دات نت نیوک
X
GO

کتاب جوشکاری سرامیک - فلز

کتاب جوشکاری سرامیک – فلز تالیف جناب آقای دکتر امیرحسین کوکبی و جناب آقای مهندس هادی قاسمی منتشر شده و در دسترس مهندسان جوشکاری، مهندسان سرامیک و سایر علاقه مندان به این مبحث کاربردی قرار دارد. این کتاب در یکهزار نسخه توسط موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف در سال 1387 به چاپ رسیده است.

 

 

پیشگفتار

در مقطع زمانی حساس كنونی كشور، نياز به طرح و ابتكار در زمينه های مختلف وجود دارد و شوق وافر جوانان و حتی با تجربه‌ ها به بيشتر دانستن بسيار فراگير شده است. يكی از وظايف مهم هر فرد آن است كه دانسته‌های خود را در معرض اطلاع و يادگيری همگان قرار دهد. انجام اين وظيفه و همچنين استقبال و تشويق علاقه‌‌مندان از كتاب‌های منتشر شده قبلی این حقير، اين حس را ايجاد نمود كه می توان مطالب تخصصی تر علاوه بر اطلاعات عمومي در زمينه فناوری جوشكاری را انتشار داد.

حاصل جمع آوری اطلاعات مفيد و به روز و نتايج چندين پروژه تحقيقاتی توسط آقای مهندس هادی قاسمی تدوين و در اين كتاب آمده است. آقای هادی قاسمی از دانشجويان بسيار علاقه مند و فعالی است كه دوره كارشناسی را در گرايش سراميك گذرانده و پايان نامه كارشناسی ارشد وی در موضوع اتصال آلومينا به مس است. او همچنين در انتشار چندين مقاله در اين زمينه در كنفرانس‌ ها و مجلات علمي با اينجانب همكاری داشته است.

اميد است انتشار اين كتاب براي علاقه‌‌مندان مفيد و قابل استفاده باشد و موجب شود تا مطالب جمع آوری شده ديگر در زمينه های خاص، نظير جوشكاری زيرآب و يا اتصالات نامتجانس و ... نيز در آينده بدين صورت منتشر شوند.

در پايان ضمن سپاس ويژه از جناب آقای مهندس هادی قاسمی و تعدادی از دانشجويان ارشد و دكترا، از موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شريف نيز سپاسگزاری می شود كه همكاری و تسهيلات لازم را برای انتشار اين كتاب فراهم نمودند.

 

فهرست مطالب 

پيشگفتار

1- مقدمه

2- ويژگی های اتصالات سراميك - فلز

1-2- اهمیت اتصالات سرامیک - فلز
2-2- مشکلات اتصال سراميك - فلز    
3-2- ملزومات اتصالات سرامیک - فلز
4-2- ترشوندگی
5-2- تنش‌های پسماند
6-2- رفتار مكانيكي اتصالات سراميك - فلز
7-2- لایه‌های واسط

 

3- روش‌های اتصالات سراميك - فلز    

1-3- روش‌های مکانيکی
2-3- روش‌های شيميایی

 

4- اتصالات ويژه

1-4- اتصال سرامیک‌های غیر اکسیدی
2-4- اتصال شیشه - فلز
3-4- لحيم‌كاری توسط شیشه‌ها
4-4- لحيم‌كاری مواد گرافيتی

 

5- کاربرد اتصالات سرامیک- فلز و سراميك - سراميك

1-5- صنایع الکترونیک
2-5- صنایع هوافضا
3-5- صنایع خودروسازی
4-5- صنایع هسته‌ای
5-5- پيل‌هاي سوختی
6-5- بدل‌های حرارتی سرامیکی
7-5- صنايع پزشكی
8-5- مولدهای اشعه پروتونی

منابع و مراجع
واژه نامه فارسی - انگليسی

 

فهرست جدول‌ها  

جدول 2-1- نقطه ذوب تعدادی از فلزات و سراميك‌ های معمول
جدول 2-2- زاویه تماس بین سیستم‌های معمول سرامیک - فیلر فلزی
جدول 2-3- تغييرات استحکام برشي اتصال با تغيير ابعاد لايه‌ها
جدول 2-4- تغييرات استحکام برشي اتصال با جهت لايه‌ها در فصل مشترک
جدول 3-1- شرايط پيونددهی برای اتصالات الكترواستاتيكی فلز - شيشه
جدول 3-2- تركيب چند نوع خمير متاليزه رايج
جدول 3-3- فیلرهای آلیاژی تجاری
جدول 3-4- چسب‌های آلي مورد استفاده در اتصالات سراميک - فلز
جدول 3-5- مشخصات سه نوع سراميك برای ايجاد اتصال ماكروويو
جدول 3-6- استحكام اتصال ماكروويو آلومينا در شرايط مختلف اتصال دو مرحله‌ای
جدول4-1- استحکام قطعات متصل شده

 

فهرست شكل ها 

شكل 2-1- مقايسه ضريب انبساط حرارتي سراميك ها و فلزات
شکل 2-2- زاویه تماس در حالت ترشوندگی و عدم ترشوندگی
شکل2-3- مراحل مختلف ترشوندگی فعال
‌شکل2-4- ارتباط بین انرژی فصل مشترک، كار چسبندگی و استحكام اتصال
شکل 2-5- ايجاد تنش های پسماند در اتصال سراميك - فلز
شکل 2-6- طرح واره تنش های پسماند در اتصال فلز به سراميک
شکل 2-7- عيوب موجود در سطح اتصال به صورت طرح واره
شکل 2-8- هندسه اندازه‌گيری استحكام اتصالات سراميك - فلز
شکل 2-9- دستگاه پراش نوترونی جهت ارزيابی تنش‌های پسماند
شکل 2-10- (الف) خط اندازه‌گيری (ب) تنش‌های موجود در سطح اتصال SiC-Mo
شکل 2-11- تنش های پسماند در اتصال SiC-Mo از دو طريق پراش نوترونی و FEM
شکل 2-12- توزيع تنش های اصلی در اتصال 3O2Fe-Ni-Co/Al  
شکل 2-13- انواع لايه های واسط
شکل2-14- اتصال SiC به فولاد زنگ نزن
شکل 2-15- توليد پره يك توربو شارژ با استفاده از دولايه واسط
شکل 2-16- لايه واسط لانه زنبوری و dimple
شکل 2-17- نوعی واشر موج دار
شکل 2-18- اتصال بدون و با استفاده از لايه واسط انعطاف پذير
شکل 3-1- مراحل تغييرشکل فلز
شکل3-2- انقباض حفرات در اثر نفوذ اتمی
شکل 3-3- تأثیر دما بر استحکام کششی اتصال زیرکونیا و آلياژ آلومینیم 5052
شکل 3-4- تأثیر فشار بر استحکام کششی اتصال زیرکونیا و آلياژ آلومینیم 5052
شکل 3-5- اتصال كاربيد سيليسيم و  سوپر آلياژ  °°6 Inconel  در دماهای مختلف
شكل 3-6- آناليز فصل مشترك پيوند (الف). آلومينيم - شيشه (ب). نقره - شيشه
شكل 3-7- فرآيند جوشکاری اصطکاکی به‌صورت طرح واره
شكل 3-8- تغييرات دمایی سطح اتصال در طول فرآيند جوشكاری اصطكاكی
شكل 3-9- اتصال Al-AlN به دو صورت ماکروسکوپی و میکروسکوپی
شكل 3-10- اتصال فولاد زنگ نزن به زيرکونيا و اکسید آلومینیم با لايه واسط آلومينيم
شكل 3-11- فرآيند متاليزاسيون به‌روش رسوب فاز بخار به‌صورت طرح‌واره
شكل 3-12- فرآيند پاشش به‌صورت طرح‌واره
شكل 3-13- ساختار مقطع اتصال آلومينا به مس از طريق متاليزاسيون و لحيم‌کاری
شكل 3-14- فرآيند متاليزاسيون مکانيکی به‌صورت طرح‌واره
شكل 3-15- تصویر ميكروسكوپ الكتروني فیلم تیتانیم روی آلومینا
شكل 3-16- نمايي از فصل مشترك بين آلومينا و لحيم Ag-Cu-Ti
شكل 3-17- نمایی از اتصال 3O2Cu/Al متاليزه شده با Ti با فیلرAg-Cu
شكل 3-18- نمایی از شکل‌گیری فیلر آلیاژی و لایه واکنشی
شكل 3-19- ارتباط بین استحکام اتصال و متغیرهای لحیم‌کاری    
شكل 3-20- تأثير شرايط لحيم‌كاری روي درجه تغيير رنگ MgO-PSZ
شكل 3-21- تأثیر دمای آزمایش بر استحکام اتصال SiC3O2 Al
شكل 3-22- تأثیر جهت‌گیری الياف بر استحکام اتصال SiC 3O2 Al
شكل 3-23- دياگرام دو جزئی Cu-O
شكل 3-24- ريز ساختار اتصال 3O2Cu/Al پس از 10 دقيقه
شكل 3-25- ساختار اتصال 3O2Cu/Al پس از زمان طولاني اتصال
شكل 3-26- تغييرات استحکام خمشي اتصال 3O2Cu/Al با زمان اتصال
شكل3-27- سطح مقطع اتصال 3O2Cu/Al بدون وجود لايه‌های ميانی
شكل 3-28- ساختار فصل مشترک نیکل/ 4N3 Si
شكل 3-29- استحكام برشی اتصال AlN-Cu برای شرايط مختلف كاشت يون
شكل 3-30- تصوير  SEM از لایه واسط Al/Ta/Al 
شكل 3-31- تصوير SEM از اتصال L316/2MoSi با لايه واسط Al/Ta/Al
شكل 3-32- رابطه بين فاكتور تلفات دیالکتريک و جذب انرژی
شكل 3-33- اتصال تيغه‌های آلومينایی با افزايش درجه حرارت و توان
شكل 3-34- منطقه اتصال و بيرون‌زدگی در اتصال ماكروويو
شكل 3-35- ماده پايه 1 : منطقه مرکز نمونه و 2 : منطقه كناری (بعد از اچ حرارتی)
 شكل 3-36- ذرات اطراف حفره ها در اتصال ماكروويو آلومينا
شکل 3-37- تغييرات دما با زمان در طول فرآيند اتصال
شکل 3-38- لايه شيشه منجمد شده در فصل مشترک جوش
شكل 3-39- اتصالات كامپوزيت آلومينا - زيركونيا توسط امواج ماكروويو
شكل 3-40- تغييرات ميکروسختی در اتصال ماكروويو كامپوزيت آلومينا - زيركونيا
شکل 4-1- تغییرات انرژی آزاد سیلیسیدها و نیتریدهای فلزی با دما
شکل 4-2- ساختار واکنشی در فصل مشترک 600 SiC / Inconel  با فيلر BCo10
شکل 4-3- لايه‌های واكنشی در اتصال 600 SiC / Inconel  با فيلر V-Si-B36 Co
شکل 4-4- نمایی از فرآیند لحيم كار S Q
شکل 4-5- ریز ساختار فصل مشترک در اتصال SiC/Mo
شکل 4-6- طرح واره اتصال كپسول SiC  به‌وسيلة ليزر
شکل 4-7- تصوير نمونه نگهدار
شکل 4-8- طرح اتصال  در كپسول SiC
شکل 4-9- تصوير کپسول SiC لحيم‌کاری سخت شده به‌وسيله ليزر Nd:YAG
شکل 4-10- تصوير کپسول SiC لحيم‌کاری سخت شده به‌وسيله ليزر CO2
شکل 4-11- تصوير سطح مقطع اتصال با درز اتصال كوچك
شکل 4-12- تصوير SEM سطح مقطع اتصال
شکل 4-13- کلاهک سنسور متصل شده به‌وسيله ليزر
شکل 4-14- (الف) متخلخل بودن گرافيت و نفوذ فيلر لحيم به آن (ب) چگال بودن گرافيت و عدم نفوذ فيلر لحيم
شکل 4-14- (الف) متخلخل بودن گرافيت و نفوذ فيلر لحيم به آن (ب) چگال بودن گرافيت و عدم نفوذ فيلر لحيم
شكل 5-1- نمونه‌هایی از اتصالات سراميك - فلز در يك IC
شكل 5-2- كاربرد اتصالات سراميك - فلز در موتور توربو گازی
شكل 5-3- كاربرد قطعات سراميكی در موتورهای توربو
شكل 5-4- مثال‌هایی از کاربرد اتصالات سراميک- فلز در صنايع خودرو سازی
شكل 5-5- طرح‌واره ساختار پيل‌های سوختی جامد
شكل 5-6- طراحی های صفحه‌ ای پيل‌ های سوختی جامد
‌شكل 5-7- يك مبدل حرارتی از سيستم سيكل‌های تركيبی
شكل 5-8- زاويه ترشوندگی مذاب فلزات بر روی زيركونيا در حالت ترشوندگی فيزيكی

 

مقدمه

امروزه سراميك ها به دليل ويژگی هایی از قبيل مقاومت به خوردگی و مقاومت به سايش عالی، هدايت حرارتی و الكتريكی كم، چگالي نسبی پايين و استحكام مناسب در درجه حرارت‌های بالا جايگاه ويژه‌ای را در كاربردهای مهندسي به خود اختصاص داده اند. دليل رشد استفاده از سرامیک‌های پیشرفته را پاسخ موفق و ایده آل این مواد به نیازهای صنعت مي دانند. اين خواص در بسياری از كاربردهای مهندسی مانند قطعات مقاوم به سايش، عايق هاي الكتريكي، ‌ابزار فرآيندهاي شيميایی و موتورهای حرارتی مورد نیاز می باشند. کاربرد در صنايع الکترونيک، هوافضا، هسته ای، پزشکی و صنايع نظامی تنها گوشه ای از کاربردهای پيشرفته سرامیک ها هستند. مواد سیلیکونی نظیر SiC (سیلیکون كاربايد)، 4N 3 Si (سیلیكون نايتراید)، و SiAlON (سیالون) جایگزین بسیاری از مواد فلزی در مقیاس بزرگ شده‌اند. تلاش های همه جانبه ای بر روی گسترش خواص و كاربرد این مواد صورت گرفته است. یکي از اهداف در دهه 1980، ساخت موتور با بدنه تمام سرامیکی بود. ولی این هدف هنوز در واقعیت محقق نشده است.

از طرف ديگر معايب و مشكلاتي از قبيل حساسيت به ترك، عدم شكل پذيری، هزينه بالای مواد اوليه و توليد، کاربرد اين مواد را در برخی مواضع محدود ساخته است. بدين جهت برای اين کاربردها بايد از مواد سراميکی به همراه مواد فلزی و يا پليمری به‌عنوان مکمل يکديگر استفاده كرد. در اين ميان ترکيب سراميک - فلز نقش تعيين‌کننده ای را در زمينه های مختلف ايفا می کند. مدارهای الکترونيکی، کامپوزيت ها، پوشش هاي عايق حرارت، پيل های سوختی، کاتاليست ها، موتورهای احتراق و ابزارهای تراش، نمونه هایی از اين کاربردها هستند. استفاده مکمل از اين ترکيب مواد، به ‌وجود روش های اتصال مناسبی وابسته است که بتواند خواص مورد نياز را در محل اتصال تأمين نماید. بنابراين در کاربرد اين مواد در کنار يکديگر، ايجاد اتصال نقش اساسی و حياتی ايفا می کند و موفقيت در استفاده از سراميک های پيشرفته و كاربرد اين مواد در كنار مواد ديگر، وابسته به پيشرفت روش‌ها و فناوری های اتصال اين مواد می باشد.

کاربردهای حاضر و آینده سرامیک های پیشرفته محدوده وسیعی از صنایع را در برخواهد گرفت. ولی با توجه به نیاز استفاده از مواد با خلوص بسیار بالا و پیچیدگی فرآیند تولید، این گروه از مواد رشد پیش‌بینی شده خود را تا به حال به عرصه حضور نگذاشته اند. با معرفی تکنیک های اتصال و طراحی های جدید می‌توان توجیه اقتصادی برای استفاده هر چه بیشتر از این گروه از مواد را به دست آورد.

استفاده از سراميك‌ها و فلزات در كنار يكديگر به دلیل کاربردها و نیازهای روز افزون به خواص متفاوت و بعضاً متناقض دو ماده، همواره مدنظر محققین و صنعتگران بوده است. در ادامه به چند دليل استفاده از تركيب سراميك - فلز اشاره شده است:

  • صرفه جویی در ابعاد
  • صرفه اقتصادی
  • افزایش عمر مفید قطعات
  • دستیابی توامان به استحکام مکانیکی بالاي فلزات و مقاومت به خوردگی عالي سراميك‌ها به خصوص در صنایع نفت و گاز
  • دستیابی توامان به مقاومت به ضربه عالي فلزات و خواص سایشی بالاي سراميك ها مورد استفاده در غلتک های نورد میکسرهای ماسه و ...

 

با توجه به ماهيت شکنندگی اکثر سرامیک ها، فرآیندهای ماشین‌کاری به علت ایجاد سطوح تمرکز تنش برای ساخت قطعات پیچیده سرامیکی چندان مطمئن نيستند. بنابراین با توجه به کاربرد روزافزون شكل هاي پیچیده و چند جزئی سرامیکی، ساخت ساختارهای پیچیده از شكل هاي ساده مستلزم وجود روش‌های مناسب اتصال سرامیک هاست. این روش های اتصال باعث کاهش مشکلات ساخت و هزینه کمتر ساخت قطعات پیچیده سرامیکی می‌شوند.

پژوهشگران پیش‌بینی كرده اند که در آینده اکثر اتصالات سرامیک - فلز توسط مواد واسط نظیر فیلرهای فلزی انعطاف پذیر و فعال و فلزات آمورف انجام خواهد یافت. در ادامه به چند مورد از برنامه‌های تحقیقاتی كه هم ‌اكنون در خصوص اتصالات سرامیک - فلز در حـال انجام اسـت، اشاره شده است:

  • پوشش‌دهی سرامیک ها به‌خصوص سرامیک های غیراکسیدی قبل از لحیم‌کاری توسط فیلر فلزات معمول
  • استفاده از تکنیک های پوشش یونی، کاشت یونی و دیگر روش‌های تولید یون در سطح
  • استفاده از فویل های انعطاف پذیر میانی برای گسترش تکنیک اتصال نفوذی
  • شبیه سازی فرایندهای ترشوندگی و واکنش های شیمیایی در سطح اتصالات سرامیک - فلز
  • استفاده از فرایند نفوذ فعال شده توسط واکنش شیمیایی به جای نفوذ فعال شده توسط حرارت در اتصال اجزای سرامیکی برای جلوگیری از توزیع غیریکنواخت حرارت در سطح اتصال
  • بررسی روش های لحیم‌کاری جدید در دماهای پایین برای حذف هزینه بالای کوره های دما بالا در مقیاس صنعتی

 

امید است که با استقبال و حمایت فراگیران و شاغلان محترم این رشته از کتب و مقالات جوشکاری و بازرسی منتشر شده، زمینه و انگیزه فعالیت هر چه بیشتر مولفان و مترجمان محترم فراهم آمده تا بیش از پیش شاهد تالیف و ترجمه کتب و مجموعه مقالات مطرح در زمینه های گوناگون علم مهندسی جوشکاری به زبان پارسی باشیم.

 

« با حمایت از حقوق پدیدآورندگان آثار، به توسعه نشر علوم و فنون پارسی یاری رسانیم. »