بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق ذوب و آلیاژ سازی سطحی چدن نشکن ازطریق پیش نشست مخلوط پودری حاوی فروسیلیسیم و گرافیت و استفاده از فرآیند قوس تنگستن با گاز محافظ آرگن - TIG - انجام شد. ساختار لایه ها و فازهای حاصل از عملیات ذوب و آلیاژسازی سطحی توسط میکروسکوپهای نوری و الکترونی روبشی - SEM - مجهز به طیف سنجی انرژی پرتو ایکس - EDS - و پراش سنج پرتو X بررسی شدند. نتایج حاکی از تشکیل کاربید سیلیسیم در لایه سطحی بود. همچنین مطالعه لایه های سطحی ایجاد شده نشان داد که لایههای ذوب سطحی ریز ساختار لدبوریتی و لایه های آلیاژ سازی سطحی شده ساختار دندریتی توام با آستنیت استحاله یافته دارند. همچنین نتایج حاصل از ریزسختی سنجی نشان میدهد که سختی لایه های ذوب و آلیاژسازی سطحی شده بیش ازدو برابر سختی زیر لایه است که بیشترین مقدارآن به حدود 800HV می رسد.
واژههای کلیدی: چدن نشکن، ذوب و آلیاژسازی سطحی، فرو سیلیسیم، گرافیت، .TiG
مقدمه
چدن ها به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت بالا، خواص مکانیکی مطلوب، قابلیت ماشینکاری، هدایت حرارتی، خواص مکانیکی خوب نظیر سختی و استحکام کششی بالا و قیمت پایین به مواد مهندسی پر کاربردی تبدیلشدهاند .[1] ویژگی های سطحی مواد یکی از مهم ترین عوامل تعیین کننده در بکارگیری آنها است . معمولا برای بهبود و ارتقا ویژگی های سطحی از فرایندهای مختلف مهندسی سطح استفاده می شود. در این روشها غالبا با تغییر شیمیایی و یا متالورژیکی سطح خواص مورد نظر در قطعه ای که تحت تاثیر عوامل مخربی مانند سایش و خوردگی قرار می گیرد اصلاح می شود .[2]
سختی سطح عامل تعیین کننده در مقاومت به سایش مواد است. افزایش سختی توسط ذوب سطحی چدن برای بعضی از قطعات مصرفی در خودرو، جهت بهبود مقاومت به سایش بکار گرفته شده است .[3] یکی از روش های موثر در مقاوم سازی چدن ها در برابر این عوامل مخرب استفاده از روش های ذوب و آلیاژ سازی سطحی با به کارگیری فرایند TIG است. روش TIG به خصوص به لایل اقتصادی مورد توجه واقع شده است .[4] آلیاژسازی سطحی معمولا از طریق افزودن عنصر آلیاژی قبل و یا همزمان با ذوب سطح انجام می شود. سیلیسیم، کرم و مولیبدن از جمله این عناصر هستند که برای بهبود خواص سطحی چدن استفاده شده اند .[5]
در سال های اخیر پژوهش هایی در راستای بهبود خواص سطحی چدن ها صورت پذیرفته است که از جمله آنها تحقیق انجامشده توسط گولزار1 و همکارانش [6] است. آنها تغییرات ساختار چدن نشکن و چدن نشکن آستمپر حینآلیاژ سازی سطحی با نیکل آبکاری شده روی سطح را بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد پرلیت در زمینهی چدن نشکن و ساختار بینیتی در چدن نشکن آستمپر شده پس از عملیات سطحی به ساختار دندریتی چدن سفید - لدبوریت - ، مارتنزیت و کاربید آهن تبدیل شد. حضور دندریت ها در زمینهی لدبوریتی مانع حرکت نابجاییها شده منجر به افزایش سختی شده است. در تحقیقی تأثیر ذوب سطحی چدن داکتیل توسط لیزر Nd:YAG در میزان سختی، و تغییرات میکروساختاری آن توسط محمود2 و همکارانش [7] بررسی شد .
در نتیجه ساختار اولیه شامل گرافیت، فریت، و بینیت تمپر شده است به مارتنزیت، لدبوریت و آستنیت باقیمانده تبدیل شد. در پژوهشی اباود3 به منظور بهبود خواص سایشی و سختی چدن داکتیل از جوشکاری قوس تنگستن جهت ذوب سطحی استفاده کرد. افزایش 300 درصدی در مقاومت به سایش و گسترهی سختی 600 الی 800 ویکرز در مقایسه با سختی حدود HV 250 زیرلایه حاصل انحلال گرافیتها و تغییر ساختار ناشی از نرخ سرمایش بالا از فریت و گرافیت به استنیتاستحاله یافته و سمانتیت بوده است . همچنین بنیونیس4 و همکارانش [9] ذوب سطحی چدن داکتیل با استفاده از دو روش جوشکاری قوس تنگستن و لیزر Nd:YAG را مورد بررسی قرار داد.
نتایج آنها نشان داد که پس از ذوب سطحی در هر دو روش ریزساختار سطح شامل ساختار دندریتی و چدن سفید بوده با این تفاوت که در ذوب سطحی با لیزر به علت بالاتر بودن نرخ سرمایش ساختار ریزتر و فاصلهی بین بازوهای ثانویهی دندریت ها کمتر بوده است. در این پژوهش ذوب و آلیاژ سازی چدن نشکن از طریق افزودن فروسیلیسیم و گرافیت به صورت پیش نشست و اعمال فرایند TIG بررسی میشود و ساختارهای ایجادشده و پروفیل سختی لایه های ایجاد شده مطالعه می شوند.
مواد و روش تحقیق
از آلیاژ چدن نشکن با ابعاد 100 x 50x 9 mm3 به عنوان زیر لایه برای انجام عملیات سطحی استفاده شد. قبل از اینکه نمونه ها تحت عملیات TIG قرار بگیرند، اکسیدها و آلودگیهای سطحی از روی سطح نمونه ها با کاغذ سنباده و استن کاملاً تمیز شدند. در این آزمایش ابتدا ذوب سطحی و برای آلیاژسازی سطحی نیز ازفرو سیلیسیم و مخلوط پودر فروسیلیسیم و گرافیت خالص استفاده شد. به منظور چسباندن پودر مذکور روی نمونهها، از چسب پلی ونیل الکل - PVA - استفاده شد. جهت انجام عملیات یک میز x-y که قابلیت تنظیم سرعتهای مختلف را داشت به کار گرفته شد. برای تامین انرژی مورد نیاز فرآیند از یک دستگاه TIG مدلMerkle TIG 200 AC/DC استفاده شد.
از گاز آرگن با خلوص % 99/999 و فشار 6 lit/min به عنوان گاز محافظ استفاده شد. الکترود بکار رفته از نوع غیرمصرفی و از جنس تنگستن با دو درصد توریم به قطر 2/4 mmبا نوک تیز و طول موثر حدوداً 6 mm بود. زاویه بهینه الکترود و طول قوس جوشکاری، ثابت و به ترتیب 15 و 1 mm در نظر گرفته شد . همچنین نوع جریان مورد استفاده DCEN و ولتاژ اعمالی در همه نمونهها برابر با 15 ولت بود. جدول 1 پارامترهای عملیات سطحی توسط فرآیند TIG در شرایط مختلف را نشان می دهد. برای اندازهگیری گرمای ورودی از رابطه 1 استفاده شد؛ که در آن V ولتاژ، I جریان و S سرعت جوشکاری است. در فرآیند TIG مقدار η - ضریب بازده قوس - بین 35 -50% متغیربوده ومعمولا % 48 در نظر گرفته میشود.[10]
برای بررسی ریزساختار لایه سطحی، پس از بکارگیری روش متالوگرافی استاندارد، نمونهها به مدت 5 ثانیه در محلول اچ نایتال % 3 حکاکی شده و با استفاده از میکروسکپ نوری A.KRUSS OPTRONIC و میکروسکپ الکترونیZEISS IGMA VP مجهز به دستگاه سنجش شدت انرژی پرتو ایکس - EDS - مورد بررسی قرار گرفتند. برای شناسایی و تعیین فازهای حاضر در لایه های سطحی ایجاد شده، از یک پراش سنج پرتو X از نوعPhilips X'Pert pro. با واحد تولید کننده پرتو Cu و ولتاژ شتاب دهنده 40 KV استفاده شد.به منظور اندازهگیری سختی لایههای آلیاژی ایجاد شده، از یک دستگاه سختی سنجی میکروسکوپی مدل HVS با فرو رونده نوع ویکرز استفاده شد. بار اعمالی در این آزمایش 100 گرم نیرو بود.
نتایج و بحث
بررسی ریزساختاری
با انجام بررسی های میکروسکوپی نوری و الکترونی و پراش سنجی پرتو X، لایه های سطحی از نظر فازهای ایجاد شده و ریز ساختارهای آن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند که در ادامه به شرح آنها پرداخته خواهدشد.در نمونه ذوب سطحی شده، حرارت ناشی از قوس باعث افزایش دمای سطح شده و به دمای ذوب چدن رسیده و منجر به ذوب آن شده است ومتعاقبا در زمان بسیار کوتاهی سریعا منجمد شده است . در شکل 1 تصاویر
