بررسي ريزساختار و مقاومت بهسايش لايه رويه سخت پايه Fe-C-Nb بر روي فولاد ساده كربني

حامد ثابت1، سيد رضا اميرآباديزاده2، محمد صادقي3 و نويد ميرزا محمد4
عضو هيئت علمي گروه مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
عضو هيئت علمي گروه مهندسي مكانيك، دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران جنوب
كارشناس ارشد مهندسي مواد، شركت مديريت پروژههاي نيروگاهي ايران (مپنا بويلر)
كارشناس مهندسي مواد، گروه پژوهشي مهندسي جوش
h-sabet@kiau.ac.ir

چكيده
در تحقيق حاضر صفحاتي از فولادST37-2 تهيه شد و بعد از آماده سازي اوليه با مخلوط پودر گرافيـت (مقـدار ثابـت) و فرو نيـوبيم (مقـدارمتغير) پوشش داده شدند. عمليات جوشـكاري بـا روشGTAW طـي 2 پـاس (رفـت و برگـشت) بـا حـرارت ورودي و ميـزان رقـت ثابـت بهصورت رويه انجام شد، نتايج آزمايش آناليز شيميايي مشخص نمود كـه مـيتـوان لايـههـ ايي بـا مقـادير متفـاوت نيـوبيم (از 16/0 تـا 34/1 درصد) و مقدار كربن ثابت (بهطور متوسط 2/1 درصد ) ايجاد نمود، نتايج آزمايش هاي سختي سنجي مشخص نمودند كه بـا افـزايش نيـوبيمسختي سطح افزايش مييابد به نحويكه با لاترين سختي مربوط بهنمونه حاوي 34/1% = Nb ميباشـد، نتـايج آزمـونهـاي متـالوگرافي نـشاندادند كه با افزايش نيوبيم از مقدار فاز مارتنزيت كاسته و بهمقدار فاز آستنيت افزوده ميشود، همچنين با افزايش نيوبيم مقـدار كاربيـدNbC در زمينه افزايش و شكل كاربيدها از حالت ميلهاي در نمونه حاوي 16/0% =Nb بهحالت مستقل در نمونه حاوي 34/1% = Nb تغيير ميكند، همچنين نتايج آزمون سايش مشخص نمودند كه بالاترين مقاومت بهسايش مربوط بهنمونه حاوي 34/1% =Nb ميباشد.

واژههاي كليدي:
ريزساختار، مقاومت بهسايش، فولاد ساده كربني، .Fe-C-Nb

1- مقدمه

س ايش يك ي از مهمت رين عوام ل تخري ب قطع ات مهندس ي در صنعت است [1]. عمليات جوشكاري بهعلـت صـرفه اقتـصادي وايجاد لايه هاي نسبتاً ضخيم و مقاوم نـسبت بـهعمليـات حرارتـي، آبكــاري و پوشــش دادن در شــرايط ســايش خراشــان و ضــربهارجحيت دارند [2 و 3]. خواص لايه هاي سخت تابعي از تركيـبشيميايي، شرايط انجمـاد، سـرعت سـرد شـدن (بعـد از انجمـاد)، ريزساختار، نوع، شكل و توزيع فازهاسـت [4]. بـر همـين اسـاسلايههاي سخت پايه آهني بر اساس نوع سيستم آلياژي بهكار برده شده و يا ريزسـاختار ميكروسـكوپي تقـسيمبنـدي مـيشـوند [5]. بر اساس نوع سيستم آلياژي، لايههاي سخت بـهدو دسـته حـاوي Fe-C-Cr وFe-C-X تقسيم بندي ميشوند [6]. لايـههـاي سـختFe-C-X در شرايط سايش خراشان و توأم با ضربه مورد اسـتفادهوسيعي دارند . براي مثـال مـيتـوان بـهقطعـات مـورد مـصرف درصنايع سيمان، معدن و راهسازي اشاره نمود [6 و 7]. نوع و مقدارعناصر آلياژي در لايههـاي سـختFe-C-X بـر حـسب مكـانيزم سايش و عملكرد لايه سخت انتخاب ميشود [8 و 9]. براي مثـالافزودنMn وB به منظور بهبود مقاومـت بـهرفتگـي مـورد توجـهبـوده اسـت [10 و 11]. عناصـري ماننـدV – Mo [12] و Ti [13]، عمدتاً براي بهبود مقاومت بـهسـايش خراشـان بـهسيـستم آليـاژي Fe-C-X افزوده ميشوند. از بين عناصـر آليـاژي منتخـب عنـصرنيـوبيم بـا انـرژي آزاد تـشكيل كاربيـدKj/mol 78 جـزء عناصـركاربيدزاي قوي در سيستم آهن- كربن محسوب شده و توانـاييتشكيل كاربيدهايNbC را در سيستم آليـاژي دارد [14]. نيـوبيم عمدتاً در سيستمهاي آلياژيFe-C-Cr ب هكار بـرده شـده اسـت وب هعن وان عن صري جه ت ج ايگز يني تيت انيم و وان اديم مط رح بودهاست. نيوبيم در اين سيستمهاي آلياژي تا سقف 4 درصد (در ح ضور 20 درص د ك روم) م ورد اس تفاده ق رار گرفت ه و باع ث تــ شكيل و توزيــ ع يكنواخــ تتــ ر كاربيــ دهاي كمــ پلكس گرديدهاست [15]. از آنجاييكـه عمـده تحقيقـات [14 و 15] بـرروي عنصر نيوبيم در سيستمهاي آلياژي لايـه سـخت در حـضورساير عناصر آلياژي بـودهاسـت ، لـذا در ايـن تحقيـق اثـر افـزودنعنصر ني وبيم در مقادير متفاوت بدون حضور عناصر اضافي (مانند
جدول (1): تركيب شيميايي فلز پايه، پودرها و نسبت وزني پودرها.
تركيب شيميايي ماده C Si Mn P S Nb Fe توضيحات
ST37-2 0/081 0/18 0/33 0/008 0/012 – بقيه –
Fe-Nb 0/05 0/21 – – – 65 بقيه با اندازه متوسط ذرات μm100
گرافيت 98/79 0/03 0/03 0/06 0/09 – – با اندازه متوسط ذرات μm100
نسبت وزني فرونيوبيم بهگرافيت نمونه 1 نمونه 2 نمونه 3 نمونه 4
2/5 5 10 20
كروم) بر ريزساختار و مقاومت بهسايش لايه رويه سخت حاصلبر روي فولاد ساده كربني مورد بررسي قرار گرفتهاست.

2- روش تحقيق
جهت انجام آزمونها از ورقهـاي فـولادي كـم كـربنST37-2 بهابعاد 10×120×200 ميلي متر است فاده شد . براي اين منظـور ابتـدالايههاي اكسيدي موجود در سطح ورقها بـا كمـك فـرز دسـتيبهضخامت يك ميليمتر سنگ زني شد و بعد از شستشو با آبگرم،تحت چربي زدايي با استن قرار گرفتند. جهت انجام آزمـون هـا 4 نمونه مخلوط پودر با مقدار گرافيـت ثابـت و مقـادير متفـاوتي ازفروني وبيم تهي ه ش دند. ج دول (1) تركي ب ش يميايي فل ز پاي ه، پودرها و نسبت وزني پودرها را نشان ميدهد.
در مرحلــه بعــد مخلــوط هــر يــك از پودرهــا تحــت عمليــات همگ نس ازي و آلياژس ازي اولي ه مك انيكي ب هكم ك آس ياب گلولهاي تحت پوشش گاز آرگـون بـهمـدت يـك سـاعت قـرارگرفتند، سپس با 20% و زنـي چـسب سـيليكات سـديم مخلـوط و بهصورت خمير1 بر روي سطح ورق ها بهضخامت يـك ميلـيمتـرپوشش داده شـدند و در كـوره عمليـات حرارتـي در دمـاي 120 درجه سانتي گراد به مدت يك ساعت خـشك شـدند. در مرحلـهبعد نمونه هاي خشك شـده تحـت عمليـات جوشـكاري بـهروش GTAW ط ي 2 پ اس (رف ت و برگ شت) ب ا ح رارت ورودي و ميزان رقت ثابت بهصورت رويه2 قرار گرفتند. جدول (2) شرايطجوشكاري نمونهها را نشان مي دهد. لازم بهذكر است كه در ايـن

جدول (2): شرايط جوشكاري نمونهها.
GTAW اتوماتيك نوع فرآيند
DCEN قطبيت
98 A شدت جريان
14 V ولتاژ
3 mm طول قوس
2/4 mm قطر الكترود
10cm/min سرعت جوشكاري
60  زاويه رأس الكترود
8 lit/min دبي گاز
آرگون خالص نوع گاز محافظ
2 تعداد پاسهاي روي هر خط جوش
455676-6571

0/5Kjmm حرارت ورودي هر پاس
%10 ميزان رقت پاسها

جدول (3): تركيب شيميايي لايههاي سخت.
عنصر C Si Mn P S Nb Fe
48768-216440

نمونه بقيه 16/0 002/0 001/0 23/0 94/0 22/1 1 بقيه 34/0 002/0 001/0 24/0 96/0 20/1 2 بقيه 63/0 002/0 001/0 21/0 98/0 18/1 3 بقيه 34/1 002/0 001/0 21/0 94/0 24/1 4

جدول مقدار حـرارت ورودي هـر پـاس بـهروش محاسـباتي و از فرمول زير محاسبه شدهاست:
77724189604

58/0 × (V) ولتاژ × (A) شدت جريان
1000 × سرعت جوشكاري (mm/s) همچنين ميزان رقـت بـهروش تـصويربرداري ماكروسـكوپي و ازفرمول زير محاسبه شدهاست:
63246189009

سطح مقطع رسوب جوش (2mm) سطح مقطع كل (2mm)
در مرحله بعد قطعاتي جهت بررسـي و تعيـين تركيـب شـيميايي،مت الوگرافي ن وري و XRD ،SEM، س ختيس نجي و س ايش از نمونهها تهيه شدند. آناليز شيميايي بـهروش اسـپكترومتري نـشري(ES) در فاصله يك ميليمتري از زير سطح انجام شد، براي ايـنمنظور حداقل سه نقطه از هر نمونه تحت آزمون قرار گرفـت كـهمتوسط نتايج آنها بهعنوان معيار تركيب شيميايي لايه رويه سخت در نظر گرفتـه شـد. متـالوگرافي نـوري بـهكمـك يـك دسـتگاهميكروســكوپ نــوري Olympus BX51M مجهــز بــه سيــستم Image Analysis در حالــ ت بعــ د از اچ (بــ ا محلــ ول اچ
75% HF %1 + HNO3 %24 + HCl) بــر روي نمونــه هــا انجــامگرديد، همچنين آزمايش پراشسـنجي پرتـوX جهـت شناسـاييفازهــا توسـ ط دسـ تگاه STAPI MP مجهـ ز بـ هنـ رمافـ زار X’ High Score انجام گرديد.
جهت تعيين تركيب شـيميايي فازهـا و تهيـه نقـشه توزيـع عناصـرآليـــاژي3 از يـــك ميكروســـكوپ الكترونـــي روبـــشي مـــدل
VEGA/TESCAN استفاده شد. آزمايش سختي سنجي با كمكدستگاه سختي سـنجي مـدلStruers-Duramin بـهروش مي كـروويكرز تحت بار 500 گرم نيرو در فاصله يك ميليمتري از سطح و سختي سنجي ماكرو ويكـرز بـهكمـك دسـتگاه سـختيسـنجيWolpert مدل Universal 722 تحت بار 30000 گرم نيرو انجام شد. آزمون سايش نيز بر اساس استاندارد ASTM G65 (آزمـونسايش ماسه خشك و چرخ لاستيكي) تحـت نيـروي 130 نيـوتنانجام گرديد و از آنجـاييكـه الكتـرود اسـتالايت 12 بـا تركيـبشيميايي رسـوب C 5/1% و Cr 29% و W5/8% و البـاقي كبالـتيكي از متـداولترين آلياژهـاي سـختكـاري سـطحي فولادهـايساده كربني مي باشد، لذا نتايج آزمون سـايش نمونـههـا بـا فـولاد
ST37 (ب دون روك ش) و ف ولاد ST37 روك ش ك اري ش ده ب ا
الكترود استالايت 12 مقايسه گرديد.

3- نتايج و مباحث
جدول (3) تركيب شـيميايي لايـههـاي سـخت را نـشان مـيدهـدهمانگونه كه مـشخص اسـت مقـدار نيـوبيم لايـههـاي سـخت بـايكديگر متفاوت ميباشد ولي مقدار كربن لايههـا تقريبـاً يكـساناست به نحويكه كمترين مقدار نيوبيم مربوط بهنمونـه 1 بـا 16/0 درصد نيوبيم و بيشترين مقدار نيوبيم مربـوط بـهنمونـه 4 بـا 34/1 درصد نيوبيم ميباشد.
جدول (4): نتايج آزمون سختيسنجي.
شماره نمونه ريزسختيسنجي (ميكرو) سختيسنجي
(ماكرو)
سختي مقطع عمود
HV500 سختي رويه
HV30000
1 710 495
2 795 533
3 860 586
4 912 614
ST37 – 139
ST37+ استالايت 12 641 451

جدول (4) نتايج آزمايش سختيسنجي لايه هاي سـخت را نـشانميدهد. همانگونه كه مشخص است سختي نمونه هاي لايه سختحاوي نيوبيم از سختي فولاد پايهST37 و فـولادST37 روكـشكاري شده با الكترود استالايت 12 بالاتر است. علاوه بـر ايـن درنمونههاي لايه سخت حاوي نيوبيم با افزايش نيوبيم سختي لايه ها افزايش مي يابد به نحـوي كـه بيـشترين سـختي مربـوط بـهنمونـه 4
(34/1 = Nb) ميباشد.
از آنجايي كه سختي تابعي از ريزساختار ميكروسكوپي مـيباشـدلذا آزمونXRD جهت شناسايي فازها بـر روي تمـامي نمونـههـاانجام شد، الگوي پراش پرتـو اشـعهX نمونـه شـماره 3 در شـكل(1) ارائه شدهاست. همانگونه كه مـشخص اسـت فازهـايNbC ، آستنيت و مارتنزيت در اين نمونه مشاهده مي گردد.
جدول (5) نتايج آزمونXRD و متالوگرافي نوري كليه نمونه هـا را نش ان ميدهد. همانگونه كه مشخص اسـت ريزسـاختار تمـاميلايه هاي سـخت شـامل مارتنزيـت، آسـتنيت و كاربيـدهايNbC مي باشد ولـي مقـدار هـر يـك از فازهـا بـا افـزايش نيـوبيم تغييـرمي يابد. همانگونه كه مشخص است با افزايش نيوبيم از ميزان فـازمارتنزيت كاسته شده و بهمقدار فاز آستنيت افزوده مي شود. علت اين امر ناشي از اثر عناصر آلياژي بر روي دمـاي شـروع اسـتحالهمارتنزيتي مـيباشـد [16]. اثـر نيـوبيم بـر كـاهش دمـاي اسـتحالهمارتنزيتي مطابق با رابطـهNovikov موجـود در مرجـع 17 داراي ضريب 75- مي باشد كه عنـصر مـؤثري حتـي بـا مقـادير كـم درتشكيل آستنيت باقي مانده ميباشد. با افزايش عناصـر آليـاژي درسيستم آهن – كربن دماي شروع استحاله مارتنزيت (MS) كاهش مي يابـد ، لـذا در شـرايط يكـسان سـرعت سـرد شـدن ميـزان فـازمارتنزي ت ب ا اف زايش مق دار عناص ر آلي اژي (از جمل ه ني وبيم) كاهش و مقدار فاز آستنيت افزايش مييابد [16 و 17]. از ط رفـيبررسي جدول (5) مشخص مي نمايد كه با افزايش نيـوبيم ، مقـداركاربيدهاي نيوبيم در ريزساختار افزايش مييابد. علت اين امر نيزناش ي از تماي ل بي شتر ني وبيم ن سبت ب هآه ن ب هت شكيل كاربي د ميباشد [17].
شكل (2) آناليزEDX از كاربيدهاي موجـود در نمونـه شـماره 4 (34/1 = Nb) را ن شان م يده د. همانگون ه ك ه م شخص اس ت كاربيدها غني از نيوبيم بوده و حاوي مقـادير جزئـي آهـن (قابـلاغماض) ميباشند، نقشه توزيع عناصـر كـربن، آهـن و نيـوبيم درشكل (3) بيانگر توزيـع يكنواخـت كـربن در زمينـه و كاربيـدها،توزيع آهن در زمينه و توزيع نيوبيم در كاربيدها ميباشد.
از طرفي بررسيهاي متالوگرافي (جدول 5) مـشخص مـي نماينـدكه با افزايش نيوبيم توزيـع و شـكل كاربيـدهاي نيـوبيم در زمينـهتغيير مي كند به نحـوي كـه در نمونـه 1 (16/0 = Nb) كاربيـدهاينيوبيم از نوع ميلهاي و پراكنده در بين تيغـههـاي مـارتنزيتي بـودهولي در نمونه 4 (34/1 =Nb ) كاربيدها به شكل مستقل4 با توزيـع يكنواخت در زمينه پراكنده شده اند. علـت تغييـر در مورفولـوژيكاربيدها ناشي از اثر نيوبيم بـر ايجـاد شـيب غلظتـي در مـذاب وتأثير بر مكانيزم رشد كاربيدها ميباشد [18].
ش كل (4) ت صوير مت الوگرافي نمون ه ه اي 1 و 4 را ب هص ورت مقايسهاي نشان ميدهد.
شكل (5) نتايج آزمـون سـايش نمونـههـ ا را بـر اسـاس اسـتاندارد
ASTM G65 نشان ميدهد. همانگونه كه مشخص است مقاومت بهسايش نمونه هاي لايه سخت حاوي نيوبيم بالاتر از فولادST37 و فولادST37 ر وكشكاري شده با الكترود استالايت 12 اسـت، همچنين در نمونـه هـاي لايـه سـخت بـا افـزايش نيـوبيم مقاومـت بهسايش نمونه ها افزايش مييابد، با مقايسه نتايج آزمايش سـايش با نتايج جدول (4) مشخص ميگـردد كـه مقاومـت بـهسـايش بـاسختي نمونه ها مرتبط است بهنحويكه بالاترين مقاومت بهسايش مربوط به نمونه شماره 4 (34/1 = Nb) با سختي رويه 614 ويكرزميباشد. علت افزايش سختي و مقاومت بهسايش عليرغم افزايش
جدول (5): نتايج آزمون XRD و متالوگرافي نوري.
نمونه فازهاي
شناسايي شده توسط
XRD متالوگرافي نوري نحوه توزيع كاربيدهاي
NbC
%A %M %NbC شكل كاربيد NbC 1 A+M+NbC 21 65 13 ميلهاي پراكنده بين تيغههاي مارتنزيت
2 A+M+NbC 28 52 20 ميلهاي و گلولهاي پراكنده بين تيغههاي
مارتنزيتي و زمينه
3 A+M+NbC 31 40 29 گلولهاي و مستقل نيمه پراكنده بين زمينه
4 A+M+NbC 38 24 38 مستقل يكنواخت در زمينه

560072-1861320

شكل (1): الگوي پراش اشعه X لايه آلياژي نمونه شماره 3.

شكل (2): آناليز از كاربيدهاي موجود در نمونه شماره 4 (33/1 = ).
NbEDX
آستنيت و كاهش مارتنزيت زمينه را بايد ناشي از افـزايش مقـداركاربيــدهاي نيــوبيم بــه شــكل مــستقل بــا توزيــع يكنواخــتتــر دانست [18].

m
μ
60

m

μ

60

شكل (3): الف) تصوير ميكروسكوپ الكترون روبشي لايه سخت شده نمونه شماره 4 و ب) نقشه توزيع عناصر كربن، آهن و نيوبيم نمونه شماره 4
(نقاط سفيد محل تمركز عنصر را نشان ميدهد).

m
μ
60
m
μ
60

نمونه
1
،
16
/
0
=

Nb

)
ميله

كاربيدهاي
اي
(

نمونه
4

،
34
/
1
=
Nb

)

توزيع

با

مستقل

كاربيدهاي
يكنواخت
(



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید