در جست‌وجوی استحکام: آیا اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت خواص کاربیدهای سیمانی چاپ شده با پرینت سه بعدی را بهبود می‌بخشد؟
| تاریخ ارسال: 1402/6/19 |
در جست‌وجوی استحکام
آیا اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت خواص کاربیدهای سیمانی چاپ شده با پرینت سه بعدی را بهبود می‌بخشد؟
بهبود سرعت، کاهش هزینه و انرژی مصرفی فرآیند ساخت، برای تولیدکنندگان، به‌ویژه موارد مرتبط با مواد سخت مانند کاربیدهای سیمانی، اهمیت ویژه‌ای دارد.کاربیدهای سیمانی، کامپوزیت‌هایی با زمینه‌ی فلزی هستند که به دلیل سختی، مقاومت در برابر سایش و استحکام شکست بالا، به طور گسترده به عنوان مواد ابزار برش استفاده می‌شوند. یکی از انواع اصلی کاربیدهای سیمانی مورد استفاده،کاربید تنگستن-کبالت سیمانی است، که در آن کبالت فاز سیمان بین دانه‌های کاربید تنگستن است. قطعات کاربید سیمانی به طور سنتی از طریق فرآیندهای ماشینکاری تفریقی شکل می‌گیرند، اما به دلیل سختی بالای مواد، اجرای این فرایند‌ها دشوار است. به همین دلیل، در سال‌های اخیر، محققان در ابعاد دولتی، صنعتی و دانشگاهی در حال بررسی استفاده از فرآیندهای ساخت افزایشی برای تولید قطعات کاربید سیمانی هستند.
بعضی از این روش‌ها حتی به مرحله‌ی تجاری نیز رسیده‌اند، به عنوان مثال در آوریل سال ۲۰۲۲، شرکت چند‌ملیتی (Sandvik) واقع در کشور سوئد از کاربیدهای سیمانی با قابلیت تولید به روش پرینت سه‌بعدی رونمایی کرد.
بعضی از این روش‌ها حتی به مرحله‌ی تجاری نیز رسیده‌اند، به عنوان مثال در آوریل سال ۲۰۲۲، شرکت چند‌ملیتی (Sandvik) واقع در کشور سوئد از کاربیدهای سیمانی با قابلیت تولید به روش پرینت سه‌بعدی رونمایی کرد.
تصویری از قطعه‌ی کاربید سیمانی تولید شده به روش پرینت سه‌بعدی توسط شرکت (Sandvik)
تکنیک پاشش چسب (Binder Jetting) یکی از روش‌های اصلی ساخت افزایشی برای تولید قطعات کاربید سیمانی است. در این روش، عامل چسب مایع به طور انتخابی رسوب داده می‌شود تا پودر‌ها را به یک دیگر متصل کند و از این طریق یک قطعه‌ی سه‌بعدی شکل می‌گیرد. در مرحله‌ی بعد، به منظور بهبود استحکام، قطعه‌ی پرینت‌شده تحت عملیات پخت قرار می‌گیرد و در نهایت با تکنیک‌های برگرفته‌شده از متالورژی پودر، فرایند‌های بایندرزدایی و زینتر روی قطعه اعمال می‌شود.
اندازه‌‌دانه‌ی کاربیدهای سیمانی یک ویژگی مهم است که باید در حین فرایند پرینت سه‌بعدی مورد توجه واقع شود. در پژوهشی که اخیرا صورت گرفته‌است، محققان شرکت (Global Tungsten & Powders Corp) توضیح می‌دهند که طبق مطالعات انجام‌شده، در حالی که قطعات کاربید سیمانی با ریزساختار دانه‌ای دوگانه، سختی خوب و مقاومت در برابر سایش بالا را نشان می‌دهند، اما این قطعات در مقایسه با کاربیدهای سیمانی تولیدشده معمولی با اندازه‌دانه یکنواخت، استحکام گسیختگی عرضی کمتری دارند. با توجه به این نتایج، محققان قطعات تولیدشده به روش پرینت سه‌بعدی با اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت را به منظور تجزیه و تحلیل اثر یکنواختی اندازه‌دانه بر خواص، بررسی‌کردند. آن‌ها از پودرهای کاربید تنگستن-کبالت کروی پیش آلیاژ شده با ۱۰ و ۱۲ درصد وزنی کبالت برای ایجاد قطعات کاربید سیمانی استفاده کردند. بایندر مورد استفاده در فرآیند پرینت دی اتیلن گلیکول مونو اتیل اتر مبتنی بر آب بود که توسط شرکت (ExOne Inc) فراهم شده‌بود. پس از پرینت، قطعات با حرارت‌دادن تا دمای ۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد در هوا پخته شدند. سپس بایندر زدایی شدند و در نهایت در حضور فشار خارجی که توسط گاز آرگون اعمال می‌شد زینتر شدند.
خواص سایشی نمونه‌های زینترشده با استفاده از روش‌های تست ASTM B۶۱۱ (سایش بیشتر) و ASTM G۶۵ (سایش کمتر) تعیین شد. ASTM B۶۱۱ شامل فشاردادن یک ماده‌ی ساینده (در این مورد آلومینا) بر روی نمونه‌ی آزمایشی با چرخ فولادی است. ASTM G۶۵ شامل فشاردادن ماسه خشک (سیلیکا) بر روی نمونه‌ی آزمایشی با چرخ لاستیکی است. نتایج آزمایش نشان داد که سختی، چقرمگی شکست و مقاومت در برابر سایش کاربیدهای سیمانی پرینت سه بعدی، با قطعات تولید شده‌ی معمولی تطابق دارد. با این حال، استحکام گسیختگی عرضی گزارش‌شده، در حدود کران پایین بازه‌ی استحکام گسیختگی عرضی نمونه‌های تولید شده به روش معمولی باقی ماند.
علیرغم نتیجه‌ی نامطلوب در مورد استحکام گسیختگی عرضی، محققان همچنان این آزمایش را موفقیت آمیز می‌دانستند:
«پودرهای جدید قابلیت پرینت و زینتر عالی و همچنین استحکام خوبی را پس از پخت نشان دادند. بنابراین این قطعات نشان‌دهنده‌ی مزایای ارائه شده توسط BJ۳DP (چاپ سه بعدی پاشش چسب) هستند.»
اندازه‌‌دانه‌ی کاربیدهای سیمانی یک ویژگی مهم است که باید در حین فرایند پرینت سه‌بعدی مورد توجه واقع شود. در پژوهشی که اخیرا صورت گرفته‌است، محققان شرکت (Global Tungsten & Powders Corp) توضیح می‌دهند که طبق مطالعات انجام‌شده، در حالی که قطعات کاربید سیمانی با ریزساختار دانه‌ای دوگانه، سختی خوب و مقاومت در برابر سایش بالا را نشان می‌دهند، اما این قطعات در مقایسه با کاربیدهای سیمانی تولیدشده معمولی با اندازه‌دانه یکنواخت، استحکام گسیختگی عرضی کمتری دارند. با توجه به این نتایج، محققان قطعات تولیدشده به روش پرینت سه‌بعدی با اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت را به منظور تجزیه و تحلیل اثر یکنواختی اندازه‌دانه بر خواص، بررسی‌کردند. آن‌ها از پودرهای کاربید تنگستن-کبالت کروی پیش آلیاژ شده با ۱۰ و ۱۲ درصد وزنی کبالت برای ایجاد قطعات کاربید سیمانی استفاده کردند. بایندر مورد استفاده در فرآیند پرینت دی اتیلن گلیکول مونو اتیل اتر مبتنی بر آب بود که توسط شرکت (ExOne Inc) فراهم شده‌بود. پس از پرینت، قطعات با حرارت‌دادن تا دمای ۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد در هوا پخته شدند. سپس بایندر زدایی شدند و در نهایت در حضور فشار خارجی که توسط گاز آرگون اعمال می‌شد زینتر شدند.
خواص سایشی نمونه‌های زینترشده با استفاده از روش‌های تست ASTM B۶۱۱ (سایش بیشتر) و ASTM G۶۵ (سایش کمتر) تعیین شد. ASTM B۶۱۱ شامل فشاردادن یک ماده‌ی ساینده (در این مورد آلومینا) بر روی نمونه‌ی آزمایشی با چرخ فولادی است. ASTM G۶۵ شامل فشاردادن ماسه خشک (سیلیکا) بر روی نمونه‌ی آزمایشی با چرخ لاستیکی است. نتایج آزمایش نشان داد که سختی، چقرمگی شکست و مقاومت در برابر سایش کاربیدهای سیمانی پرینت سه بعدی، با قطعات تولید شده‌ی معمولی تطابق دارد. با این حال، استحکام گسیختگی عرضی گزارش‌شده، در حدود کران پایین بازه‌ی استحکام گسیختگی عرضی نمونه‌های تولید شده به روش معمولی باقی ماند.
علیرغم نتیجه‌ی نامطلوب در مورد استحکام گسیختگی عرضی، محققان همچنان این آزمایش را موفقیت آمیز می‌دانستند:
«پودرهای جدید قابلیت پرینت و زینتر عالی و همچنین استحکام خوبی را پس از پخت نشان دادند. بنابراین این قطعات نشان‌دهنده‌ی مزایای ارائه شده توسط BJ۳DP (چاپ سه بعدی پاشش چسب) هستند.»
مقاله مرجع:
International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, “Coarse cemented carbide produced via binder jetting ۳D printing” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.ijrmhm.۲۰۲۲.۱۰۶۰۱۶).
منبع:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف