بخشی از مقاله
در این تحقیق به بررسی واکنشهای بین ایلمنایت و آلومینیم جهت تعیین اولین مرحله از واکنش های سیستم ایلمنایت، آلومینیم و گرافیت به منظور تولید کامپوزیت های Al2O3-TiC/Fe پرداخته شده است . برای این منظور ایلمنایت خالص تهیه شد . سپس با نسبت مولی2:1 با آلومینیم مخلوط و پس از پرس، در دماهای بحرانی حاصل از آنالیز DTA، مورد عملیات حرارتی قرار گرفت. مشخص شد در ابتدا آلومینیم ذوب میشود و در ادامه با ایلمنایت واکنش میکند. در مراحل ابتدایی واکنش ایلمنایت و آلومینیم، آهن، تیتانیم و آلومینا شکل می - گیرد. با گذشت زمان، ذرات کروی Fe2Ti در ساختار زمینه آلومینا و تیتانیا ایجاد میشود.
کلمات کلیدی: ایلمنایت، آلومینیم، کامپوزیتهایFe-TiC/Al2O3
مقدمه
امروزه کامپوزیتهای Al2O3/TiC به عنوان ابزار برش، جهت ماشین کاری سریع فولاد و چدن مورد توجه قرارگرفتهاند .[1] این دسته از مواد قابلیت ماشینکاری با سرعتهای بالا و تولید سطحی مناسب از ماده برش یافته را ایجاد میکنند .[2] افزایش TiC به Al2O3، موجب افزایش چقرمگی محصول میشود [3]، با این وجود همچنان پایین بودن چقرمگی کامپوزیتهای[5 ,4] Al2O3/TiC از معایب این دسته از مواد به شمار میآید. مشخص شده است که افزودن فلزی چون آهن به این کامپوزیتها، افزایش استحکام کششی و چقرمگی را به همراه خواهد داشت .[7 ,6]
کامپوزیتهای Al2O3/TiC را با روشهای مختلفی چون سنتز احتراقی TiO2، Al و [8] C، استفاده از پودرهای تیتانیم در کنار آلومینیم و کربن [10 ,9] و زینتر پودرهای TiC و [3] Al2O3 تولید می کنند . از آنجا که روش های سنتی تهیه این کامپوزیتها مستلزم صرف هزینه و انرژی زیادی است، اگر بتوان از روش و یا مواد اولیه ارزانقیمت جهت تولید این نوع از کامپوزیتها استفاده کرد، هزینه تمامشده محصول نهایی به شدت کاهش خواهد یافت. برای این منظور تولید درجای این کامپوزیتها از روش سنتز احتراقی ایلمنایت، آلومینیم و کربن مورد بررسی قرار گرفته است .[16-11] روش سنتز احتراقی به علت مصرف پایین انرژی روشی مقرون به صرفه به حساب می آید .[17]
از طرف دیگر، ایلمنایت، ماده اولیه ارزانقیمتی است که تیتانیم و آهن را به صورت درجا در خود دارد. بعلاوه، بر اساس واکنش 1، امکان تولید کامپوزیت Al2O3/TiC-Fe به صورت درجا وجود دارد چرا که دمای آدیا باتیک این سیستم، 2472/7œC است که بالاتر از حد مرژانف - Tad>1527œC - است، در نتیجه این سیستم میتواند به صورت سنتز احتراقی خود پیش رونده انجام شود .[17] مکانیزم روشنی برای واکنش سیستم ایلمنایت، آلومینیم و کربن، با نسبت مولی واکنش 1 جهت تولید کامپوزیت TiC/Al2O3-Fe موجود نیست. از یک طرف تعداد بسیار محدودی تحقیق انجامشده بر روی مکانیزم این سیستم انجام شده است و از طرف دیگر، در بین مکانیزم های مطرحشده نیز تناقضات و ابهاماتی وجود دارد . برای مثال در مکانیزم ارائهشده توسط [12] Zou، که - Self propagating High temperature Synthesis - SHS
را بر روی سیستم سهتایی ایلمنایت، آلومینیم و گرافیت اعمال کرده است، اثری از نقش و نحوه حضور آهن موجود نیست و همچنین اسمی از آلومینای تولیدی به میان نیامده است. بعلاوه در این تحقیق به مراحل میانی توجهی نشده است و تمامی نتیجه گیریها تنها بر اساس نتایج نمونه، قبل و بعد از واکنش انجام شده است. [15] Tang نیز با اعمال عملیات حرارتی در دماهایœC 700 تا 1400 & بر روی سیستم فوقالذکر، نتایجی را مطرح کرده است که در مواردی صحیح به نظر نمی رسند . برای مثال،احتمالاً در تشخیص نوع فازهای میانی دچار اشتباه شده است . همچنین با وجود اتمام آلومینیم، ادامه برخی از فرایندها را ناشی از واکنش بعضی ترکیبات با آلومینیم می داند. لذااحتمالاً نمیتوان به نتیجهگیریهای انجامشده در این تحقیق نیز به طور قطعی تکیه کرد. سایر محققین نیز چندان به مکانیزم این سیستم نپرداختهاند. در چنین شرایطی لزوم پرداخت به جزئیات و با دقیق بیشتر بر روی مکانیزم این سیستم درک می شود . از طرف دیگر از مطالعات انجام شده این گونه برمیآید که اولین مرحله واکنش ایلمنایت، آلومینیم و گرافیت، واکنش ایلمنایت و آلومینیم است . لذا هدف این پژوهش، تعیین روند و توالینسبتاً دقیق واکنشها و مکانیزم و عوامل و علل انجام آنها در سیستم دوتایی ایلمنایت و آلومینیم تعریف شده است.
برای رسیدن به این هدف، در ابتدای امر، ایلمنایت خالص تهیه شد تا در اولین قدم از ورود تأث ری ناخالصی ها بر مکانیزم واکنشها جلوگیری شود. سپس مخلوطی با نسبت مولی2:1 از ایلمنایت و آلومینیم تهیه و تحت آنالیز DTA قرار گرفت تا دماهای بحرانی و رفتار حرارتی سیستم تعیین شود. مشخص شد که با افزایش دما تا 1200 &، ابتدا یک پیک گرماگیر و در ادامه، یک پیک گرماده در سیستم ایلمنایت، آلومینیم اتفاق میافتد. از مخلوط پودری فوقالذکر، نمونههای پرس شده به شکل استوانه، در دماهای بحرانی تعیین شده، مورد عملیات حرارتی قرار گرفت. مشخص شد در ابتدا آلومینیم ذوب میشود و در ادامه با ایلمنایت واکنش میکند. در مراحل ابتدایی واکنش ایلمنایت و آلومینیم، آهن، تیتانیم و آلومینا شکل میگیرد. با گذشت زمان، ذرات کروی Fe2Ti در ساختار زمینه آلومینا و تیتانیا ایجاد میشود.
-2 روش انجام تحقیق روش انجام تحقیق در دو مرحله بیان میشود: .1-2 تولید ایلمنایت خالص تولید ایلمنایت بر اساس واکنش 2 انجام گرفت: برای نیل به این هدف، 3/78 گرم پودر آهن - با خلوص %99/5 و اندازه ذرات کمتر از 10 ʽm تهیه شده از شرکت - Merck با5/41 گرم پودر TiO2 - با خلوص %98 و اندازه ذرات کمتر از 45 ʽm ته هی شده از شرکت Crimea Titan
- PJSC و 10/81 گرم پودر Fe2O3 - با خلوص %96/5 و اندازه ذرات کمتر از 64 ʽm تهیه شده از شرکت Crimea - Titan PJSC مخلوط و برای مدت زمان 20 دقیقه در فست میلی با 400 rpm در
محفظه آلومینایی حا وی 16 کره
آلومینایی با متوسط اندازه گلوله20 میلیمتر مخلوط شد. نسبت گلوله به پودر - Ball to Powder Ratio - - BPR - برابر - 1:5 - در نظر گرفته شد. پس از فرایند آسیاکاری، پودرهای مخلوط شده درون قالبی با قطر 1 سانتیمتر تحت فشار 40ton/cm2 متراکم شد تا سطح تماس مناسبی بین ذرات مواد اولیه ایجاد شود. در مرحله بعد نمونههای به دست آمده برای مدت زمان 48 ساعت در دمای 1100 œC و اتمسفر آرگون در سیستم طراحیشده شکل 1 قرار گرفت. سیستم طراحیشده شکل 1 جهت حذف ناخالصیهای آرگون طراحی و استفاده شد. گاز آرگون با عبور از کوره ای
