۱ مقدمه

اسپینل خقلئA؟ق داراي نقطه ذوب بالا (ه(۲۱۳۵º، مقاومت به شوك حرارتـی بـالا و مقاومـت خـوب در سـربارههـاي قلیـایی، میباشد و به صورت کامپوزیت اکسیدي با منیزیا، کرومیـت و صقطظهه بـه عنـوان دیرگـداز در کـورههـاي فولادسـازي، صـنایع غیرآهنی مثل مس، سرب و روي و قسمت پخت کوره سیمان کاربرد دارد .[۱] هط۱ و شط۱ ترکیبات غیراکـسیدي بـا نقطـه ذوب بالا به ترتیب ه۳۲۶۰º و ۲۹۵۰، سختی بالا به ترتیب هژن۳۰ و ۲۰ در سیستم ویکرز، دانسیته مناسب به ترتیـب ذسعه؟ ۴/۹۳ و ۵/۴۰ و هدایت حرارتی به ترتیب ذسفلع۲۱w و ۱۹ و مقاومت شیمیایی بالا میباشند ۳]،.[۲ هط۱ و شط۱ داراي ساختمان مکعبـی نمک طعام هستند کهکاملاً در هم حل شده و کربونیتریدهاي مختلف تیتانیوم جxسذش,xهضط۱ بـا خواصـی مـشابه بـا هط۱ و شط۱

میدهنـد .[۴] بنـابراین کامپوزیـتهـاي مختلـف حـاوي هط۱ یـا شط۱ یـا جش,هضط۱ مـیتواننـد داراي کاربردهـاي متنـوعی در سرامیکهاي مهندسی دما بالا، پوششها و دیرگـداز باشـند. از جملـه ایـن کامپوزیـتهـا، هط۱سئ[۵] A، هط۱سطش، هط۱سکً [۶]،

شئAسشط۱، لBط۱سشط۱، هطحسجش,هضط۱، شط۱سصقلئA و شط۱سخقلئA؟ق میباشد. هدف از این تحقیق سـنتز پودرکـامپوزیتی

جش,هضط۱سخقلئA؟ق است که پتانسیل خوبی براي کاربرد به عنوان دیرگدازهاي آستر پاتیـل فـولاد دارد و در نـسوزهاي حـاوي کربن به صورت درجا تشکیل میگردد .[۷] بنابراین مطالعه روي تأثیر افزودن کربن بر روي تشکیل کامپوزیت بسیار اهمیت دارد.

۲۱

الهه خوش امید، رحیم نقیزاده و…

براي تهیه پودر کامپوزیت جش,هضط۱سخقلئA؟ق میتوان دو روش کلی سنتز جداگانه هر کدام از اجزا و سـپس مخلـوط کـردن آنها و سنتز با هم آنها را در نظر گرفت. براي سنتز باهم این پودر کامپوزیتی روش احیاي آلومینوترمی و نیتریـده کـردن بـه کـار رفته است ۸]،.[۷ در این روش از مخلوط پودرهاي آلومینیوم جئAض، لقط۱ و ق؟ق استفاده شده است که پس از مخلـوط کـردن در دماهاي مختلف در اتمسفر نیتروژنی پخت انجام شده است ۸]،.[۷ بررسی تأثیر افزودن گرافیت تا ۵ درصد وزنی بر تشکیل فاز

جش,هضط۱، تغییرات دانسیته و پارامتر شبکه و همچنین تأثیر افزودن آلومینا تا %۲۰ وزنی بر تشکیل فاز اسپینل و پارامترهـاي آن از جمله موارد قبلی مورد تحقیق می باشد ۸]،.[۷ نتایج این تحقیق نـشان داده مـیدهـد کـه افـزودن گرافیـت در مخلـوط سئAن ق؟قخسلقط۱خ منجر به تشکیل محلول جامد جش,هضط۱ میشود و با افزایش میزان گرافیت دانسیته بالـک کـاهش و تخلخـل ظاهري نمونه افزایش می یابد .[۷] تأثیر افزودن صقلئA سα بر کامپوزیت شط۱سخقلئA؟ق نشان داده که بـا افـزایش مقـدار سα

صقلئA، به دلیل تشکیل اسپینل غنی از آلومینا پارامتر شبکه اسپینل کاهش مییابد .[۷] تأثیر نوع کربن و دما در سیـستم سئAن ق؟قخسلقط۱خ به منظور تشکیل کامپوزیت جش,هضط۱سخقلئA؟ق به ویژه در بستر کک در منـابع کمتـر مـورد بررسـی قـرار گرفته است که در این تحقیق به موضوع فوق پرداخته شده است.

-۲ فعالیتهاي تجربی

در انجام این پروژه از مواد اولیهاي چون پودر آلومینیوم صنعتی (خلوص %۹۸، انـدازه ذرات زیـر ۴۵ میکرومتـر)، تیتانیـاي مـرك

(تتتذنتنتتذ فططکق) (خلوص %۹۹، ع(۳μ، منیزیاي مرك (تتتذلخنزتذفططکق)، دوده کربن (شرکت ایران کربن بـا نام تجاري -۶ب)، شکر خوراکی و رزین نوالاك استفاده شد. جدول ۱ آنالیز شیمیایی مواد مورد استفاده را نشان میدهد.
جدول -۱ آنالیز مواد اولیه (درصد وزنی)

نوع ماده اولیه CaO Fe2O3 TiO2 MgO

منیزیاي مرك ۱ ۰/۰۵ – ۹۸ب
تیتانیاي مرك – ۰/۰۵۵ش ۹۹ب –

براي تهیه کامپوزیتهاي جش,هضط۱سخقلئA؟ق به روش آلومینوترمی، مواد اولیه شامل پودر آلومینیم، تیتانیـا، منیزیـا مطـابق بـا نسبت استوکیومتري معادله ۱ با هم مخلوط و آسیاب شدند ۸]،.[۷

(۱) شط۱خ ی جصقلئAحق؟قضخ چ لشصیق؟قخیلقط۱خیئAن

نیتروژن موجود در معادله (۱) از بستر کک تأمین میشود. همانطور که می دانـیم هـوا شـامل ۲۱%، اکـسیژن و ۷۹%، نیتـروژن میباشد. در بستر کک معادله (۲) اتفاق میافتد و پیوسته گاز قه و لش تشکیل میشود .[۹]

(۲) ج؟ضلش ی ج؟ضقهل چ ج؟ضلق ی ج؟ضلش ی جکضهل

سه نوع نمونه با ترکیب استوکیومتري و مطابق با معادله ۱ تهیه شد: نمونه (۱) بدون افزودنی با کد Bغ که حاوي مخلوط پودري

ئA، ق؟ق و لقط۱ مطابق درصد وزنی جدول ۲ میباشد. نمونه (۲) حاوي افزودنی دوده کربن با کد هغ کـه مقـدار %۱۰ دوده
۲۲ شماره ي ۱ تابستان ۱۳۹۱

علم و مهندسی سرامیک

کربن به عنوان افزودنی به ترکیب استوکیومتري معادله ۱ اضافه شده است مطابق برخی از منابع این مقدار کربن میتواند محیط احیایی قوي در درون نمونه ایجاد کند .[۱۰] نمونه (۳) با کد حغ که از %۶۶/۶۷ شکر (محلول %۳۰ در آب) که مقدار %۱۰ کربن باقی مانده ایجاد میکند، به جاي دوده کربن استفاده شد. نحوه آماده سازي نمونههاي حاوي شکر بـدین صـورت بـود کـه ابتـدا

ط؟۳۰ شکر در طط۷۰ آب داغ %۳۰) شکر) به خوبی حل شد و به مقدار لقط۱ برابر با مقدار استفاده شده در نمونههاي Bغ و هغ

به محلول اضافه شد و به هم زده شد سپس محلول در خشککن در دماي ه۱۲۰º خشک گردید. مـواد خـشک شـده از ظـرف تراشیده شدند و با مقدارهاي ذکرشده ي پودرهاي ئA و ق؟ق مخلوط شد و قبل از شکل دادن پرس به منظور تبدیل شـکر بـه کربن در دماي ه۳۰۰º حرارت داده شدند.

جدول -۲ فرمولاسیون نمونههاي تهیه شده به روش آلومینوترمی (درصد وزنی)

نوع نمونه کد TiO2 MgO Al دوده کربن شکر

۱ بدون افزودنی Bغ ۵۶/۰۰ ۱۸/۶۷ ۲۵/۳۳
۲ با افزودنی دوده کربن هغ ۵۶/۰۰ ۱۸/۶۷ ۲۵/۳۳ ۱۰/۰۰
۳ با افزودنی شکر حغ ۵۶/۰۰ ۱۸/۶۷ ۲۵/۳۳ – ۶۶/۶۷

مراحل کلی تهیه نمونهها در چارت شکل ۱ آورده شده است. مخلوطهاي پودري تهیه شده با %۳ رزین نـوالاك مخلـوط شـده و پس از گذراندن مرحله پیرسازي ج؟غط؟هض مقدار ۱/۵ گرم پودر در قالب با قطر عع۱۰ و ارتفاع عع۱۰ تحت پرس تک محور با فشار هبق ۱۰۰ قرار گرفت.

شکل -۱ مراحل ساخت و مطالعه نمونهها

شماره ي ۱ تابستان ۲۳ ۱۳۹۱

الهه خوش امید، رحیم نقیزاده و…

نمونهها پس از خشک شدن در بستر کک در بوته سربسته قرار داده شدند، سپس در کوره الکتریکی قـرار گرفتنـد و در دماهـاي

۱۲۰۰، ۱۴۰۰ و ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد و زمان نگهداري لا۳ تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. براي آنالیز فـازي از روش پـراش پرتو ایکس استفاده شد. آنالیز خلگ توسط دستگاه دیفراکتومتر حبعععدب مـدل تتنذحب بـا هـدف مـس جαلأهض، فیلتـر نیکل و ولتاژ کاربردي بل۳۰ و سرعت طکح۰/۰۲ °/ گرفته شد. به منظـور بررسـی ریزسـاختاري ابتـدا نمونـههـاي مناسـبی از نمونههاي بعد از عملیات حرارتی انتخـاب شـدند. سـپس توسـط دسـتگاه میکروسـکوپ الکترونـی شـرکت شAهح غ۱ مـدل

سقگععAنغب مورد مطالعه ریزساختاري قرار گرفتند. میکروسکوپ مجهز به آشکارسـاز آنـالیز عنـصري حخغ بـود. پـارامتر شبکه با در نظر گرفتن ساختمان مکعبی از رابطه ۳ و ۴ با استفاده از الگوي خلگ محاسبه شد .

(۳) λ غ چ θغطک۲ل
(۴) θغطکل َ ججلئ ی لف ی للاض√ض λ چ ه

که در این روابط ه پارامتر شبکه، λ طول موج اشعه ایکس، لا، ف و ئ اندیسهاي میلر و θ نصف زاویه ۲θ به درجه میباشد.

-۳ نتایج و بحث

الگوي خلگ نمونههاي بدون کربن پخت شده در دماهاي مختلـف در شـکل (۲) نـشان داده شـده اسـت. در دمـاي ه۱۲۰۰º

فازهاي زلقکط۱لئAخ؟ق ,خقلئA؟ق به عنوان فازهاي اصلی و فازهاي کوراندوم و روتایل به عنوان فازهاي فرعـی شناسـایی شـدند. همپوشـانی پیـکهـاي زلقکط۱لئAخ؟ق و زقلط۱؟ق تـشخیص آنهـا را از هـم مـشکل مـی سـازد، بنـابراین یـا فـاز

ج۱قضزقلط۱؟ق و یا فاز جA1قضزلقکط۱لئAخ؟ق و یا هردوي آنها تشکیل شده است ولـی احتمـال تـشکیل A1ق بیـشتر میباشد. از آنجاییکه افزودن ق؟ق به تیالیت موجب افزایش پایداري تا حدود ۸۰ سـاعت نـسبت بـه نمونـه خـالص مـیگـردد بنابراین از نظر سینستیکی فاز A1ق از فاز ۱ق پایدارتر بوده بنابراین احتمال تشکیل آن بیشتر است .[۱۱]

شکل -۲ الگوي خلگ نمونه بدون افزودنی جBغض سنتز شده در دماهاي ه۱۲۰۰°، ۱۴۰۰ و ۱۶۰۰ به مدت لا۳

به روش آلومینوترمی
۴۲ شماره ي ۱ تابستان ۱۳۹۱

علم و مهندسی سرامیک

سیستم مورد مطالعه داراي ذرات ئA، لقط۱، ق؟ق، ه میباشد. ه در نمونه بدون افزودنی کربن از رزین، در نمونه بـا افزودنـی کربن از دوده کربن و رزین و در نمونه شکري از رزین و باقیمانده حاصل از شکر حاصل میگردد. اتمسفر حاوي گازهـاي قه و

لش میباشد. در این حالت با حرارت دادن در دماي ه۶۷۰º، ئA ذوب میشود و پس از شکافتن پوسته اکسیدي خود مابین ذرات مختلف جاري می شود. در این صورت ئA میتواند لقط۱ را احیا کند و آن را تبدیل به xسلقط۱ مثل زقصط۱، قط۱ و ط۱ کـرده و خود تبدیل به صقلئA میشود. فاز زلقکط۱لئAخ؟ق محلولجامد زقلط۱؟ق در زقط۱لئA است کـه بـا نـسبت مـولی ۴ بـه ۱
حاصل شده است و به صورت جA1قض نمایش داده میشود .[۱۲] با افزایش دما محیط احیاییتر شده و لقط۱ بیـشتري توسـط

ئA یا کربن یا محیط گازي قه احیا میشود و در نتیجه واکنش میان ق؟ق و صقلئA موجب تشکیل خقلئA؟ق میشـود. از طرف دیگر لقط۱ به اکسیدهاي پایینتر احیاشده و عقغط۱ تشکیل داده است، عقغط۱ با لش و قه موجـود در محـیط احیـایی واکنش داده و تشکیل شط۱ میدهد، سپس کربن پسماند از رزین و گاز قه ناشی از محیط احیایی وارد ساختار شط۱ میشـود و جانشین نیتروژن میگردد بدین ترتیب تشکیل محلول جامد جگسذش,گهضط۱ میدهد .[۹]