مما يُصنع السكين السيراميكي
تُصنع السكاكين السيراميكية من ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO2)، الذي يتم الحصول عليه من خلال المعالجة الخاصة لمعدن الزركون. الزركون (ZrSiO4) هو مادة تنتمي إلى فئة معادن ملح حمض السيليسيك، والذي اكتشفه الكيميائي الألماني م.ج. كلابروث في عام 1789. الزركونيوم (باللاتينية: Zirconium؛ يُرمز له بالرمز Zr) هو عنصر في الجدول الدوري، برقم ذري 40. وهو معدن لامع، رمادي فضي اللون. يتميز بقابلية عالية للسحب ومقاومة للتآكل. مركبات الزركونيوم منتشرة على نطاق واسع في الغلاف الصخري. في الطبيعة، تُعرف مركباته حصرياً مع الأكسجين في شكل أكاسيد وسيليكات. على الرغم من أن الزركونيوم عنصر منتشر، هناك حوالي 40 معدناً يوجد فيه الزركونيوم في شكل أكاسيد أو أملاح. الأكثر شيوعاً في الطبيعة هي الزركون (ZrSiO4)، والباديليت (ZrO2) والمعادن المعقدة المختلفة.
الزركون هو أكثر معادن الزركونيوم شيوعاً. يوجد في جميع أنواع الصخور، ولكن بشكل رئيسي في الجرانيت والسيانيت. في مقاطعة هندرسون، نورث كارولينا، الولايات المتحدة، تم العثور على بلورات زركون يبلغ طولها عدة سنتيمترات في البيجماتيت، كما تم العثور على بلورات تزن عدة كيلوغرامات في مدغشقر. تم اكتشاف الباديليت في عام 1892 في البرازيل. يقع المكمن الرئيسي في منطقة بوسوس دي كالداس في البرازيل. أكبر رواسب الزركونيوم من حيث الحجم موجودة في الولايات المتحدة وأستراليا والبرازيل والهند.
المواد الخام لإنتاج الزركونيوم هي مركزات الزركونيوم التي تحتوي على نسبة كتلية من ثاني أكسيد الزركونيوم لا تقل عن 60-65%، والتي يتم الحصول عليها عن طريق تخصيب خامات الزركونيوم. تتركز أكبر كميات إنتاج الزركونيوم في أستراليا (40%) وجنوب أفريقيا (30%). الطرق الرئيسية للحصول على الزركونيوم المعدني من المركز هي عمليات الكلوريد والفلوريد والقلوي.
استُخدم الزركونيوم في الصناعة منذ ثلاثينيات القرن العشرين، لكن تكلفته العالية حدت من استخدامه. يُستخدم الزركونيوم المعدني وسبائكه في الطاقة النووية. يتميز الزركونيوم بمقطع عرضي منخفض جداً لالتقاط النيوترونات الحرارية ودرجة انصهار عالية. التطبيق الآخر للزركونيوم هو السبائك. في علم المعادن يُستخدم كرابط. يُستخدم كمزيل للأكسدة والنيتروجين. سبائك الزركونيوم للفولاذ (حتى 0.8%) تزيد من خصائصها الميكانيكية وقابليتها للتشغيل. في الصناعة، يُستخدم ثاني أكسيد الزركونيوم في إنتاج المواد المقاومة للحرارة القائمة على الزركونيوم، والسيراميك، والمينا، والزجاج. يُستخدم في طب الأسنان للتيجان السنية. يُستخدم كمادة فائقة الصلابة. يوصل ثاني أكسيد الزركونيوم التيار عند التسخين، وهو ما يُستخدم أحياناً لإنتاج عناصر تسخين مستقرة في الهواء عند درجات حرارة عالية جداً. الزركونيا المسخنة قادرة على توصيل أيونات الأكسجين كإلكتروليت صلب. تُستخدم هذه الخاصية في محللات الأكسجين الصناعية وخلايا الوقود. ما يميز السيراميك الزركوني عن المواد الأخرى هو مقاومته الهائلة للحرارة وصلابته، التي عادةً لا تقل عن 80 HRC. بالإضافة إلى ذلك، فإن أكسيد الزركونيوم غير متفاعل تماماً مع معظم الأحماض والقلويات والمواد النشطة الأخرى.
يتم الحصول على أكسيد الزركونيوم من الزركون عن طريق المعالجة الكيميائية مع الإضافات. يتم خلط المسحوق الناتج مع الإضافات. هناك إضافات للتلبيد، التي تؤثر على خصائص التلبيد وجودة السيراميك النهائي، والمواد المساعدة، التي تساعد في التشكيل. وفقاً لذلك، يتم تصنيع قطع الزركونيا بتقنيات مختلفة. على وجه الخصوص، من الممكن سبك ثاني أكسيد الزركونيوم مع الأكاسيد ذات الشبكة البلورية المكعبة. الأكاسيد الأكثر استخداماً لهذا الغرض هي أكاسيد العناصر – الكالسيوم والمغنيسيوم، وكذلك المعادن – الحديد والمنغنيز والكروم. بالإضافة إلى ذلك، غالباً ما يتم سبك أكسيد الزركونيوم مع أكسيد الألومنيوم. يمكن للأكاسيد المسبوكة تغيير لون السيراميك من الأبيض إلى الأسود (يمكن الحصول على اللون الأسود أيضاً بمعالجة خاصة). على سبيل المثال، يُستخدم هذا في تلوين الفيانيت – الماس الاصطناعي القائم على أكسيد الزركونيوم المكعب.
يتميز ثاني أكسيد الزركونيوم بصلابة عالية، تُقاس باستخدام مقياس موس لصلابة المواد. تبلغ صلابة ثاني أكسيد الزركونيوم على مقياس موس حوالي 8.5 وحدة، في حين أن صلابة الفولاذ على هذا المقياس، اعتماداً على المعالجة الحرارية، تتراوح من 4 إلى 7 وحدات، والكوراندوم حوالي 9 وحدات، والماس 10 وحدات. وبالتالي، فإن المادة التي تُصنع منها السكاكين السيراميكية، من حيث الصلابة قريبة من الماس. يُستخدم السيراميك الزركوني أيضاً في المجوهرات، وفي صناعة الطيران والهندسة الميكانيكية، وفي طب الأسنان. يتمتع ثاني أكسيد الزركونيوم بمقاومة للتآكل تفوق الفولاذ بأكثر من 80 مرة.
كيفية صنع السكاكين السيراميكية
العملية التقنية لإنشاء الشفرات الزركونية هي كما يلي: الحصول على مساحيق أكسيد الزركونيوم المسبوك، وإعداد تركيبات الضغط والكبس، والحرق في درجة حرارة عالية (1350 درجة مئوية+، في بعض الحالات حتى 1700 درجة مئوية)، والضغط الأيزوستاتي الساخن في درجات حرارة وضغط عاليين.
عملية صنع السكاكين السيراميكية شاقة للغاية. لإنتاج شفرة سيراميكية، يتم أولاً ضغط مسحوق ثاني أكسيد الزركونيوم تحت ضغط 300 طن لكل سنتيمتر مربع، ثم تتم المعالجة الحرارية في درجات حرارة 1600-2000 درجة مئوية في أفران خاصة لفترة طويلة (من يومين إلى ستة أيام). في نفس الوقت، تتم عملية تلبيد بلورات ثاني أكسيد الزركونيوم وتشكيل القطع. كلما طالت مدة بقاء المنتج في الفرن، كلما أصبح أقوى. اعتماداً على خصوصيات العملية التكنولوجية، يتم الحصول على سيراميك أسود أو أبيض. يتم صنع السيراميك الأسود بإضافة صبغة سوداء خاصة والاحتفاظ بالقطع في الفرن لفترة أطول، مما يجعلها أقوى. تختلف جودة السكاكين السيراميكية بشكل كبير، حيث تعتمد بشكل كبير على القدرة التكنولوجية للمصنع، والالتزام بعملية تكنولوجية معقدة.
[wpcc-iframe width=”560″ height=”315″ src=”https://www.youtube.com/embed/EvooB12VF4k” title=”مشغل يوتيوب” frameborder=”0″ allow=”accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share” allowfullscreen=””]
إيجابيات وسلبيات السكاكين السيراميكية
تعتمد خصائص السيراميك الزركوني بشكل كبير على التكنولوجيا المستخدمة في إنتاجه، بدءاً من نقاء مسحوق الزركونيا الأولي، ونظام السبك، وحبيبات المسحوق، وأنظمة التلبيد، وما إلى ذلك.
من حيث الخصائص الميكانيكية، يتفوق السيراميك الزركوني بشكل كبير على الفولاذ الأكثر شيوعاً، وخاصة من حيث قوة الانحناء بمعامل حوالي اثنين، ومن حيث قوة الصدمة بعدة مرات. هذا يحد بشدة من تعدد استخدامات السكاكين السيراميكية. بسبب هشاشتها، يحث معظم المصنعين على عدم استخدام هذه السكاكين للحوم مع العظام، والأطعمة المجمدة، والعمل على الأسطح الصلبة (الزجاج، السيراميك)، إلخ. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن السيراميك يتمتع بخصائص فريدة تتفوق على الفولاذ من حيث مقاومة التآكل والخمول تجاه الطعام.
شحذ السكين السيراميكي
نظراً للطبيعة الهشة للحافة القاطعة، يتطلب السكين السيراميكي زوايا شحذ كبيرة نسبياً. في المتوسط، يُنصح بشحذه بزاوية كاملة بين 30-40 درجة. الزوايا الحادة البالغة 20 درجة أو أقل غير مناسبة لمثل هذه السكاكين، حيث تصبح هشاشة الحافة القاطعة عند هذه الزاوية من الشحذ عالية جداً. يتعقد شحذ السكاكين السيراميكية بسبب عدم تشكل النتوء في العملية ويجب الحفاظ على التحكم في الزاوية باستخدام أجهزة خاصة، وبشكل أساسي مقياس الزاوية الإلكتروني. وبالتالي فإن الشحذ اليدوي للسكاكين السيراميكية، دون استخدام أدوات الشحذ، يتطلب مهارة استثنائية وفنية من الشاحذ.
ليست كل المواد الكاشطة قادرة على التعامل مع شحذ السكين السيراميكي. الأحجار منخفضة التكلفة المصنوعة من كربيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم لا يمكنها التعامل مع هذه السكاكين. تلعب جودة مسحوق الطحن والرابط دوراً رئيسياً هنا. أحجار الشحذ الأمريكية Boride CS-HD فعالة جداً في شحذ السكاكين السيراميكية. يجب ألا يكون حجم حبيبات الحجر خشناً جداً، وخاصة Boride CS-HD لشحذ السيراميك يجب أن يبدأ بحجر حصى 320، لأن المادة الكاشطة الأكثر خشونة ستسبب تشققات على الحافة القاطعة. من الواضح أن سبب هذه النتيجة هو الجودة العالية جداً لمسحوق كربيد السيليكون والرابط البورسلاني السيراميكي المستخدم في منتجات هذا المصنع الأمريكي.
تؤدي أحجار الماس المطلية كهربائياً والمرتبطة عضوياً أداءً جيداً أيضاً عند شحذ السكاكين. أحجار إلبورون أقل نشاطاً في شحذها، حيث لا تزيل طبقة الزركونيوم بسرعة مثل الماس. ومع ذلك، فإن جميع هذه المواد الكاشطة مناسبة لهذا الشحذ وتنتج حالة جيدة للحافة القاطعة.
