لحیم‌کاری سخت

سرامیک‌ها مواد غیرفلزی معدنی هستند که به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: سرامیک‌های ساختاری و سرامیک‌های متداول. یک خصوصیت رایج مواد سرامیکی آن است که آن‌ها از پودر ساخته می‌شوند که توسط فرایندهای مختلف به شکل مورد نظر شکل‌دهی می‌شوند. در فرایند اتصال آن‌ها از یک پیوند دهنده استفاده می‌شود و سپس تا دمای بالا با یا بدون فشار خارجی حرارت داده می‌شود تا قطعه لحیم کاری شده متراکم حاصل شود.

سرامیکهای متداول شامل محصولات سفالی و دیرگدازها است. این مواد معمولاً چگالی پایینی (به دلیل مقدار تخلخل نسبتاً بالا) دارند. آنها معمولاً در کاربردهای دما بالا استفاده می‌شوند که لحیمکاری سخت آنها عملی نمی‌باشد.

سرامیکهای ساختاری شامل موادی مثل اکسید آلومینیوم، اکسید زیرکونیوم، کاربید سیلسیم، نیترید آلومینیوم، نیترید سیالون و اکسی نیترید آلومینیوم-سیلسیم است، همچنین کامپوزیتهای ساخته شده از سرامیکها مثل شامل ویسکرهای یا کامپوزیت شامل دی بوراید تیتانیوم هستند. در حین ساخت سرامیکهای ساختاری باید مراقب بود که ترکیب شیمیایی به خوبی کنترل شود و چگالی بالایی حاصل شود. لحیمکاری سخت سرامیکهای ساختاری امکانپذیر است و کاربرد زیادی دارد.

جذابیت فناوری در سرامیکهای ساختاری مستقیماً با خواص منحصربه فرد آنها در مقایسه با فلزات در ارتباط است. بسیاری از سرامیکها استحکام بالا، نه تنها در دمای اتاق بلکه در دماهای نسبتاً بالا، دارند. به عنوان مثال کاربید سیلسیم می‌تواند استحکام ۲۰۰ خود را در دمای ۱۵۳۰ حفظ می‌کند. سایر سرامیکهای ساختاری مثل و کامپوزیتهای سرامیکی خاص نیز استحکام خود را در دماهای بالا حفظ می‌کنند.

علاوه بر استحکام بالا، سایر خواصی که سرامیکها را برای کاربرهای خاص منحصربهفرد می‌سازد شامل مقاومت به سایش بسیار خوب، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون عالی، سختی زیاد، ضریب انبساط حرارتی کم و مقاومت الکتریکی زیاد است.

سرامیکهای ساختاری به عنوان ابزارهای برش، یاتاقان، قطعات ماشین ابزار، قالب، آب بندهای پمپ، مبردهای دما بالا و قطعات موتور توربین گازی و احتراق داخلی استفاده می‌شود. با وجود پیشرفت در ساخت سرامیکهای ساختاری و کاربردهای روزافزون آنها در صنایع مهندسی جدید، این مواد فوقالعاده هر روز در حال پیشرفت هستند.

سرامیک‌ها به عنوان یک بخش از خانواده بزرگ مواد کاربردهای گسترده‌ای در دنیای امروز دارد. از این مواد ارزشمند در صنایع هوا-فضا، ابزارهای برش و تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شود. سرامیک‌ها پیوند کووالانسی و/یا یونی قوی (قوی‌تر از پیوند فلزی) دارد و این باعث خصوصیات بی مظیر در این مواد شده‌است: سختی بالا، استحکام فشاری زیاد، هدایت الکتریکی و حرارتی کم و از نظر شیمیایی خنثی هستند.

شکل ۱: مروری بر فرایندهای اتصال دهی سرامیک‌ها

این پیوند قوی موجب خواص نامطلوب مثل انعطافپذیری و استحکام کششی کم می‌شود. به هر حال، خواص متنوع این مواد مانع از کاربرد گسترده آنها نمی‌شود. به عنوان مثال، با توجه به این که سرامیکها به عنوان عایق الکتریکی و حرارتی استفاده می‌شود، ولیکن سرامیکهای اکسیدی (بر مبنای Y-Ba-Cu-O) برای هدایت حرارتی دما بالا کاربرد دارند. الماس، کاربید برلیوم و کاربید سیلسیم هدایت حرارتی بالاتر از آلومینیوم و مس دارند. با کنترل ریزساختار می‌توان بر مشکل سفتی ذاتی آنها غلبه کرد و محصولاتی مثل فنرهای سرامیکی و کامپوزیتهای سرامیکی تولید کرد که حداقل بتوانند نصف چقرمگی فولاد را داشته باشند. سرامیکها را می‌توان به گروه‌های زیر تقسیمبندی کرد:

۱)اکسیدها: اکسید آلومینیوم (Al2O3) و زیرکونیا (ZrO2) مهم‌ترین و پرکاربردترین سرامیکهای اکسیدی هستند. اکسید آلومینیوم (آلومینا) در تناژ بالا تولید و مصرف می‌شود.

۲)نیتریدها: نیترید سیلسیم (Si3N4) و نیترید آلومینیم (AlN) جزء سرامیکهای مهندسی پیشرفته در این گروه هستند. انواع و گروه‌های مختلفی از این مواد وجود دارد، مخصوصاً نیترید سیلسیم که خواص ویژهای دارد.

۳)کامپوزیتهای سرامیکی: سرامیکها معمولاً به عنوان تقویت‌کننده برای ساخت مواد کامپوزیتی استفاده می‌شوند، مثل پلاستیکهای تقویت شده با شیشه و کامپوزیتهای زمینه فلزی مانند آلومینیم تقویت شده با آلومینا. علاوه بر این، مواد سرامیکی پیشرفته به عنوان مواد زمینه در ساخت کامپوزیت استفاده می‌شود.

روشهای متنوعی برای اتصال سرامیکها به یکدیگر و مواد غیرمشابه وجود دارد. این روشها، از اتصالات مکانیکی تا اتصال مستقیم متنوع است. شکل ۱ روشهای اتصال دهی سرامیکها را نشان می‌دهد.

انتخاب هر یک از این رو-ها به عوامل زیر بستگی دارد:

1. عملکرد مطلوب قطعه مثل استحکام، عایق الکتریکی یا مقاومت به سایش
2. نوع موادی که باید به یکدیگر متصل شوند.
3. دمای اجرایی
4. کاربرد
5. میزان همگنی و یکنواختی اتصال
6. طراحی قطعه
7. هزینه

در حالی که همه موارد باید در نظر گرفته شود، معمولاً دو عامل شباهت موادی که باید به یکدیگر متصل شوند و ظرفیت دمایی مورد نیاز جزء موارد مهم است. شکل ۲ ظرفیت دمایی تعدادی از محیطهای اتصال دهی را نشان می‌دهد.

شکل ۲: ظرفیت دمایی تعدادی از محیط‌های اتصال دهی

هنگام اتصال سرامیکها به فلزات لازم است تا یک فصلمشترک بین مواد قرار گیرد. به‌طور کلی، فصلمشترک باید موارد زیر را مرتفع کند:

1. اختلاف در ضریب انبساط حرارتی
2. نوع پیوند یعنی یونی/کووالانسی برای سرامیکها تا پیوند فلزی برای فلزات
3. عدم انطباق شبکه کریستالوگرافی بین سرامیک و فلز

در مقایسه با فلزات و پلیمرها، سرامیکها سخت، غیرمصرفی و خنثی هستند. از این رو، آنها در دمای محیط، محیطهای خورنده و کاربردهای تریبولوژیکی استفاده می‌شوند. این کاربردها بر اساس ترکیب خواصی که برای صنعت جذاب است شامل موارد زیر می‌باشد:

1. حفظ خواص در دمای بالا
2. ضریب اصطکاک کم (مخصوصا در نیروی زیاد و میزان روانکاری کم
3. ضریب انبساط کم
4. مقاومت به خوردگی خوب
5. عایق حرارتی
6. چگالی کم

سرامیکهای مهندسی برای تولید قطعات برای کاربرد در بخشهای مختلف صنعتی ساخته می‌شوند که شامل زمینه‌های سرامیکی برای قطعات الکترونیکی، روتورهای توربوشارژر و ضربه زنها در موتورهای اتومبیل است. علاوه بر این، یاتاقانهای بدون روانکار در صنایع فرآوری مواد غذایی، پره‌های توربین هواپیما، میله‌های سوخت هستهای، جلیقه‌های سبک ضد گلوله، ابزارهای برش، پوششهای سدهای حرارتی و تجهیزات کوره از کاربردهای متداول سرامیکها است.