پایان نامه رشته مهندسی مواد و متالوژی
سال 1386
چکیده:
سرمت های 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.
در این پروژه تولید سرمت های کاربید تیتانیوم زمینه فولادی مد نظر است و هدف این پروژه افزایش مقاومت به سختی در حرارت بالا می باشد.
فصل اول:تعریف و طبقه بندی 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)
جدول 1 :تاریخچه ای ا ز توسعه تولیدات سرمت وبازا ریابی آنها
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. بعضی ها بطور اقتصادی در طیف وسیعی از کاربردها که شامل ابزارهای ماشین کاری گرم، شفت ها و بدنه در پوش لوله های فلزی، اجزاء شیر فلکه و بخش های پوشاننده، لوله ها و فازل ها در معرض دماهای بسیار بالا، اجزاء موتور موشک، گیره های کوره و عناصر اصلی آن، چرخ های ساینده و سرمت های شامل الماس و دندانه های اره، می شود. بکار می روند.
یکی از کاربردهای مهم سرمت ها شامل مواد ابزار برش می باشد که از TiC یا TiC,N به عنوان فاز به شدت دیرگداز استفاده می کند. همچنین کاربید مولیبدن(MO2C) و دیگر کاربیدها بر اساس فرمول بندی این سرمت ها ساخته می شوند. مقاومت به خوردگی و سایش لبه و دیواره مواد ابزار ساخته شده از سرمت TiC و TiC,N بهتر از همین خواص متعلق به ابزارهای کاربیدهای سمانته شده معمول(که کبالت مخلوط با کاربید تنگستن است) می باشد. در مقایسه با ابزارهای برش سرامیکی، این سرمت ها اجازه ی برش سنگین را دارند که در سرعت بالا، نتیجه ی آن میزان بیشتری از فلز حذف شده در سطوح قابل مقایسه با عمر ابزار است. به روشنی سرمت ها دارای ویژگی های مواد ابزار برش هستند که قادر است فاصله بین کاربیدهای سمانته شده معمولی و سرامیک ها را پر سازد.
یکی از کاربردهای صنعتی سرمت احیاگری مکانیکی است. یکی از نتایج حاصل از بازرسی‌های CM و خصوصاً آنالیز روغن وجود درصد بالای فلز در روغن آنالیز شده و نشان از وجود خوردگی فلزی است که در سطوح درگیر رخ می دهد.
سرمت که ماده ی ترکیبی از سرامیک و فلز است طبق تکنولوژی نوینی که در چند کشور جهان به ثبت رسیده است ساخته شده که به محلهای خوردگی همراه روانکار(روغن یا گریس) تزریق می شود.در صورتی که محیط انرژی لازم یعنی دما و فشار مناسب را جهت واکنش ها داشته باشد، سرمت باعث می شود ذرات فلز موجود در ماده روانکار به سطوح خورده شده باز گشته وبه مرور زمان خوردگی ترمیم شده و علاوه بر آن سطحی بسیار صیقلی حاصل می شود.
در این روش نیازی به توقف تجهیز نبوده و تعمیر در حین کار و بهره برداری عادی تجهیز صورت می پذیرد.
اصطلاح "Revitalization" از واژه لاتین(vita) به معنی زندگی گرفته شده و به معنای احیای مجدد است. کشف پدیده احیا گری مبتنی بر فرایندهای فیزیکی و شیمیایی انحصاری است که تحت شرایط ویژه ای در ناحیه ی دارای اصطکاک رخ می دهد.
سرمت که ترکیبی از دو نام سرامیک و فلز است و حاوی یک نوع ماده اولیه و یک کاتالیزور است، انرژی اضافی حاصل از اصطکاک گرما و فشار را صرف تشکیل سطحی جدید بر روی قطعات می کند. فرایند احیاگری به محض آنکه شکل هندسی قطعه(یا قطعات دستگاه) ترمیم شده و به شکل اولیه بازگردد،پایان می یابد. با انجام عملیات احیاگری قطعاتی که در تماس با یکدیگر هستند با هم کاملاً انطباق می یابد. پس از احیاگری سطوح قطعات به مانند شیشه صیقلی می گردد.ضخامت این لایه های باز سازی شده بر روی قطعات فرسوده پمپها چند میکرون، در مورد موتور خودروها تا دهها میکرون و بر روی چرخ دنده ها تا صدها میکرون می رسد.
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.
منابع و مأخذ:
1- عبادزاده . تورج ، کاربیدها ، موسسه دانش پویان جوان ، سال 1385، صفحات165-89.
2- فریتس وی .لنل ، متالورژی پودر ، مترجم دکتر پروین عباچی ، موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف ، 1381 ، 471-137.
3- ASTM Committee C-21, “Report of Task Group B on Cermets,” American Society for Testing and Mater als, 1955.
4- J.R. Tinklepaugh and W.B. Crandal Chapter 1 in Cermets, Reinhold, 196.
5- E.C. Van Schoick, Ed., Ceram Glossary, The Ceramic Society, 1963.
6- P. Ettmayer and W. Lengauer, The Story of Cermets, Powder Metall. Int vol 21 (No. 2), 1989, p 37-38.
7- R. Kieffer and F. Benesovsky, Har metalle, Springer- Verlag, 1965, p 43-489.
8- E. Rudy, Boundary Phase Stabilit and Critical Phenomena in Higher Oder Solid Solution Systems, J. Lest Common Met., Vol 33, 1973, p 43-70.
9- F. V. Lenel, Powder Metallurgy, Prit ciples and Applications, Metal Powde Industry Federation, 1980.
10- P. Popper, Isostatic Pressing, Britis Ceramic Research Association, Her den & Sons Ltd., 1976.
11- R. Kieffer and P. Schwarzkopf, Har stoffe and Hartmetalle, Springer- Verlag, 1953.
12- C. G. Goetzel, Infiltration Process, in Cermets, Reinhold, 1960, p 73-81.
13- T.D. Claar, W.B. Johnson, C.A. Anderson, and G.H. Schiroky, Microstructure and Properties of Platelet Reinforced Ceramics Formed by the Directed Reaction of Zirconium with Boron Carbide, Ceram. Eng. Sci. Proc., Vol 10(No. 7/8), 1989.
14- C. G. Goetzel and L.P. Skolnick, Some Properties of a Recently Developed Hard Metal Produced by Infiltration, in Sintered High- Temperature and Corrosion- Resistant Materials, F. Benesovsky, Ed., Pergamon Press, 1956, p 92-98.
15- M. Humenik, Jr. and T.J. Whalen, Physiochemical Aspects of Cermets, in Cermets, Reinhold, 1960, p 6-46.
16- C. G. Goetzel, Titanium Carbide- Metal Infiltrated Cermets, in Cermets, Reinhold, 1960, p 130-146.
17- L.J. Cronin, Refractory Cermets, Am. Ceram. Soc. Bull., Vol 30, 1951, p 234-238.
18- L.J. Cronin, Electronic Refractory Cermets, in Cermets, Reinhold, 1960, p 158-166.
19- A.N. Holden, Dispersion Fuel Elements, Gordon & Breach, 1967, p 80-91, 152-167.
20- P. Loewenstein, P.D. Corzine, and J. Wong, Nuclear Reactor Fuel Elements, Interscience, 1962, p 393-394, 396-398.
21- L.E. Murr, A.W. Hare, and N.G. Eror, Metal-Matrix High- Temperature Superconductor, Adv. Mater. Process. Vol 132(No. 4), Oct 1987, p 36-44.
22- J. Wambold, Properties of Titanium Carbide- Metal Compositions, in Cermets, Reinhold, 1960, p 122-129.
23- G.C. Deutsch, The Use of Cermets as Gas-Turbine Blading, in High-Temperature Materials, John Wiley, 1959, p 190-204.
24- H.W. Lavendal and C.G. Goetzel, Recent Advances in Infiltrated Titanium Carbides, in High Temperature Materials, John Wiley, 1959, p 140-154.
25- M. Epner and E. Gregory, Titanium Carbide-Steel Cermets, in Cermets, Reinhold, 1960, p 146-149