بخشی از مقاله
چکیده
فولاد CB 7 -Cu ، یک فولاد زنگ نزن مارتنزیتی رسوب سخت شونده است مکانیزم سخت شدن آن ، توسط رسوبات غنی از مس میباشد. دراین پژوهش فرایند اصطکاکی اغتشاشی، در سرعت چرخشی600 دور بر دقیقه و سرعت پیشروی 80 میلیمتر بر دقیقه، توسط ابزار غیر مصرفی از جنس کارباید تنگستن رنیوم دار با قطر شانه 20 میلی متر و پین به شکل مخروط ناقص با ارتفاع 1 میلیمتر و قطر بزرگ 5 میلیمتر و قطر کوچک 4 میلیمتر انجام گرفت. بعد از انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی، مطالعات ریز ساختاری و خوردگی الکتروشیمیایی انجام شد.
مطالعات ریز ساختاری توسط میکروسکوپ نوری و پراش پرتو ایکس نشان داد که اعمال فرایند اصطکاکی اغتشاشی باعث ایجاد دانه های ریز و هم محور درمنطقه اغتشاش میشود که این پدیده ناشی از تبلور مجدد دینامیکی است و همچنین تغییر فاز زمینه از مارتنزیت به آستنیت صورت گرفت. نتایج خوردگی الکتروشیمیایی، بهبود مقاومت خوردگی و سختی را در منطقه اغتشاش نسبت به فلز پایه را نشان داد.
مقدمه
در اکثر شناورها اعم از شناورهای سبک و سنگین، تجاری، تحقیقاتی و حتی قایقهای کوچک به منظور تبدیل قدرت موتور به نیروی پیشبرا از پروانه استفاده میشود. در ساخت پروانه ها با توجه به شرایط عملکردی از مواد مختلفی مانند برونزهای آلومینیوم نیکل، برونز منگنز، فولادهای زنگ نزن دو فازی، فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده استفاده می شود.
مزیت استفاده از فولادها در طراحی و ساخت پروانه به دلیل بالاتر بودن استحکام و مدول الاستیسیته بر کسی پوشیده نیست. بالا بودن استحکام فولاد های زنگ نزن این امکان را برای طراح فراهم می آورد تا ضخامت لبه های حمله را کاهش داده و راندمان پروانه را افزایش دهد. یکی از فولادهای زنگ نزنی که امروزه در ساخت پروانه های SPP مورد توجه قرار گرفته فولاد زنگ نزن رسوب سخت شونده CB7-Cu می باشد.
از این فولاد به دلیل استحکام بالا، داکتیلیته مناسب و مقاومت در برابر خوردگی خوب در صنایع مختلفی نظیر قطعات شیرهای نفتی، تجهیزات صنایع شیمیایی، صنایع هوایی، چرخ دنده ها، تجهیزات راکتورهای اتمی، روتور موتورجت، غلطکهای نورد و محورها نیز استفاده شایانی می شود . این ماده در گروه فولادهای مارتنزیتی مقاوم شده توسط ذرات ریز مس در اثر عملیات حرارتی می باشد. یکی از معایب فولاد CB7-Cu حساسیت آن به خوردگی حفره ای است و باعث میشود تا زمانی که شناور در مدت زمان طولانی در اسکله پهلو گرفته است، پروانه دچار خوردگی شود. یکی از راهکارهای بهبود این ضعف استفاده از روشهای مهندسی سطح است.
فرایند اصطکاکی اغتشاشی - FSP1 - ؛ یک فرایند نسبتا جدید حالت جامد است، که به منظور بهبود ساختار سطحی و بر پایه اصول جوشکاری اصکاکی اغتشاشی توسعه یافت. در حقیقت فرایند FSP یک فرایند مفید برای اصلاح دانه است و همچنین به عنوان روشی برای تولید مواد فوق ریز دانه و یا حتی دانههای در ابعاد نانو پیشنهاد میشود.
تکنیک کلی این فرایند، به این صورت است که یک ابزار چرخان که دارای دو قسمت، پین و شانه است درون قطعهای یکپارچه فرو میرود و در مسیر مورد نظر پیشروی میکند.که برای اصلاح ساختار موضعی به منظور افزایش ویژگی خاص صورت میگیرد. گرمای لازم در این فرایند، در اثر اصطکاک بین ابزار و سطح نمونه و همچنین تغییر شکل پلاستیک شدید مواد تامین می- شود که موجب نرم شدن و افزایش دمای مواد در اطراف پین به اندازه 0.6 -0.8 Tm میشود. در اثر چرخش و حرکت رو به جلو ابزار، مواد از جلوی پین به پشت آن انتقال مییابند دمای بالا و مواد خمیری شده باعث تشکیل دانه های ریز در اثر فرایند تبلور مجدد دینامیکی - DRX - می شود. در بسیاری از منابع ذکر شده که در اثر فرایند DRX در منطقه SZ، دانه های ریز و هم محور تشکیل و مقاومت به سایش و خوردگی به شدت تحت تاثیر قرار می گیرد .
در تحقیق حاضر نتایج تجربی حاصل از اعمال فرایند FSP در سرعت چرخشی 600 rpm و در سرعت پیشروی 80 mm/min بر ریزساختار و تاثیر آن بر رفتار خوردگی فولاد زنگ نزن CB7-Cu مورداستفاده در پروانه های SPP مورد بررسی قرار گرفته و بر مبنای نتایج تجربی حاصل شده، مکانیزم های موجود بررسی شده اند.
روش تحقیق
مواد مورد استفاده در این پژوهش از جنس فولاد زنگ نزن CB7-Cu، به صورت دیسکی شکل با قطر 100 mm و ضخامت 3 mm بود. به منظور یکنواخت شدن ریز ساختار و جلوگیری از ایجاد ترک در حین فرایند اصطکاکی اغتشاشی عملیات آنیل انحلالی بر روی نمونهها انجام شد، عملیات آنیل انحلالی در دمای 1060 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت انجام و سپس نمونهها در روغن سرد شدند .[4] ترکیب شیمیایی این فولاد با روش کوانتومتری مورد آنالیز قرار گرفت؛ که در جدول 1 ارائه شده است.
جدول :1 ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن CB7-Cu مورد استفاده در تحقیق
انتخاب جنس ابزار در فرایند اصطکاکی اغتشاشی بسیار مهم است زیرا در حین فرایند بر روی فولادها، ابزار در معرض بار سایش شدید قرار می-گیرند و حتی احتمال شکست ابزار وجود دارد. پس به منظور کاهش میزان تخریب ابزار، باید از ابزاری استفاده شود که چقرمگی و مقاومت به سایش بالا در دماهای بالا داشته باشد. در این راستا، در این پژوهش از ابزاری با جنس کارباید تنگستن رنیوم دار استفاده شد. فرایند اصطکاکی اغتشاشی در این پژوهش سرعت چرخشی600 دور بر دقیقه، سرعت پیشروی 80 میلیمتر بر دقیقه ، تحت زاویه 3 درجه انجام شد.
سپس به منظور بررسی ریز ساختار نمونههایی از سطح مقطع نمونه FSP شده و فلز پایه آماده شد این نمونه ها پس از سنباده زنی تا سنباده 2400 و پولیش با پودر آلومینا، توسط محلول fry اچ شدند. مشاهدات ریز ساختاری به وسیله میکروسکوپ نوری انجام شد و به منظور بررسی فازهای احتمالی تشکیل شده در حین فرایند FSP، از دستگاه پراش پرتو ایکس - XRD - مدل XPERT MPD استفاده شد.
به منظور بررسی رفتار خوردگی، نمونه های با ابعاد 0/5*0/5 سانتی متر از فلز پایه و نمونه FSP شده آماده شد. قبل از انجام آزمایش، به منظور زدودن هرگونه آلودگی از سطح، نمونه ها به مدت 15 دقیقه در اتانول و در دستگاه التراسونیک شستشو شدند و سپس به منظور جلوگیری از خوردگی شیاری، بین نمونهها و مانت لاک زده شد.
برای انجام آزمون خوردگی، ازیک سل سه الکترودی استفاده شد به طوری که از الکترود Ag/AgCl به عنوان الکترود مرجع، الکترود پلاتین به عنوان شمارنده و نمونهها به عنوان الکترود کاری قرار گرفتند . به منظور بررسی تاثیر آب دریا بر رفتار خوردگی، تمام آزمون ها در محلول NaCl 3.5% و در دمای اتاق انجام شدند. ابتدا تست پتانسیل مدار باز - OCP - ، به منظور رسیدن نمونهها به حالت پایدار، به مدت یک ساعت انجام شد و سپس تست پتانسیو دینامیک در محدوده پتانسیل -250 mv تا +600 نسبت به پتانسیل استراحت - پتانسیل - OCP با نرخ اسکن انجام شد.
نتایج و بحث
فولاد زنگ نزن CB7-Cu بهصورت فریت دلتا منجمد میشود، به این صورت که مذاب به فاز فریت تبدیل میشود و سپس در اثر یک واکنش پری تکتیک2 فاز آستنیت درون سلول فریت و در مرز دندریتها جوانی زنی و رشد میکند. بعد از کوینچ کردن فولاد درون روغن، آستنیت به مارتنزیت تبدیل میشود که البته ممکن است مقداری از آستنیت باقیمانده نیز در ساختار مشاهده شود . درنتیجه در دمای محیط، ریزساختار شامل فریت و مارتنزیت میباشد 6]و.[5 ترتیب به وجود آمدن فازها در طی سرد شدن از حالت مذاب بهطور خلاصه در زیر نشان دادهشده است :
شکل:1 تصویر میکروسکوپ نوری از الف - فلز پایه ب - منطقه اغتشاش نمونه FSP شده
شکل 1 نشان دهنده ریز ساختار نمونه قبل و بعد از عملیات سطحی می باشد. همانطورکه در تصویر میکروسکوپی نوری - شکل - 1 الف - - و پراش پرتو ایکس - شکل2 - الف - - مشخص شده است، ریزساختار فولاد قبل از انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی شامل مارتنزیت لایهای فوق اشباع و فریت دلتا میباشد.
عملیات انحلالی انجام شده روی فولاد مورد استفاده باعث انحلال رسوبات و یکنواخت شدن ساختار، کاهش میزان فریت دلتا و همچنین کاهش میزان تنش و احتمال ترک خوردگی بعد از فرایند اصطکاکی اغتشاشی گردیده است. این موضوع توسط سایر محققین نیز بیان گردیده 8]و.[7 شکل - 1 ب - ، تصویر میکروسکوپی نوری نمونه فراوریشده را نشان میدهد، همانطور که دیده میشود اندازه دانه با اعمال فرایند اصطکاکی اغتشاشی کاهش پیداکرده است. با توجه به مطالعات انجامشده [9 ]، عامل تشکیل دانههای ریز و هممحور در طی فرایند اصطکاکی اغتشاشی، پدیده تبلور مجدد دینامیکی است.
شکل :2 الگوی پراش پرتو ایکس الف - فلز پایه ب - نمونه FSP شده
