ساخت لبه‌های برش (الماسه) فوق سخت

به گزارش خبرنگار خبرگزاری صدا و سیما، بهزاد نایبی فارغ التحصیل دکتری مهندسی مواد، کامپوزیت دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری طرح «تولید کامپوزیت‌های سرامیکی فوق دما بالای تقویت شده با فاز‌های کاربیدی درجا به روش تف‌جوشی پلاسما جرقه‌ای» گفت: تولید قطعات از سرامیک‌های فوق دمابالا به روش‌های ذوبی در دمای ذوب بیشتر از ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، تقریبا غیرممکن است. از این رو، روش‌های مبتنی بر متالورژی پودر، تنها راه ممکن برای تولید این گروه از سرامیک‌ها هستند که خود با چالش‌های فناورانه گوناگونی مواجهند. افزون بر نیاز به کوره‌های پخت با دمای بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد که بسیار گرانقیمت هستند، قطعات سرامیکی فوق دما بالای تولید شده به روش متالورژی پودر، معمولا خواص مکانیکی ضعیفی دارند که کاربرد‌های آن‌ها را محدود می‌کند. کامپوزیت‌سازی، یکی از اصلی‌ترین راهکار‌های افزایش خواص مکانیکی این دسته کامپوزیت‌ها است. از این رو در این پروژه تصمیم گرفته شد تا در گام نخست، از این راهکار برای غلبه بر خواص مکانیکی ضعیف قطعات، استفاده شود.
نایبی با اشاره به کامپوزیت‌های سرامیکی طراحی شده در این پروژه گفت: این سرامیک‌ها ترکیبی از سختی بسیار بالا، دیرگدازی، مقاومت به شوک حرارتی و پایداری شیمیایی را ارئه می‌دهند که کاربرد‌های بالقوه فراوانی را برای آنها، ایجاد می‌کند.
به گفته وی، این کامپوزیت‌ها در صنایع هوافضای پیشرفته، سپر‌های حرارتی و ابزار‌های برش و ماشینکاری، کاربرد دارند.
وی با بیان اینکه تولید این سرامیک‌ها به روش‌های مرسوم متالورژی پودر، مستلزم به‌کارگیری دما‌های پخت بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است، گفت: این روش‌های قدیمی از دیدگاه فناورانه، بسیار گرانقیمت هستند و صرفه اقتصادی ایجاد نمی‌کنند. همچنین، پخت این مواد در دما‌های بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، با کاهش زیادی در چقرمگی شکست همراه است که کاربرد‌های قطعات را با چالش مواجه می‌کند.
فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر اضافه کرد: این در حالی است که روش نوین پلاسما جرقه‌ای قابلیت چگال سازی قطعات در دما‌های پایین‌تر و زمان‌های بسیار کوتاه را فراهم می‌کند. از این رو، روش یاد شده به عنوان راهکار دوم برای بهینه‌سازی ویژگی‌ها و افزایش صرفه اقتصادی تولید، به‌کار گرفته شد.
به گفته نایبی، به‌کارگیری راهبرد تقویت با سنتز درجای فاز‌های کاربیدی، مهم‌ترین جنبه نوآوری این پژوهش است که نه تنها افزایش چشمگیر خواص مکانیکی را سبب می‌شود، که به کاهش بیشتر دمای تف‌جوشی نیز کمک می‌کند. به بیان دیگر، در این پژوهش برای نخستین بار در جهان با در نظر گرفتن ترکیبی از سه راهکار یاد شده، قطعات ابزار برش (الماسه‌های تراش) از جنس کامپوزیت‌های زمینه دی‌بورید زیرکونیم و دی‌بورید تیتانیم، با خواص برتر تولید شده‌اند که مزیت‌های گوناگونی را در مقایسه با قطعات مشابه از جنس دیگر مواد، فراهم می‌سازند.
وی خاطر نشان کرد: روش به‌کار گرفته شده در این پژوهش، قابلیت تولید کامپوزیت‌های سرامیکی فوق دما بالا را در دما‌های کمتر از ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد فراهم می‌کند که با توجه به تکنولوژی موجود، به راحتی و با قیمت بسیار پایین‌تر، در دسترس است.
این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر خاطر نشان کرد: هزینه تمام شده قطعات در مقایسه با لبه‌های برش موجود در بازار، به شکل چشمگیری پایین‌تر و دوام قطعات، بسیار بالاتر است.
وی افزود: مهم‌ترین پیچیدگی طرح، جبران آثار کاهش دمای تف‌جوشی بود که طی آن، با تنظیم ترکیب و توزیع مواد اولیه در زمینه کامپوزیتی و نیز راهکار سنتز درجای فاز‌های تقویت‌کننده، نه تنها آثار مخرب کاهش دمای تف‌جوشی بر افت چگالی کامپوزیت جبران شد، که خواص مکانیکی به شکل چشمگیری ارتقاء یافت که در مقایسه با داده‌های منتشر شده، رکوردی جهانی برای این مواد به شمار می‌رود.
نایبی افزود: با توجه به بررسی‌های عملی و آزمون‌های تجربی، قطعات تولید شده در این پژوهش چه از دیدگاه ویژگی‌های عملکردی و چه از دیدگاه دوام و قابلیت تحمل شوک‌های حرارتی و لرزش حین فرایند برش، جایگزین مناسبی برای ابزار فعلی به شمار می‌روند.
وی تاکید کرد: در این پروژه، ساخت لبه‌های برش (الماسه) فوق سخت تماما کامپوزیت سرامیکی برای نخستین بار در جهان، به نتیجه رسیده است. این در حالی است که قطعات با کاربرد مشابه، یا از جنس الماس و کاربید تنگستن ساخته می‌شوند که بسیار گران قیمت هستند، یا با اعمال پوشش‌های سرامیکی بر فولاد‌های ابزار تولید می‌شوند که دوام آن‌ها بسیار محدود است.
وی در خصوص مزیت‌های رقابتی طرح گفت: سختی بسیار بالا و قابل مقایسه با الماس، چقرمگی شکست بالا که نیاز به زمینه‌های فلزی را از بین می‌برد و دوام و شوک‌پذیری حرارتی بسیار بالا که امکان تراشکاری بدون نیاز به خنک کننده را فراهم می‌کند، از مزیت‌های رقابتی این طرح به شمار می‌روند.
این طرح با راهنمایی آقایان دکتر نادر پروین، دانشیار دانشکده مهندسی مواد دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دکتر مهدی شاهدی اصل، دانشیار دانشگاه محقق اردبیلی به نتیجه رسیده است.