بخشی از مقاله
تاثیر عملیات حرارتی بر چقرمگی شکست پوشش های HVOF کاربید تنگسن کبالت
چکیده
سرمن WC - 17Co به روش HV0F روی یک زمینه فولادی پوشش داده شد و سپس در محیط خلا در دماهای مختلف عملیات حرارتی شد. بررسی های متالوگرافي با میکروسکوپ نوری و الکترونی و آنالیز استحاله های فازی نشان داد که فازهای تا هنگام عملیات حرارتی در دماهای بالا تولید می شود. تولید این فاز ها باعث افزایش سختی در پوشش میگردد. چقرمگی شکست پوشش های پاشش حرارتی WC- Co با استفاده از روش سختی سنجی نیز مطالعه شد. این روش نشان داد که در این پوشش ها ترک ها به صورت غیر همسانگرد به صورت موازی فصل مشترک پوشش و فلز پایه اشاعه می یابد. ترک ها در مرز محل های کاملا ذوب شده و مناطق مرکزی به صورت جزیی ذوب شده اسپلت ها ایجاد می شوند. ایجاد فازهای ترد اتا در پوشش های عملیات حرارتی شده، چقرمگی شکست این پوشش ها را در دما های بالا کاهش می دهد.
واژه های کلیدی:
WG - 17Co HVOF، عملیات حرارتی، چقرمگی شکست، سختی سنجي
مقدمه
یکی از عامل های موثر در سایش مواد، چقرمگی شکست است. چقرمگی شکست پوشش های WC- Co ایجاد شده با پاشش حرارتی با چقرمگی شکست سرمت های WC - Co که به روش متالورژی پودر تهیه می شوند متفاوت است، چرا که ریز ساختار این پوشش ها به میزان قابل توجهی با مواد زینتر شده متفاوت است [۱]
روشهای معمول سنجش چقرمگی شکست برای تعیین چقرمگی شکست پوشش های پاشش حرارتی قابل استفاده نیستند. علت آن تفاوت ریز ساختار ناهمگون پوشش پاشش حرارتی است. نتایج چقرمگی شکست پوشش های پاشش حرارتی از نقطه ای به نقطه دیگر فرق می کند[۲]. یکی از روش های اندازه گیری چقرمگی شکست، روش سختی سنجی است. روش سختی سنجی ویکرز برای اندازه گیری چقرمگی شکست مواد ترد کاربرد گسترده ای یافته است [3 و 4]. این روش می تواند روی نمونه های کوچک مواد که با سایر روش های اندازه گیری چقرمگی شکست قابل اندازه گیری نیستند، بکار رود.
چقرمگی شکست را میتوان با اندازه گیری طول نرگ ( شکل شماتیک ) تاشی از اثر فرو رونده در ماده و قرار دادن آن در معادلات متعددی که توسط محققان مختلف ارایه شده اند، بدست آورد [ ۵ ۶ ۷ ۸ ۹ و ۱۰]. به نظر می رسد مناسب ترین معادلات برای این منظور معادلات پیش نهادی توسط لاوین فولر و ایوان ويلشو باشد[۱۱] این معادلات در جدول ۱ ارایه شده اند با توجه به اینکه در برخی از مقالات، عملیات حرارتی را روشی مفید برای بهینه سازی این پوشش ها ارزیابی کرده اند [۱۲ و ۱۳ و 14 و 15 و16]، اما در زمینه تاثیر عملیات حرارتی بر چقرمگی شکست این پوشش ها تحقیقات منتشر شده ای در دسترس نیست. در تحقیق حاضر اثر عملیات حرارتی بر چقرمگی شکست پوشش WC 17Co مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.
شکل 1، شماتیک از اثر فرو رونده ویکرز که نشان دهنده طول ترک
c و قطر فرو رفتگی (2a) است
در تحقیق حاضر چقرمگی شکست پوشش پاشش حرارتی WC - 17Co که به طریق HVOF ایجاد شده است قبل و بعد از عملیات حرارتی تحت بار و زمانهای اعمال بار مختلف با استفاده از روش فرو رونده ویکرز مورد بررسی قرار گرفته است. تحقیقات انجام شده قبلی نشان داده است که به دلیل چقرمگی شکست بالای این پوشش ها بار بهینه برای رسیدن به طول ترک مناسب به منظور اندازه گیری چقرمگی شکست ۲۰ کیلوگرم نیرو است. از این رو پوشش نسبتا ضخیمی (۱۰۰ میکرو متر) برای اندازه گیری چقرمگی شکست، لازم است. در آن تحقیق نشان داده شد که مقادیر چقرمگی شکست محاسبه شده از معادله ایوانس ویلشو بیش از مقادیر استخراج از معادله لاون فولر است[۱۱]. همچنین نشان داده شده است که افزایش زمان باردهی در این روش محدوده تغیرات طول ترک و انحراف معیار استاندارد، مقادیر چقرمگی شکست را کاهش می دهد[۱۱]
روش انجام آزمایش ها
در این تحقیق از پودر Tafa 1343 VM با ترکیب اسمی WC - 17wt % Co که از جدید ترین انواع پودر های مورد استفاده در پوششکاری HVOF است، استفاده شد. پوشش کاری به وسیله یک دستگاه HVOF ساخت شرکت پلاسما تکنیک به نام AG A3000 s مجهز به تفنگ پاشش 100 CDS انجام شد.
پوشش دهی روی زمینه ای از فولاد نرم (37 ST) تحت شرایط داده شده در جدول ۲ انجام گرفت. نمونه های فولادی قبل از پوشش دهی تحت شرایط معینی ماسه پاشی شده بودند. این پارامترها در راستای دست یابی به پوششی با کمترین تخلخل و بالاترین دانسیته بهینه سازی شده اند. ضخامت پوشش پس از عملیات تقریبا بین ۹۰۰ تا ۷۰۰ میکرومتر بود.
نمونه های پوشش شده در خلا (برای جلوگیری از اکسید شدن پوشش و زمینه) تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. برای این منظور نمونه ها پس از قرار گیری در کوره تا 2.5 * 10-5 میلی بار تحت خلا قرار گرفته و سپس با سرعت ۱۰۰ درجه سانتیگراد بر دقیقه تا دمای مورد نظر برای عملیات حرارتی گرم شدند. پس از آن نمونه ها به مدت سه ساعت و ۳۰ دقیقه تحت آن دما نگهداشته شده و سپس تا دمای اتاق در محفظه کوره سرد شدند. نمونه ها در دمای ۸۰۰ ۹۵۰ و ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شدند
در این تحقیق همانطور که اشاره شد از بار ۲۰ کیلوگرم برای آزمایش چقرمگی شکست استفاده شد. نتایج ارایه شده میانگین نتایج ۵ مرتبه آزمایش در موقعیت های اتفاقی هستند. فرو رونده بنحوی قرار می گرفت که دو قطر فرو رفتگی موازی و قایم بر فصل مشترک پوشش و زمینه باشند. تحت این شرایط بارگذاری، ابعاد اقطار لوزی محل فرو رونده حدود ۳۰ درصد ضخامت پوشش بود. بنابر این لازم بود که محل قرار گرفتن فرو رونده تقریبا در وسط پوشش باشد. در صورتی که محل فرو رفتگی بسیار نزدیک به سطح خارجی پوشش قرار می گرفت، ترک های ناشی از فرو رونده باعث شکست پوشش می شدند. در حالی که هنگامی که محل فرو رفتگی بسیار نزدیک به فلز پایه بود، مقادیر سختی ویکرز اندازه گیری شده برای پوشش قابل اعتماد نبود. برای اندازه گیری چقرمگی شکست طول ترک موازی با فصل مشترک پوشش و زمینه تولید شده در این روش با استفاده از میکروسکوپ نوری اندازه گیری شد. برای تعیین میزان چقرمگی شکست بر اساس روابط لاين فولر و ایوانس ویل شو، مقادير c ، a را با استفاده از تصاویر میکروسکپی اندازه گیری شدند ( مطابق شکل 1).
نتایج و بحث
شناسایی مواد
تصاویر ارایه شده در شکل ۲ تصاویر میکروسکوپ الكترونی SEM با آشکار ساز الكترون برگشتی از پوشش های WC - 17Co هستند این تصاویر نشان می دهند که کاربیل ها به صورت ناهمگونی توزیع شده اند و دامنه بزرگی از ابعاد مختلف ذرات کاربید در آن دیده می شود. علاوه بر این، تصاویر SEM نشان می دهند که ذرات WC با لایه ای روشن که مرزهای پاششی است احاطه شده اند. این ساختار ویژه لایه ای ناشی از شرایط پاشش در HVOF است
شکل های ۲ الف و ب ساختار پوشش های کاربید تنگستن را قبل از عملیات حرارتی نشان می دهند. مناطق روشن ذرات کاربید تنگین هستند و زمینه تیره تر کبالت است. لایه های روشن بین مرز های پاششی مربوط به فاز آمورف است [۱۷ و ۱۸]. این لایه ها در واقع سطح خارجی پودر کامپوزیتی است که در حین فرآیند HVOF به حالت مذاب یا نیمه مذاب در می آید و پس از بر خورد با سطح به سرعت سرد می شود .
شکل های ۲ ج تا ۲ و مربوط به مقاطع پوشش های عملیات حرارتی شده هستند. مقایسه شکل های آب و تو نشان می دهد که پس از عملیات حرارتی در مناطق آمورفه، مناطق روشن تری ایجاد شده اند که حاکی از استحاله این مناطق است. مقایسه این در شکل همچنین نشان می دهد که ذرات WC و كبالت نیز تا حدی در یکدیگر حل شده اند .
آنالیز تفرق پرتو ایکس (XRD) از پودر و پوشش در تحقیقات قبلی [۸] نشان داد که استحاله فازی مختصری در حین پاشش رخ می دهد. شكل ۳ نیز الگو های تفرق پرتو X پوشش قبل و بعد از عملیات حرارتی در دماهای مختلف را نشان می دهد. به همان صورت که مشاهده می شود پوشش عملیات حرارتی نشده در زاویه تفرق در محدوده ۳۸ الی ۵۰ درجه دارای برجستگی پهن تپه آمورفی است که در اثر عملیات حرارتی این تپه آمورفي حذف شده و فاز های جدید کریستالی ایجاد شده اند. عملیات حرارتی در دمای پایین (۸۰۰ درجه سانتیگراد) باعث واکنش و استحاله های فازی مهمی نشد اما عملیات حرارتی در دما های بالا ( ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد) باعث تبلور فاز آمورف و افزایش مقدار فازهای کریستالی آتا می شود. فازهای انا فاز های کریستاله کمپلکسي از تنگستن، کبالت و کربن با فرمول عمومي مثل مستند[۱۱). همچنین مشاهده می شود که در اثر عملیات حرارتی از شدت پیک های WC کاسته شده است. آزمایش های میکرو سختی سنجی نیز حاکی از افزایش سختی پس از عملیات حرارتی از ۱۰۷۰ به ۱۳۰۰ ويكرز است [۱۷]
بررسی چقرمگی شکست و مورفولوژی ترک های ایجاد شده در محل فرو رفتگی بریکرز شکل های : الف و ب نمونه هایی از تصاویر SEM تهیه شده از محل فرو رفتگیهای ایجاد شده توسط سختی سنجی ویکرز را نشان می دهند. مشاهده می شود که در اثر سختی سنجی، ترک هایی به صورت موازی با فصل مشترک پوشش و زمینه در نوک فرو رفتگی ایجاد می شوند، ترک های ایجاد شده در بار های مشابه طول های مختلف دارند و به دقت در گوشه های محل فرو رفتگی که دارای بالاترین تنش هستند ایجاد نمی شوند. این مشاهدات اثبات می کند که ریز ساختار پوشش غیر همگن است. این پدیده محاسبه چقرمگی شکست موضعی که از اشاعه ترک ها حاصل می شود را پیچیده می کند.
با توجه به تحقیقات قبلی [۱۱] در تحقیق حاضر نیز از معادلات لارن فولر (LF) و ایران و بلشو (EW) برای محاسبه چقرمگی شکست پوشش استفاده شده است حداقل مقدار چقرمگی شکست در مواردی ظاهر می شود که گوشه های محل فرو رفتگی در مرز محل های کاملا ذوب شده اسپلت ها و قسمت های مرکزی به صورت جزیی ذوب شده اسپلت ها قرار گیرند( شكل 6)
در پوشش های عملیات حرارتی شده نیز مانند پوشش عملیات حرارتی نشده اساسا ترک های موازی فصل مشترک پوشش و زمینه بیشتر از موارد قایم اشاعه می یابند. نتایج محاسبات چقرمگی شکست پوشش ها قبل و بعد از عملیات حرارتی از فرمول های پیشنهادی EW و LF در شكل 6 ارایه شده اند. مقادیر چقرمگی شکست محاسبه شده از معادله ایوانس ویلشر بیش از مقادیر استخراج از معادله لارن فولر است. همچنین مشاهده می شود که مقادیر چقرمگی شکست برای پوشش قبل از عملیات حرارتی و
