ايجاد پوشش هاي مقاوم به سايش روي زير لايه فولاد CK45 به روش
الكترواسپارك

عليرضا گلعذار*1 و ابوالفضل اميركاوئي2
مدرس، دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
مدرس، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجفآباد
*alireza.golozar@yahoo.com

( تاريخ دريافت: 31/03/89، تاريخ پذيرش: 10/06/89)

چكيده
در اين تحقيق پوشش هاي مختلفي بر روي سطح فولاد CK45 به روش الكترواسپارك اعمال شد و ميكروساختار و خواص تريبولوژي سطح مورد بررسي قرار گرفت. بدين منظور از دو نوع الكترود شامل الكترود سخت كاري فولاد كروم دار و الكترود كامپوزيتي TiC-Ni استفاده گرديد. براي بررسي ميكروساختار و تعيين تركيب رسوب هاي تشكيل شده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مجهز به آناليز EDX استفاده گرديد. خواص تريبولوژيكي پوششها نيز به كمك آزمون سايش مورد مطالعه قرار گرفت. تصاوير SEM نشان داد كه در مورد نمونه خام سطح سايش داراي ورقههاي در حال جدا شدن است و مكانيزم سايش ورقه اي دارد. تصاوير مربوط به سطح سايش نمونه با پوشش كامپوزيتي خراش هاي كمتري نسبت به نمونه پوشش داده شده با الكترود كروم دار نشان داد. ريزساختار پوشش كامپوزيتي ذرات ريز TiC در زمينه نيكلي با توزيع يكنواخت را نشان داد. بر اساس نتايج كاهش وزن، نمونه هاي پوششدار سايش كمتر از نمونه بدون پوشش داشتند و نمونه پوشش داده شده با الكترود كامپوزيتي داراي سايش كمتري نسبت به پوشش فولادي كروم دار بود. نتايج تغييرات اصطكاك بر حسب مسافت لغزشي نمونه بدون پوشش مقدار اصطكاك متوسط 31/0 را نشان داد در حالي كه مقدار اصطكاك نمونه پوشش داده شده كامپوزيتي پس از طي حدود 100 متر مسافت به مقدار متوسط كمتر از 165/0 مي رسد. مقدار اصطكاك كمتر در نمونه پوشش داده شده كامپوزيتي به دليل تغيير مكانيزم سايش از ورقه اي به خراشان مي باشد.

واژههاي كليدي:
الكترواسپارك، پوشش دهي، سايش، كاربيد تيتانيوم، .CK45

1- مقدمه
مهندسي سطح عملياتهـايي روي سـطح اسـت كـه بـراي بهبـودخ صوصيات س طحي م واد و ايج اد پوش ش ه اي س خت انج ام مي گيرد [1]. پوشش دهي بر روي زمينه هـاي مختلـف امـروزه بـه طور گسترده اي در صـنايع اتومبيـلسـازي، پتروشـيمي و هوافـضاكاربرد پيدا كرده است [2].
روشهايي ماننـد لحـيم كـاري، كربـوره كـردن، نيتـروره كـردن، نيتروكربوره، نيتـروره، رسـوب فيزيكـي بخـار (PVD)1، رسـوب

شكل (1): شماتيكي از روش پوشش دهي الكترواسپارك.

شيميايي بخار (CVD)2 [3 و 4]، براي به دست آوردن يك سطح سخت و مقاوم به سايش به كار مي رونـد . روشهـايي ماننـد ليـزر [5]، پلاسما [4]، اسپري پودر و روش جوشكاري تنگستن با گـازمحافظ مي توانند براي تشكيل لايههاي پوششي به كار رونـد كـهدر آن يك حالت شبه ذوب وجود دارد.
استفاده از روشهايي نظير پاشش سوخت- اكسيژن با سرعت بالا(HVOF)3 و رس وب گ ذاري الكترواس پارك (ESD)4 از جمل ه پيشرفتهايي در زمينـه بهبـود خـواص پوشـشي بـر روي سـطوحفلزات ميباشند [6]. بـر خـلاف روشHVOF ، تركيـب پوشـشايج اد ش ده ب ه روش ESD متف اوت از تركي ب الكت رود اس ت.
رسوبگـذاري الكترواسـپارك يـك فرآينـد ميكروجوشـكاريقوس- پالسي است كه با استفاده از پالسهاي الكتريكي با جريانبالا و كوتاهمدت يك ماده الكترود (آند) را روي يك زيـر لايـه(كات د) اعم ال م ي كن د (ش كل 1). اي ن روش يك ي از مح دود روشهايي است كه يك پوشش ذوبي و پيونـد داده بـه صـورتمتالورژيكي را با اعمال گرماي كم حاصل مـيكنـد و مـاده زيـرلايه نيز در دماي محيط يا نزديك آن باقي ميمانـد . زمـان كوتـاهپالس الكتريكي باعث انجمـاد فـوق سـريع مـاده رسـوبي شـده وپوشش با دانهبندي بسيار ريز و يكنواخت ايجـاد مـي كنـد كـه دربرخي موارد ساختار آمورف نيـز بـه دسـت مـيآيـد . بـه موجـبفرآوري فيزيكي و شيميايي در فاصله الكترود، ساختار اوليه مادهالكترود تغيير كـرده و يـك لايـه بـا سـاختار اصـلاح شـده ظـاهرمـي گـردد ك ه سـاختار ثانوي ه نـام دارد. بـه هم ين دليـل پوش شتوليدي بـه روشESD شـامل مـواد الكتـرود و زيـر لايـه اسـت.
هنگام بهينهسازي فرآ يندESD بايستي سيستم الكترود- زير لايـهمورد تحليل قرار گيرد زيرا كه تركيب فـازي و خـواص پوشـشرسوبي به نوع ماده زير لايه بستگي دارد [7، 8 و 9].
اعمـ ال پوشـ شهـ اي سيـ ستم Al-Ni [8]، اصـ لاح و اعمـ ال پوش ش ه اي ك امپوزيتي TiC/Ni روي الكتروده اي Cu-Cr-Zr [9]، بررسي ميكروساختار و خواص سايشي پوششهـاي سـرمتب ر پاي ه TiN روي ف ولاد زن گ ن زن [7] و اعم ال پوش ش ه اي مختلف روي ابزارهـاي بـرش [10]، از جملـه تحقيقـات اخيـر درزمينه الكترواسپارك ميباشد. اهميت فرآ ينـد الكترواسـپارك درصنعت پوششدهي در دهه گذشـته بـه قـدري قابـل توجـه بـودهاست كه مقالات مختلفـي در زمينـه اصـلاح پارامترهـاي فرآينـدارائه شده است [11].
فلزات و آلياژهاي صنعتي مخصوص قالبهاي صنعتي بـه وسـيلهروش الكترواسپارك تعمير يا پوشش داده مـيشـوند تـا خـواصتريبولوژيكي آنها بهبود داده شود. فولاد CK45 نيز يكـي از ايـنآلياژها اس ت كه با پوششدهـي مـيتـوان خـواص سـطحي آن رابهبود داد.
هدف از اين تحقيق بررسي ريزسـاختار و خـواص تريبولـوژيكيپوششهـاي كـامپوزيتي و فـولادي كـرومدار روي سـطح فـولادCK45 است . در اين راستا آزمونهاي سايش مختلفي انجـام شـدو به كمك تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي، مكانيزمهاي سايش بررسي شد.

2- مواد و روش تحقيق
در اين پژوهش از فـولادCK45 بـه عنـوان فلـز پايـه و زيـر لايـهاسـ تفاده گرديـ د (تركيــب Cr ،%0/76 Mn ،%0/41 C 09/0%، P ،%0/23 Si ،%0/19 Cu ،%0/08 Ni 01/0%). ابت دا نمون ه ه ايي با ابعاد 1×2×11 سانتي متر بريده شـد و سـپس سـطح آن بـه طـورمك انيكي و ش يميايي تمي ز گردي د . ب ه منظ ور ايج اد پوشـش
الكترواســپارك از دو نــوع الكتــرود اســتفاده گرديــد. يكــي از
الكتروده ا مخ صوص س ـخت ك ـاري س طحي از ج نس ف ـولاد ك روم دار (5/3- 5/2% ك روم و 3/0- 15/0% ك ربن) و ديگ ري الكت رود ك امپوزيتي ب ا تركي ب TiC-Ni ب ود (س اخت روس يه). رس وب گ ذاري الكترواس پارك ب ه كم ك ي ك دس تگاه م دل Alier-Metal 2000 انجام شد. شدت جريـان دسـتگاه روي 170 آمپ ر و فركــانس آن در 500 هرتــز تنظــيم گرديــد . بــه منظــورحفاظت بيـشتر پوشـش و كنتـرل اتمـسفر نيـز از گـاز آرگـون بـاخلوص 99/99% استفاده گرديـد. ضـخامت پوشـش اعمـال شـده تحت شرايط اين تحقيق در حدود μm 300 مي باشد.
ب ه منظ ور بررس ي و آن اليز س طوح از ميكروس كوپ الكترون يروب شي م دل Philips Xl30 مجه ز ب ه EDS اس تفاده گردي د. آزم ايش س ايش خ شك ب ه روش رف ت و برگ شتي، در دم اي محيط، با پـين از جـنس فـولاد بلبرينـگ 52100 DIN بـا سـختيحدود 64 راكول سـي، ارتفـاع 50 ميلـيمتـر و شـعاع عـرقچين 5 ميليمتر انجام گرفت . حركت پين در يك مسير رفت و برگـشتيبه طول 11 سانتي متر و با سرعتي معادل 16/0 متر بر ثانيه بـر روينمونه سايش انتخاب شد . آزمايشهاي سايش تحت نيروي ثابـت18 كيلوگرم انجام گرديـد و كـاهش وزن نمونـههـا پـس از طـيمسافتهاي 100، 200، 400، 600، 800 و 1000 متر ثبت شد.

شكل (2): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح سايش نمونه خام.

3- نتايج و بحث
به منظور بررسي خواص تريبولوژيكي و مكانيزم سايش، نمونه هـاتح ت آزم ون س ايش ق رار گرف ت و س طوح س ايش توس ـط
ميكروسكوپ الكتروني روبشي تحـت بررسـي قـرار گرفتنـد. در شكل (2) تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي مربوط به سطحسايش نمونه خام آورده شده است. با توجه به شكل مسير سايشديده ميشود كه ذرات به صورت ورقهاي از سطح جدا شـدهانـدو يك سري ذرات ورقه اي روي سطح وجـود دارد كـه بـه علـتتوقف سايش هنوز از سطح جـدا نـشدهانـد . ذرات جـدا شـده بـ ه صورت ورقهاي بوده كه تأييدكننده مكانيزم سايش ورقهاي براياين نمونه مي باشد.
در توجيه اين مكانيزم دو نظريه وجود دارد. اولـين نظريـه تئـوريتجمع نابجاييها در زير سطح ميباشد. با افزايش مسافت لغـزش،نابجاييها در فاصله كوتاهي از سطح تجمع ميكننـد . بـا افـزايشدانسيته نابجاييها، ايـن نابجـايي هـا بـه هـم پيوسـته و يـك سـري
حف رات ت شكيل م ي ش ود. ب ا گذش ت زم ان، حف ره ه ا ب ه ه م ميپيوندند و نهايتاً يك ترك به موازات سـطح شـكل مـي گيـرد . وقتي طول ترك به حد بحراني رسيد، ماده بين ترك و سـطح بـه صورت يك ذره ورقه اي شكل از سطح جدا مي شود [2].

در تئوري بعدي كه تئوري تنشهـاي فـشاري در سـطح نـام داردگفته ميشود هنگامي كه دو سطح لغزش در تمـاس بـا يكـديگرقرار ميگيرند، به واسطه بارگذاري مكرر، ناهمگونيهـاي سـطحنرمتر به راحتي تغيير شكل يافته و برخي از آنها شكسته ميشوند.
شكل (3): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح سايش نمونه با پوشش فولاد كروم دار.

شكل (4): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح سايش نمونه با پوشش كامپوزيتي.

ناهمگونيهاي سطح سـخت تـر روي سـطح نـرمتـر، تغييـر شـكلبرشي پلاسـتيك ايجـاد كـرده و يـك حالـت كـشيدگي در زيـر سطح ايجاد ميشود. با زياد شدن اين تغيير شكلها تركهايي درزير سطح جوانه ميزنند. با وجود تنش فشاري بالا تركها تمايلدارند به موازات سطح و در يك عمقـي كـه بـستگي بـه خـواصماده و ضريب اصطكاك دارد، اشاعه يابند. در مكانهاي ضعيفو معيني اين ترك ها سطح را از عمـق بـرش داده و ذرات سـايشبه صورت ورقههاي نازك و طويل پديد مـيآيـد . ضـخامت ذرهسايش ورقهاي بسته به موقعيت رشد تـرك در زيـر سـطح دارد وتوسط نيرو هاي عمودي و مماسي كنترل مي گردد [2].
در شكلهاي (3) و (4) تصوير ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشياز سطح سايش نمونـههـاي پوشـش داده شـده بـا الكتـرود فـولادكرومدار مخصوص سختكاري سـطحي و الكتـرود كـامپوزيتي
نشان داده شده است. بـا توجـه بـه تـصوير مـسير سـايش مـشاهده ميشـود كـه سـطح داراي خـراشهـاي مـوازي در جهـت مـسيرسايش ميباشـد . شـكل مـسير سـايش و ذرات حاصـل از سـايشبيانگر سايش از نوع خراشان در نمونه هـاي پوشـش دار مـي باشـد .
شــكل (4) مربــوط بــه ســايش پوشــش كــامپوزيتي بــا وجــودبزرگنمايي بالاتر داراي خراش خيلي كمتر است.
ريزساختار مربوط به پوشش كامپوزيتي در شـكل (5) نـشان دادهشده است . همانطوري كه مشاهده ميشود ذرات كاربيدي اندازهكـوچكتر ازμm 5 دارنـد و بـه طـور يكنواخـت در زمينـه فلـزيتوزيع شدهاند. آنـاليزEDX همـراه بـا مـشاهدات شـكل ظـاهريرسوبات تأييد كرد كه تركيب آنها كاربيد تيتانيوم ((TiC اسـت.
وجود ذرات سراميكيTiC توزيـع شـده در زمينـه فلـزي نيكلـيباعث كاهش نرخ سايش ميشود. اندازه كوچـك ذرات كاربيـدتيتانيوم ميتواند مربوط به انجمـاد سـريع روش الكترواسـپارك وجلوگيري از رشد دانه باشد. استفاده از كاربيـدهاي فلـزي جهـتپوششدهي فولادهـاي مختلـف در مراجـع گـزارش شـده اسـت [2 و 6]. با وجود ذرات سراميكي در زمينه فلـزي، خـراش سـطحموجب كنده شدن ماده نميگـردد و تنهـا مـاده در سـطح جابجـاشده و به طور مرتب به صورت برآمدگيهايي در دو طرف شيارايجاد شده انباشته مي گردد [12].
شكل (5): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از ريزساختار پوشش كامپوزيتي.

در اين تحقيق خواص تريبولوژيكي نمونههاي خـام و پوشـشدار نيز بررسي شد. نمودار كاهش وزن بـر حـسب فاصـله لغزشـي درشكل (6) نشان داده شده است. همانطوري كه از شكل مـشخصاست مقدار كاهش وزن در نمونه فولادي خام افـزايش مـييابـد . در حالي كه منحني كاهش وزن مربوط به نمونههـاي پوشـشدار كمتر از حالت خام است و پس از طـي مـسافت حـدود 600 متـرثابت ميگردد. نمونـه پوشـش داده شـده بـا الكتـرود كـامپوزيتيداراي سايش كمتري نسبت به پوشش فولادي كروم دار است.
سايش كمتر نمونـههـاي پوشـشدار در توافـق بـا تـصاويرSEM سطوح پوشش است كه مكانيزم سايش خراشان داشتند.
نمودار تغييرات اصطكاك بر حسب مـسافت لغزشـي نمونـه خـامبدون پوشش (شكل 7)، مقدار اصطكاك متوسـط 31/0 را نـشانداد. ميزان اصطكاك با طي مسافت تغيير چنداني نمـيكنـد و بـهدليل مكانيزم سايش ورقهاي در مسافتهاي بالا اصطكاك كميافزايش و دامنه تغييرات بيشتر مـيگـردد . نمودارهـاي مربـوط بـهتغييرات اصطكاك نمونههاي پوششداده شده در شكلهـاي (8) و (9) آورده شده است. نمونه پوشش داده شده با الكترود فـولاد كرومدار (شكل 8)، مقدار اصطكاك متوسط 22/0 را نـشان داد،

0
5
10
15
20
25
30
200
0
400
600
800
1000
)
m
(
لغزشي

مسافت
(
mg

)
وزن

كاهش
TiC-Ni
كامپوزيتي

پوشش
دار

فولادكروم

پوشش
خام

نمونه

0

5

10

15

20

25

30

200

0

400



قیمت: تومان


پاسخ دهید