بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
سخت پوشی فولاد گرم کار H11 توسط سوپرآلیاژ پایه کبالت به روش جوشکاری
چکیده
سخت پوشی قالبهای آهنگری داغ توسط آلیاژهای پایه نیکل و کبالت با استفاده از روشهای جوشکاری سـبب افزایش مقاومت به سایش و تغییر فرم پلاستیک سطح و کاهش فرسایش میشود. در تحقیق حاضر تـأثیر حـرارت ورودی جوش در ایجاد ترک گرم در سخت پوشی فولاد H11 بررسی شده است. همچنین ریزسـاختار و سـختی لایه سطحی قالب سخت پوشی شده، قبل و بعد از سرویس دهی قالب مورد ارزیابی قرار گرفته است. بررسیهـای انجام شده نشان میدهد که در مدت سرویس دهی قالب در دمای بـالا، کاربیـدهای ریـز در داخـل لایـه سـخت پوشی شده ایجاد شده است. تشکیل این کاربیدهای ریز بههمراه کار سختی لایـه سـطحی، سـبب افـزایش سـختی سطح و در نتیجه افزایش مقاومت به سایش قالب شده است.
واژههای کلیدی: سخت پوشی، قالبهای آهنگری داغ، کار سختی، مقاومت به سایش
مقدمه
آهنگری داغ از قدیمیترین فرایندهای شکل دهی است که جهت تولید قطعات فلزی استفاده میشود. هر ساله بیش از 2 میلیون تن قطعه فولادی توسط فرایند آهنگری داغ در اروپا تولیـد مـیشـود1]و.[2 در ایـن فرایند دمای سطح قالبها در زمان کوتاهی به بالاتراز 550 °C و فشار وارده به سطح تا 800 Mpa رسـیده پس از پایان شکل دهی قطعات، سطح قالب توسط روانکار کوئنچ میشود. سیکلهای تکـراری اعمـال نیروهای مکانیکی و حرارتی در نهایت سبب سایش، خستگی حرارتی- مکـانیکی و تغییـر فـرم پلاسـتیک سطح قالبها میشود2]و.[3 بهدلیل تولید زیاد محصولات فلزی توسط روشهای شکل دهی گرم و عمـر نسبتاً کوتاه قالبها، حتی بهبودی کمی در عمر ابزار سبب کاهش هزینه تعمیر، تعویض، نگهداری قالبها توقف تولید شده و نتایج اقتصادی مثبت به دنبال دارد4] و.[5 استفاده از روشهـای جوشـکاری کـاربرد وسیعی جهت ایجاد پوششهای مقاوم بـه سـایش پایـه کبالـت و نیکـل درسـطح قالـبهـای اکـستروژن و آهنگری داغ دارد. آلیاژهای پایه کبالت گروه استلایت به خاطر حفظ سـختی و اسـتحکام در دمـای بـالا، مقاومت به سایش خوبی تا دمای حدود750°C از خود نشان میدهند5] و.[6 پوششهـای نیکـل وکبالـت، مقاومت به خوردگی بالا در درجه حرارتهای بالا دارند. استفاده ازسوپر آلیاژهای مقاوم بـه خـوردگی و اکسیداسیون باعث تأخیر در تشدید ترکهای خستگی میشود.[7]
مواد و روش تحقیق
فولاد گرم کار H11 که یکی از پر مصرف ترین فولادها در ساخت قالـبهـای آهنگـری گـرم مـیباشـد بهعنوان فلز پایه انتخاب شد. سخت پوشی فولاد قالب توسـط سـوپرآلیاژ پایـه کبالـت اسـتلایت 21 در دو مرحله با اسـتفاده از روش TIG و SMAW انجـام شـد. ترکیـب شـیمیایی فـولاد H11 و اسـتلایت 21 در جدول1 داده شده است.
مرحله اول: تعداد شش عدد تست بلوک فولاد H11 به ابعاد 120×100×40 mm3 تهیه شد. سخت پوشـی تست بلوکها پس از عملیات حرارتی کوئنچ تمپر تا سـختی48 HRC بـا آلیـاژ پایـه کبالـت در سـه لایـه مطابق با شـرایط داده شـده در جـدول 2 انجـام شـد. پـس از مقطـع زدن تـست بلـوکهـا بررسـی توسـط میکروسکوپ الکترونی روبشی، متالوگرافی نوری و ریزسختی سنجی در سطح و مقطع عرضـی نمونـههـا انجام شد. برای محاسبه درصد رقت حجمی از آنالیز EDS و رابطـه((1 و بـرای محاسـبه حـرارت ورودی جوش از رابطه (2) استفاده شد.
در رابطه فوق ρs و ρc به ترتیب چگالی فلز پایه و فلز جوش، Fes درصد آهن فلز پایه و Fec درصد آهن بدست آمده از فلز جوش توسط آنالیز EDS میباشند.[8]
V ، I و v به ترتیب ولتاژ، شـدت جریـان جوشـکاری و سـرعت جوشـکاری مـیباشـد. رانـدمان حـرارت جوشکاری( (η برای روشهای TIG و SMAW به ترتیب 0/4 و 0/75 در نظر گرفته شده است.[9]
مرحله دوم: پس از حصول شرایط بهینه جوشکاری در مرحلـه اول، سـخت پوشـی سـنبه آهنگـری فلانـج دیفرانسیل با استلایت 21 توسط روش TIG مطابق با شرایط جدول 3 انجام شد. قالب سخت پوشی شـده پس از سرویس دهی و خارج شدن از سرویس در منـاطق مختلـف جهـت نمونـه بـرداری مقطـع زده شـد.
حذف اکسیدها و آلودگیهای سطحی و روانکار باقیمانده در سـطح و داخـل تـرکهـای ایجـاد شـده در سطح مطابق با استاندارد ASTM G1 با روش آلتراسونیک انجام شد.[10] بررسی تغییرات ریـز سـاختار و ســختی نمونــههــا توســط متــالوگرافی نــوری و ریزســختی ســنجی انجــام شــد. همچنــین از تکنیــک پــراش پرتوایکس (XRD) جهت تعیین ترکیبات تشکیل شده قبل و بعد از سرویس دهی قالب سخت پوشی شده استفاده شد.
یافتهها
-1 ارزیابی خواص متالورژیکی تست بلوکها
ریزساختار فلز جوش در دو روشSMAW و TIG در شکل1 و آنالیز EDS زمینه و یوتکتیک در شـکل2 دنشان داده شده است. ریزساختار ایجاد شده در هر دو روشSMAW و TIG شامل دنـدریتهـای محلـول جامد کبالت و یوتکتیک میباشد. در شکل3 ترک گرم ایجاد شده حـین جوشـکاری در روش SMAW ددر نمونه های S2 وS3 نشان داده شده است. تمایل به ترک گرم یک آلیـاژ بـه ترکیـب شـیمیایی، نـوع و مقدار ناخالصیها، توزیع عناصر در داخـل مـواد و میـزان کـرنش پـسماند بـستگی دارد و اغلـب تـابعی از اختلاف در دمای پایان انجماد (سولیدوس) وشروع انجماد (لیکوئیدوس) آلیاژ میباشد9 ] و.[11
-2 ارزیابی قالب سخت پوشی شده
تصویر سنبه فولاد گرم کار H11 و سنبه سخت پوشی شده بـا آلیـاژ اسـتلایت 21 پـس از خـارج شـدن از سرویس در شکل4 و تغییر ابعاد در قسمت A در هر دو قالب در شـکل5 نـشان داده شـده اسـت. مـشاهده میشود که افزایش قابل ملاحظهای در مقاومت به سایش و تغییر فرم پلاسـتیک سـنبه سـختپوشـی شـده ایجاد شده است. تغییرات سختی از سطح به عمق لایه سخت پوشی شده قبل و بعد از سرویس در شـکل6 نشان داده شده است. در شـکل 6 منحنـی هـای A2 و A3 مربـوط بـه تغییـرات سـختی از سـطح تـا فـصل مشترک در روشهای SMAW و TIG در شرایط جـوشکـاری شـده((as weld مـیباشـد. منحنـی A1 مربوط به تغییرات سختی از سطح تا فصل مشترک در قالب پس از سرویس دهـی مـیباشـد. ریـز سـاختار لایه سطحی فلز جوش بههمراه ترکهای خستگی حرارتی ایجاد شده پس از سرویس دهی سـنبه فلانـج در شکل7 نشان داده شده است. مقایسه ریزساختارجوش قبـل از سـرویس(شـکل(1 و بعـد از سـرویس دهـی قالب (شکل(7 نشان میدهد که پس از عملکرد قالب در دمای بالا کاربیدهای ریز در زمینه غنی از کبالت ایجاد شده است.
بحث
اگر دامنه سولیدوس و لیکوئیدوس زیاد باشد مواد زمان بیشتری در معرض آسیب پذیری و ترک خوردن میباشند. در هر حال، مواد با دامنه انجمادی کوتاه کمی سریعتر از این دامنـه دمـایی عبـور نمـوده و زمـان کمتری در معرض تنش های مسبب تـرک قـرار دارنـد9 ] و.[12 دامنـه انجمـاد وسـیع آلیـاژ اسـتلایت 21 [13](197°C) و ضریب جدایش بالای عناصـر آلیـاژی، سـبب افـزایش تمایـل ایـن آلیـاژ بـه تـرک گـرم میشود بهطوریکه در نمونه های S3 ,S2 و T3 ترک گرم مشاهده شده است. در روش SMAW حتی با تغییر پارامترهای جوشکاری وکاهش انرژی ورودی مؤثر، ترک گرم مشاهده شده است. تمایل آلیاژ فوق به ترک گرم و سرعت سرد شدن پایین در روش SMAW که سبب افزایش زمان جدایش میشـود و نیـز ازدیاد تنش های پس ماند همراه با این روش نسبت به روش TIG ، سـبب افـزایش امکـان تـشکیل تـرک گرم میشود. لذا به منظور جلوگیری از تشکیل ترک گرم توصیه میشود حرارت ورودی در روش TIG کمتراز480 J/mm و در روش SMAW کمتر از950 J/mm باشد. همانطور که ذکر شد پس از حصول شرایط بهینه جوشکاری در مرحله اول آزمایش ها، سخت پوشی سنبه آهنگری فلانج بـا روشTIG انجـام شد. بهخاطر امکان تشکیل ترک گرم بالاتر در روش SMAW و اهمیـت زیـاد حـصول جـوش عـاری از عیب، سخت پوشی سـنبه فلانـج توسـط روش TIG انجـام شـد. علـی رغـم عـدم تـشکیل تـرک گـرم در جوشکاری تست بلوک های T1 و T2، حین جوشکاری سنبه فولادی سخت پوشی شـده تحـت شـرایط یکسان با تست بلوک های فوق، در برخی مناطق نظیر محل A1 در شکل4 (الف) ترک گرم مشاهده شد.
به هرحال عامل اصلی تشکیل ترک، افزایش تنش های حرارتی ایجاد شده حین جوشکاری در این مناطق (نواحی تمرکز تنش) نسبت به دیگر نواحی میباشد. در حالی که در تست بلوکهـا بـهدلیـل عـدم وجـود مناطق تمرکز تنش، تر ک گرم تشکیل نشده است.
عامل اصلی فرسایش و خارج شدن قالب سـخت پوشـی شـده توسـط جوشـکاری از سـرویس، خـستگی حرارتی میباشد در حالی که عامل اصلی فرسـایش سـنبه فـولادی، سـایش و تغییـر فـرم پلاسـتیک سـطح میباشد. علت کاهش ابعاد بیشتر ناحیه A1 (شکل (5 در مراحـل اولیـه تولیـد، ممکـن اسـت در اثـر تغییـر شکل پلاسـتیک لایـه سـطح یـا سـرعت سـایش بـالاتر بـهخـاطر سـختی اولیـه پـایین قالـب باشـد. مقایـسه منحنی های A2 وA3 با منحنی A1 نشان میدهد، کاهش سرعت سایش در ادامه به خاطر افزایش سـختی در اثر کار سختی سطح و تشکیل کاربیدهای ریز در زمینه میباشد که سبب افـزایش مقاومـت بـه سـایش شده است. افزایش دمای سطح سبب افزایش ضریب نفوذ عناصر محلول میشود. از آنجاکه کـروم یـک کاربیدزای قوی میباشد[14]، افزایش نفوذ کروم در اثر افزایش دمای سطح قالب حین تماس با قطعه کار گداختــه و واکــنش بــا کــربن موجــود در اتمــسفر و روانکــار ســبب تــشکیل ســریع کاربیــدهای کــروم میشود. بررسی با تکنیک پراش پرتوایکس((XRD نـشان داد کـه کاربیـد هـای شـکل گرفتـه در مـدت سرویس دهی قالب ازنوع M23C6 میباشند. بهخاطر بزرگتر بـودن فاصـله اتـمهـا در نقـایص انباشـتگی و افزایش تحرک اتم ها در این مناطق، کاربیدها ترجیحاً روی نقـایص انباشـتگی رسـوب مـیکننـد.[15] از لحاظ ترمودینامیکی ساختار پایدار در دمای پایین تر از417°C در آلیاژ پایه کبالت ساختار hcp مـیباشـد.
