بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش پودرهای سرامیکی آلومینا و سیلیکون کاربید از طریق فرآیند آلیاژسازی مکانیکی به مدت زمان های 5 ،10 و 20 ساعت تحت خردایش قرارگرفتند. به این منظور پودرهای اولیه آلومینا و سیلیکون کاربید با استفاده از آسیای گلوله ای سیاره ای تحت اتمسفرگاز آرگون با نسبت گلوله به پودر1:10 آسیاکاری شدند. تغییرات ساختاری و تغییر اندازه ذرات پودرهای سرامیکی پس از آسیاکاری مکانیکی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد مطالعه قرارگرفت.
نتایج تحقیق نشان داد که با افزایش زمان آسیاکاری تا 20 ساعت اندازه ذرات سرامیکی آلومینا و سیلیکون کاربید از ابعاد تقریبی اولیه 300 میکرون به زیر1 میکرون کاهش یافت و ساختارهای نانو ذرات نیز مشاهده شد. هم چنین نشان داده شد که تغییر اندازه گلوله ها در فرآیند آسیاکاری تاثیر چشمگیری بر خردایش ذرات پودری ندارد.
-1 مقدمه
سرامیک های پیشرفته شامل سرامیک های اکسیدی و کاربیدی و نیتریدی و بورایدی هستند که اغلب این سرامیک ها به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی و فیزیکی در دمای بالا بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. آلومینا و سیلیکون کاربید به دلیل دارا بودن خواص دما بالا و هم چنین سختی و مقاومت به سایش بالا در ساخت موتور اتومبیلها، اجزای سازنده موتور توربین و جت، ایمپلنتهای جراحی و همچنین به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت های فلزی کاربرد دارند
در فرآیند آسیاکاری ذرات پودر به صورت پیوسته مسطح، شکسته و دوباره جوش می خورند. ضربات مداوم گلوله های متحرک انرژی زیادی به این ذرات وارد میکند به طوریکه تغییر شکل ذرات برای - فازهای نرم - و یا شکست آن ها - برای ذرات ترد - را موجب می شود. با ادامه فرآیند، ذرات کار سخت می شوند و تحت مکانیزم خستگی می شکنند. با کار سخت شدن ذرات تمایل به شکست بر جوش خوردن غالب می شود و بنابراین اندازه ذرات به تدریج کاهش می یابد. به طور همزمان ساختار ذرات ریز و ریزتر می شوند به طوریکه اندازه کریستال ها به حد نانومتر میرسد. برحسب نوع ماده اولیهو شرایط آسیا، پس ازگذشت زمان نسبتا طولانی، تعادل بین مکانیزم های جوش خوردن و شکست برقرار می شود که در این حالت اندازه ذرات به حد پایدار می رسد و فرآیند به حالت اشباع می رسد. اما باید درنظر داشت که اگر زمان آسیا کاری از حد لازم بیشتر گردد، موجب افزایش سطح آلودگی و تشکیل بعضی فازهای ناخواسته می شود. بنابراین مطلوب است که پودر فقط در طول مدت زمان مطلوب آسیاکاری شود
در حین آلیاژسازی مکانیکی، علاوه بر ایجاد محلول جامد امکان بوجود آوردن ساختاری در حد نانومتری وجود دارد. نشان داده شده است که دانه های با اندازه نانو تقریبا در هر ماده ای پس از زمان مشخصی آسیا کردن قابل دستیابی است . هم اکنون آلیاژسازی مکانیکی به سرعت درحال تبدیل شدن به یک روش تولید صنعتی است و بسیاری از مواد در تولید انبوه به این شیوه تهیه می گردند. نانوذرات طیف وسیعی از مواد را در بر میگیرند که نانوذرات سرامیکی متداولترین و پرکاربردترین آن ها می باشد.
عدم تغییر شکل پلاستیک سرامیک ها به دلیل ویژگی های ساختاریشان نادیده گرفته شده است که هم اکنون این موضوع در طبقه بندی سرامیک ها مورد توجه قرارگرفته است .[5] واضح است که آسیاکاری مکانیکی منجر به سریعتر شدن نرخ تغییر اندازه دانه در مراحل اولیه آسیاکاری در مقایسه با مراحل انتهایی می شود .
زبرجدی و همکارانش با تحقیق بر روی ریز ساختارکامپوزیت Al-Al2O3 دریافتند که با افزایش زمان آسیاکاری، ذرات آلومینا ریز شده و توزیع یکنواختی خواهند داشت. شن و همکاران [9] از روش آلیاژسازی مکانیکی برای بررسی میزان کاهش اندازه دانه و کرنش شبکه و ایجاد کامپوزیت Fe-SiC استفاده کردند. آن ها مشاهده کردند که در مراحل اولیه آسیاکاری اندازه کریستال کاهش می یابد، درحالی که کرنش شبکه شدیدا افزایش می یابد. اما بعد از گذشت مدت زمان نسبتا طولانی کاهش اندازه ذرات آهن و سیلیکون کاربید نسبتا ضعیف می گردد. با توجه آنچه ذکر شد در رابطه با اهمیت نانوذرات، در این پژوهش به منظور دستیابی به ذرات سرامیکی در مقیاس نانومتری و بررسی ساختار آنها، اثر زمان آسیاکاری و اندازه گلوله ها مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مواد و روش تحقیق
در این پژوهش از پودرهای سرامیکی آلومینا و سیلیکون کاربید با اندازه ابعاد متوسط 300µm و با خلوص بالای %99 استفاده شد. خواص فیزیکی و مکانیکی پودرهای سرامیکی مورد استفاده در تحقیق در جدول 1 بیان شده است. شکل 1 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی پودرهای اولیه قبل آسیاکاری را نشان می دهد.
با توجه به شکل 1 پودرهای سرامیکی آلومینا و سیلیکون کاربید اولیه دارای ساختار چند ضلعی و نامنظم هستند. ابتدا 10 گرم از نمونه های پودری به طور جداگانه وزن شدند و در آسیای گلوله ای سیاره ای با سرعت 250 دور بر دقیقه تحت اتمسفر گاز آرگون آسیاکاری شدند. نسبت وزنی گلوله به پودر1:10 انتخاب شده و از 3 گلوله 3 سانتی متری معادل وزن 100 گرم برای خردایش پودرها استفاده شد. جنس گلوله های مورد استفاده از فولاد کروم سخت شده و جنس محفظه اسیاکاری از فولاد زنگ نزن می باشد. برای جلوگیری از جوش بین ذره ای و آگلومره شدن پودرها از2 درصد وزنی اسید استئاریک به عنوان عامل کنترل فرآیند استفاده شد.
عملیات آسیاکاری برای هر نمونه پودری به مدت زمان 5،10و20 ساعت تکرار شد. برای جلوگیری از افزایش بیش از اندازه دما، پس از 30 دقیقه کار دستگاه به مدت 30 دقیقه در حالت استراحت قرار می گرفت. برای 2 نمونه پودری آلومینا و سیلیکون کاربید 20 ساعت آسیاکاری شده، اندازه گلوله های مورد استفاده برای بررسی اثر اندازه گلوله ها بر کاهش اندازه ذرات تغییر یافت. جهت بررسی مورفولوژی ذرات و اندازه آن ها از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد.
جدول :1 خواص فیزیکی و مکانیکی پودرهای سرامیکی مورد استفاده در تحقیق
شکل :1 پودرهای اولیه قبل از آسیاکاری الف - آلومینا ب - سیلیکون کاربید
-3 نتایج و بحث -3-1 بررسی مورفولوژی و اندازه ذرات پودرهای آسیاکاری شده
تصاویر ریزساختارمیکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه های آسیاکاری شده طی زمان های مختلف با اندازه گلوله های متفاوت به منظور بررسی مورفولوژی پودرها تهیه شد. شکل 2 و 3 به ترتیب نشانگر مورفولوژی پودرهای سیلیکون کاربید و آلومینا در زمان های متفاوت آسیاکاری می باشد. همان طور که مشاهده می شود
