بررسي ريزساختار و مشخصات كاربيدهاي 3Cr,Fe)7 C) در آلياژ
هايپريوتكتيك روكش سخت پايه Fe-Cr-C

حامد ثابت1*، شهرام خيرانديش2، شمس الدين ميردامادي3 و مسعود گودرزي4
دانشجوي دكتري، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات تهران، دانشكده مهندسي مواد، تهران، ايران
دانشيار، دانشگاه علم و صنعت ايران، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، تهران، ايران
استاد، دانشگاه علم و صنعت ايران، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، تهران، ايران
استاديار، دانشگاه علم و صنعت ايران، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، تهران، ايران
*h.sabet@srbiau.ac.ir
(تاريخ دريافت: 18/10/1389، تاريخ پذيرش: 10/02/1390)

چكيده
در اين تحقيق آلياژ هايپريوتكتيك روكش سخت پايه Fe-Cr-C به روش جوشكاري GTAW بر روي فولاد ساده كربني 1010AISI ايجـادگرديد. آناليز شيميايي لايه سخت به روش اسپكتروگرافي نشر نوري (OES) تعيين شد و جهت بررسي ريزساختار و تجزيه و تحليل فازها ازمطالعات ميكروسكوپ نوري (OM)، الكتروني (SEM) و پراشسنجي پرتو (XRD) X استفاده شد. نتايج آزمون متالوگرافي مـشخص نمـودكه لايه روكش سخت حاصل داراي 3 منطقه متالورژيكي بوده كه از نظر ضخامت و تركيب شيميايي متفاوت هـستند. همچنـين ريزسـاختارلايه روكش سخت در منطقه ضخيمتر (منطقهIII ) متشكل از كاربيـدهاي كـروم- آهـن 3Cr,Fe)7 C) اوليـه بـه همـراه يوتكتيـك آسـتنيت وكاربيد كروم- آهن 3Cr,Fe)7 C) بود. نتايج متالوگرافي، طيفسنجي تفكيك انـرژي (EDS)، طيـف سـنجي تفكيـك طـول مـوج (WDS) و سختيسنجي ميكروسكوپي مشخص نمود كه كاربيدهاي اوليـه 3Cr,Fe)7 C) موجـود در منطقـه اصـلي (منطقـهIII ) لايـه روكـش سـخت ازاندازه، توزيع، تركيب شيميايي و سختي متفاوتي برخوردار هستند به نحوي كه اندازه، درصد اتم كروم و سختي كاربيدهاي اوليـه بـه سـمتسطح روكش سخت افزايش يافته و در مقابل تراكم آنها در واحد سطح كاهش يافتند. درصد حجمي فاز يوتكتيك و فاصله مركز تـا مركـزكاربيدهاي يوتكتيك نيز به سمت سطح روكش افزايش يافتند.

واژه هاي كليدي:
Fe-Cr-C، هايپريوتكتيك، ريزساختار، مشخصات كاربيدها، 3Cr,Fe)7 C).

1- مقدمه
س ايش يك ي از مهمت رين عوام ل تخري ب قطع ات مهندس ي در صنعت است [1]. عمليات جوشكاري به علت صـرفه اقتـصادي وايجاد لايههاي نسبتاً ضخيم و مقاوم نـسبت بـه عمليـات حرارتـي،آبكــاري و پوشــش دادن در شــرايط ســايش خراشــان و ضــربهارجحيت دارند [2 و 3]. خواص لايههاي سخت تابعي از تركيـبشيميايي، ش رايط انجمـاد، سـرعت سـرد شـدن (بعـد از انجمـاد)، ريزس ـاختار، ن وع، ش كل و توزي ع فازه ـا اس ت [3 و 4]. آلي اژ Fe-Cr-C متداول ترين آلياژ روكش سـخت محـسوب مـي گـرددزيرا علاوه بر مقاومت بـه سـايش خراشـان، از نظـر اقتـصادي نيـزمقرون به صرفه ميباشد [5]. مقاومت به سـايش خراشـان در ايـن آلياژها وقتـي حاصـل مـي شـود كـه كاربيـدهاي 3Cr,Fe)7 C) بـاآستنيت (غني از آهن و كـروم) در سـاختار تـشكيل گـردد . ايـنريزس اختار در مح دوده ن سبت ك روم ب ه ك ربن 5 ت ا 8 ايج اد مــيگــردد. از آنجــايي كــه وجــود كاربيــدهاي 3Cr,Fe)7 C) تأمينكننده سختي و مقاومت به سايش آلياژFe-Cr-C در شرايط 8〈CrC

〈5 مي باشـند [4 و 6]، لـذا بررسـي مشخـصات كاربيـدهاياوليــه و يــوتكتيكي 3Cr,Fe)7 C) در ريزســاختار مــورد توجـ همحققين مختلف بـوده اسـت. بررسـي آتـامرت1 [7] و همكـارشمشخص نمود كه درصد اتمـي عناصـر كـروم، كـربن و آهـن دركاربي دهاي اولي ه و ي وتكتيكي 3Cr,Fe)7 C) در آلي اژ روك ش سخت هايپريوتكتيك Fe-Cr-C يكسان بوده و تفاوتي در فرمولشيميايي كاربيدها در لايه سخت وجود ندارد. در مقابل كـارپنتر2 و همكارانش [8]، عنـوان نمـودهانـد كـه درصـد اتمـي كـروم درمركز و كنارههاي كاربيدهاي يوتكتيكي 3Cr,Fe)7 C) موجود در ريزساختار آلياژ هيپويوتكتيكيFe-Cr-C متفاوت مـيباشـند . بـهنحوي كه درصد اتمـي كـروم در مركـز كاربيـدهاي يـوتكتيكيبيشتر از ديوارههاي آن است. آنها علت اين امر را وابسته بـه نـوعانجماد آلياژ دانستهاند.
بويتوز3 و همكارانش [9]، مشخص نمودند كه درصد اتمي كرومدر كاربيــدهاي اوليــه 3Cr,Fe)7 C) موجــود در ســاختار آليــاژهـايپريوتكتيكيFe-Cr-C تـابعي از مق دار كـروم محتـوي آلي اژبوده و با افزايشآن درصد اتم كروم در كاربيـدهاي نـوع 3M7C افزايش مييابد. علاوه بر اين، آنها مـشخص نمودنـد كـه غلظـتعناصر كروم و آهن در مقطع عرضي لايه روكش سخت يكـساننبوده و در مناطق مختلف، متفاوت ميباشد. همچنين بويتوز [10] در تحقيق مستقل ديگري مشخص نمود كـه سـختي كاربيـدهاياوليه 3M7C در آلياژ هايپريوتكتيكFe-Cr-C متفاوت ميباشد و در محدوده 1050 تا 1500 ويكرز متغير است. علت اين تغييـراتب ه تف اوت درص د اتم ي ك روم و آه ن موج ود در كاربي دهاي 3M7C مرتبط بوده و سختي كاربيدهاي 3M7C حاوي آهن كمتـرو كروم بالاتر، بيشتر از سختي كاربيـدهاي حـاوي آهـن بيـشتر وكروم كمتر عنوان شده است.
در تحقيقي كه توسـط چانـگ4 و همكـارانش [11] انجـام شـده،مشخص گرديـده اسـت كـه در آليـاژ روكـش سـخت Fe-Cr-C هايپريوتكتيكي (حاوي 27 درصد كروم ) با افزايش مقدار كـربناز 72/3% ب ه 85/4%، درص د حجم ي و تع داد كاربي دهاي اولي ه 3Cr,Fe)7 C) در واحد سطح افزايش و اندازه متوسط آنها كاهشمي يابـد. همچنـين شـكل كاربيـدهاي اوليـه از حالـت تيغـهاي بـهحالت ميلهاي تغيير ميكند. علت تغييـر شـكل كاربيـدهاي اوليـهناشي از اثر كربن بر فوق تبريد ايجاد شده در هنگام انجماد آليـاژعنوان شده است. همچنين بررسي آنها مشخص نمود كه حداكثرسختي لايه روكش سخت (RC 62) وقتي حاصل مـي گـردد كـهدرص د حجم ي كاربي دهاي اولي ه 3Cr,Fe)7 C) ب ه مق دار 86%، اندازه آنهـا بـه 53/13 ميكرو متـر و تعدادشـان بـه 3758 عـدد درميليمتر مربع برسند. اين شرايط در آلياژي بـا نـسبت 5/5=CrC

ايجاد گرديده است.
از آنج ايي ك ه عم ده مطالع ات ب ر روي ريزس اختار آلياژه ايروك ش س خت پاي هFe-Cr-C ب وده، ل ذا بررس ي مشخ صاتكاربي دهاي 3Cr,Fe)7 C) ب ه ص ورت جنب ي در كن ار مطالع ات ريزســاختاري انجــام شــده اســت، نــشاندهنــده ايــن موضــوع ميباشد كـه مطالعـات جـامع و كـاملي در خـصوص مشخـصاتكاربي دهاي 3Cr,Fe)7 C) در اي ن خ انواده از آلياژه اي روك ش سخت انجام نشده است. اين تحقيق بر اساس همين موضوع انجامشده و در آن ريزساختار و مشخـصات كاربيـدهاي 3Cr,Fe)7 C) در آلياژ هايپريوتكتيـك روكـش سـخت پايـهFe-Cr-C بررسـي شده است.

2- روش تحقيق
فولاد ساده كربني 1010AISI به ابعـاد 10×120×200 ميلـي متـربه عنوان فلز زيرلايه مورد استفاده قرار گرفت، تركيـب شـيميايي

جدول (1): تركيب شيميايي (درصد وزني) فولاد پايه و پودرهاي مورد مصرف جهت آلياژسازي سطحي.
Cr S P Mn Si C
64773-223898

ماده

Fe

فولاد

ماده

Fe

فولاد

081/0 18/0 33/0 008/0 012/0 – باقيمانده فروكروم 054/0 24/0 1/0 012/0 013/0 69 باقيمانده گرافيت 79/99 03/0 03/0 06/0 09/0 – –

جدول (2): محلول اچ جهت ظاهرسازي فازها [13].

محلول 1: 4 گرم اسيد پيكريك + 100 ميلي ليتر اتانل + يك ميلي متر اسيد كلريدريك

محلول 2: 10 گرم سديم متابي سولفيت + 100 ميلي ليتر آب مقطر
روش اجراء: 45 ثانيه در محلول 1 + شستشو با اتانل + خشك كردن با هواي گرم + 20 ثانيه در محلول 2 + شستشو در آب + خشك كردن با هواي گرم

فولاد پايه در جـدول (1) ارائـه شـده اسـت. بعـد از آمـادهسـازيسطح نمونه شـامل سـنگزنـي و چربـيزدايـي، يـك مخلـوط از پودرهاي فروكروم و گرافيت به عنوان آليـاژ پوشـش تهيـه شـد،تركيب شيميايي پودرهاي مورد استفاده در جدول (1) ارا ئه شـدهاست. براي اين منظور پودرهـاي فروكـروم و گرافيـت بـا نـسبت وزني 8، در يك آسياي گلولـهاي بـه مـدت يـك سـاعت تحـتحفاظت گاز آرگون جهت همگنسـازي مخلـوط شـدند، سـپسالك شده و اندازه متوسط ذرات آنها 30 ميكرون تعيـين گرديـد.
در مرحل ـه بع د، مخل وط پودره ا ب ا 20 درص د وزن ي چ سبسيليكات سديم توسط يك ميكسر آزمايشگاهي به مدت 5 دقيقه مخلوط و در قسمت مياني سطح ورق فولادي بـه ضـخامت يـكميليمتر، نشانده شدند و سپس در كوره الكتريكي به مدت زمـانيك ساعت در دماي 120 درجه سـانتيگـراد خـشك گرديدنـد
.[12]
آلياژسازي سطحي با استفاده از روشGTAW بـا شـدت جريـان100 آمپــر، اخــتلاف پتانــسيل 14 ولــت و ســرعت جوشــكاري cm/min 10، با حرارت ورودي يكسان انجام شد و تعداد 8 لايـه روكش سخت با همپوشاني 20 درصد كنار هم ايجاد گرديد. آناليز شيميايي لايه روكش سخت بـه روش اسـپكتروگرافي نـشرن وري (OES) (توس ط دس تگاه ARUN Polyspek) در 1، 2 و 5/2 ميليمتري زير سطح روكش بعد از سنگزني و از ميانگين 5 نقطه تعيين شد.
جهت آزمون متالوگرافي، نمونهاي از مقطع عرضي تهيه و تحـتآمادهسازي سطحي با كاغذ سنبادهSiC ، پوليش با خميـر الماسـهي ك ميك رون و اچ ب ا محل ول نايت ال 2% ق رار گرف ت. مطالع ه ريزساختار، به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشيSEM (مدل VEGA/TESCAN) مجهز به سيستم الكترون برگـشتي (BSE)، طيفسنجي تفكيك انرژي (EDS) و طيف سنجي تفكيك طـولم وج (WDS) تح ت ولت اژ ش تابدهن ده KV20 انج ام ش د.
همچنين جهت تعيين درصد حجمي فازها در لايه روكش سختاز محلـــول اچ خـــاص مطـــابق جـــدول (2) و يـــك دســـتگاهميكروسكوپ نوري (مدلOlympus BX51 ) مجهـز بـه سيـستمآناليز تصويري5 استفاده شد.
براي شناسايي فازها در لايه روكش سخت بررسي پـراشسـنجي پرتوXRD) X ) انجام شـد، بـراي ايـن منظـور نمونـهاي بـه ابعـاد3×10×10 ميليمتر از سطح روكش تهيه و تحـت سـنبادهزنـي بـاكاغذ سنبادهSiC و پـوليش بـا خميـر الماسـه 5/0 ميكـرون قـرارگرفت و سپس با محلول 10 درصد اسيد اگزاليك الكتروپـوليشگرديد [8 و 14]. آزمـون پـراشسـنجي پرتـوXRD) X ) توسـطيــــك ديفراكتــــومتر (مــــدل STAPI MP) مجهــــز بــــه X/ Pert High Score با استفاده از اشـعهλ=1/54A°)CUKα ) و فيلتر نيكلي انجـام شـد، بـراي ايـن منظـور ديفراكتـومتر جهـتروبش نمونه از زاويه 10 تا 90 درجه با اندازه پلههاي 04/0 درجه و زمان توقف 8 ثانيه براي هر پله تنظيم و آزمـون مربوطـه انجـامشد.
جه ت تعي ين س ختي فازه اي (كاربي دهاي) موج ود در مقط ع عرضي لايه روكش سـخت، از دسـتگاه ريـز سـختي سـنج (مـدلStruers Duramin) با بار 50 گرم نيرو و زمان اعمـال نيـروي 30 ثانيه استفاده شد.

نتايج و بحث
3-1- تركيب شيميايي، مناطق متالورژيكي و ريزساختار شكل (1- الف ) جزئيات ريزساختار ميكروسكوپي منطقه اتـصالرا ن شان م يده د. همانگون ه ك ه از ش كل (1- ال ف) م شاهده

شكل (1): ريزساختار منطقه اتصال، الف) تصوير ميكروسكوپ نوري مناطق مختلف متالورژيكي، ب) تصوير SEM ريزساختار منطقه I، ج) تصوير SEM ريزساختار منطقه II و د) تصوير SEM ريزساختار منطقه III.

1853946211801

شيميايي

تركيب
*

)
وزني

درصد
(

C
Cr

Cr

منطقه

شيميايي



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید