماهای بسیار زیاد تولید شوند. متاسفانه با وجود تلاش های بسیار در ایالات متحده و اروپا در طول دهه ی 1950 این اهداف حاصل نشدند. میزان چکش خواری و سختی حاصل از بخش چسباننده ی فلزی برای بسیاری از کابردهای حیاتی نظیر موتور توربو جت(هواپیمای جت توربین دار)و پره های جت ایستگاه گازی یا تیغه های نازل ها، ناکافی باقی ماند. هر چند که در موارد دیگر، سرمت ها، مواردی را برای مواد مورد استفاده در مهندسی بهبود بخشیدند، به خصوص در ابزاری که بر پایه ی کاربید تیتانیم(TiC) یا کربونیتراید تیتانیم(TiC,N) هستند، و نیز در بعضی از انواع عناصر سوخت هسته‌ای سرمت های بر پایه ی دی اکسید اورانیوم، به همان خوبی آنهایی که بر پایه ی کاربید اورانیوم(UC) هستند، امکان تبدیل شدن به سوخت هسته ای را دارند. سرمت های بر پایه ی بورید زیرکونیوم(ZrB2) یا بورید سیلیکون(SiC) و بقیه که شامل اکسید آلومینیوم(Al2O3)، دی اکسید سیلیکون کاربید بور(B4C) یا ترکیبات دیرگداز همراه با الماس هستند، خواص یکسانی دارند.

 

1 -2 طبقه بندی:

سرمت ها می توانند بر طبق اجزاء دیرگدازشان طبقه بندی شوند. در این سیستم، رده های اصلی سرمت ها با حضور شش جزء مشخص می شود.

کاربیدها، کربونیتریدها،نیتریدها،اکسیدها،بوریدها و انواع مواد کربن دار.

فاز چسباننده ی فلزی می تواند از عناصر گوناگونی تشکیل شود، به صورت تنها و یا بصورت ترکیبی، مانند نیکل،کبالت،آهن،کروم،مولیبدن و تنگستن؛همچنین می تواند شامل دیگر فلزات نیز مانند فولاد زنگ نزن، سوپر آلیاژها،تیتانیم،زیرکونیوم یا بعضی از آلیاژهای با نقطه ذوب پائین مس یا آلومینیوم نیز باشد. حجم کل فاز چسباننده تماماً به خواص مورد نظر و استفاده نهایی مورد نظر از ماده بستگی دارد. این حجم می تواند از 15 تا 85 درصد باشد، اما برای کاربردهای ابزار برش، بطورکلی،کمتر از نصف از مقدار کل نگهداشته می شود(برای مثال 10 تا 15 درصد از درصد وزنی)اتصال(پیوند) فلزی برای هر سرمت به منظور رسیدن به ساختار و خواص مورد نظر برای کاربردی خاص،انتخاب می شود.گروه فلزات آهنی و آلیاژهای آنها در طبقه ی فلزات سخت کاربید تنگستن سمانته شده غالب هستند؛نیکل و به میزان کمتر کبالت و آهن ترکیبات مطلوب را برای سختی بالا و چکش خواری خوب دارا می باشند.

با تمام این احوال، ماده چسباننده برای یک سرمت می تواند از گروهی از فلزات واکنش پذیر انتخاب شود مانند تیتانیم یا زیرکونیوم و یا می تواند از یک سری از فلزات دیرگداز که شامل کروم،نیوبیوم،مولیبدن و تنگستن می باشد، انتخاب شود. فلزات و آلیاژهای کمتر ذوب شونده و در درجه اول آنهایی که بر پایه ی مس و آلومینیوم می باشند.از لیست چسباننده ها و از انتهای مقیاس حرارتی آن خارج هستند. با این وجود اغلب آلومینیوم در کامپوزیت های با زمینه فلزی وجود دارد.

 

1-2-1- سرمت های با پایه ی کاربید:

سرمت ها با پایه ی کاربید بزرگترین دسته از سرمت ها هستند، حتی اگر لغت سرمت بسیار سخت گیرانه بکار رود و گستره ی وسیعی از کاربیدهای سمانته شده بکار رفته در ابزار برش و بخش های پوشاننده بر پایه ی کاربید تنگستن(wc)را در نظر نگیرد. از زمان تکنولوژی سرمت، مفهوم برجسته به این صورت بوده است که این مواد بر پایه ی TiC به عنوان بخش سخت اصلی و نیز بخش دیر گداز هستند که با اتصال به یکدیگر، هر نوع از فلزات یا آلیاژهای شکل پذیر دیرگداز را تشکیل می دهند(بیشتر از آنچه برای کاربیدهای سمانته شده تنگستن استفاده شده است).

سرمت های TiC کاربردهایی در ابزار و پوشش های مقاوم، همچنین در سیستم هایی که برای دماهای بالا و فشارهای زیاد بکار می روند همچنین در محیطهای خورنده استفاده می شوند.سرمت های با پایه ی SiC و B4C که عموماً به عنوان کامپوزیت زمینه فلزی طبقه بندی می شوند اهمیت ویژه ای در صنایع به خصوص در پوشش ها و قسمت های ضد سایش و ضد خوردگی بدست آورده اند؛همچنین این مواد در کاربردهای راکتور هسته ای نیز استفاده شده اند؛ موادی با پایه ی کاربید کروم(Cr3C2) برای انواع مختلفی از کاربردهای مقاوم به خوردگی و نیز به عنوان بلوک های مدرج و شاخص استفاده شده اند؛ با این حال به نظر می رسد که آنها بسیاری از استفاده های صنعتی خود را از دست داده اند.

 

1-2-2- سرمت های با پایه ی کربونیترید:

سرمت های با پایه ی کربونیترید می توانند همراه با انواع مختلف کاربیدها یا بدون آنها تولید شوند(که MO2C مهمترین است)؛ آنهابا چسباننده های عادی کاربید سمانته شده به هم چسبیده اند.

در حال حاضر این مواد جزء اولین سرمت ها برای به کار برده شدن در ابزارها می باشند. مقاومت افزایش یافته ی آنها، که این مواد را برای ابزارهای برش با سرعت بالا مناسب می سازد، به دلیل بهبود چسبندگی بین دانه های سخت کاربید و فلز چسباننده است. بهبود چسبندگی نتیجه ای است از بهم آمیختن و اختلاط(بدون آنکه خواص آن تغییر کند) در سیستم های چهار گانه ی TiC، TiN، MOC، MON که سبب جابجایی بازگشتی در دو فاز هم ساختار می شود که بطور اساسی قابلیت مرطوب شدن چسب را بهتر می کند.

1-2-3- سرمت های با پایه ی نیترید:

سرمت های با پایه ی نیترید یک طبقه ی خاص از مواد سازنده ی ابزار را تشکیل می دهند. نیترید تیتانیم و به خصوص نیترید بور مکعبی(CBN) در صورتی که با یک ماده ی چسباننده ی سخت ترکیب شوند، ابزارهای برش بسیار عالی را تولید می کنند.نیترید تیتانیم و نیترید زیرکونیوم(ZrN) که خود را به عناصر سخت فلزی متصل کرده اند، برای مقاصد، مقاوم به فرسایش و نیز مقاوم به گرمای خاص تولید می شوند.

 

1-2-4- سرمت های با پایه ی اکسید:

 سرمت های با پایه ی اکسید دسته ای را تشکیل می دهند که UO2 و یا دی اکسید توریوم(ThO2) را شامل می شود که برای اجزاء شکاف هسته ای در عناصر سوخت آن به کار می روند؛ Al2O3 یا دیگر اکسیدهای بسیار دیرگداز برای سازندگان و کسانی که با فلزات بصورت مایع سرو کار دارند(برای مثال مجرای جریان فلز مذاب)و نیز بخش های دیگر کوره استفاده می شود؛ و SiO2 که برای عناصر اصطکاکی مناسب است. مخلوط Al2O3 با TiC برای ابزار ماشین کاری به روش گرم مناسب است.

 

1-2-5- سرمت های با پایه ی بوراید:

سرمت های با پایه ی بوراید، فاز غالبشان بوراید یکی از فازهای انتقالی است. این سرمت ها مقاومت در مقابل سایش و دماهای بالایی را برای کار به همراه فلزات فعای مانند آلومینیوم در حالت ذوب شده یا بخار ایجاد می کنند. ترکیبی از ZrB2 و SiC در مقابل فرسایش ناشی از گازهای شیمیایی پیشران موشک ها مقاوم است.

 

1-2-6- سرمت های محتوی کربن:

سرمت های محتوی کربن، موادی هستند که شامل گرافیت به نسبت های مختلفی می باشند. این مواد برای رنگ ها و اتصالات الکتریکی یا به عنوان بخش تشکیل دهنده ی کوچکی که روانکاری را در عناصر سایشی ایجاد می کنند استفاده می شوند. همچنین در این رده قطعات الماس درون زمینه فلزی وجود دارد که برای ابزار خاص استفاده می شود.

 

فصل دوم : تكنيك هاي ساخت وتولید سرمت

 

2-1- مقدمه

روش های استفاده شده برای آماده سازی پودر، شکل دادن، حرارت دادن یا زینترینگ و عملیات شکل دهی سرمت ها بسیار شبیه به سرامیک و فرایندهای متالوژی پودر([1](P/M است.

شکل1، یک نمودار از روش های متالورژی پودر( (P/M قابل استفاده مختلف برای سرمت ها است. جدول 2 ویژگی های نسبی روش های تشکیل دهنده ی اصلی را که در تولید پایه ی کاربید و بیشتر دیگر انواع سرمت ها بکار می رود، خلاصه کرده است. فرایندهای اصلی شکل دهی سرد(آهنگری سرد) و زینترینگ، زینترینگ فشاری و تراوش(در متالوروژی به کشیده شدن فلز مایع به داخل خلل و فرج فلز دیگر توسط نیروهای پیوستگی گفته می شود) می باشند. فرایند فشار کاری سرد شامل فشرده سازی به روش تمام محوره ی هم فشار و نیز فشار تک محوره می شود. ترکیبات پودری در فشار 35 تا 100 مگاپیکسل (14/5 ksi تا 5) فشرده می شوند.روش اصلی شامل فشار دادن پودری است که با واکس روغن کاری شده(البته به روش خشک) در قالب های فلزی محکم با دو صفحه ی پرس کننده ی رو به روی هم،برای میله های دراز یا لوله ها با سطح مقطع یکسان، این قالب ها توسط روش اکستروژن که ذرات پودر در چسب یا واکس آلی مناسب قرار داده شده اند،استفاده می شوند. برای ساخت شکل های پیچیده بزرگ، پودر خشک در قالب قابل انعطاف قرار داده می شود و از همه ی جهات با فشار هیدرواستاتیک ناشی از یک سیلندر فولادی تقویت شده و محکم بسته شده، فشرده می شود.

 

       

2-2- آماده سازی پودر:

اولین گام در فرایند تولید سرمت، مخلوط کردن و آسیاب کردن پودرهای تشکیل دهنده است. این مخلوط تشکیل شده از ماده ی که فاز سخت را تشکیل می دهد در حالت پودر و فلز یا فلزات خاص به نسبت های مناسب و لازم برای ترکیب چسب آلیاژ که در آسیاب گلوله ای، آسیاب می‌شوند.

گلوله ها از کاربید تنگستن یا بهتر از آن از یک سرمت بسیار زینتر شده ساخته می شوند. آسیاب می تواند با همان نوع از مواد سرمت برای کاهش امکان ترکیب شدن با آلودگی ها، همجنس باشد. علاوه بر آسیاب های گلوله ای مرسوم، آسیاب های گلوله ای سوزان پر انرژی و آسیاب های ساینده نیز استفاده می شوند. با انواع جدیدتر آسیاب ها، مواردی مانند زمان آسیاب کردن مواد، انرژی و فضای اشغال شده می تواند کاهش یابد. در طول فرایند آسیاب کنی، ذرات فاز سخت خرد شده و کاملاً با فلز چسباننده پوشانده می شوند. از مایعات آلی مانند هگزان در این فرایند استفاده می شود تا‌ سرعت افزایش دما را تقلیل دهد و از اکسید شدن مواد جلوگیری نماید. پس از اینکه پودرها تا اندازه‌ی 325 مش بندی و یا کمتر از آن آسیاب شدند، مخلوط پیش از هر فرایند و استفاده ی دیگری خشک می شود. سپس یک ماده ی روانکار اضافه شده و مخلوطهای پودری برای فشرده شدن در دستگاه پرس خودکار به منظور تشکیل ذرات بزرگتر(agglomerate) آماده می شوند تا بتوانند به راحتی از   دهانه ی محفظه ی خوراک دستگاه جاری شود.

 

2-3- زینترینگ:

همه ی سرمت ها به زینترینگ فاز مایع نیاز ندارند، اما تقریباً اکثر آنها برای تبدیل قطعه ی جدید به جامد، محکم و یک محصول قوی از این فرایند استفاده می کنند. به هنگام زینتر کردن قطعات فشرده شده از مخلوط پودرها بسته به پارامترهایی نظیر ترکیب شیمیایی دقیق مخلوط پودر، دمای زینتر یا حتی نرخ گرم کردن تا آن دما، شرایط برای برقراری مکانیزم های آلیاژ سنگین، زینتر به همراه فاز مذاب یا حتی زینتر در حالت جامد فراهم می شود. قطعات فشرده شده از مخلوط پودرهای آهن -  مس، حاوی مقدار مسی کمتر از حد حلالیت آن در آستنیت، را می توان در دمای زینتری بیش از نقطه ذوب مس زینتر کرد بدون آنکه فاز مذاب به وجود آید مثلاً آلیاژی از Fe%93 ، Cu%7 را می توان خیلی آهسته تا دمای زینتر 1150 درجه سانتیگراد گرم کرد به طوریکه بدون تشکیل فاز مذاب محلول جامدی از مس در آهن به وجود آید، به ویژه اگر اندازه ذرات پودر ریز باشد یعنی فاصله دیفیوژن خیلی کوچک باشد این را میتوان زینتر در حالت جامد بر اثر دیفیوژن داخلی به حساب آورد. اگر قطعات فشرده شده خیلی سریع گرم شوند، شرایط زینتر به همراه فاز مذاب گذرا بر قرار خواهد شد، یعنی مادامی که قطعه فشرده شده تا دمای زینتر گرم می شود مذاب به وجود می آید ولی در عین زینتر به سبب دیفیوژن داخلی نا پدید می شود. آلیاژهای آهن- مس حاوی مقدار مس بیشتر از حد حلالیت مس در آستنیت در دمای زینتر( تقریباً Cu%7/5 در 1100 درجه سانتیگراد)به عنوان مثال های کلاسیک برای فرایند زینتر به همراه فاز مذاب انتخاب شده اند، که طی

 

2-12-2-کاربرد:

اکستروژن گرم یک روش شکل دهی و فرایند متراکم سازی جذاب برای سرمت ها است. متأسفانه کاربردهای این روش در این زمینه ی وسیع محدودیت های جدی دارد که به دلیل بار مواد غیر فلزی، انتخاب اجزاء فلزی، و درجه ی فعالیت درونی بین دو ماده ایجاد می شود. محدودیت‌های قطعی میزان حجم مواد غیر فلزی مشکلی به وجود نمی آورد. بلکه هنگامی که این مواد از 18 الی 25 درصد حجم بیشتر می شوند ماده ترکیبی از خود کوتاه شدگی گرمایی نشان می دهد تا اندازه ای که مشکلاتی نظیر شکستگی لبه، تورق درونی و کشیدگی قطعه ی اکسترود شده تحمل نا پذیر می شود. هنگامی که فاز غیر فلزی به شکل پودرهای بسیار ریز دانه وجود دارد، شکل کوتاه شدگی گرمایی بدتر می شود؛ و نیز در هنگامی که ماده ی غیر فلزی با جزء فلزی در دمای اکستروژن برای ایجاد فازها یا یو تکتوئید جدید ترکیب می شوند، تشدید می یابد. چگونگی این مشکلات پیچیده برای هر جفت خاص از اجزاء سرمت در میدان و گستره ی عمل این مقاله است. یک مطالعه ی دقیق در نمودار ساختار چسباننده ی فلزی و فاز سخت پیش از انجام هر عمل جدی توصیه می شود. همانند ساچمه های آلیاژ فلزی، ساچمه های سرمتی هنگامی که آلومینیوم یا آلیاژهای آلومینیوم برای اجزاء فلزی استفاده شده است، برای عمل اکسترود کردن راحت تر هستند. متراکم سازی و اکستروژن ساچمه در دما و فشار پایین تری روی می دهد. فرایند قوطی گذاری و برداشتن قوطی ها که گران است می تواند به راحتی حذف شود، همچنین می توان از یک جو(اتمسفر) حفاظتی استفاده کرد. علاوه بر این، صافکاری و پرداخت نهایی محصول اکسترود شده اغلب می تواند در دمای اتاق انجام گیرد. عیوب کوتاه شدگی گرمایی در محصولات با پایه ی آلومینوم که اکسترود شده اند فقط در سطوح بالایی از بارگذاری با مواد سخت روی می دهد. در مقایسه با سرمت های حاوی آلومینیوم یا آلیاژهای آلومینیوم، سرمت های دارای آهن، نیکل، کبالت یا آلیاژهای این فلزات همانند فاز فلزی از نظر فنی وابستگی بیشتری دارند و برای اکسترود کردن گران تر تمام می شوند.

فصل سوم :انواع سرمت ها وکاربردهای آن:

3-1 سرمت های اکسیدی

3-1-1 - مقدمه

این طبقه از موادی حاوی سرامیک اکسیدی و اجزاء فلزی در یک مقیاس میکروسکوپی می‌باشد. از این رو به خوبی در معنای کلمه ی سرمت جای می گیرد. بیشتر از اکثر مخلوط های مکانیکی با ترکیب اجزای درون شبکه ای و فازهای فلزی، سرمت های اکسیدی، بطور منفی با مقاومت ضعیف در مقابل شوک حرارتی و تافنس شکست نا کافی که مفید بودن این ماده را در بسیاری از جاهای دارای دماهای بالا و تنش های دینامیکی محدود می کند، تأثیر می پذیرند. با این وجود، بعضی از این مواد دارای مقاومت خوبی در مقابل اکسید شدن یا خوردگی در دماهای بالا می باشند، و بقیه نیز خواص فیزیکی بی نظیری همانند شکافت هسته ای از خود نشان می دهند. بطور کلی سرمت های اکسیدی می توانند برای تحمل تنش های ناشی از دمای بالا حتی بیشتر از آنچه توسط سرامیک های اکسیدی غیر فلزی تحمل می شود، تولید شوند. در حدود نیم دو جین از سرمت‌های فلز- سرامیک اکسیدی تولید شده است که بعضی از آنها در صنعت استفاده شده اند. بطور کلی، این سرمت ها، با آلیاژهایی که با پراکندگی اکسید مقاوم شده اند و یک جزء سرامیکی دارند که از نظر اهمیت، زبرتر است، فرق دارند. همچنین در بیشتر این سرمت ها بخش اکسیدی بطور قابل توجهی بیشتر از مواد مقاوم شده توسط پراکندگی اکسید می باشند.

 

3-1-2 -  سرمت های اکسید- سیلیکون:

ترکیب کلاسیکی از سرامیک و فلز می تواند در مواد فلزی اصطکاکی یافت شود که در این مواد سرامیک فاز سخت را تشکیل می دهد. گیره های ماشین صنعتی و ترمزهای با عمر طولانی که هر دو در هواپیماها نیز یافت می شوند بزرگترین زمینه ی کاربرد این مواد می باشند. فاز سرامیک دانه های نسبتاً زبر SiO2 (برای مثال 200 مش) می باشند که بعضی وقتها به آنها Al2O3 نیز اضافه می شود؛ و میزان آنها 2 تا7  درصد از حجم ماده است. زمینه ی فلزی از برنج یا برنز تشکیل شده و معمولاً می تواند حاوی آهن و سرب نیز باشد. همه ی مواد مقداری گرافیت دارند که مقداری روانکاری انجام می دهد. تکنیک های P/M مرسوم، مانند زینتر کردن فشاری، برای ساخت مواد اصطکاکی بکار می روند که این مواد به شکل دیسک هایی می باشند که در فنجان ها یا صفحات اتصالی خاصی جای می گیرند و یا به شکل نوارهایی که مستقیماً به ساختمان فولاد محافظ می‌چسبند.

 

3-1-3 - سرمت های اکسید آلومینیوم:

در این نوع از سرمت، سرامیک فاز غالب است و فلز فقط به عنوان چسباننده عمل می کند.      سرمت های اکسید آلومینیوم در سرمت های برشکاری برای عملیات ماشینکاری بسیار سریع با براده برداری سبک استفاده می شوند. اکسید تا حد بسیار ریز آسیاب می شود(معمولاً فقط 1 تا 3 میکرومتر) و سپس با پودر نیکل مخلوط شده و با هم آسیاب می شوند. به دلیل اینکه فاز چسب ندرتاً از 5 تا 10 درصد تجاوز می کند، سرمت پس از پرسکاری و زینترینگ بسیار شکننده است، و روانکاری فشاری و چسب های آلی برای سهولت عملیات مورد نیاز می باشد زینترینگ در هیدروژن خشک، در نیتروژن خشک و یا ترجیحاً در خلأ و در دمای حدوداً 1450 تا 1550 درجه ی سانتیگراد(2640 تا 2820 درجه ی فاز نهایت) انجام می گیرد. خاتمه ی عملیات، ظریف است. نوع دیگری از سرمت اکسید آلومینیوم در گذشته برای دمای بالا و کاربردهای مقاوم در برابر حرارت مانند اجزاء کوره، نگهدارنده های شعله ی جت، دهانه ی ظروف ذوب، میله ها و بست های محافظ آتش استفاده شده است. این کاربردها فقط با موفقیت تجاری محدود در طول سالیان مواجه شدند. این موارد از آرایش های پیچیده با درصد کمی از TiO2 به شکل فاز سرامیک و با جایگزینی حدود یک پنجم فلز کروم با مولیبدن به عنوان زمینه ی چسباننده ساخته شده اند. با این همه یک آرایش مشابه ولی کمتر پیچیده  برای تولید لوله های حفاظتی ترموکوپل استفاده شده است که از یک جامد منبسط شونده تشکیل می شود. لوله ها از سرمت دوگانه 77 درصد کروم و 23 درصد Al­2O3 ساخته می شوند. محصول استاندارد لوله ای باید قطر خارجی 22 میلی متر(876 اینچ) و قطر داخلی 16 میلیمتر(0.625 اینچ) داشته باشد؛ که از یک انتها با طول 910 میلیمتر(36 اینچ) بسته می باشد. دیگر لوله های تولیدی تا 75 میلیمتر قطر(3 اینچ) و 600 میلیمتر طول(24 اینچ) در همه جا موجودند. در ساخت این لوله ها، مخلوط پودر تا اندازه ی ذرات در حدود 10 میکرومتر ساییده می شود. بصورت یک جا قالبگیری دوغابی، فشارش سرد با فشارش هیدرواستاتیک که در دمای بالای زینترینگ در 1560 تا 1700 درجه سانتیگراد(2840 تا 3090 درجه ی فاز نهایت) صورت می گیرد انجام می شوند. جو کوره هیدروژن بسیار خالص است که شامل مقادیری کنترل شده از بخار آب برای اکسید شدن سطحی ذرات کروم می باشد. انتشار اکسید کروم در آلومینا یک محلول جامد در مناطق تماس تشکیل می دهد که نتیجه ی آن ایجاد تماس قوی بین دانه هاست. بعضی از خواص، این نوع از سرمت در جدول 4 آورده شده است. شکل 19 اثر دما را بر مقاومت گسیختگی عرض، استحکام کششی و مقاومت گسیختگی- فشاری در سرمت های اکسید آلومینیوم نشان می دهد.

میزان کروم تاثیرزیاد و مهمی درمقاومت در برابر خزش این سرمت ها در دمای 1380 تا 1530 درجه ی سانتیگراد(2515 تا 2785 درجه ی سانتیگراد فاز نهایت) می شود. با حجم بالاتر از 25 درصدکروم، Al2O3 یک زمینه عالی تشکیل می دهد و کروم عمدتاً توزیع فاز آن بصورت منظم و از روی آمار می باشد. برای غلظت های بالاتر کروم، شبکه ای از فلز شکل می گیرد که در حجم 50 درصد کاملاً پیوسته است بنابراین برتری مقاومت خزشی Al2O3  با تشکیل و تکمیل شبکه ی فلزی از بین می رود.

بسیاری از فلزات در آزمایش ها با Al2O3 جفت شدند، با این هدف که مواد سرمتی که در دماهای بالا توان کار کردن داشته باشد و خواص مهندسی قابل قبولی ارائه دهد ایجاد شود.

فلزاتی که در این تحقیق استفاده شده اند شامل نیکل، کبالت، آهن، مولیبدن، تنگستن، مس و نقره می باشند؛ کوشش اصلی مستقیماً برای فهم بهتر مکانیزم اتصال بود. با این وجود هیچ کدام از این ترکیبات به تحقیق تجاری دست نیافتند. نهایتاً مواد قابل توجهی در زمینه ی آلومینیوم به عنوان فلز زمینه برای Al2O3  و بعضی از روش های ساخت ایجاد شد؛ مانند اتصال حالت جامد و واکنش تراوشی که برای تولید مشخصات پیچیده و همگن در ساختارهای ورقه ای شکل استفاده شده است. به دلیل اینکه آلومینیوم فاز غالب است و Al2O3  به عنوان بخش تقویت کننده بکار می رود، این مواد باید به عنوان مواد مرکب زمینه- فلز طبقه بندی شوند.

 

3 -1-4- سرمت های اکسید منیزیم:

کروم به عنوان فاز فلزی در سرمت های با پایه ی منیزیم استفاده می شده است. نتایج آزمایشات با نسبت های مختلف فلز- سرامیک در مقاله های علمی گزارش شده است، که در آنها میزان اکسید منیزیم (MgO) از 50 درصد حجم تا 6 درصد حجم متغیر بوده است. هیچ کدام از این آرایش ها خواصی به مطلوبی سرمتAl2O3  از خود نشان نداده اند. هر چند که در سیستم     MgO-Cr یک محصول میان مرحله ای واکنش(یک اسپینل(بلور معدنی بسیار سخت) MgO.Cr2O3) بین فازهای فلزی و سرامیکی مشاهده شد. ماده ای حاوی 6 درصد MgO قابل اکسترود شدن است و الانگیشن به اندازه 10 درصد یا بیشتر در دمای اتاق و پس از عمل زینترینگ مخلوط پودر اکسترود شده دارد. استحکام های تسلیم و کششی در حدود 200 و 350 مگاپاسکال( 30 , 50ksi) در دماهای تا 600 درجه ی سانتیگراد(1100 درجه ی فاز نهایت) می باشند، ولی در دماهای بالاتر این استحکام‌ها کاهش می یابند. این خواص مقاومتی می توانند در مقادیر بالاتری از دما مثلاً در حدود 1000 درجه ی سانتیگراد(1800 درجه ی فاز نهایت) باقی بمانند در صورتیکه کروم با میزان کمی(برای مثال 1 درصد) از نیوبیوم آلیاژ شود. هر چند که این عمل شکل پذیری و چکش خواری را کاهش می دهد مقدار الانگیشن قابل اندازه گیری در دمای اتاق در حجم 30 درصد از کروم یافت شد که بر اثر فشرده سازی هیدرواستاتیک مخلوط پودر درشت و زینترینگ در دمای 1600 درجه ی سانتیگراد(2900 درجه ی فاز نهایت) ایجاد می شود.

متأسفانه در صورتی که این ماده که به شدت دیرگداز است در هوا تحت حرارت بالای 1100 الی 1200 درجه ی سانتیگراد(2000 تا 2200 درجه ی فاز نهایت) قرار گیرد، تشکیل نیترید می دهد؛ و همین عامل سبب می شود که این سرمت به سرعت شکل پذیری خود را از دست بدهد.

نیکل، آهن، کبالت و آلیاژهای این فلزات با کروم برای استفاده در سرمت های با پایه ی MgO مصرف می شوند. به ویژه سرمت های MgO-CO خواص الکتریکی و مکانیکی خوبی در گستره ی وسیعی از آرایش ها ارائه می دهند. برای مثال مقاومت گسیختگی فشاری در 850 درجه ی سانتیگراد(1560 درجه ی فاز نهایت) برای مدت 100 ساعت و برای سرمتی با 50 درصد وزنی کبالت، می تواند به حداکثر میزان 77 مگاپاسکال برسد. با وجود فاز فلزی پیوسته ی این ماده(تقریباً 30 درصد حجم) این سرمت یک عایق است. هیچ تغییر ناگهانی در مقاومت همانند کم و زیاد شدن مقاومت الکتریکی در ماده رخ نمی دهد.

 

3 -1-5- سرمت های اکسید بریلیوم:

بر طبق نظر "Ryshkewitch" سرمت های بریلیومی که دارای اتصال تنگستن می باشند دارای مقاومت در مقابل شوک حرارتی بهتر هستند و در دماهای بالاتر از مواد کروم-آلومینا نرمتر می باشند. این مواد با موفقیت به عنوان بوته های ریخته گری استفاده شدند و نیز برای گلوی ورودی نازل(افشانه) موشک نیز به کار رفته اند. همچنین "Ryshkewitch" برای ترکیبی از بریلیا با 50 درصد حجمی فلز بریلیوم، استفاده برای عایق های حرارتی دمای بالا و مخروط های جلو برنده برای دستگاه های برنده را در نظر گرفت، با وجود اینکه این مواد شکننده و سمی می باشند.

 

3 -1-6- سرمت های اکسید زیرکونیوم:

زیرکونیا سرامیک دیگری است که می تواند برای بدست آوردن دیرگدازهای مفید به فلز متصل شود. حتی هنگامی که با مقادیر کمی از فلز مانند 5 تا 15 درصد تیتانیم، می تواند مواد مقاوم در برابر شوک حرارتی و محکم تولید کند. این مواد برای کاربردهایی نظیر بوته های ریخته گری برای ذوب فلزات کمیاب و واکنش دهنده مناسب می باشند. در صورتی که این اکسید مولیبدن ترکیب شود، سرمت حاصله دارای مقاومت در برابر پوسیدگی عالی در برابر فولاد ذوب شده، مقاومت در برابر حرارت های بالای عالی و حساسیت اندک به شوک حرارتی می باشد؛ به ویژه هنگامی که میزان فلز تقریباً 50 درصد حجم باشد. کاربردهای آن شامل پوشش های ترموکوپل برای اندازه گیری فلزات ذوب شده و قالب های اکستروژن مورد استفاده در شکل دهی فلزات غیر آهنی نیز می شود. سرمت های اکسید زیرکونیوم با مقدار کمی بیشتر سرامیک، مانند 60 درصد حجم، برای استفاده در بخش های مقاوم در مقابل سائیدگی مناسب می باشد.

 

3 -1-7- سرمت های اکسید توریوم:

"Cronin" مواد سرامیک-فلزی را توضیح داده است که میزان بسیار اندک توریا (اکسید بسیار پایدار توریوم با ضریب انبساط حرارتی زیاد و قابلیت هدایت حرارتی کم) با مولیبدن یا تنگستن ترکیب شده تا تعدادی از محصولات مورد استفاده در صنایع الکترونیکی را ایجاد کنند. عملیات P/M اصلی که بر روی پودرهای فلزی و اکسید انجام می گیرد شامل سرند کردن از میان سرند 325 مش، توزین، مخلوط سازی خشک، فشرده سازی، زینترینگ در اتمسفر کاهش داده شده(در 2000 درجه ی سانتیگراد، 3630 درجه ی فاز نهایت برای مولیبدن، و در دمای تقریباً بالاتری برای تنگستن) و ماشینکاری نهایی برای مشخص کردن اندازه ها و اختلافات، می باشد. این محصولات حالت استوانه ها و پوشش های دستگاه مگنترون ضربه ای پر قدرت را که می تواند چندین میلیون وات تحویل دهد را به خود می گیرند. آنها به شکل، دیسک های ساده برای استفاده در لوله های بسته ی تخلیه الکترونی(کلیسترون:لامپ الکترونی تخلیه شده در دستگاه های مایکروویو و نوسان ساز)، لوله های برگشت موج و تفنگ های با هدف خاص ساخته می شوند. در بعضی از کاربردهای با ولتاژ بالا، کاتدهای انتشار ترمیونیک(انتشار الکترون ها تحت تأثیر گرما) در گستره ی وسیعی از دما(1000 تا 1700 درجه ی سانتیگراد یا 1830 تا 3100 درجه ی فاز نهایت) عمل می کنند، ولی این گسترده برای کاتدهای لوله های معمولی کمتر است(تقریباً 1300 تا 1500 درجه ی سانتیگراد یا 2370 تا 2730 درجه ی فاز نهایت). به دلیل اینکه ThO2 در فلز دیرگداز به صورت پراکنده و به شکل فاز اندک ذرات ریز که به ندرت از 4 تا 5 درصد حجم تجاوز می کند حضور دارد، مواد درون سرمت معمولاً به صورت آلیاژ نوع پراکنده وجود دارند.

 

3 -1-8- سرمت های اکسید اورانیوم:

این سرمت ها در عناصر سوخت هسته ای در هسته راکتور استفاده مس شوند. این مواد متشکل از UO2 قابل شکافت به صورت پراکنده در زمینه ی آلومینیوم، فولاد ضد زنگ یا تنگستن زینتر شده می باشند. در بیانی ساده از سوخت اکسیدی، این سرمت ها گیرش بهتری به محصولات شکافت و قابلیت هدایت گرمایی بالایی دارند، که از ذوب شدن در دماهای بالای کار جلوگیری می‌کند، معمولاً برای اطمینان از اینکه زمینه ی فلزی مناسب پیوسته است و نیز برای محدود کردن قطرات از حجم نگه داشته می شوند. سرمت درون ساختارهای از جنس فولاد ضد زنگ مانند غلاف‌ها یا قالب ها نگهداری می شوند. جزئیات تولید سرمت های اکسید اورانیوم به روش متالوژی پودر در مرجع 51 آورده شده است ممکن است که UO2 از نظر خلوص متفاوت باشد، که به فرایند تولید آن بستگی دارد و نیز باید در آرایش استوکیومتری باشد. ذرات سرامیک نسبتاً درشت هستند و باید آنقدر قوی باشند تا بتوانند تاب تحمل کارهای بعدی را بدون گسیختن داشته باشند.

 

خلاصه مقاله فوق در نشریه شماره 88 قالب سازان آمده است.

نظرات

  • دیدگاه های ارسال شده توسط شما، پس از تایید در وب سایت منتشر خواهد شد
  • پیام هایی که حاوی تهمت یا افترا باشد منتشر نخواهد شد
  • پیام هایی که به غیر از زبان فارسی یا غیر مرتبط با خبر باشد منتشر نخواهد شد