بخشی از مقاله
چکیده:
کاربیدهاي سمانتهي WC-Co از پرمصرفترین ابزارهاي برشی موجود در صنعت بوده که با استفاده از تکنیک متالورژي پودر و با صرف زمان و هزینه بالا تولید میشوند. در این تحقیق به منظور صرفهجویی در هزینه مواد اولیه و پروسه تولید، بجاي استفاده از مواد اولیه کاربیدي از مواد اولیه عنصري استفاده شده و فاز کاربیدي در حین فرآیند زینترینگ و توسط واکنش سنتزاحتراقی تولید گردید. بررسیهاي انجام شده نشان می دهد که نسبت C/W تاثیر زیادي بر نوع فاز و خواص محصول نهایی - از قبیل چگالی، اشباعمغناطیسی، نیروي پسماندزدا، سختی و تخلخل - دارد. در این تحقیق محدوده مجاز نسبت C/W که منجر به تولید کامپوزیت WC-Co با تخلخل، ریزساختار و خواص مطلوب گردید در محدوده 0/994 – 1/01 گزارش شد.
1. مقدمه:
کامپوزیت WC-Co بهدلیل دارا بودن سختی بالا، مقاومت سایشی خوب، شوك پذیري و چقرمگی مطلوب کاربردهاي بسیار زیادي در ابزارهاي برشی، ابزار آسیاکاري و قالبهاي پرس پودر یافته است. در این دسته از مواد، جز سخت کاربیدي توسط فاز نرم کبالت به یکدیگر چسبانده شده است که این امر سبب نامیدهشدن این کامپوزیت با نام "کاربیدهاي سمانته" شده است .[3-1] روش مرسوم تولید کاربیدهاي سمانته، متالورژي پودر است.
این روش، روشی قدیمی بوده که از نزدیک به هشتاد سال پیش براي تولید این مواد استفاده میشود .[3 ,1] با توجه به قیمت بالاي فاز WC و دماهاي بالاي مورد نیاز در حین تفجوشی کامپوزیت WC-Co در فرآیند متالورژي پودر، تحقیقات محققین معطوف به یافتن مواد اولیه ارزان قیمت و تکنیکهاي سادهتر گردیده است .[6-4] یکی از این تکنیکها، سنتز احتراقی1 میباشد که امکان استفاده از مواد اولیه عنصري را فراهم میآورد .[8 ,7]
سنتز احتراقی یا سنتز خودپیشرونده دما بالا2، فرآیندي است که در آن از گرماي تولیدي در حین واکنش، براي تولید مواد متنوع استفاده میشود. این فرآیند با غلبه بر سد انرژي اکتیواسیون آغاز شده و پس از آغاز، گرماي کافی براي پیشرفت واکنش به صورت خود پیشرونده، تولید میگردد. عمده مزایاي روش سنتز احتراقی عبارتند از: کاهش شدید مصرف انرژي به علت گرمازا بودن واکنش، خلوص بالاي محصولات تولیدي به دلیل خروج ناخالصیهاي فرار در دماهاي بالا، سرعت بالاي تولید محصول و استفاده از تجهیزات ساده و ارزان .[12-9] هر چند که گرمازا بودن یک واکنش، شرط لازم براي انجام سنتز احتراقی است ولی طبق معیار مرزانوف، تا هنگامی که در یک سیستم، دماي آدیاباتیک - Tad - 3 کمتر از 1800 K باشد سیستم از لحاظ انرژي خودکفا نبوده و سنتز احتراقی رخ نمیدهد.
[12 ,10] با توجه به گرمازابودن واکنش شیمیایی ما بین تنگستن و کربن، استفاده از روش سنتز احتراقی براي تولید قطعات WC-Co منطقی به نظر میرسد. هدف از پژوهش حاضر، بررسی امکان تولید کاربید سمانته WC-11%Co از مخلوط مواد اولیه عنصري - تنگستن، کربن و کبالت - با استفاده از روش سنتز احتراقی و تعیین میزان بهینه نسبت C/W براي نیل به محصولی با خواص مطلوب است. تاثیر نسبت C/W بر نوع فاز و خواص محصول نهایی - از قبیل چگالی، اشباعمغناطیسی، نیروي پسماندزدا، سختی و تخلخل - بررسی گردیده است.
.2 فعالیتهاي تجربی
در این تحقیق، در ابتدا امکان انجام واکنش سنتز احتراقی در مخلوط WC-11%Co توسط بررسیهاي ترمودینامیکی ارزیابی گردید. اطلاعات ترمودینامیکی مورد نیاز، از وبسایت Factsage استخراج گردید.[13] مواد اولیه مصرفی در این تحقیق شامل پودر تنگستن - با خلوص 99/9% و اندازه ذره - 1μm، کربن - با خلوص - 98%، کبالت - با خلوص 99% و اندازه ذره - 1/4μm، پارافین - به عنوان عامل روانکار پرس - ، هگزان - به عنوان عامل ترکننده در حین آسیاي مخلوط مواد اولیه - و ترپینول - به عنوان عامل دفلوکولانت - میباشند.
شکل 1 نماي کلی از مراحل انجام کار در این تحقیق را نشان می دهد. مخلوطهاي مورد نظر از تنگستن، کربن و کبالت به همراه 2/5 درصد وزنی پارافین، 120 درصد وزنی هگزان و 0/3 درصد وزنی ترپینول توسط یک آسیاي گلولهاي افقی به مدت زمان 13 ساعت مخلوط میشوند. پس از این مرحله، هگزان موجود در سیستم تبخیر شده و پودر حاصل توسط یک پرس هیدرولیکی تحت نیروي 2 تن در قالبی از جنس کاربید تنگستن به قرصهایی خام - با سطح مقطع مربع به ضلع 13mm و ارتفاع - 5mm تبدیل میشود. نمونههاي خام تولیدي، بر روي سینیهایی از جنس گرافیت چیده شده و توسط یک کوره الکتریکی از نوع Leybold - VKP30/30/90 - که قابلیت اعمال فشار به نمونه در مراحل پایانی زینترینگ - توسط یک گاز خنثی - را داراست زینتر شدند. دماي بیشینه تفجوشی 1420oC و فشار گاز اعمالی بر نمونه برابر با 30bar است.
کنترل خواص
شکل :1 مراحل انجام کار.
پس از اتمام تفجوشی و خروج نمونهها از کوره، سطح قطعه توسط خمیر الماسه پولیش و تخلخل و نیز عیوبی همانند حفرههاي بزرگ مطابق با استانداردISO4505 و با استفاده از یک میکروسکوپ نوري – مدل - Leitz در بزرگنمایی 100 بررسی شد. ریزساختارنمونه ها نیز در بزرگنمایی 1500 مورد بررسی قرار گرفت . - ISO4499 - بدین منظور ابتدا سطح نمونه، به مدت زمان 3 دقیقه توسط محلولی متشکل از - K 3Fe - CN - 6: 5 g + KOH: 5 g - در 100cc آب مقطر ، اچ شده و پس از شستشو با آب و الکل، بهوسیله یک سشوار برقی خشک گردید.
چگالی قطعات تولیدي توسط روش ارشمیدوس - ISO3369 - اندازهگیري گردید. براي کنترل میزان کبالت محصول، پارامتر اشباعمغناطیسی4 آن با دستگاه Setaram اندازهگیري شد . - ASTM:A342 - همچنین جهت تخمین اندازه دانه تقریبی محصول و نیز کنترل عیوب احتمالی آن، مقدار نیروي پسماندزدا5 توسط دستگاه Forster-Koerzimat تعیین گردید . - ISO3326 - سختی قطعات نیز بر طبق استاندارد ISO3878 و توسط سختیسنج Wolpert - Dia Tester7021 - تعیین شد. در پایان نیز فازهاي موجود در پودر خام و محصول زینتر شده با استفاده از دستگاه XRD - Jeol-JDX8030 - تعیین گردید.
.3 نتایج و بحث:
انتالپی واکنش شیمیایی تولید WC از تنگستن و کربن در دماي محیط برابر با -40kJ میباشد. گرمازا بودن این واکنش نشان میدهد که شرط اول براي انجام واکنش سنتز احتراقی، فراهم است.
