ساخت و بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت‌های زمینه آلیاژهای مس تقویت‌شده با ذرات الماس میکرونی

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
علی علیزاده 1
محسن حیدری بنی 2
رامین سلطانی بیدار 3
جعفر اسکندری جم 1
1 استاد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
2 دانشجوی دکتری، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
3 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
10.22034/stme.2024.471009.1068
چکیده
کامپوزیت‌های زمینه آلیاژهای مس تقویت‌شده با ذرات الماس میکرونی یک نوع از مواد کامپوزیتی هستند که از آلیاژهای مس به‌عنوان فاز زمینه و ذرات الماس میکرونی به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌کنند. اندازه ذرات الماس معمولاً در محدوده میکرومتر است که باعث می‌شود تأثیر قابل‌توجهی بر روی خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی کامپوزیت بگذارند. در پژوهش حاضر نمونه‌های کامپوزیتی با آلیاژهای مختلف مس و تقویت‌کننده‌ی الماس با پوشش تیتانیوم ساخته شد. هدف از پژوهش حاضر، تولید کامپوزیت زمینه آلیاژهای مس تقویت‌شده با ذرات الماس میکرونی و بررسی خواص مکانیکی این کامپوزیت است؛ بنابراین ریزساختار، استحکام خمشی و خواص سایشی آن‌ها بررسی گردید. نتایج نشان داد که حضور عنصر کبالت در بین عناصر مس و قلع باعث افزایش دمای ذوب ترکیب و تغییرات فازی و ساختاری نمونه‌ها شده و همین موضوع باعث به وجود آمدن ساختار متناسب برای انتخاب زمینه کامپوزیت شده است. اتصال الماس درزمینة مس-قلع-کبالت اتصال بهتری نسبت به الماس درزمینة مس-قلع دارد. همچنین با اضافه کردن الماس به ساختار کامپوزیت، استحکام خمشی نمونه 6/49٪ کاهش یافت. در حالی‌که با افزودن الماس با پوشش تیتانیوم استحکام خمشی 2/18٪ نسبت به نمونه دارای الماس بدون پوشش افزایش پیداکرده است. با اضافه کردن ذرات تقویت‌کننده به نمونه‌هایی که کبالت در ساختار زمینه‌ی آن‌ها وجود دارد میزان ضریب اصطکاک کاهش یافت. همچنین نمونه دارای الماس نسبت به نمونه‌های فاقد الماس مقاومت سایشی خوبی داشته و ذرات الماس درزمینة کامپوزیت باقی ماندند.
کلیدواژه‌ها
کامپوزیت‌
تقویت کننده الماس
آلیاژ مس؛ ریزساختار
استحکام خمشی
سختی سنجی
موضوعات

عنوان مقاله English

Fabrication and Investigation of Mechanical Properties of Copper Alloy Matrix Composite Reinforced with Micron Diamond Particles

نویسندگان English

Ali Alizadeh 1
Mohsen Heydari Beni 2
Ramin Soltani Bidar 3
Jafar Eskandari Jam 1
1 Professor, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
2 Ph.D. Student, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
3 M.Sc. Graduate, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

The aim of this research is to produce a copper alloy matrix composite reinforced with micron diamond partic­les and to investigate the mechanical properties of this composite. One of the most important issues in the manufacture of this type of composite is to optimize the strength of diamond particles in the metal matrix and the intended wear properties of this type of composite. The composite powders were produced using high-energy (abrasive) milling and hot-press sintering. In order to investigate the flexural strength, hardness and wear properties, samples were manufactured by adding different metals to the matrix, different milling conditions and different hot-pressing parameters. The aim of this research is to produce a copper alloy matrix composite reinforced with micron diamond particles and to investigate the mechanical properties of this composite. One of the most important issues in the manufacture of this type of composite is to optimize the strength of diamond particles in the metal matrix and the intended wear properties of this type of composite. The composite powders were produced using high-energy (abrasive) milling and hot-press sintering. In order to investigate the flexural strength, hardness, and wear properties, samples were fabricated by adding different metals to the matrix, using different milling conditions, and using different hot pressing parameters.

کلیدواژه‌ها English

Hierarchical Thin-Walled Structures
ABS Polymer
3D Printer
Lateral Impact
Energy Absorption
  • Artini, M. Muolo, and A. Passerone, "Diamond–metal interfaces in cutting tools: a review," Journal of Materials Science, vol. 47, no. 7, pp. 3252-3264, doi.org/10.1007/s10853-011-6164-6, 2012.
  • De Oliveira, R. d. R. Paranhos, R. d. S. Guimarães, G. Bobrovnitchii, and M. Filgueira, "Use of PM Fe–Cu–SiC composites as bonding matrix for diamond tools," Powder metallurgy, vol. 50, no. 2, pp. 148-152, doi.org/10.1179/174329007X161982, 2007.
  • -Z. Hsieh and S.-T. Lin, "Diamond tool bits with iron alloys as the binding matrices," Materials Chemistry and Physics, vol. 72, no. 2, pp. 121-125, doi.org/10.1016/S0254-0584(01)00419-9, 2001.
  • Dong, "A study of mechanical properties and microstructure of Cu-based matrixes for diamond ultrathin sawing," Results in Physics, vol. 12, pp. 748-753, doi.org/10.1016/j.rinp.2018.12.041, 2019.
  • German, Sintering: from empirical observations to scientific principles. Butterworth-Heinemann, 2014.
  • Tönshoff, H. Hillmann-Apmann, and J. Asche, "Diamond tools in stone and civil engineering industry: cutting principles, wear and applications," Diamond and Related Materials, vol. 11, no. 3-6, pp. 736-741, doi.org/10.1016/S0925-9635(01)00561-1, 2002.
  • C. Sung and M. Sung, "The brazing of diamond," International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 27, no. 2, pp. 382-393, doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.11.011, 2009.
  • Xu, A. H. Sheikh, and C. Xu, "Interfacial failure modelling of diamond bits made of particulate composites," Composite structures, vol. 155, pp. 145-159, doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.07.075, 2016.
  • Yu, X. Tie, G. Zhang, G. Huang, H. Huang, and X. Xu, "Comparison of brazed and sintered diamond tools for grinding of stone," Materials Research Innovations, vol. 18, no. sup2, pp. S2-869-S2-873,doi.org/10.1179/1432891714 Z.00000000052, 2014.
  • Han, F.-r. Xiao, W.-j. Zou, and B. Liao, "Influence of hot pressing temperature on the microstructure and mechanical properties of 75% Cu–25% Sn alloy," Materials & Design, vol. 53, pp. 38-42,
  • org/10.1016/j.matdes.2013.06.024, 2014.
  • Luo, X. Jiang, H. Sun, J. Shang, Y. Zhang, Rui Shu, “Mechanical and thermal properties of Cu-coated diamond reinforced Cu matrix bioinspired laminated composites” Journal of Alloys and Compounds, Vol. 938, doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168584, 2023.
  • Hagio, J.Park, Y. Naruse, Y. Goto, Y. Kamimoto, R. Ichino, T. Bessho, “Electrodeposition of nano-diamond/copper composite platings: Improved interfacial adhesion between diamond and copper via formation of silicon carbide on diamond surface” Surface and Coatings Technology, Vol. 403, doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020. 126322, 2020.
  • H. Cao, D. Xiong, “Preparation of diamond/copper composites modified by Ti3C2Tx as interlayer with enhanced thermal conductivity” Diamond and Related Materials, Vol. 118, doi.org/10.1016/j.diamond.2021. 108504, 2021.
  • Zang, H. Li, J. Sun, Y. Shen, N. Su, X. Feng, “Microstructure and thermal conductivity of Cu-Cu2AlNiZnAg/diamond coatings on pure copper substrate via high-energy mechanical alloying method” Surfaces and Interfaces, V. 21, doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100742, 2020.
  • L. Zhou, J. Liu, R. Ding, J. Cao, K. Zhan, B. Zhao, “A review of diamond interfacial modification and its effect on the properties of diamond/Cu matrix composites” Surfaces and Interfaces, Vol. 40, doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103143, 2023.
  • Sun, J. Zang, H. Li, X. Feng, Y. Shen, “Influence of diamond content and milling duration on microstructure and thermal conductivity of Ti-coated diamond/copper composite coating on copper substrate” Materials Chemistry and Physics, Vol. 259, doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124017, 2021.
  • Xie, H. Guo, W. Xiao, X. Zhang, S. Huang, M. Sun, H. Xie, “Interfacial structures and their effect on thermal conductivity and mechanical properties of diamond/Cu−B composites” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol.34(1), Issue 1, doi.org/10.1016/S1003-6326(23)66395-2, 2024.
  • C. Wei, X. Wang, J. Wen, Q. Wang, Z. Donga, “Interface improvement of diamond/copper composites through a low-temperature high-efficiency coating method” Thin Solid Films, Vol.804, doi.org/10.1016/j.tsf.2024.140486, 2024.
  • Lu, C. Wang, H. He, X. Fan, F. Chen, F. Qi, C. Wang, “Numerical simulation and experimental investigation on heat transfer and hydraulic characteristics of rectangular microchannel heat sinks using high thermal conductivity diamond/copper composites, Diamond and Related Materials, Vol.147, doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111371, 2024.
  • https://www.astm.org/d0790-17.html.
  • https://www.astm.org/b0962-17.html.
  • Zeren and Ş. Karagöz, "Sintering of polycrystalline diamond cutting tools," Materials & design, vol. 28, no. 3, pp. 1055-1058, doi.org/10.1016/j.matdes.2005.09.018, 2007.
  • H. Okamoto, M. E. Schlesinger and E. M. Mueller, eds 2016 ASM Handbook: Alloy Phase Diagrams (Materials Park, Ohio: ASM International).
  • Vityaz, С. Ковалева, V. Zhornik, T. Grigoreva, N. Lyakhov, “Mechanical Alloying of Copper- or Iron-Based Metallic Binders for Diamond Tools” Powders journal, Vol.2, pp.403-420, 2023.
  • H. Cho, D. Yan, J. Tam, U. Erb, “Effects of diamond particle size on the formation of copper matrix and the thermal transport properties in electrodeposited copper-diamond composite materials” Journal of Alloys and Compounds, Vol.791, 2019.
  • Abyzov, F. Shakhov, A. Averkin, V.Nikolaev, “Mechanical properties of a diamond–copper composite with high thermal conductivity” Materials & Design, Vol. 87, pp. 527-539, 2015.
  • Poulose, P. Selvakumar, J. T. Philip, “Experimental Investigation on Tribological Behaviour of Copper Diamond Composites” International Journal of Vehicle Structures & Systems (IJVSS), Vol. 14, No. 6, p746, 2022.
  • D. Donaldson and D. Beyersmann, "Cobalt and cobalt compounds," Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi.org/10.1002/14356007.a07_281.pub2, 2000.
  • Handbook, "ASM Handbook Volume 18–Friction, Lubrication and Wear Technology," ed: ASM International, OH, 1992.

 

  • تاریخ دریافت 14 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 17 مهر 1403
  • تاریخ پذیرش 29 مهر 1403
  • تاریخ اولین انتشار 29 مهر 1403
  • تاریخ انتشار 31 شهریور 1403