بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از راهکارهای افزایش عمر مفید قطعات تولید شده از فولادهای ساده کربنی بهبود کیفیت و کارایی سطحی این فولاد میباشد. در میان روشهای مختلف، رویه کاری با استفاده از مواد آلیاژی یا کامپوزیتی بسیار متداول شده است. در پژوهش حاضر رویه کاری فولاد St37 با استفاده از فرایند جوشکاری قوسی تنگستن - گاز و همراه با یک واکنش ترمیت انجام پذیرفت. بدین منظور مخلوط پودری C، Si ,Al ,Fe2O3با درصد حجمی مشخص ابتدا در زمانهای مختلف در آسیاب گلوله ای فعال سازی شد و پودر فعال شده بر سطح فولاد مورد نظر پیش نشانی شد. سپس به روش جوشکاری و با تغییر شدت جریان به عنوان متغیر فرآیند، طی یک فرایند ترمیت رویه کاری انجام شد. مطالعه ریز ساختار پوشش ایجاد شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - همراه با آنالیز نقطهای و بررسیهای فاز شناسی توسط پراش پرتو ایکس - XRD - انجام گرفت. یافتههای آزمونها نشان داد که پوشش حاصله ساختار کامپوزیتی هموژن حاوی تقویت کننده ی کاربید سیلیسیم را دارا می باشد که میتواند باعث بهبود سختی و رفتار سایشی پوشش مذکور شود. سختی پوششها در آزمون ریز سختی سنجی انجام گرفت. نتایج آزمون ریز سختی سنجی نشان دهندهی افزایش سختی پوشش ایجاد شده - حدود 650 تا1200 ویکرز - نسبت به نمونهی بدون پوشش - حدود 200 ویکرز - بود.
واژه های کلیدی: جوشکاری قوسی تنگستن- گاز، رویه کاری، کامپوزیت، کاربید سیلیسیوم.
.1 مقدمه1
واژه مهندسی سطح2 از اوایل دهه 1980 در مجامع علمی متداول گردید.به طور عمومی سطح قطعات صنعتی، یکی از مهمترین بخشهای آن است. زیرا بسیاری از تخریبها و شکستها از سطح شروع میشود. به همین دلیل، حفاظت و مقاوم سازی سطح از مسائل بسیار حساس و تعیین کننده درکیفیت و عمر قطعات و در نهایت، کارآیی و بهای تمام شده یک محصول میباشد.[1] انجام عملیات سطحی بر روی انواع فولادها به منظور اصلاح سطح آنها مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است و روشهای جدیدی را نیز برای بهبود خواص شیمیایی ومکانیکی آنها به کار گرفتهاند. با انجام عملیات سطحی میتوان مقاومت خوردگی، مقاومت سایشی یا رفتار خستگی را بهبود بخشید.[1] یکی از روشهای سختکاری سطحی استفاده از روشهای معمول جوشکاری برای پوششدهی روی سطح قطعات است.
استفاده همزمان از واکنش های سنتز احتراقی و فرایندهای مختلف پوششدهی می تواند به عنوان یک روش مناسب، سریع وکم هزینه جهت تولید پوششهای مختلف سطحی مانند کامپوزیت مورد توجه قرار گیرد. ایده اصلی این تحقیق بر اساس استفاده همزمان از فرایند سنتز احتراقی و جوشکاری به عنوان یک فرایند پوششدهی استوار است. روش جوشکاری ترمیت از جمله واکنشهای سنتز احتراقی میباشد که از گذشتههای دور جهت اتصال قطعات مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش جوشکاری حرارت آزاد شده توسط واکنش سنتز احتراقی و فلز پرکننده، گرمای لازم برای جوشکاری را فراهم میکند. به عنوان مثال در حین جوشکاری فولادها، واکنش مطابق فرمول - 1 - انجام میشود.
گرمای آزاد شده توسط این واکنش می توانددمای سیستم را تا 2500 درجه سانتی گراد افزایش داده وآهن مذاب حاصل از واکنش به عنوان فلز پر کننده مورد استفاده قرار میگیرد .[2] در صنعت این روش جوشکاری جهت اتصال قطعات ضخیم مانند ریل های راه آهن استفاده میشود.اخیرا استفاده همزمان از واکنش سنتز احتراقی و روشهای جوشکاری جهت تولید کامپوزیت سطحی مورد توجه برخی از محققین قرار گرفته است.[5-3] لازم به ذکر است سرعت واکنش سنتز احتراقی را میتوان از طریق عامل رقیق کننده به واکنش و یا تغییر در قطر میله فلز پرکننده کنترل کرد. سنتز احتراقی 3 - CS - یکی از روشهای کم هزینه و پرکاربرد جهت تولید طیف گستردهای از فلزات، سرامیکها، ترکیبات بین فلزی ومواد مرکب میباشد. یکی از واکنشهای مهم سنتز احتراقی جهت تولید فلزات ،احیای اکسید آنها توسط یک عامل احیا کننده است.
در این روش معمولا از یک فلز احیا کننده - اغلب آلومینیوم - جهت احیای اکسید و تولید فلز خالص استفاده میشود. معمولا در حین واکنش احیا حرارت بسیار زیادی تولید میشود که در اغلب این موارد جهت پیشروی خود به خودی جبهه واکنش کافی خواهد بود. در این حالت به این فرایند سنتز دما بالای خود پیشرونده 4 - SHS - اطلاق میگردد. به بیشترین دمایی که در یک واکنش سنتز احتراقی در شرایط بی درو میتوان دست یافت دمای آدیاباتیک5 می گویند. بر اساس تحقیقات انجام شده مقدار دمای آدیاباتیک معیاری از قابلیت انجام شدن یا نشدن واکنش به صورت خود به خودی میباشد. در صورتی که مقدار دمای آدیاباتیک یک سیستم واکنشی بیشتر از1800 درجه کلوین باشد واکنش قابلیت خود پیش روندگی را خواهد داشت - معیار مرزانف - .[6] 6 البته باید به این نکته توجه داشت که به دلیل اتلاف حرارت مقدار دمای احتراق 7 واکنش معمولا کمتر از دمای آدیاباتیک می باشد. مقدار دمای آدیاباتیک دریک واکنش شیمیایی را می توان به کمک اطلاعات ترمودینامیکی محاسبه کرد .[7]
تحقیقات زیادی در زمینه رویه کاری با کامپوزیت انجام شده است که از آن جمله: ماسانتا و همکارانش [24-20]دریک تحقیق گسترده به بررسی ویژگی های کامپوزیت سطحی TiB2-Al2O3 تولید شده با استفاده از ترکیب واکنش سنتز احتراقی و فرایند روکش کاری توسط لیزر بر روی زیر لایه های مختلف پرداختند. وانگ وهمکارانش[25]وچاترجی وهمکارانش[26] نیز با استفاده از ترکیب واکنش های سنتز احتراقی وفرایند پوشش دهی لیزر موفق به تولید کامپوزیت سطحی با خواص سایشی قابل توجه بر روی سطح فولاد شدند. اولسون وفراست[27] به مرور تحقیقات انجام شده در این دهه پرداخته ودریافتند که واکنش های حرارت زا می تواند به عنوان یک عامل کمکی جهت افزایش میزان حرارت ورودی و نرخ ذوب در روش های جوشکاری مورد استفاده قرار گیرند. یانگ8 و همکاران [2012] ذرات TiC را بر روی آلیاژ Ti6Al4V با فرآیند جوشکاری قوسی تنگستن گاز با استفاده از سیم توپودری پوشش دادند که نتایج نشان داد یک پیوند متالورژیکی خوب بین پوشش و بستر را میتوان به دست آورد که پوشش یکنواخت، متراکم و تقریبا عاری از نقص است و باعث افزایش محسوس سختی خواهد شد .[33]
سانر9 و همکاران [2006] سطح فولاد زنگ نزن AISI 304 را با پودر SiC به روش جوشکای قوسی تنگستن- گاز پوشش دادند که نتایج نشان داد که میتوان با ترکیب ثابت پودر اولیه و فقط با کاهش حرارت ورودی و افزایش میزان پودر استفاده شده، ناحیه ذوب در زیر لایه را به حداقل رساند و میزان رقت را حداقل کرد. اوج سختی به دست آمده نیز مربوط به حضور کاربیدهای M7C3 پراکنده در سطح فولاد است. [34] یوچی لین10 و همکاران [2013]، در پژوهشی به بررسی ریز ساختار و عملکرد سایشی لایه SiC پوشش داده شده بر روی فولاد کشته شده SKD61 با روش GTAW پرداختهاند. پوششدهی سطح فولاد SKD61 با فرآیند GTAW انجام شد. نتایج آنالیز پراش پرتو ایکس نشان داد که لایه پوشیده شده عمدتاً شامل فازهای Fe3C، Fe8Si2C، -Fe و گرافیت میباشدکه منجر به افزایش سختی و مقاومت به سایش شده است .[45] لین وهمکارانش [9] با قرار دادن پودر کاربید سیلیسیم بر روی سطح فولاد قالب،امکان تولید کامپوزیت سطحی Fe-SiC به روش جوشکاری GTAW را مورد بررسی قرار دادند. نتایج تحقیقات آنها نشان داد که اگر چه سختی سطح در مقایسه با فلز پایه به میزان قابل توجهی افزایش یافته است .
.2 روش تحقیق
در این پژوهش برای رویه کاری وایجاد لایه سطحی از فولاد ساده کربنیSt37 - با شماره استاندارد - 1/0259 و طبق ترکیب ارائه شده در جدول 1 استفاده شد. همچنین از پودرهای تجاری Si ,Al ,C ,Fe2O3 با ابعاد متوسط بین 40- 30 میکرون استفاده شد.درابتدا پودرها به صورت جداگانه با نسبت معین مخلوط شده و آسیاب کاری در پنج زمان مختلف - 0، 0.5 ، 1، 5 و 10 ساعت - انجام شد.در ابتدا برای فعال سازی واکنش زیر آسیاب کاری انجام شد تا واکنش در زمان کوتاهتری انجام گیرد. سپس آنالیز فازی پودرهای آسیاب کاری شده با استفاده از پراش پرتو ایکس - - Philips X Pert MPD - XRD پرتو nm:KCU =./154 و - 30 mA انجام شد. پس ازآسیاب کاری ، برای اطمینان از اینکه پودرهای فعالسازی شده واکنش ترمیت می دهداز پودر فعال شده در طی 5و10 ساعت قرصی - نمونه - A2, A1 با قطر 6mmو1cm تحت فشار 300 کیلو بار تهیه شد. این قرص ها با استفاده از فرایند قوسی تنگستن- گاز با میزان حرارت ورودی معمولی به مدت 60S جوشکاری شد. پس از آن ، رویه کاری فولاد ساده کربنی St37 - با شماره استاندارد - 1/0259 به عنوان زیر لایه استفاده شد.نمونه های A4،A5 از جنس فولاد ساده ی کربنی St37 بعنوان زیر لایه با ابعاد 8×45×150 میلی متر استفاده شده است . شرایط جوشکاری در جدول 2 آمده است .
قبل از جوشکاری این قطعه ها تمیز شده وتا سمباده شماره 320 سنباده زده شد تا آلودگی های سطحی آن بر طرف گردد. به منظور چسباندن پودر 5 و10 ساعت آسیاب کاری شده بر روی نمونه A4،A5 پودر 5 و10 ساعت آسیاب کاری شده با پارافین به عنوان چسب آغشته و بر روی سطح نمونه های A4،A5 درابعاد 14×140 میلیمتر اعمال گردید. نمونه به مدت 2 ساعت در هوای آزاد قرار گرفتند و خشک گردید.درصد حجمی پودرها با نسبت استکیومتری مشخص استفاده شد. برای ایجاد پوشش، فراهم کردن دمای لازم و دستیابی به ترکیبات مورد نظر از روش جوشکاری قوس تنگستن - گاز استفاده شد. عملیات ذوب سطحی در شرایط معمولی انجام شد. پس از ایجاد رویه کاری توسط جوشکاری قوسی تنگستن-گاز سطح نمونه های A4، A5 به صورت کاملا ناهموار درآمدو ضخامت پوشش به حدود 1 الی 2 میلیمتر رسید که برای انجام هیچ گونه عملیات بعدی مناسب نبود. به همین منظور تحت عملیات سنگ زنی مغناطیسی قرار گرفت. ضخامت پوشش با انجام این مرحله کاهش
