معرفی سرمت ها (کاربرد، طبقه بندی و روش تولید)

نویسنده : فاطمه حاجی محمدی

 

سرمت چیست:

سرمت ها مواد مرکب زمینه سرامیکی هستند که به دلیل حضور فاز دوم فلزی، افزون بر خواص و مزایای یک سرامیک، دارای چقرمگی و مقاومت به شوک حرارتی نیز می باشند.

سرمت‌ها نوعی کامپوزیت هستند که از طریق متالورژی پودری تولید می شوند و فاز غالب در آن سرامیک است و جزء فلزی در اقلیت است. سرمت از دو کلمه سرامیک و متال گرفته شده است. به عبارت دیگر سرمت، نامی اختصاری که در تمام جهان برای ترکیبی همگن که از فلزها یا آلیاژها یا یک یا چند فاز سرامیکی است که متشکل از تقریباً ۱۵ تا ۱۸ درصد از حجم آن است و انحلال پذیری نسبتاً اندکی بین فازهای فلزی و سرامیکی در دمای آماده سازی وجود دارد به کار می رود.

فلسفه ساخت سرمت‌ها به خواص ذاتی سرامیک‌ها و فلزات برمی‌گردد به گونه‌ای که اصلی‌ترین دلیل ساخت سرمت‌ها کاهش تردی زمینه سرامیکی به وسیلهٔ حضور فاز ثانویه چکش‌خوار فلزی می‌باشد. 

سرمت ها با زمينه ي سراميكي و فـاز دوم فلـزي، افزون بر بهره جستن از خواص و مزاياي يك سراميك، ماننــد مقاومــت بــه ســايش و خــزش و اســتحاكم ترمومكـانيكي، داراي چقرمگـي، مقاومـت بـه ضــربه، استحكام كششي، مقاومـت بـه ارتعـاش و مقاومـت در برابر شوك حرارتي نسبتاً بالايي هستند. به ايـن ترتيـب، سرمت ها جايگاه نسبتاً خوبي در كاربردهاي ديناميكي و كاربردهايي كه نياز به تحمل در برابر شوك حرارتـي و نيروي مكانيكي دارند، يافته اند.

 

انواع سرمت ها:

سرمت ها می توانند بر طبق اجزاء دیرگدازشان طبقه بندی شوند. در این سیستم، رده های اصلی سرمت ها با حضور شش جزء مشخص می شود.

کاربیدها، کربونیتریدها،نیتریدها،اکسیدها،بوریدها و انواع مواد کربن دار.

فاز چسباننده ی فلزی می تواند از عناصر گوناگونی تشکیل شود، به صورت تنها و یا بصورت ترکیبی، مانند نیکل،کبالت،آهن،کروم،مولیبدن و تنگستن؛همچنین می تواند شامل دیگر فلزات نیز مانند فولاد زنگ نزن، سوپر آلیاژها،تیتانیم،زیرکونیوم یا بعضی از آلیاژهای با نقطه ذوب پائین مس یا آلومینیوم نیز باشد. حجم کل فاز چسباننده تماماً به خواص مورد نظر و استفاده نهایی مورد نظر از ماده بستگی دارد. این حجم می تواند از ۱۵ تا ۸۵ درصد باشد، اما برای کاربردهای ابزار برش، بطورکلی،کمتر از نصف از مقدار کل نگه داشته می شود(برای مثال ۱۰ تا ۱۵ درصد از درصد وزنی)اتصال(پیوند) فلزی برای هر سرمت به منظور رسیدن به ساختار و خواص مورد نظر برای کاربردی خاص،انتخاب می شود.گروه فلزات آهنی و آلیاژهای آنها در طبقه ی فلزات سخت کاربید تنگستن سمانته شده غالب هستند؛نیکل و به میزان کمتر کبالت و آهن ترکیبات مطلوب را برای سختی بالا و چکش خواری خوب دارا می باشند.

با این وجود، ماده چسباننده برای یک سرمت می تواند از گروهی از فلزات واکنش پذیر انتخاب شود مانند تیتانیم یا زیرکونیوم و یا می تواند از یک سری از فلزات دیرگداز که شامل کروم،نیوبیوم،مولیبدن و تنگستن می باشد، انتخاب شود. فلزات و آلیاژهای کمتر ذوب شونده و در درجه اول آن هایی که بر پایه ی مس و آلومینیوم می باشند.از لیست چسباننده ها و از انتهای مقیاس حرارتی آن خارج هستند. با این وجود اغلب آلومینیوم در کامپوزیت های با زمینه فلزی وجود دارد.

 

۱– سرمت های با پایه ی کاربید:

سرمت ها با پایه ی کاربید بزرگترین دسته از سرمت ها هستند، حتی اگر لغت سرمت بسیار سخت گیرانه بکار رود و گستره ی وسیعی از کاربیدهای سمانته شده بکار رفته در ابزار برش و بخش های پوشاننده بر پایه ی کاربید تنگستن(wc)را در نظر نگیرد. از زمان تکنولوژی سرمت، مفهوم برجسته به این صورت بوده است که این مواد بر پایه ی TiC به عنوان بخش سخت اصلی و نیز بخش دیر گداز هستند که با اتصال به یکدیگر، هر نوع از فلزات یا آلیاژهای شکل پذیر دیرگداز را تشکیل می دهند(بیشتر از آنچه برای کاربیدهای سمانته شده تنگستن استفاده شده است).

سرمت های TiC کاربردهایی در ابزار و پوشش های مقاوم، همچنین در سیستم هایی که برای دماهای بالا و فشارهای زیاد بکار می روند همچنین در محیط های خورنده استفاده می شوند.سرمت های با پایه ی SiC و B₄C که عموماً به عنوان کامپوزیت زمینه فلزی طبقه بندی می شوند اهمیت ویژه ای در صنایع به خصوص در پوشش ها و قسمت های ضد سایش و ضد خوردگی بدست آورده اند؛همچنین این مواد در کاربردهای راکتور هسته ای نیز استفاده شده اند؛ موادی با پایه ی کاربید کروم(Cr₃C₂) برای انواع مختلفی از کاربردهای مقاوم به خوردگی و نیز به عنوان بلوک های مدرج و شاخص استفاده شده اند؛ با این حال به نظر می رسد که آن ها بسیاری از استفاده های صنعتی خود را از دست داده اند.

 

۲– سرمت های با پایه ی کربونیترید:

سرمت های با پایه ی کربونیترید می توانند همراه با انواع مختلف کاربیدها یا بدون آن ها تولید شوند(که MO₂C مهمترین است)؛ آنهابا چسباننده های عادی کاربید سمانته شده به هم چسبیده اند.

در حال حاضر این مواد جزء اولین سرمت ها برای به کار برده شدن در ابزارها می باشند. مقاومت افزایش یافته ی آنها، که این مواد را برای ابزارهای برش با سرعت بالا مناسب می سازد، به دلیل بهبود چسبندگی بین دانه های سخت کاربید و فلز چسباننده است. بهبود چسبندگی نتیجه ای است از بهم آمیختن و اختلاط(بدون آنکه خواص آن تغییر کند) در سیستم های چهار گانه ی TiC، TiN، MOC، MON که سبب جابجایی بازگشتی در دو فاز هم ساختار می شود که بطور اساسی قابلیت مرطوب شدن چسب را بهتر می کند.

 

۳– سرمت های با پایه ی نیترید:

سرمت های با پایه ی نیترید یک طبقه ی خاص از مواد سازنده ی ابزار را تشکیل می دهند. نیترید تیتانیم و به خصوص نیترید بور مکعبی(CBN) در صورتی که با یک ماده ی چسباننده ی سخت ترکیب شوند، ابزارهای برش بسیار عالی را تولید می کنند.نیترید تیتانیم و نیترید زیرکونیوم(ZrN) که خود را به عناصر سخت فلزی متصل کرده اند، برای مقاصد، مقاوم به فرسایش و نیز مقاوم به گرمای خاص تولید می شوند.

 

۴– سرمت های با پایه ی اکسید:

سرمت های با پایه ی اکسید دسته ای را تشکیل می دهند که UO₂ و یا دی اکسید توریوم(ThO₂) را شامل می شود که برای اجزاء شکاف هسته ای در عناصر سوخت آن به کار می روند؛ Al₂O₃ یا دیگر اکسیدهای بسیار دیرگداز برای سازندگان و کسانی که با فلزات بصورت مایع سرو کار دارند(برای مثال مجرای جریان فلز مذاب)و نیز بخش های دیگر کوره استفاده می شود؛ و SiO₂ که برای عناصر اصطکاکی مناسب است. مخلوط Al₂O₃ با TiC برای ابزار ماشین کاری به روش گرم مناسب است.

 

۵– سرمت های با پایه ی بوراید:

سرمت های با پایه ی بوراید، فاز غالبشان بوراید یکی از فازهای انتقالی است. این سرمت ها مقاومت در مقابل سایش و دماهای بالایی را برای کار به همراه فلزات فعای مانند آلومینیوم در حالت ذوب شده یا بخار ایجاد می کنند. ترکیبی از ZrB₂ و SiC در مقابل فرسایش ناشی از گازهای شیمیایی پیشران موشک ها مقاوم است.

 

۶– سرمت های محتوی کربن:

سرمت های محتوی کربن، موادی هستند که شامل گرافیت به نسبت های مختلفی می باشند. این مواد برای رنگ ها و اتصالات الکتریکی یا به عنوان بخش تشکیل دهنده ی کوچکی که روانکاری را در عناصر سایشی ایجاد می کنند استفاده می شوند. همچنین در این رده قطعات الماس درون زمینه فلزی وجود دارد که برای ابزار خاص استفاده می شود.

 

کاربرد سرمت ها:

از جمله موارد كاربرد سرمت ها مي تـوان بـه قطعـات سازه اي در موتورهـاي جت و سيستم هاي هـوا و فضـا، مبـدل هـاي حرارتـي، مشعل ها، عايق ها و سپرهاي حرارتي، بيومواد، ابزارهاي برشي، قالب هاي كشش سيم و لايه هاي سطحي مقـاوم به سايش و يا مقـاوم بـه حرارت بـر روي فولادهـا و آلياژهاي ديگر، اشاره كرد.

در بعضي از موارد، سـرمت ها كـاربرد خاصي در زمينـه هـاي الكتريكي، مغناطيسي، مهندسي پزشكي و حرارتي دارند. به عنـوان مثال مي توان به مـواردي چـون نيمـه هـادي هـا، انـواع الكترودها در فرايندهاي الكتروليز، پيل هاي سـوختني و انواع باطري هاي ويژه و حس گرها اشاره كرد.

فاز فلزي به دليل پلاستيسيته و مقاومت برشي بالا، رشـد تـرك را مهار و كنترل مي كند، و اين افزايش مقاومـت بـه رشـد ترك و افـزايش چقرمگـي را بـه دنبـال دارد .البتـه، شرط رخ دادن چنين پديـده اي بـالاتر بـودن اسـتحكام پيوند بين فلز و سراميك نسبت به استحكام تسليم فلز مي باشد.

اگر دانه هاي فاز فلزي ريزتر باشد، عدم تطابق حرارتي آن با سراميك كمتر بوده و احتمال شكل گيري ريزترك ها در فصل مشترك كمتر خواهد بود. اگـر فـاز فلزي پيوسـته باشـد، كـاربرد سـرمت در دماهـاي بـالا به دليل چقرمگي و رسانايي بالاتر، افزايش مـي يابد.

در سرمت ها، فاز سراميكي با ضريب انبساط حرارتـي كـم داراي مقاومت در برابر حرارت و سايش اسـت، و فـاز فلـزي نقـش بهبـود رسـانايي حرارتـي و الكتريكـي و خواص مكانيكي، مانند مقاومت به ضـربه و چقرمگـي، را دارد. آلومينا به دليل خاصيت ديرگدازي، مقاومت بـه سـايش و پايـداري شـيميايي خوب، كـاربرد زيـادي مي تواند داشته باشد، اما شكنندگي كاربرد آن را محدود كرده است.

براي افزايش كاربرد آن، بـه خصـوص در كاربردهــاي ديناميكي، فلزاتي چون كرم ، نيكـل،تيتـانيم، آهـن، آلومينيم و سـرب،  تنگستن،  موليبدن، مس به عنوان فاز دوم به آن اضافه مي شود.

 

 

روش تولید سرمت ها:

انتخاب روش ساخت سرمت بـه هزينه هاي مربوط به مواد اوليـه و فراينـد، سـهولت يـا پيچيدگي و تعداد مراحل فرايند بستگي دارد. بـه عنـوان مثال، براي سـاخت سـرمت Ni-Al2O3 يـا Fe- Al2O3، مخلوط دو اكسيد آلومينيم و نيكل يا اكسيد آلـومينيم و آهن درون محيط هيدروژن احيا مي شود، به گونه اي كه فازهاي فلزي نيكل و آهن ايجاد مي شـوند .

بـراي ايجاد يك مخلوط همگن پـودري در روش متـالورژي پـودر، افـزون بـر روش هـاي مكـانيكي از روش هـاي شيميايي نيز كمك گرفته مي شود. به عنوان مثـال، پـودر آلومينا درون محلول نيترات فلـز مـورد نظـر (آهـن يـا نيكل) وارد مي شود تا پوششي از اكسيد يا هيدرواكسـيد فلز مورد نظر بر روي سطح درات آلومينا تشكيل شـود  .براي ساخت سرمت هاي دو فلـزي كـه مخلـوط كـردن در آن اهميـت زيـادي دارد، مـي تـوان از روش شيمي تر و رسوب همزمان اكسيدها اسـتفاده كـرد.

در روش سل ژِل، بـا انحـلال تركيبـات آلـي- فلـز ماننـد آلكوكسيد آلومينيم و آلكوكسيد فلز مورد نظـر در يـك حلال مناسب نظير الكل اتيليك يا متانول، يك محلـول شفاف در دماي حدود C °۵۰ تا C °۷۰ تهيه مـيشـود كه با تبخير تدريجي آن در حضور يك عامـل پلـيمـركننده، ژِلي از هيدروكسـيدهاي آلـومينيم و فلـز شـكل ميگيرد. با كَلسينه شـدن ايـن ژِل، مخلـوط همگنـي از اكسيد آلومينيم و اكسيد فلز مورد نظر ستتز مي شود. بـا احيـاي مخلـوط دو اكسـيد آلـومينيم و فلـز در محـيط هيدروژن، نانوپودر مادهي مركب آلومينا و ذرات فلـزي شكل مي گيرد.

روش های استفاده شده برای آماده سازی پودر، شکل دادن، حرارت دادن یا زینترینگ و عملیات شکل دهی سرمت ها بسیار شبیه به سرامیک و فرایندهای متالوژی پودر است.

 فرایندهای اصلی شکل دهی سرد(آهنگری سرد) و زینترینگ، زینترینگ فشاری و تراوش(در متالوروژی به کشیده شدن فلز مایع به داخل خلل و فرج فلز دیگر توسط نیروهای پیوستگی گفته می شود) می باشند.

فرایند فشار کاری سرد شامل فشرده سازی به روش تمام محوره ی هم فشار و نیز فشار تک محوره می شود. ترکیبات پودری در فشار ۳۵ تا ۱۰۰ مگاپیکسل  فشرده می شوند.روش اصلی شامل فشار دادن پودری است که با واکس روغن کاری شده(البته به روش خشک) در قالب های فلزی محکم با دو صفحه ی پرس کننده ی رو به روی هم،برای میله های دراز یا لوله ها با سطح مقطع یکسان، این قالب ها توسط روش اکستروژن که ذرات پودر در چسب یا واکس آلی مناسب قرار داده شده اند،استفاده می شوند.

برای ساخت شکل های پیچیده بزرگ، پودر خشک در قالب قابل انعطاف قرار داده می شود و از همه ی جهات با فشار هیدرواستاتیک ناشی از یک سیلندر فولادی تقویت شده و محکم بسته شده، فشرده می شود.