بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تأثیر درجه رقت لایه های رسوبی جوشکاری به روش قوس باز بر ریز ساختار و مقاومت به سایش با استفاده از آلیاژ روکش سخت پایه Fe-Cr-C-Nb-Mo-Mn بر روی فولاد ساده کربنی مورد بررسی قرار میگیرد. به منظور جوشکاری در 3 حالت گوناگون ازنظر لایههای رسوبی به صورت تک لایه، دو لایه و سه لایه روی فولاد ساده کربنی انجام شد. نتایج متالوگرافی و FESEM مشخص نمود که ریزساختار لایه های رسوبی هر سه نمونه متشکل از آستنیت و کاربیدهای و NbC هستند ولی به دلیل تغییر درجه رقت لایه های رسوبی، درصد فازهای زمینه و کاربیدهای آنها با یکدیگر متفاوت است. طبق نتایج با افزایش تعداد لایههای روکش سخت رقت کاهش می یابد و درنتیجه درصد عناصر آلیاژی افزایش میابد که منجر به افزایش میزان کاربید شده و سختی و مقاومت به سایش افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: درجه رقت، جوشکاری قوس باز، روکش سخت، مقاومت به سایش، فولاد ساده کربنی.
.1 مقدمه
سایش یکی از مهمترین عوامل تخریب قطعات مهندسی در صنعت است. عملیات جوشکاری به علت صرفه اقتصادی و ایجاد لایه های نسبتا ضخیم و مقاوم نسبت به عملیات حرارتی، آبکاری و پوشش دان در شرایط خراشان و ضربه ارجحیت دارند .[1] سخت کاری یا روکش کاری سخت توسط جوشکاری، در ابزار آلات کشاورزی،حفاری، سیمان، معادن و دیگر صنایع برای افزایش سختی و مقاومت به سایش اجزا استفاده می گردد. یکی از پارامترهای مهم در فرآیند روکش کاری سخت میزان رقت می باشد که تحت تاثیر دمای پیشگرم، حرارت ورودی، تعداد لایه ها و شرایط رسوب لایه روکش سخت می باشد. امروزه آلیاژهایی که برای روکش کاری مورد استفاده قرار می گیرند عموما معطوف به آلیاژهای پایه آهنی می باشد. لایه های روکش سخت پایه آهنی بر اساس ریزساختار میکروسکوپی و نوع سیستم آلیاژی بکار برده شده تقسیم بندی می شوند. بر اساس نوع سیستم آلیاژی، لایه های روکش سخت به دو دسته حاوی کروم و فاقد کروم تقسیم بندی می شوند .[2]
یکی از مهمترین آلیاژ روکش سخت Fe-Cr-C است زیرا از نظر هزینه نسبت به سایر آلیاژها اقتصادیتر است. این آلیاژها در شرایط سایش خراشان شدید مانند قطعات بکار رفته شده در صنایع سیمان و معدن به گونه ای گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. مقاومت به سایش خراشان خوب این آلیاژها ناشی از وجود درصد حجمی بالایی از کاربیدها در یک زمینه چقرمه میباشد 3] و .[4
.2 مواد و روش تحقیق
فولاد ساده کربنی ST37 بهعنوان فلز پایه به ابعاد 50×21×2 سانتیمتر استفاده گردید و به 3 قسمت مساوی به اندازه 3 ورق A5 تقسیم شد. سیم جوش مصرفی از جنس آلیاژ پایه آهنی Fe-Cr-C-Mn-Nb-Mo با اسم تجاری CNV-O میباشد . قطر سیم جوش مصرفی 2/4 mm و وزن آن 15 kg میباشد. ترکیب شیمیایی فلز پایه و سیم جوش به ترتیب در جدولهای 1 و 2 آورده شدهاند.
جوشکاری به روش قوس باز و در 3 حالت گوناگون از نظر لایههای رسوبی به صورت تک لایه، دو لایه و سه لایه بر روی فولاد ساده کربنی ST37 انجام و هر 3 نمونه تحت شرایط و پارامترهای جوشکاری یکسان مطابق با شرایط جدول 3 قرار گرفتند. پارامترهای جوشکاری هنگام اجرا در جدول 3 آورده شده است.
بر روی نمونهها آنالیز ترکیب شیمیایی و آزمون پراش پرتوا یکس با استفاده از دستگاه پراش پرتوایکس مدل STADI MP ساخت STOE کشور آلمان - تیوب بهکار رفته پرتو CuK با طولموج 1/54 آنگستروم - انجام گردید. جهت متالوگرافی به وسیله میکروسکوپ نوری هر 3 نمونه آماده سازی شدند و به وسیله محلول گلیسرژیا اچ شدند. تصاویر FESEM توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدان مدل MIRA3 TESCAN تهیه گردید. آنالیز EDS برای مشاهده حضور عناصر مختلف در بدنه از این قطعات گرفته شد تا با استفاده از آن بتوان حضور فازهای مختلف را نشان داد.
آزمون سختی ماکرو راکول C تحت نیروی اعمالی 150 Kgf و فرو رونده از نوع هرم الماسه روی هر 3 نمونه انجام گردید . آزمون بر روی سطح جوش انجام و تعداد سه نقطه بر روی هر نمونه زده شد و میانگین آن گرفته شد.آزمون سایش مطابق با استاندارد ASTM G65 با نام Dry Sand wheel Rubber انجام شد. به منظور تعیین درصد رقت هر لایه با توجه به ترکیب شیمیایی لایه از رابطه زیر استفاده شد: - 1 - ×
Px1 غلظت عنصر x در لایه موردنظر، Px2 غلظت عنصر x در سیم جوش مصرفی، Px3 غلظت عنصر x در لایه زیرین و D میزان رقت - برحسب درصد - میباشد.
3. نتایج و بحث
نتایج حاصل از آنالیز شیمیایی لایه های روکش سخت بر اساس درصد وزنی عناصر و ترکیبات تشکیل دهنده و رقت محاسبه شده برای هر نمونه در جدول 4 نشان داده شده است. گفتنی است اندازه رقت هر لایه از میانگین مجموع رقت های بدست آمده از عناصر کربن، کروم، نیوبیوم، سیلیسیم، مولیبدن و منگنز آن لایه، محاسبه گردید.افزایش در تعداد لایههای جوشکاری سبب کاهش درجهی رقت و افزایش درصد عناصر کروم، مولیبدن، کربن و نیوبیوم در ترکیب شیمیایی لایهها شده است. دلیل این موضوع ناشی از امتزاج فلز پایه با لایههای رسوبی میباش د. بهاینترتیب که در لایههای رسوبی نخست به دلیل امتزاج بیشتر فلز پایه با فلز جوش و درنتیجه رقت بالا، درصد عناصر کربن، کروم، نیوبیوم، منگنز و مولیبدن نسبت به سایر لایهها کمتر است .[6]
نتایج الگوی پراش پرتوایکس لایههای روکش سخت در شکل 2 نشان دادهشده است. آنالیز پراش پرتوایکس در این شکل نشانگر وجود کاربیدهای کمپلکس M7C3 ازجمله کاربید کروم و نیوبیوم در ساختار زمینه آستنیت میباشد. با مقایسه پیک های آنالیز پراش اشعه ایکس در شکل 2 میتوان دریافت که با توجه به اثر رقت که با افزایش تعداد لایههای روکش سخت کاهش پیداکرده است، بنابراین درصد عناصری نظیر Nb و Cr افزایش مییابد. نتایج حاصل بیانگر عدم تشکیل فازها و ترکیبات جدید بوده و تنها تفاوت میان سه الگو در میزان اختلاف شدت پیکها در مورد فازها و ترکیبات بوده که نشاندهنده تفاوت در میزان تشکیل این فازها است.
همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است ریزساختار آلیاژ پایه فریتی به همراه مقادیری اندک فاز پرلیت در مرز و نقاط حاصل از برخورد دانههای فریت میباشد. در فلز پایه کربن و عناصر آلیاژی رقیق و مقادیر آن ها کم است. ولی در نواحی دور از فصل مشترک پوشش و فلز پایه میزان رقت کمتر بوده و به علت بالا بودن کربن و کروم سیم جوش ساختار به ساختار هایپریوتکتیک نزدیک شده و کاربیدهای اولیه ظاهر می شوند؛ و ساختار متشکل از آستنیت و کاربید M7C3 است. در فلز جوش در حین انجماد این لایه کاربیدهای اولیه M7C3 تشکیل میشود. تصاویر میکروسکوپ نوری کاربید اولیه M7C3 سوزنی شکل - فاز سفید - در ماتریکس حاوی مخلوط هایپریوتکتیک آستنیت - فاز تیره - و کاربید
