Process–Microstructure–Property Relationships in Binder-jetted AISI D2 Tool Steel: Effects of Sintering Temperature and Heat Treatment
यह अध्ययन 1,250 °C के इष्टतम सिंटरिंग तापमान की पहचान करके बाइंडर-जेटेड AISI D2 टूल स्टील के लिए एक प्रक्रिया-सूक्ष्म संरचना-गुण संबंध स्थापित करता है, जो लगभग पूर्ण घनत्व प्राप्त करता है, जो कि बाद के ऊष्मा उपचार के साथ मिलकर, मार्टेंसिटिक रूपांतरण और जालक विकृति समरूपीकरण के माध्यम से यांत्रिक प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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एक ऐसी सामग्री की कल्पना करें जो इतनी सख्त है कि स्टील को काट सकती है, फिर भी इतनी भंगुर है कि यदि आप इसे किसी मानक मशीन से आकार देने का प्रयास करते हैं तो यह टूट जाती है। यह AISI D2 टूल स्टील का विरोधाभास है, जो एक उच्च-कार्बन, उच्च-क्रोमियम मिश्र धातु है जिसका उपयोग उन ब्लेडों, डाइों और सांचों को बनाने के लिए किया जाता है जो हमारी औद्योगिक दुनिया को आकार देते हैं। दशकों से, निर्माता इस स्टील से जटिल पुर्जे बनाने के लिए संघर्ष कर रहे हैं क्योंकि पारंपरिक तरीके, जैसे कि पिघलाना और डालना या अतिरिक्त सामग्री को घिसकर निकालना, अक्सर विफल हो जाते हैं। यह स्टील आसानी से मशीनिंग करने के लिए बहुत कठोर है, और जब इसे पिघलाया जाता है, तो यह ठंडा होते समय फटने या दरार पड़ने की प्रवृत्ति रखता है। इससे बचने के लिए, इंजीनियरों ने 'बाइंडर जेटिंग' नामक तकनीक की ओर रुख किया है। धातु को पिघलाने के बजाय, यह प्रक्रिया महीन धातु पाउडर की परतों पर एक तरल गोंद का छिड़काव करती है ताकि एक आकार बनाया जा सके, जिसे बाद में कणों को आपस में जोड़ने के लिए एक भट्टी में पकाया जाता है। हालाँकि, इस विशिष्ट स्टील के लिए सटीक बेकिंग तापमान खोजना एक नाजुक कार्य है। यदि गर्मी बहुत कम है, तो पुर्जा छोटे-छोटे छेदों से भरा और कमजोर रह जाता है। यदि यह बहुत अधिक है, तो आंतरिक संरचना मोटी हो जाती है और टूट जाती है, जिससे इसकी मजबूती नष्ट हो जाती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए यह परीक्षण करके कि बेकिंग तापमान और अंतिम हीट ट्रीटमेंट (ऊष्मा उपचार) अंतिम गुणवत्ता को कैसे प्रभावित करते हैं, इस पर काम किया। उन्होंने इस मिश्र धातु के महीन, गोलाकार पाउडर से शुरुआत की और एक बाइंडर जेटिंग मशीन का उपयोग करके छोटे ब्लॉक और बार प्रिंट किए। पुर्जों को प्रिंट करने के बाद, उन्हें 1,200 डिग्री सेल्सियस से 1,260 डिग्री सेल्सियस के बीच के तापमान पर सावधानीपूर्वक एक भट्टी में पकाया गया। यह संकीर्ण सीमा इसलिए चुनी गई थी क्योंकि स्टील एक महत्वपूर्ण परिवर्तन से गुजरता है जहाँ धातु के भीतर छोटे, कठोर क्रिस्टल घुलना और बहना शुरू कर देते हैं, जिससे पुर्जा ठोस बनने में मदद मिलती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि तापमान ने नाटकीय अंतर पैदा किया। पैमाने के निचले स्तर पर, पुर्जे छिद्रपूर्ण और कमजोर रहे। जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, धातु के कण अधिक पूर्ण रूप से जुड़ गए और छोटे छेदों की संख्या कम हो गई। सबसे उपयुक्त तापमान 1,250 डिग्री सेल्सियस पाया गया। इस विशिष्ट तापमान पर, पुर्जों ने लगभग 99 प्रतिशत का घनत्व प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि वे लगभग पूरी तरह से ठोस थे और उनमें बहुत कम आंतरिक रिक्त स्थान थे।
कहानी केवल बेकिंग के साथ समाप्त नहीं हुई। शोधकर्ताओं ने फिर इन सर्वोत्तम नमूनों को इस प्रकार के स्टील के लिए उपयोग किए जाने वाले एक मानक हीट ट्रीटमेंट प्रक्रिया के अधीन किया। उन्होंने परमाणुओं की आंतरिक व्यवस्था को बदलने के लिए पुर्जों को 1,010 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, उन्हें हवा में ठंडा होने दिया, और फिर आंतरिक तनाव को कम करने के लिए उन्हें दोबारा 200 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया। इस दूसरे चरण ने सामग्री के चरित्र को पूरी तरह से बदल दिया। इस उपचार से पहले, स्टील मजबूत लेकिन भंगुर था, जो बिना किसी खिंचाव के टूट जाता था। हीट ट्रीटमेंट के बाद, सामग्री काफी अधिक मजबूत हो गई। टूटने से पहले इसके खिंचने की क्षमता मात्र 1.28 प्रतिशत से बढ़कर 6.81 प्रतिशत हो गई, और खींचने वाले बलों के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता लगभग 860 मेगापास्कल से बढ़कर 1,300 मेगापास्कल से अधिक हो गई। कठोरता भी थोड़ी बढ़ गई, जो पारंपरिक तरीकों से बनी उच्च गुणवत्ता वाली स्टील के स्तर के बराबर पहुँच गई।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, वैज्ञानिकों ने उन्नत इमेजिंग उपकरणों का उपयोग करके धातु के अंदर देखा जो इसके सूक्ष्म क्रिस्टल के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) को मैप करते हैं। उन्होंने पाया कि 1,250 डिग्री सेल्सियस पर प्रारंभिक बेकिंग ने एक ऐसी संरचना बनाई जहाँ धातु के परमाणु इस तरह व्यवस्थित थे कि वे हीट ट्रीटमेंट के दौरान एक कठोर, मजबूत रूप में बदल सकें। हीट ट्रीटमेंट ने धातु को एक नरम, अधिक लचीली व्यवस्था से एक कठोर, सुई जैसी संरचना में बदल दिया जिसे 'मार्टेंसाइट' कहा जाता है, और यही स्टील की प्रसिद्ध कठोरता के लिए जिम्मेदार है। इसके अलावा, हीट ट्रीटमेंट ने उन आंतरिक तनावों को भी सुचारू कर दिया जो प्रिंटिंग और बेकिंग प्रक्रिया के दौरान बन गए थे, जिससे सामग्री अधिक एकसमान और अचानक विफल होने की संभावना कम हो गई। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इस स्टील में स्वाभाविक रूप से बनने वाले छोटे, कठोर क्रिस्टल टूट गए और सामग्री में समान रूप से वितरित हो गए, बजाय इसके कि वे कमजोर स्थानों पर जमा हो जाएं।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि बाइंडर जेटिंग इस कठिन स्टील से जटिल आकार बनाने का एक आशाजनक तरीका प्रदान करती है, लेकिन इसकी प्रक्रिया विंडो (कार्य सीमा) अत्यंत संकीर्ण है। बेकिंग तापमान में केवल कुछ डिग्री का अंतर एक लगभग पूर्ण पुर्जे और एक दोषपूर्ण पुर्जे के बीच का अंतर हो सकता है। विशेष रूप से, 1,250 डिग्री सेल्सियस पर बेकिंग के बाद मानक हीट ट्रीटमेंट अनुक्रम ने सर्वोत्तम परिणाम दिए, जिसने अत्यधिक कठोरता और उपयोगी होने के लिए आवश्यक लचीलेपन के बीच संतुलन बनाया। यह खोज उन निर्माताओं के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है जो इस कठिन मिश्र धातु से उच्च-प्रदर्शन वाले टूलिंग बनाने के लिए एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करना चाहते हैं, यह सिद्ध करते हुए कि ऊष्मा पर सटीक नियंत्रण के साथ, इस कठिन मिश्र धातु की पारंपरिक सीमाओं को पार करना संभव है।
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