توصيفگر ها :
كاربيد سمنته , كاربيد تنگستن-كبالت , WC-Co , هاردمتال , كاربيد سمنته WC-Co , طراحي آزمايش , شبكه عصبي
چكيده فارسي :
كاربيدهاي سمنتهي WC-Co با خواص مكانيكي، سايشي و چقرمگي منحصر به فرد خود تاكنون جايگاه ويژهاي در صنايع پيدا كردهاند كه باعث شده ميزان درخواست و توليد اين مواد در جهان روز به روز افزايش يابد. به علاوه، با توجه به محدوديت منابع اوليه و چالشهاي استخراج از آنها تلاش براي بازيافت اين مواد از همان سالهاي نخست پيدايش مبحث مورد مطالعهي بسياري از مراكز تحقيقاتي در سراسر جهان قرار گرفته تا امروزه در كشورهاي زيادي همانند ژاپن از منابع ثانويه براي توليد اين مواد استفاده ميشود. رويكردي كه به منظور بازيافت آنها از ضايعات ابزارهاي برشي در اين پژوهش ارائه گرديده به دو بخش كلي تقسيم ميشود. در بخش اول اكسيداسيون خشك اين كاربيدهاي سمنته به دو دليل مهم مورد بررسي قرار گرفت. اول اينكه اكسيداسيون دما بالا مهمترين عامل كاهش طول عمر كاري آنها است و دليل اصلي به اين خاطر كه از فرآيند اكسيداسيون به منظور كاهش خواص مكانيكي در بسياري از روشهاي بازيافت اين مواد به عنوان يكي از مراحل اصلي بهره گرفته ميشود. در واقع از آنجايي كه خردايش و توليد مجدد پودر از اين مواد به دليل استحكام و چقرمگي بالا فرآيندي دشوار است در ابتدا ضايعات را در دماي بالا اكسيد كرده كه كاهش شديد خواص مكانيكي را در پي داشته و موجب تسهيل در پودرسازي ميشود. به طور كلي ميتوان گفت ابتدا ضايعات در دماي بالا اكسيد شده و سپس از محصول اكسيدي آنها با استفاده از آسياب گلولهاي پودري با اندازهي ذرات زير 40 ميكرون تهيه شد و بعد از آن اين پودر با استفاده از گاز طبيعي به پودري با همان تركيب شيميايي اوليه تبديل گرديد كه ميتواند مجددا به محصول اوليه سينتر شود. در تحقيق پيش رو پديدهي اكسيداسيون دما بالاي كاربيدهاي سمنتهي كاربيد تنگستن-كبالت با استفاده از روشهاي طراحي آزمايش "متدولوژي رويهي پاسخ" و "طراحي تمام عاملي" به همراه مشخصهيابيهاي عملي شامل XRD و SEM/EDS براي آناليز فازي و بررسي ساختار اكسيد مورد مطالعه قرار گرفت. سپس از شبكهي عصبي پيشخور به منظور شبيهسازي و پيشبيني رفتار اكسيداسيون دما بالاي اين مواد بهره گرفته شد. در بخش دوم پاياننامه نيز احيا و سنتز درجاي اين مواد با استفاده از گاز طبيعي به منظور بازيافت آنها مورد مطالعه قرار گرفته و با استفاده از آزمايشات عملي امكانسنجي شد. در اين بخش پودر نهايي با استفاده از آناليز فازي XRD و ميكروسكوپ FESEM مورد بررسي قرار گرفت. با استفاده از نتايج به دست آمده در اين مطالعه مشخص شد كه بين دما، جريان هوا، زمان، توان دومها و اثرات متقابل آنها، دما و مربع آن 85% از سهم مجموع اثرگذاري فاكتورهاي مؤثر را به خود اختصاص داده و ميتوان دما را به عنوان مهمترين فاكتور بر اكسيداسيون خشك آنها معرفي كرد. همچنين جريان هوا فاكتور مهمي به منظور جلوگيري از كاهش وزن ناشي از تصعيد اكسيد تنگستن در دماهاي بالا است. در نهايت محدودهي دمايي 900 تا 1000 درجهي سانتيگراد به همراه جريان هواي مستقيم به عنوان حالت بهينهي اكسيداسيون دما بالاي اين كاربيدهاي سمنته معرفي گرديد. نتايج حاصل از بخش دوم نيز نشان داد كه پودرها با موفقيت در دماي 850، 900 و 1000 درجهي سانتيگراد در جريان گاز طبيعي به طور كامل احيا و سنتز شده و نمونهي قرار گرفته در دماي oC 1000 با مقدار 5/19% كمترين ميزان تخلخل ساختاري در ذرات پودر را داشت. از طرفي هيچ يك از فازهاي مياني و نيمه پايدار كه در بسياري ديگر از روشهاي بازيافت تشكيل ميشدند در ساختار نهايي شناسايي نشدند. همچنين به طور كلي ميتوان گفت اين روش نسبت به بسياري از ديگر روشهاي بازيافت نظير روشهاي مبتني بر هايدرومتالورژي، حمام مذاب روي و... تعداد مراحل كمتري داشته و ميتواند سادهتر باشد.
چكيده انگليسي :
WC-Co cemented carbides, known for their exceptional mechanical strength, wear resistance, and toughness, have gained significant importance in various industries, leading to a steady rise in their demand and production. The scarcity of raw materials and the complexities involved in their extraction have prompted a global initiative towards recycling these materials since their inception. Countries like Japan had notably utilized secondary sources for their production. This study introduced a method for recycling WC-Co carbide waste, particularly from used cutting tools, which was divided into two main phases. The initial phase examined the dry oxidation of these carbides for two pivotal reasons. Firstly, high-temperature oxidation significantly shortened their service life by deteriorating their mechanical properties, a critical factor since oxidation was a key step in numerous recycling processes. The inherent difficulty in crushing and reprocessing these high-strength materials into powder form was initially addressed by oxidizing the waste at high temperatures. This process substantially weakened the materials, thereby simplifying the powder production process. Essentially, the waste was first subjected to high-temperature oxidation and then ground into a fine powder (less than 40 microns) using a ball mill. Subsequently, this powder was chemically restored to its original composition through treatment with natural gas, making it suitable for re-sintering into the primary product. Future research would delve into the high-temperature oxidation of tungsten-cobalt cemented carbides through the use of response surface methodology and full factorial design for experimental design. Practical analyses, including XRD and SEM/EDS, were employed for phase analysis and to investigate the oxide structures. Additionally, a feedforward neural network was utilized to model and predict the high-temperature oxidation behavior of these materials. In the latter part of the thesis, the feasibility of regenerating and synthesizing these materials in-situ using natural gas for their recycling was explored through practical experiments. This segment involved the analysis of the final powder using XRD phase analysis and FESEM microscopy. The findings revealed that among the factors of temperature, airflow, duration, and their interactions, temperature and its square significantly influenced the outcome, accounting for 85% of the overall effect of influential factors, establishing temperature as the most crucial element in their dry oxidation process. Additionally, airflow was identified as vital for mitigating the loss of mass due to the sublimation of tungsten oxide at elevated temperatures. The optimal conditions for the high-temperature oxidation of these cemented carbides were determined to be within the temperature range of 900 to 1000 degrees Celsius, accompanied by a direct airflow. Furthermore, the experiments demonstrated successful regeneration and synthesis of the powders at temperatures of 850, 900, and 1000 degrees Celsius under a flow of natural gas. Notably, the sample treated at 1000 degrees Celsius exhibited the lowest structural porosity, with a porosity value of 19.5%, indicating densely packed powder particles. Unlike many other recycling methods, the final structure did not contain any intermediate or semi-stable phases. Overall, this method involves fewer steps compared to other recycling techniques, such as those involving hydrometallurgy or molten zinc baths, and can be simpler.