بررسي خواص فيزيكي و مكانيكي نانوكامپوزيت مس/ اكسيدكروم
توليد شده به روش آلياژسازي مكانيكي و اكسيداسيون داخلي

فهيمه شجاعيپور1*، پروين عباچي2، كاظم پورآذرنگ3 و اميرحسين مغنيان1
كارشناس ارشد، دانشگاه صنعتي شريف، دانشكده مهندسي و علم مواد، تهران، ايران
دانشيار، دانشگاه صنعتي شريف، دانشكده مهندسي و علم مواد، تهران، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي شريف، دانشكده مهندسي و علم مواد، تهران، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 26/12/1389، تاريخ پذيرش: 27/03/1390)

چكيده
كامپوزيتهاي پايه مس تقويت شده با ذرات اكسيد كروم به سبب هدايت الكتريكي و گرمايي مناسب و استحكام در دماي بـالا، مـاده مناسـببراي كنتاكت هاي الكتريكي است. در اين پژوهش، اين كامپوزيت ها به روش آلياژسازي مكانيكي و اكسيداسيون داخلـي تهيـه شـده اسـت. بـهمنظور تخمين زمان و نسبت گلوله به پودر بهينه در آلياژسازي مكانيكي مخلوط پودرهاي مس و كروم و اطمينان از اكسيداسيون داخلـي كـروم پس از زينتر، آناليز الگوي پراش پرتو X نمونه هاي پودري و بررسي مورفولوژي ذرات با ميكروسكوپ الكتروني، به كار گرفته شد. با توجه بـه نتايج، خواص فيزيكي كامپوزيت مانند چگالي و مقاومت الكتريكي ويژه پس از اكسيداسيون داخلي، نسبت به محلول جامد مس- كـروم تغييـرميكند. بر اساس تست سايش پين بر روي ديسك1 با افزايش مسافت لغزش، كاهش حجم نمونه افـزايش مـييابـ د و از تـصاوير ميكروسـكوپ الكتروني سطوح سايش برميآيد كه مكانيزمهاي غالب سايش، سايا، تورقي و اكسيداسيوني است.

واژه هاي كليدي:
نانوكامپوزيت مس/ اكسيد كروم، اكسيداسيون داخلي، مقاومت الكتريكي ويژه، آزمون سايش.

مقدمه
در گذشته اغلب از نقره به عنوان فلز پايه براي كنتاكتهاي الكتريكي استفاده ميشد. اما گسترش صنايع الكتريكي منجر به كم شدن موجودي نقره و افزايش قيمت آن شده است. بنابراين، يافتن جايگزين مناسبي براي نقره در كنتاكتهاي الكتريكي با هدايت الكتريكي، گرمايي و استحكام بالا مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. از اين رو كامپوزيتهاي پايه مس به سبب هدايت الكتريكي و گرمايي مناسب آنها براي كاربرد در كنتاكتهاي الكتريكي مورد توجه قرار گرفت. كامپوزيت پايه مس تقويت شده با ذرات آلومينا از جمله اين كامپوزيتها است كه علاوه بر هدايت الكتريكي و گرمايي مناسب، به دليل حضور ذرات پراكنده آلومينا، استحكام بالايي نيز دارند. در واقع ذرات آلومينا مانع از حركت نابجاييها ميشود و از آن جا كه ذرات آلومينا در دماي بالا آگلومره نميشوند و رشد نميكنند، اين كامپوزيت استحكام مناسبي در دماي بالا دارد. در ميان روشهاي مختلف تهيه اين كامپوزيتها، روش ذوب و ريختهگري به علت توزيع ناهمگن ذرات اكسيدي در زمينه كه بر خواص مكانيكي تأثير منفي دارد، روش مناسبي نيست. روش متداول تهيه اين كامپوزيتها، تهيه پودر پيش آلياژي سرعت آسياب كردن و جنس گلوله و محفظه بر ميزان آلياژ شدن نمونه تأثير ميگذارد. در اين پژوهش به بررسي برخي از اين پارامترها پرداخته شده است.

مواد اوليه و روش تحقيق
مس- آلومينيوم و اكسيداسيون درجا2 است كه با توجه به توزيع يكنواخت ذرات اكسيدي و ريزدانگي آنها، روش بهينهاي است [1]. در اين روش آلومينيوم به راحتي در مس حل ميشود، براي انجام اكسيداسيون درجا، آلومينيوم بايد بر نيروي پيوندي ناشي از شكلگيري محلول جامد پايدار مس- آلومينيوم غلبه كند.
علاوه بر آن نرخ نفوذ اكسيژن در بين دانههاي پودر مس- آلومينيوم كم است. پس تأثير مشترك اين دو منجر به كاهش سينتيك اكسيداسيون داخلي آلومينيوم ميشود [2]. با توجه به دياگرام فازي مس- آلومينيوم مقدار حلاليت آلومينيوم در مس حدود 8 درصد وزني است [3] و اگر مقداري از آلومينيوم حل شده در مس در حين اكسيداسيون داخلي از شبكه مس خارج نشود، باعث كاهش هدايت الكتريكي ميشود. بنابراين مدت زمان لازم براي اكسيداسيون داخلي و دستيابي به اكسيداسيون كامل آلومينيوم بسيار طولاني است. بنابراين بهتر است، به جاي آلومينيوم از عنصري استفاده كرد كه دورهي اكسيداسيون داخلي را كاهش دهد و فرآيند اكسيداسيون داخلي را به راحتي كنترل كند [4]. از جمله عناصري كه چنين ويژگي دارد، كروم است كه با توجه به دياگرام فازي مس- كروم، حد انحلال كروم در مس كمتر از 1 درصد وزني ميباشد [3]. از سوي ديگر نرخ اكسيداسيون كروم بيش از آلومينيوم است. اگر مقدار كمي كروم در زمينه مس اكسيد نشده باقي بماند، با عمليات حرارتي رسوب سختي، كروم از شبكه مس خارج ميشود. بنابراين، كروم به ندرت بر روي خواص فيزيكي مس اثر سوء ميگذارد. ضمناً كروم رسوب يافته و اكسيد كروم خواص مكانيكي مس را بهبود ميدهد [4].
لازم به ذكر است كه در روش آلياژسازي مكانيكي پارامترهاي مختلفي چون مدت زمان آسياب كردن، نسبت گلوله به پودر، در اين پژوهش از پودرهاي مس، با خلوص 7/99% از شرك ت مرك3 با كد محصول ME-1.12097.0500، پودر كروم، با خلوص 99% و پودر اكسيد مس، به عنوان عامل اكسيدكننده، با خلوص 97% از شركت
اكروس4 با كد محصول Ac-19742.0500 استفاده شده است. براي تهيه نمونه مس/ اكسيد كروم به روش آلياژسازي مكانيكي و اكسيداسيون داخلي به ترتيب مراحل زير انجام گرفت:
در ابتدا مقدار مناسبي مس و كروم به نسبت 99 به 1 و 1 درصد وزني پودر استئارات روي به عنوان ماده روانساز توزين و به مدت 1 ساعت در مخلوطكن توربولا به طور كامل مخلوط شدند. سپس، مخلوط پودري فوق به مدت 60 ساعت در آسياب گلولهاي سيارهاي مدل FP4 ساخت شركت پژوهش زايندهرود، با نسبت گلوله به پودر 20 به 1، تحت اتمسفر آرگون به طور مكانيكي آسياب شد و آلياژ مس- كروم به دست آمد. به منظور جلوگيري از اكسيداسيون ذرات پودر، نمونهبرداري در محفظه اتمسفر محافظ5 تحت اتمسفر آرگون انجام شد. با توجه به محاسبات طبق واكنش (1)، پودر اكسيد مس به عنوان عامل اكسيدكننده 20% بيش از مقدار استوكيومتري جهت اطمينان از انجام واكنش، به پودر آلياژي افزوده شد. مقدار x در اين واكنش به ازاي 1 درصد وزني كروم، 875/160 و مقدار استوكيومتري اكسيد مس، 125/4 گرم است. اگر واكنش به طور كامل انجام بگيرد، كامپوزيت 3 Cu-2.5vol.%Cr2Oبه دست ميآيد. (1) 3xCu + 3Cu2O + 2Cr (6 + x) + Cr2O پس از افزودن اكسيد مس، مجدداً مخلوط مواد به مدت 10 ساعت با همان آسياب سيارهاي، آسياب شدند، تا كاملاً با ذرات پودر آلياژي مخلوط شوند. نمونهبرداري در اين مرحله نيز تحت اتمسفر آرگون انجام شد. براي پرس از يك قالب فولاد گرمكار به قطر داخلي mm 23 استفاده شد. به منظور نرم كردن پودرهاي آسياب شده و جلوگيري از اكسيد شدن ذرات پودر، در مرحله اول پودرها تحت فشار MPa 30 و دماي 400 درجه سانتيگراد قرار گرفت. پس از حذف اثر كارسرد حاصل از آسياب مكانيكي و خروج احتمالي ماده روانساز و همچنين حصول انسجام اوليه، به منظور بالا بردن چگالي نمونهها و كاهش تخلخل، نمونههاي مرحله اول در همان قالب، تحت فشار MPa 400 پرس سرد شدند. زينتر و اكسيداسيون داخلي نمونههاي ديسكي شكل به طور همزمان در كوره تونلي اتمسفر محافظ در دماي 900 درجه سانتيگراد انجام شد. در ابتدا به منظور به دست آوردن زمان و نسبت گلوله به پودر بهينه براي آلياژسازي مكانيكي به آناليز الگو پراش پرتو X نمونههاي پودري پرداخته شده است. چگالي نمونهها قبل و بعد از عمليات زينتر با استفاده از ترازوي با دقت 0001/0 گرم به روش ارشميدس بر اساس استاندارد ASTM b328 به دست آمده است. در ادامه به بررسي مقاومت سايش نمونهها توسط دستگاه پين بر روي ديسك و طبق استاندارد ASTM G99-95a تحت نيروي N 20 و سرعت ثابت m/s 25/0 انجام گرفت. براي مطالعه رفتار سايشي نمونهها به بررسي ميزان كاهش حجم نمونهها پس از طي مسافتهاي لغزش متفاوت و عكسهاي ميكروسكوپ الكتروني از سطوح سايش، پرداخته شده است.

3- نتايج و بحث
شكل (1) تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي پودرهاي مس- 1درصد وزني كروم پس از مدت زمان مختلف آسيابكاري با نسبت گلوله به پودر متفاوت را نشان ميدهند. از مقايسه شكل (1- الف و پ) تصاوير نمونه مس- 1 درصد وزني كروم پس از 60 ساعت آسياب كردن به ترتيب با BPR10 به 1 و 20 به 1 برميآيد كه در نمونه با BPR 10 به 1 هر چند به مدت 60 ساعت پودرها آسياب شده اند اما هنوز مقداري از ذرات به هم چسبيدهاند و زمان آسياب كردن بيشتري براي رسيدن به

)
الف
(

)
ب
(

)

الف

(

)

ب

(

(پ)
شكل (1): مورفولوژي پودر مس- 1 درصد وزني كـروم در بزرگنمـايي 500 پس از زمانهاي مختلف آسـيابكـاري در نـسبت گلولـه بـه پـودر متفـاوت،(الف) 60 ساعت با BPR10 به 1، (ب) 40 ساعت با BPR 20 به 1 و (پ) 60 ساعت با BPR 20 به1.

X شكل (2): طرح پراش اشعه نمونه مس- 1 درصد وزني كروم پس از 60 ساعت آسياب كردن با نسبت گلوله به پودر 10 به 1 و 20 به 1.

X شكل (3): طرح پراش اشعه نمونه مس- 1 درصد وزني كروم، پس از صفر، 40 و 60 ساعت آسياب كردن با BPR 20:1.

حالت تعادل بين جوش سرد و شكستن ذرات پودر لازم دارد. از مقايسه شكل (1- الف و ب) پس از 60 ساعت آسياب كردن، در نمونه با نسبت وزني گلوله به پودر 20 به 1 متوسط اندازه ذرات در اين نمونه كمتر از نمونه با نسبت گلوله به پودر 10 به 1 است. از مقايسه شكل (1- الف و ب) از نظر اندازه ذرات و ميزان چسبندگي، نمونه با زمان آسياب كمتر، بيش از نمونه با نسبت گلوله به پودر كمتر است. بنابراين، تأثير مدت زمان آسياب كردن بر نمونه بيشتر از نسبت گلوله به پودر ميباشد.
در مجموع، پس از آسياب به مدت 60 ساعت با نسبت گلوله به پودر 20 به 1 منجر به ايجاد كارسختي در ذرات و شكسته شدن آنها شده است و متوسط اندازه ذرات كاهش يافته است، در نهايت ذرات نسبتاً هممحور شدهاند. در اين مرحله با كاهش اندازه ذرات و فاصله بين لايهاي ذرات، نفوذ اتمها در فصل مشترك لايههاي ايجاد شده منجر به تشكيل آلياژ ميشود. افزايش عيوب داخلي و بالا رفتن دما باعث تسريع نفوذ اتمها ميشود [5]. بنابراين، در اين پژوهش براي آلياژسازي با استفاده از آسياب مكانيكي، نمونهها به مدت 60 ساعت با نسبت وزني گلوله به پودر 20 به 1 آسياب شدهاند.
البته براي اطمينان از كفايت زمان و نسبت گلوله به پودر مناسب براي آلياژسازي مكانيكي سيستم مس- كروم، الگو پراش پرتو X مخلوط پودرهاي مس و كروم پس از زمانها و نسبت گلوله به پودر متفاوت در شكلهاي (2) و (3) آورده شده است. با توجه به اين كه دستگاه قادر به تشخيص عناصر كمتر از 3 درصد وزني موجود در نمونه نيست، تنها پيكهاي مس در اين نتايج مشاهده ميشود. اما با توجه به ايجاد محلول جامد در نمونهها در حين آلياژسازي مكانيكي، مقداري جابجايي در پيكهاي اصلي مس به دليل تفاوت قطر اتمي مس و كروم و تغيير يافتن پارامتر شبكه مس به علت حضور كروم در شبكه آن، مشاهده ميشود.
از مقايسه طرح پراش نمونهها در شكلهاي (2) و (3) برميآيد كه با افزايش زمان آسياب كردن و نسبت گلوله به پودر، عرض پيكها بيشتر ميشودكه بيانگر ريزتر شدن ذرات است كه در تصاوير ميكروسكوپ الكتروني كه در شكل (1) نشان داده شده است، نيز مشخص است.
از سوي ديگر با توجه به جابجايي بيشتر پيكها به سمت چپ و كاهش بيشتر شدت پيكها ميزان حلاليت كروم در مس با افزايش زمان آسياب كردن و نسبت گلوله به پودر، افزايش مييابد. جابجا شدن پيكها به سمت چپ و در واقع كاهش زاويه پراش متناسب با پيكهاي اصلي مس خالص و با توجه به رابطه براگ ((nλ=2dSinθ، بيانكننده افزايش اندازه كريستاليت است. با توجه به رابطه مستقيم اندازه كريستاليت و پارامتر شبكه، افزايش پارامتر شبكه مس نتيجه ميشود. البته با توجه به اينكه
قطر اتمي مس A 55/2 و قطر اتمي كروم نيز
A 6/2 است، با قرار گرفتن كروم در شبكه مس، اختلاف پارامتر شبكه مس آلياژي نسبت به مس خالص چندان زياد نميباشد.
از آن جا كه پهن شدن پيكها به ريز دانه شدن و كرنش شبكه برميگردد، با توجه به روابط مختلف موجود براي تخمين اندازه دانه و كرنش شبكه در اين پژوهش از رابطه ويليامسون- هال استفاده شده است. در اين روش پس از رسم منحني
βCosθ-Sinθ، معادله بهترين تقريب خطي آن به دست آورده شده است [6]. ضمناً مقدار پهنشدگي پيكها توسط نرمافزار موجود بر روي دستگاه اندازهگيري شده است. پرتو Cu kα با طول موج A 54060/1 براي الگو پراش به كار رفته است. بر اساس نتايج حاصل از طرح پراش اشعه X نمونه مس- 1 درصد وزني كروم پس از 60 ساعت آسياب كردن با BPR، 20 به 1، كرنش شبكه 0015/0 و اندازه دانه 66/34 نانومتر ميباشد.
شكل (4) نتايج آناليز الگو پراش پرتو X نمونه پس از زينتر را با نمونه پس از 60 ساعت آسياب كردن و قبل از زينتر مقايسه ميكند. با توجه به شكل پيكهاي مس پس از زينتر نسبت به نمونه پودري زينتر نشده، به سمت راست جابجا شدهاند. در واقع زاويه پيك متناظر با صفحه (111) در اين مرحله برابر ˚21/43 است و پس از زينتر به حدود ˚43/43 ميرسد كه در مقايسه با زاويه ˚45/43 مربوط به پيك متناظر با صفحه (111) مس خالص نشاندهنده اين است كه كروم از شبكه مس خارج شده و بنابراين پيكهاي مس آلياژي به سمت مس خالص ميل كرده است. علاوه بر اين، پس از زينتر نمونهها، شدت پيكها افزايش يافته كه اين نيز دليلي بر خارج شدن كروم از شبكه مس در اين مرحله است. اما در اين الگوي پراش به علت ريزدانگي يا مقدار كم اكسيد كروم موجود، پيكهاي اكسيد كروم مشاهده نشده است.
پس از تعيين زمان و نسبت گلوله به پودر بهينه براي تهيه آلياژ و اطمينان از تشكيل كامپوزيت، در ادامه به بررسي برخي خواص فيزيكي و مكانيكي نمونهها پرداخته ميشود. چگالي نمونهها قبل و پس از زينتر بر اساس استاندارد ASTM b328 بر طبق رابطه ارشميدس و درصد تخلخل نمونهها نيز به دست آمده است.
نتايج محاسبات در جدول (1) ارائه شده است.
پس از اكسيداسيون داخلي و زينتر در نمونههاي تهيه شده به روش آلياژسازي مكانيكي، به علت افزايش سطح مرزدانهها،

شكل (4): طرح پراش اشعه X نمونهها قبل و پس از زينتر.

افزايش نفوذپذيري و كاهش فاصله نفوذ ناشي از شكست و جوش خوردن مكرر، سينتيك زينتر افزايش مييابد [5]. با تشكيل ذرات اكسيدي، همانطور كه چگالي تئوري افزايش مييابد، چگالي پس از زينتر نمونه نيز بيش از چگالي خام نمونه است و درصد تخلخل كاهش مييابد. ميزان تخلخل موجود در كامپوزيت در واقع به علت خلل و فرجي است كه همراه با تشكيل اكسيد كروم، وارد نمونه ميشود. البته در صورت به كارگيري روشهايي چون پرس داغ در فرآيند توليد ميزان تخلخل كاهش بيشتري پيدا ميكند.
مقاومت الكتريكي ويژه كامپوزيت قبل و بعد از زينتر با ميكرواهممتر ساخت شركت IET Labs كه بر اساس مدار كلوين- بريج6 كار ميكند، اندازهگيري شده است و بر اساس
استاندارد ASTM b193 مقدار مقاومت ويژه الكتريكي به دست آورده شده است. مقاومت الكتريكي ويژه قبل و بعد از زينتر به
ترتيب μΩcm 22 و μΩcm 4/6 است. با توجه به مقادير ب ه دست آمده، مقاومت الكتريكي ويژه پس از زينتر كاهش مييابد. پس از زينتر با خروج عنصر كروم از شبكه مس و كاهش اعوجاج شبكه مقاومت الكتريكي ويژه نمونه افزايش مييابد.
رفتار سايشي كامپوزيتها از طريق ميزان كاهش وزن نمونهها حين فرآيند سايش و بررسي تصاوير ميكروسكوپي سطوح سايش مطالعه گرديد. نتايج حاصل از آزمون سايش پس از اندازهگيري كاهش وزن در هر مرحله، با توجه به مقادير چگالي محاسبه شده نمونهها به كاهش حجم تبديل شدهاند. نمودار

شكل (5): نمودار كاهش حجم بر حسب مسافت نمونه.

كاهش حجم نسبت به مسافت براي نمونه در شكل (5) نشان داده شده است. به طور كلي با افزايش مسافت لغزش، ميزان كاهش حجم نمونهها بايد افزايش يابد.
نقطهاي كاهش حجم در مسافتهاي لغزش مختلف براي
جدول (1): چگالي و درصد تخلخل نمونه.
درصد تخلخل چگالي نسبي چگالي تئوري
(g/cm3) چگالي پس از زينتر
(g/cm3) چگالي خام(3g/cm) نمونه
22 0/78 8/706 – 6/8 Cu-Cr-Cu2O
13/5 0/86 8/82 7/63 – Cu-Cr2O3
با توجه به نمودار كاهش حجم نمونه مس- 1 درصد وزني كروم سرعت كاهش حجم در مسافت 3000 متر نسبت به 2000 متر اندكي كمتر از مسافت 2000 متر به 1000 متر است. كه در ادامه با بررسي تصاوير ميكروسكوپ الكتروني سطوح ساييده شده در شكل (6) به بررسي آن پرداخته ميشود. پس از رسم نمودار پهناي شيارها افزايش مييابد و علاوه بر آن با توجه به آناليز شيميايي EDS يك لايه سطحي متفاوت با زمينه در سطح نمونههاي ساييده شده، تشكيل شده است. آناليز شيميايي EDS بيانگر افزايش حضور اكسيژن در سطوح سايش با افزايش مسافت لغزش است.
در حقيقت گرماي ايجاد شده ناشي از اصطكاك نمونه روي سطح ديسك موجب بالا رفتن دما تا حدود تشكيل و پايداري فازهاي اكسيدي زمينه ميگردد. حضور اين لايههاي اكسيدي مانع از تماس مستقيم پين كامپوزيت با سطح ديسك ميشود و بنابراين، ميزان كاهش حجم نمونه در مسافتهاي بالاتر اندكي كاهش مييابد. با افزايش مسافت لغزش غير از خطوط و شيارهاي سايش، حفرهها و كندگيهايي با مكانيزم سايش تورقي نيز ديده ميشود. تركهايي عمود بر جهت سايش در سطح نمونهها مشاهده ميشود كه در مسافتهاي بالاتر به وضوح در شكل (6- ت) مشخص است. بنابراين، مكانيزمهاي حاكم در اين نمونهها تركيبي از مكانيزم سايش سايا، اكسيداسيوني و تورقي است.
نمونههاي مختلف، معادله بهترين تقريب خطي منحني را به دست آورده و از روي شيب، نرخ سايش معادل mm3/m 0028/0 است.
شكل (6) تصاوير SEM نمونه كامپوزيتي در مسافتهاي مختلف لغزش را نشان ميدهد. با توجه به تصاوير سايش نمونهها در مسافتهاي 1000 و 2000 متر، شيارها و كانالهايي موازي با جهت سايش مشاهده ميشود، بنابراين مكانيزم غالب در اين مسافتها، سايش سايا ميباشد. با افزايش مسافت سايش عمق و 4- نتيجهگيري
به منظور توليد كامپوزيت مس/ اكسيد كروم به روش آلياژسازي مكانيكي و اكسيداسيون داخلي، در اين پژوهش زمان مناسب براي آلياژسازي 60 ساعت و نسبت گلوله به پودر 20 به 1 در نظر گرفته شده است. پس از بررسي برخي خواص فيزيكي و مكانيكي نتايج زير در مجموع به دست آمده است:
چگالي نمونه بعد از اكسيداسيون داخلي افزايش مييابد.
مقاومت الكتريكي ويژه نمونه پس از اكسيداسيون داخلي به علت خارج شدن كروم از شبكه مس، كاهش مييابد.
در آزمون سايش، كاهش حجم نمونه با افزايش مسافت لغزش افزايش مييابد. مقاومت به سايش كامپوزيت تهيه شده بيش از مقاومت به سايش مس خالص است. مكانيزم غالب سايش در مسافتهاي كوتاه، سايش سايا است كه با افزايش مسافت سايش مكانيزم اكسيداسيوني و تورقي نيز فعال ميشوند.

441973-4767097

)
الف
(

)
ب
(

)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید