بخشی از مقاله
چکیده
سختفلزهای گرادیانی WC-Co، تشکیل شده از لایه های سطحی مختلف که به وسیلهی کنترل ترکیب مواد سازنده و روشهای مختلف تفجوشی تولید میشوند، به طور گسترده در صنایع مرتبط با کاربیدها و مواد سخت استفاده میشوند. در تحقیق حاضر، نانوسختفلزهای گرادیانی سه لایه و شش لایهی WC-Co با روش تفجوشی پلاسمای جرقهای - SPS - ساخته شد.
از پودرهای کاربید تنگستن در ابعاد میکرومتری و نانومتری و نیز کبالت در اندازهی میکرومتری استفاده گردید. پودرهای حاضر با استفاده از روش آسیاکاری گلولهای و با درصدهای وزنی مختلف، مخلوط شده و پس از ریختن در قالب به صورت لایههای مجاور و اعمال پرس دستی، در دو دمای متفاوت در دستگاه SPS تفجوشی شدند. ریزساختار سختفلزهای گرادیانی ساخته شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی بررسی شد.
آزمون چگالیسنجی روی نمونهها انجام گرفت. نتایج نشان داد که حضور نانوذرات کاربید تنگستن تا یک حد مشخص در کنار ذرات میکرونی از همین پودر در لایههای مختلف این سختفلزها باعث افزایش چگالی نسبی و بهبود خواص ریزساختاری آنها میشود. تاثیر افزایش دمای تفجوشی در روش تفجوشی پلاسمای جرقهای نیز در این تحقیق بررسی شد. مشخص شد که افزایش دما تا میزان 1350°C منجر به بهبود خواص ریزساختاری نمونهها و افزایش چگالی آنها میگردد.
مقدمه
سختفلزها یا کاربیدهای سمانته، کامپوزیتهایی هستند که از دو جزء اصلی، حداقل یک فاز سخت و مقاوم به سایش - که در اغلب اوقات WCاست - و یک فاز نرم فلزی از فلزات گروه آهن - غالباً کبالت و آلیاژهای آن - تشکیل شدهاند. تولید این دسته از کامپوزیتها معمولاً با روش تفجوشی فاز مایع تولید می شوند.[1]کاربید تنگستن با ساختار کریستالی هگزاگونال، مادهای بسیار سخت و ترد است که دارای دمای تفجوشی بسیار بالایی است. به دلیل تردی و احتمال تفجوشی ذرات کاربید تنگستن در دماهای خیلی بالا، امکان استفاده این ذرات به طور مستقیم وجود ندارد. این ذرات باید قابلیت اتصال به یک دیگر را بدون کاهش عدد سختی، داشته باشند، از این رو برای تفجوشی این مواد نیاز به یک مادهی همگیر فلزی1 وجود دارد که همزمان با فراهم کردن پلاستیسیته خوب، نقطه ذوب و استحکام را نیز بهبود بخشد. این مادهی همگیر باید به نحوی به تفجوشی WC کمک کند که کمترین میزان کاهش سختی را در پی داشته باشد.
در بعضی موارد به جای کبالت از نیکل و آلیاژهای آن نیز به منظور بهبود خواص خوردگی سختفلز استفاده میشود. خواص منحصر به فرد این مواد، بسته به کاربردشان با تغییر اندازه ذرات WC - زیر میکرونی و چند میکرونی - ، میزان کبالت استفاده شده در ساختار در بازهی 2-30 درصد وزنی می تواند تغییر کند. در بسیاری از کاربردها، مانند کاربردهای ابزار برش فلزات از 8-20 درصد وزنی کاربید تیتانیم و کاربید تانتالم به منظور بالا بردن سختی داغ و بهبود خواص خزشی استفاده میشود.
برای ساخت این کامپوزیتها از روشهای متعددی طی سالیان طولانی استفاده شده است. روش هایی همچون HIP، HP، تفجوشی در کورههای با اتمسفر محافظ تاکنون استفاده شده است[4-7] که در این بین روش تف-جوشی پلاسمای جرقهای - SPS - یکی از بهروزترین و بهینهترین روش هاست.[8] در این روش عملیات تفجوشی و فشرده کردن پودر به طور همزمان انجام میشود. در فرایند SPS از جریان DC برای اعمال حرارت موضعی بین ذرات پودر استفاده میشود. نرخ گرمایش در این عملیات بسیار بالاست که این موضوع باعث کاهش زمان تفجوشی میگردد
از SPS میتوان برای ساخت مواد گرادیانی هدفمند2 نیز استفاده کرد. شماتیک فرایند SPS در شکل 1 نشان داده شده است.[11] مواد گرادیانی یا کامپوزیتهای گرادیانی در واقع کامپوزیتهایی هستند که تنوع و تغییر در ترکیب شیمیایی و ساختار آنها منجر به تغییرات در خواص مختلفشان میگردد. مواد گرادیانی برای کاربردهای خاصی طراحی شده اند و در بسیاری موارد تلفیق بی نظیری از خواص مختلف را دارند که در مواد بالک قابل دستیابی نمی باشد.
شکل .1 مسیر جریان پالسی DC و شار این جریان بین ذرات پودری .[11]
در پژوهش حاضر تلاش بر این است که گرادیانی از ترکیب شیمیایی در نمونه ها ایجاد گردد تا تاثیر این عامل روی خواص فیزیکی، ویژگی های تفجوشی و ریزساختار این پودرها مورد بررسی قرار گیرد. در این تحقیق از پودر کاربید تنگستن، در دو مقیاس نانو و میکرون، در زمینه کبالت استفاده شد و درصدهای مختلفی از سه نوع پودر کاربید تنگستن نانو و میکرون و کبالت در نمونه ها ایجاد شد.
در نهایت نمونهها تحت عملیات تفجوشی پلاسمای جرقه ای قرار گرفتند تا ترکیب و درصدهای وزنی که منجر به خواص بهینه می شود، مشخص گردد. علاوه بر این به منظور بررسی اثر دمای تفجوشی در فرآیند SPS از دو دمای مختلف 1200 °C - و - 1350 °C استفاده گردید تا تاثیر آن روی رفتار تفجوشی و ریزساختار کامپوزیت WC-Co مورد بررسی قرار گیرد. گفتنی است انتخاب این دو دما بر اساس دماهای پیشنهاد شده در منابع صورت گرفته است.
مواد و روش تحقیق
به منظور تولید نانوسختفلزهای WC-Co از پودر کاربید تنگستن و کبالت با اندازه ذره زیر 3-5 میکرون و از پودر کاربید تنگستن با اندازه ذره 55 نانومتر استفاده گردید. در ابتدا ترکیبات مختلفی از کاربید تنگستن در دو مقیاس نانو و میکرون و کبالت در مقیاس میکرون تهیه شد. ترکیبهای تهیه شده، لایه های مختلفی است که با قرارگیری آنها در کنار هم و زینتر شدن با روش SPS کامپوزیتهای گرادیانی ساخته شدند.
شکل 2 ترتیب لایهچینی سری اول نمونهها را نشان میدهد. این سری از نمونه ها دارای 6 لایه مجزا میباشند که درصد وزنی پودرهای مختلف به صورت گرادیانی در آن تغییر میکند. دمای تفجوشی برای این سری از نمونهها 1200 °C میباشد. شکل 3 شماتیکی از سری دوم نمونه ها را نشان میدهد که در دمای 1350 °C تفجوشی شده و شامل چهار نمونه 6 لایه با ترکیب گرادیانی میباشد. - به منظور سهولت در رسم شکلهای 2-3 و 3-3 از علائم اختصاری WCn و WCm به منظور نشان دادن به ترتیب پودر کاربید تنگستن نانو و میکرون استفاده گردید. -
