اثرات نرخ گرمایشی و چسبندگی فلزی بر ریزساختار و خواص مکانیکی شیب خود نفوذی مواد ابزار کامپوزیتی سرمتی

با افزایش نیاز صنعتی برای استفاده از مواد کار آمد و نوین امروزی و با توجه به قابلیت اطمینان بالا ، امروزه از این مواد به منظور ابزار برشی با استحکام بالا استفاده می شود . از این رو برای پیشرفت کردن و بالا بردن خواص مکانیکی از نظیر سختی گرم بالا ، مقاومت در برابر اکسیداسیون و … مورد بحث قرار می گیرند . هر چند همیشه بین افزایش استحکام و سختی بین مواد تضادی وجود دارد . مطالعه و عملکرد گرادیان کامپوزیت ها یک رویکرد خوب برای مواد ابزار به منظور رسیدن به استحکام خمشی و سختی در سطح ابزار برشی می باشد . ابزارهای برشی از جنس کاربیدسمنتیت که به روشهای رسوب بخار فیزیکی (PVD) و رسوب بخار شیمیایی (CVD) پوشش داده شده اند دارای مقاومت به سایش عالی و سختی سطحی بالایی هستند .

هرچند پوشش ابزارهای برشی می تواند توسط ماشینکاری مواد سخت از بین برود .

فلزات سخت با پایه ی فلز تیتانیوم Ti(C,V) بعنوان مواد ابزار برشی بدلیل مقاومت در برابر سایش خوب و قابلیت اطمینان بالا استفاده می شوند .

مزیت های مواد ابزار سرمتی تیتانیوم Ti(C,V)نسبت به مواد ابزار ساخته شده با فلزات سخت مثل کاربیدتنگستن در این است که سرمتهای تیتانیومی دارای تراشکاری عالی ، سطح مطلوب پایانی ،ابعاد هندسی دقیق ، توانایی برش تغذیه و هزینه تولید پایینی هستند ، و این مواد از نظر کارآیی برشی همیشه باهم در رقابتند .

استحکام ، سختی و چقرمگی کامپوزیتها می تواند با تغییر ترکیب شیمیایی آن ها تغییر کند به عبارتی به طور معمول استحکام و سختی افزایی و مقاومت و چقرمگی آنها کاهش می یابد و یا برعکس .

آقای Lin و همکاران [5]  سرمت های پایه تیتانیومی با مقاومت خمشی بالای 2210Mpa و چقرمگی بالای 10.1 mpa  بدست آورند . این در شرایطی بود که سختی ویکرز بدست آمده کمتر از 14.7 mpa بوده است.

سرمت T_iB₂یکی از بهترین مواد برای ساخت وسایل و ابزارالات برشی می باشد که دارای ضرایب اصطحکاک کم ، سختی گرم بالا و چسبندگی پایینی با فولاد در دماهای بالا می باشد .

ولی T_iB₂دارای توانایی ضعیفی در زینتر شدن بدلیل ضریب نفوذ در خود نسبتاً پایین و پیوند کوالانسی می باشد . (بعبارتی T_iB₂نمی تواند از طریق پخت و زینتر شدن خواص مکانیکی و … خود را افزایش دهد زیرا نفوذ در آنها به سختی صورت می پذیرد ).

از این رو برخی از مواد افزودنی پخت سرامیک همچون کاربید تیتانیم (Tic)  ، کاربیدوانادیوم (VC) و کاربید سیلیسیم (Sic) به کامپوزیت های پایه T_iB₂اضافه می شوند تا دانسیته و توانایی برشی آن را افزایش دهند.

در مرجع [10] آقای Vallary  و همکارانشان نشان می دهند که چسبندگی مطلوب بین صفحه (111) شبکه کاربید تیتانیم و صفحه (0001) به چقرمگی مواد کامپوزیتی Tic –TiB2 کمک می کند . زئو و همکارانش در مرجع [8] بدست آورده اند که افزودن 3.2 درصد کاربید وانادیوم (VC)  به کامپوزیت TiB2-Tic-Al2O3 باعث ریز شدن دانه ها شده که این ریز شدن دانه ها باعث ایجاد ساختار همگن و سوزنی اصلاح شده می شود . دانسیته مواد ، ساختار و خواص مکانیکی وابسته به فرآیند پخت و میزان عنصر آلیاژی (عنصری که توسط نفوذ به داخل شبکه مواد کامپوزیتی خواص آنها را تغییر دهد ) می باشد . به طور کلی مواد افزودنی فلزی مانند نیکل [12]  ، کبالت [13] و مولیبدن [14]  در کامپوزیت های سرمتی برای افزایش توانایی رسوب ، کاهش دمای پخت و بالا بردن خواص مکانیکی کامپوزیت ها در بیشتر سرمتهای پایه تیتانیوم Ti(C,V)  استفاده می شود .

فاز چسبنده و اتصال دهنده عمدتاً از نیکل یا کبالت تشکیل می شوند که این دو عنصر نقش بسیار مهمی در سختی محلول جامد خواص و عملکرد سرمتها دارند .

دیویس و همکاران در مرجع [12] بدست آورده اند که عنصر نیکل (Ni) ، متال بایندر مرجع برای ترکیبات Tic + TiB2 می باشد .

کانفورتو و همکاران در [16] به یک منطقه بسیار بی نظم در مقیاس نانومتریک در نزدیک سطح مشترک با هسته ی دانه ی تیتانیوم متخلخل اشاره کرده اند که این بی نظمی سدی در برابر دیفوزیون اتم ها از هسته می باشند .

آقای ژارگ در [17] نشان داد که بافت سرامیک با افزودن میزان مولیبدن به Ti(C,V) ریز دانه می شود .آنها مشاهده نمودند که با افزایش مولیبدن ، قابلیت ترشوندگی بین فاز سرامیک و فاز فلزی افزایش می یابد .

و متال بایندرها ( مثل نیکل و مولیبدن ) کنترل رشد دانه در طول مرحله ی زینترینگ را به عهده دارند .

این مواد (متال بایندرها) در دماها و فشارهای بالا در طول زمان پخت منجر به تغییرات قابل توجهی در خواص مکانیکی میشوند . علاوه بر آن شرایط زینترینگ و حالت آلیاژ بعد از عملیات زینترینگ میزان عملکرد برشی کامپوزیت ها را نشان می دهد .

آقای رجبی و همکاران در [18]  بدست آورده اند که افزایش دمای پخت کمی بالاتر از 1430  درجه سانتیگراد منجر به تجزیه ی نیترید تیتانیوم شده که این امر باعث کاهش خواص مکانیکی سرمتهای تیتانید می شود.

آقای Wary در [19]  بدست آورده است که بهترین نوع زینتر کردن برای سرامیک T_iB₂ ، دمای بالا و زمان پخت کوتاه می باشد .

این روش تا زمانی که عملیات و زمان زینترینگ منجر به ریشه و دانه بشود ، ادامه دارد .

در مرجع [19,20] سرمت ها با ریز ساختار خوب وخواص مکانیکی توسط عملیات بهینه سازی ، مورد بررسی قرار گرفته است . در اینجا دمای زینترینگ و زمان نگهداری و همچنین تأثیرات مواد چسبنده فلزی برای ایجاد گرادیان نفوذ در خود کامپوزیت ها مطالعه شده است و گزارشی در این رابطه ارائه شده است .

در اینجا شیب نفوذ در خود کامپوزیت ها با میزان متفاوت از ماده چسبنده نیکل که در نرخ های گرمایشی متفاوت ایجاد می شود مورد بررسی قرار می گیرد همچنین مشخص می شود که این متغیرها چه تأثیری روی خواص مکانیکی کامپوزیت ها دارند .