धातू संशोधन संस्थेचे के.लू (चीन विज्ञान अकादमी, शेनयांग,चीन) यांनी ‘पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत’ या तंत्रज्ञानाचा शोध लावला. या तंत्रज्ञानाने पदार्थामध्ये अतिरिक्त प्रतिविकृती/तणाव निर्माण करून पदार्थांमधील मोठ्या कणांचे (Coarse grain) लघूकरण हे अतिसूक्ष्म कणांमध्ये केले जाते. पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत ही पदार्थाच्या पृष्ठभाग थरामध्ये अतिसूक्ष्म स्तरापर्यंत (नॅनोमीटर म्हणजे १०-९मी.) कण-लघूकरण (Grain refinement) निर्माण करते. ही पद्धत वेगवेगळ्या पदार्थांमध्ये उदाहरणार्थ, धातू, संयुगे आणि पोलाद यांमध्ये अतिसूक्ष्म स्फटिक निर्माण करण्याकरिता यशस्वी रीत्या वापरली गेली आहे. पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत ही एक अतितीव्र पृष्ठभाग आकारी विकृती (Civier surface plastic deformation) पद्धत आहे. ही विक्रिया केल्यानंतर पदार्थाचे, विशेषतः ऑस्टेनाइट गंजरहित पोलादाचे (Austenitic stainless steel) अनेक गुणधर्म उदाहरणार्थ,पृष्ठभाग काठिन्यता (Surface hardness), झीज प्रतिरोध (Wear resistance),ताणबल (Tensile strength) इत्यादी वाढतात.
या पद्धतीमध्ये गुळगुळीत पृष्ठभाग आणि १ – १० मिमी. व्यास असलेले कठीण छर्रे हे विक्रिया कप्प्यामध्ये एका विशिष्ट वेगाने- ०.५ – २० मी. प्रति सेकंद – कंपित केले जातात. यामध्ये छर्ऱ्यांची गती ही छर्ऱ्यांचा प्रकार,आकार व घनता आणि विक्रिया कप्प्याची भूमितीय रचना व कंप्रता निर्माण करणाऱ्या यंत्राच्या वैशिष्ट्यांवर नियमित केली जाते. हे वेगाने कंपित होणारे छर्रे प्रातिनिधिक नमुन्याच्या पृष्ठभागावर प्रक्षेपित होऊन त्यामध्ये प्रतिविकृती निर्माण करतात आणि त्यामुळे प्रक्रिया केलेल्या पृष्ठभागावर कण -लघूकरण प्रक्रिया होते. यांत्रिक पृष्ठभाग घर्षण यंत्राच्या कप्प्याची कंप्रता ही ५० – २०,००० हर्ट्झ असते.
पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीचे काही फायदे आणि तोटे :
फायदे : पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षण पद्धतीमध्ये अतिसूक्ष्म संरचनीकरण हे क्रमशः पदार्थाच्या पृष्ठभागाकडून अंतर्भागाकडे कुठल्याही आंतरपृष्ठाशिवाय (Interface) किंवा आंतरपडद्याशिवाय(Interlayer) होत जाते.
तोटे : (१) पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीमध्ये फक्त पृष्ठभागस्तराचे अतिसूक्ष्म संरचनीकरण होते. याउलट, इतर अतितीव्र पृष्ठभाग आकारी विकृती पद्धतीत उदाहरणार्थ, अति -उच्च दाब परिपिडन (High pressure torsion) होते.संचयी चाक जोड (Accumulative roll bonding) आणि समप्रवाहनकोणीय दाब (Equal channel angular pressing) प्रकारात पूर्ण पदार्थाच्या कण आकाराचे (Grain size) अतिसूक्ष्म आकारात रूपांतर करता येते. (२) पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीमध्ये फक्त सपाट पृष्ठभाग आणि मर्यादित आकार असलेले प्रातिनिधिक नमुने वापरता येतात.
सचित्र योजनेच्या स्वरूपात पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत संच हा आ.१ मध्ये दाखविला आहे. पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत आणि परंपरागत पृष्ठभाग पद्धत उदाहरणार्थ,गोलिका ताडन यामध्ये फरक आहे. उदाहरणार्थ, (१) पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षण पद्धतीमध्ये छर्ऱ्यांचा व्यास (३ – १० मिमी.) हा गोलिका ताडन (Short pinning) मधील छर्ऱ्यांचा व्यासापेक्षा (०२.- १ मिमी.) मोठा असतो. (२) पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धती मध्ये अतिसूक्ष्म संरचना असलेला पृष्ठभाग निर्माण करण्याकरिता गोलाकार गुळगुळीत पृष्ठभाग असलेले छर्रे गरजेचे असतात; कारण खडबडीत पृष्ठभाग असलेले छर्रे हे अतिसूक्ष्म संरचना असलेल्या पृष्ठभागाची झीज किंवा तो खराब करू शकतात. (३) पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीमध्ये छर्ऱ्यांची गती (१ – २० मी. प्रति सेकंद) ही गोलिका ताडनमधील छर्ऱ्यांच्या गतीपेक्षा (१०० मी.प्रति सेकंद) कमी असते. (४) पारंपरिक पृष्ठभाग पद्धत ही एक निदेशन पद्धत आहे; यामध्ये कोन हा ९०० च्या जवळपास असतो. याउलट, पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीमध्ये अतिसूक्ष्म संरचना निर्माण होण्यासाठी छर्ऱ्यांचा विविध दिशांनी प्रातिनिधिक नमुन्यावर आघात होणे गरजेचे असते.
आ. १: पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत संच.
पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीने प्रक्रिया केलेल्या प्रातिनिधिक नमुन्याच्या काटछेद घेतलेल्या भागाचे सचित्र स्पष्टीकरण आ.२ मध्ये दाखविले आहे. अतिसूक्ष्म संरचना आणि लघू संरचना थराची जाडी ही पदार्थ प्रक्रिया आणि प्रक्रिया घटक उदाहरणार्थ, छर्ऱ्यांचा आकार, कंप्रता, शक्ती आणि तापमान यांवर अवलंबून असते. अतिसूक्ष्म संरचना थराची जाडी ही वेगवेगळ्या प्रक्रिया तंत्रासाठी वेगवेगळी असू शकते. कारण, पृष्ठभाग हा वेगवेगळ्या प्रतिविकृती आणि विकृती वेगासाठी (Strain rate) प्रक्रिया केलेला असतो.
आ. २: पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धतीने प्रक्रिया केलेल्या पृष्ठभागाचे सूक्ष्मरचना वैशिष्ट्य आणि सखोलतेनुसार प्रतिविकृती आणि प्रतिविकृती वेग यांचे वर्गीकरण.
जास्त राशीकरण दोष ऊर्जा (Stacking fault energy ) असलेल्या शुद्ध लोखंड व ॲल्युमिनियम आणि त्यांच्या संयुगांमध्ये “विस्थानन” (Dislocation) कृती ही कण उपविभाजन प्रक्रियेमध्ये प्रामुख्याने घडताना आढळून येते. कमी राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या धातूमध्ये आकारी विकृती पद्धती ही विस्थानन घसरणपासून यांत्रिक यमल (Twin) मध्ये बदलू शकते – विशेषतः अतिविकृती प्रमाण आणि/किंवा कमी तापमान असताना.
(अ) जास्त राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थांमधील कण – लघूकरण प्रक्रिया [ उदा., लोह (200 mJ/mm2)]
मध्यम ते जास्त राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थामध्ये घसरण हे विकृती प्रक्रियेमध्ये (Deformation process) जास्त वर्चस्व गाजवते.
आ. ३ मध्ये कण – लघूकरण प्रक्रिया दाखविली आहे. सूक्ष्मरचना आधारित अभ्यासावरून पदार्थाच्या वेगवेगळ्या भागांत वेगवेगळ्या विकृती असलेल्या विरूपित पृष्ठभाग थरात (डिफॉर्म्ड सरफेस लेअर) खालील कण – लघूकरण प्रक्रिया समाविष्ट असतात.
(१) मूळ कणांमध्ये आणि लघूकरण झालेल्या कणांमध्ये “घन विस्थानन भिंती” (Dislocation walls) आणि “विस्थानन गुंतागुंत” (Dislocation tangles) निर्मिती.
(२) “घन विस्थानन भिंती” आणि “विस्थानन गुंतागुंत” यांचे रूपांतरण उपकणांना किंवा स्वतंत्र कण कप्प्यांना विभक्त करून अपदिशानिदेशन (Miss orientation) उप-कण सीमांमध्ये (Sub-grain boundaries) होते.
(३) उपकणांचा विकास अतिशय अपदिशानिदेशित कण सीमांमध्ये होते.
आ.३: शुद्ध लोखंडाचे आकारी विकृतीमुळे प्रेरित कण–लघूकरण प्रक्रियेचे सचित्र स्पष्टीकरण.
(आ) कमी राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थांमधील कण–लघुकरण प्रक्रिया [उदा., ऑस्टेनिटिक गंजरहित पोलाद (16.8 mJ/m2)]
कमी राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थामध्ये जेव्हा जास्त प्रतिविकृती वेग आणि/किंवा कमी तापमान असते, तेव्हा यांत्रिक यमल हे अनुकूल असते, तरीही, कमी होणाऱ्या राशीकरण दोष ऊर्जेसोबत यमल निर्मितीसाठीचा क्रांतिक कर्तन बलसुद्धा (Critical shear stress) कमी होत जातो.
निकेल आधारित मिश्रणधातू, इन्कॉनेलच्या संदर्भात, मोठ्या आकाराच्या कणांमध्ये प्रतिविकृतीसोबत सूक्ष्म- यमल निर्मिती होते (पाहा आ.४, टप्पा १). हे सूक्ष्म- यमल एकतर कणांच्यामध्ये किंवा सूक्ष्म- यमलच्या मध्यभागात नष्ट होतात. वाढत्या प्रतिविकृतीसोबत सूक्ष्म यमलमध्ये विस्थानन प्रक्रियेला सुरुवात होते (टप्पा २ अ.)आणि अपदिशानिदेशित उपसीमांची निर्मिती होते (टप्पा ३).
आ.४: कमी राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थांमधील कण – लघूकरण प्रक्रियेचे सचित्र स्पष्टीकरण.
कमी राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थामध्ये उदाहरणार्थ, ऑस्टेनिटिक गंजरहित पोलाद (AISI 304 steel )वाढलेल्या विकृतीसोबत, यमल – यमल छेदन हे प्राथमिक मोठ्या आकाराच्या कण पदार्थाला विभाजित करते. हे यांत्रिक यमल, मोठ्या कणांना समभुज कप्प्यांमध्ये विभाजित करते, ज्यामध्ये बदलेले दिशानिदेशन आणि मोठ्या कोनसीमांचा किनारा असतो. ह्या सीमा, आकारी विकृती झालेल्या मध्यम ते जास्त राशीकरण दोष ऊर्जा असलेल्या पदार्थामध्ये आढळणाऱ्या विस्थानन सीमांपेक्षा वेगळ्या असतात. पृष्ठभाग यांत्रिक घर्षणपद्धत वापरलेल्या गंजरहित पोलादामध्ये कण – लघूकरण, विस्थानन आणि यांत्रिक यमल यांमुळे विसरण वाढून त्याचे यांत्रिक गुणधर्म वाढीस लागतात.
संदर्भ :
- J.Azadmanjiri, C. Berndtab, A. Kapoor & C. Wen, Development of surface nano-crystallization in alloys by surface mechanical attrition treatment (SMAT), Critical reviews in solid state and materials sciences, 0:1, 18, 2014.
- K.Lu, J. Lu, Surface nano-crystallization of metallic materials – presentation of the concept behind a new approach, Journal of materials science & technology, 15 (3), 193 – 197, 1999.
- A.Gatey, surface engineering of AISI 304 L and AISI 2205 steels : Role of surface mechanical attrition treatment (SMAT) and nitriding, Ph.D. Thesis, 2016.
समीक्षक – बाळ फोंडके
