بخشی از مقاله
ارزيابي ميکروساختار و خواص سايي ش پوششهاي دومرحله اي بورايدي
به منظور بهبـود رفتـار سايشـي فـولاد زنـگ نـزن آسـتنيي ت کـم کـربن (316L AISI)، عمليـات سـطحي دومرحلـه اي شـامل روشـهاي بـور- کـرومدهـي ، بـور- يتتـانيومدهـي و بـور- وانـاديومدهـي انجـام شـد.
پوشش دهي بـا اسـتفاده از روش سمانتاسـيون جامـد انجـام گرفـت . عمليـات کـرومدهـي ، تيتـانيومدهـي و واناديومدهي در C°1050 به مدت ٤ ساعت صورت گرفته است . سـپس بـر روي تمـامي آنهـا بـه مـدت ٦ ساعت عمليات بوردهي در C°1000 انجام شد. مشخصات قطعات پس از عمليـات دومرحلـه اي بـه وسـيله ميکروسکوپ الکتروني روبشي ، پراش اشعه ايکس و آزمون يمکروسختي سـنجي ويکـرز بررسـي شـد. بـر روي کليه نمونه هاي پوشش داده شده و خـام آزمـون سـايش پـين روي ديسـک انجـام گرفتـه و نتـايج بـا يکديگر مقايسه شد. آزمايشهاي سايش در دو ينروي ٧٥ و ١١٥ ينوتن و سـرعت لغـزش ثابـت انجـام شـد.
مشخص شد که نمونه بوروکرومايزه ماکزيمم سختي سطحي ، وبهترين رفتار ساي ي ش را نشان مي دهد.
کليد واژهها: فولاد زنگ نزن 316L، سمانتاسيون جامد، بور- کرومدهي ، بور- تيتانيومدهي ، بور- واناديومدهي ، ميکروسختي ، رفتار سايشي .
مقدمه
سيستم هاي تريبو با حرکت نسبي بين سطوح با اثر متقابل ، نياز به رانش هموار تحت شرايط عملياتي سخت مثل نيروهاي تماسي بزرگ، سرعت ها و دماهاي بالا دارند[١]. از مناسـب تـرين روشهـاي مـورد اسـتفاده قرار گرفته در حفاظت سطح ، ايجاد پوشش هاي سخت بر روي مواد پايـه نـرم و چقرمـه اسـت کـه از ايـن طريق مي توان مزايايي مانند خواص مکاني ي ک خوب و سـادگي شـکل دهـي را بـا مجموعـه خواصـي نظيـر مقاومت سايشي ، مقاومت حرارتي و مقاومت خستگي به طور همزمان داشت [٢].
بوردادن اغلب لايه هاي نازک سطحي با سختي و مقاومت ساي ي ش بالا را بـه وجـود مـي آورد[٣]. خـواص اين پوشش به طور قابل توجهي با تغيير ترکيب شي ايم يي ، عناصر آلياژي و شرايط فرآيند پوشش دهي متغير خواهــد بــود. کــارايي پوشــش از نقطــه نظــر مقاومــت سايشــي بــه برخــي از خــواص آن ماننــد ســختي ، انعطاف پذيري، مدول الاستيک ، تخلخل و چسبندگي بستگي دارد[٤]. يک راه مؤثر پيشرفت آينده روش
بوردادن توليد لايه هاي بورايد چندجزئي و کامپوزيـت اسـت [٥ و ٦]. بـوردادن چنـدجزئي يـک عمليـات ترموشي ايم يي شامل نفوذ متوالي بور و يـک ي ا چنـد عنصـر فلـزي مثـل Cr،Ti ،V ،Al و Si در ترکيـب سطحي ي م باشد[٧ و ٨].
بررسيهاي انجام گرفته نشان مي دهدکه اطلاعات کافي درباره ميکروساختار و خواص ساي ي ش فولادها پس از بوردهي چندجزئي انتشار نيافته است ، در حالي که اين فرآيندها مي توانند بـراي بسـياري از کاربردهـاي صنعتي مفيد واقع شوند. در تحقيق حاضر، ساختار و ميکروسختي لايـه هـاي سـطحي تشـکيل شـده توسـط روش پوشش دهي دومرحله اي شامل بور- کرومدهي ، بور- تيتانيومدهي و بور- واناديومدهي بررسي شـد.
همچنين رفتار ساي ي ش فولادهاي پوشش داده شده ارزيابي گرديده و سپس با نمونه خام مقايسه شده است .
مواد و روش تحقيق
براي تهيه نمونه هاي آزماي ي ش از فـولاد زنـگ نـزن آسـتنيي ت 316L AISI کـه ترکيـب شـي ايم يي آن در جدول ١ آورده شده است استفاده گرديد. يک ميله فولادي از اين نوع با قطـر mm ٢٨ بـه ديسـکهايي بـا ضخامت mm ٦ جهت بررسي يزساختار و خواص سايشـي بريـده شـد. بـراي بـه دسـت آوردن شـرايط سطحي مشابه نمونه ها تدريجاً تا سنباده ١٢٠٠ آمادهسـازي شـدند. بـه منظـور کـرومدهـي ، تيتـانيومدهـي و واناديوم دهي از روش سمانتاسيون جامد به مدت ٤ ساعت و در C°1050 تحت اتمسـفر آرگـون اسـتفاده شد. براي آزادکردن عناصر کروم، تيتانيوم و واناديوم در مخلوط پودري به ترتيب از پـودر wt(Cr% ٢٥)، wt( Ti% ٢٥) و wt(Fe-V% ٢٥) اسـتفاده گرديــد. در مخلــوط پــودري از wt(NH4Cl% ٦) بــه عنــوان فعال کننده و wt(Al2O3% ٦٩) به عنوان پرکننده استفاده شد و مقدار آن در هر سه ترکيب يکسان اسـت .
سپس عمليات بوردهي در C°1000 و به مدت ٦ ساعت بر روي نمونه هاي کرومايزه، تيتانـايزه و وانـادايزه در مخلوط پودري تشکيل شده از wt( B4C% ١٠)، wt( KBF4% ١٠) و SiC (موازنه شده ) انجام شد.
متالوگرافي سطح مقطع لايه سخت شده نمونه ها با برش و مانت گرم و با استفاده از محلول %٢ نايتال انجـام شد. شيب ميکروسختي سطح مقطع نمونه هاي متالوگرافي شده با استفاده از يک دستگاه ميکروسختي سـنج ويکرز با بار ٥٠ گرم تعيين گرديد. براي شناسايي فازهايي که در لايه هاي بورايده وجود دارد، آزمـايش
XRD با استفاده از دستگاه فيليپس مدل X'pert و با تابش Co kα (1.788897A°=λ) انجام گرفت .
به منظور تعيين مقاومت سايشي و ضـريب اصـطکاک نمونـه هـا از دسـتگاه سـايش پـين روي ديسـک در شـرايط
يازدهمين کنگره ي سالانه ي انجمن مهندسين متالورژي ايران خشک استفاده شـد. پـين مـورد اسـتفاده از جـنس فـولاد ٥٢١٠٠ AISI ( بـا قطـر mm ٥ و سـطحي بـه شـکل عرق چين ) بود که سختي آن حدود ٦٤ راکول سي (٨٠٠ ≅ ويکرز) مـي باشـد. بـا توجـه بـه آزمايشـهاي مقـدماتي مسافت سايش ١٠٠٠ متر بود و پين و ديسک توسـط ترازويـي بـا دقـت ٤-١٠×١ گـرم تـوزين شـدند. آزمايشـها بـا سرعت خطـي متوسـط 0.1m در دمـاي C°35-31 و رطوبـت %٣٥-٣٠ انجـام شـد. آزمونهـاي سـايش تحـت
s
بارهاي ثابت ٧٥ و ١١٥ نيوتن روي نمونه هاي پوشش داده شده و خام انجام گرفـت و سـپس نمودارهـاي کـاهش وزن رسم شد. تغييرات ضريب اصطکاک برحسب مسافت سـايش بـه کمـک کـرنش سـنجهايي کـه بـه دسـتگاه متصل بود و از طرف ديگر توسط يک برد الکترونيکي متصل به کامپيوتر در حين آزمايش اندازه گيري گرديد.
يافته ها
ميکروگرافهــاي مقطــع عرضــي از فــولاد زنــگ نــزن آســتنيتي 316L AISI بوروکرومــايزه، بوروتيتانــايزه و بورووانادايزه در شکل ١ نشان داده شده است . همانطور که در شکل ديده مي شود، ميکروسـاختار پوشـش تشـکيل شده در هر مورد شامل چند لايه اسـت کـه از ميـان آنهـا نزديکتـرين لايـه بـه سـطح مربـوط بـه فازهـاي بورايـدي مي باشد. نتايج آزمايش پراش پرتو ايکس روي نمونـه هـاي دومرحلـه اي پوشـش داده شـده در شـکل ٢ نشـان داده شده است . فازهاي مشترک موجود در لايه هاي بورايد فولادهـاي عمليـات دوگانـه شـده FeB،Fe2B ،CrB و
Ni3B مي باشند. همچنين فازهاي TiB2 و VB به ترتيب در فولاد بوروتيتانايزه و بورووانادايزه يافت شد.
ارزيابي ميکروساختار و خواص سايشي ......
شکل ٣ نحوه تغييرات ميکروسختي با افزايش فاصله از سطح نمونه هـا را نشـان مـي دهـد. بـا توجـه بـه اي ن نمودارها مي توان دريافت که ماکزيمم سختي به دست آمده از فرآيندهاي بورکرومدهي ، بورتيتانيومده ي و بورواناديومدهي به ترتيب ٢٠١٢، ١٧٤٠ و ١٨١٧ ويکرز مي باشد. نمودار کاهش وزن بـر حسـب مسـافت حاصل از آزمونهاي سايش انجام گرفته بر روي نمونه ها نشان مي دهد کـه مقاومـت بـه سـايش نمونـه هـاي پوشش داده شده در مقايسه با فولاد خام (به خصوص در بـار اعمـالي کـم )، افـزايش مـي يابـد (شـکل ٤).
نمودارهاي کاهش وزن پين در شکل ٥ آورده شده است . همچنين مي توان دريافت که بـا افـزايش نيـروي اعمالي ، ميزان کاهش وزن نمونه و پين در تمامي موارد افزايش يافته است .
تغييرات ضريب اصطکاک در برابر فاصله لغزش براي نمونه هاي خام و پوشش داده شده درشـکلهاي ٦ تـا
٩ نشان داده شده است . ضريب اصطکاک ب ين سـطوح در لغـزش بسـتگي بـه چنـد عامـل اصـلي از جملـه شرايط سطوح درگير، توپوگرافي سطوح تماس، مـواد و شـرايط محيطـي دارد[٢]. منحنيهـاي اصـطکاک نمونه ها مي توانند به دو قسمت تقسيم شوند. قسمت اول مرحلـه گـذرا اسـت ، در صـورتي کـه مرحلـه دوم رژيم حالت پايدار را بيان مي کند. کمترين ميزان ضريب اصطکاک در نمونه هاي پوشش داده شده مربوط به نمونه بوروکرومايزه مي باشد.
بحث
تصاوير ميکروسکوپ الکتروني از سطح مقطع نمونه ها (شکل ١) مورفولوژي لايه دوگانه نمونه بوروکرومايزه را به صورت ساختاري شانه اي و تيرهرنگ مشخص مي کند (اين نتيجه با تحقيقات ديگران در شرايط مشابه [٩] مطابقت دارد). با توجه به پروفيل ميکروسختي نمونه بوروتيتانايزه (شکل ٣) به نظر مي رسد که ساختار لايـه دوگانـه در ايـن مورد شامل دو لايه تيره و روشن است . همچنين لايه بورايد تشکيل شده بر روي نمونه بورووانادايزه داراي سـطحي متخلخل است (شکل ١ج). لايه دوگانه نمونه بوروکرومايزه شامل فازهاي FeB،Fe2B ،CrB و Ni3B است که به وسيله پراش اشعه ايکس تأييد شده است (شکل ٢الف ). همچنين با توجه به شـکل ٢ ب و ج، سـطوح نمونـه هـاي بوروتيتانايزه و بورووانادايزه علاوه بر فازهاي ذکرشده در بالا به ترتيب شامل فازهاي TiB2 و VB نيز مي باشند.
