بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي اتصال جوشكاري اصطكاكي فولاد
18CrMo4 به فولاد CK35

كامران اميني1*، علي فاتحي2، علي بروجردي3
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرمجلسي، باشگاه پژوهشگران جوان، اصفهان، ايران
كارشناس ارشد، شركت آزمونه فولاد، اصفهان، ايران
كارشناس ارشد، شركت فرمان خودرو سپاهان، اصفهان، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 20/02/1390، تاريخ پذيرش:28/06/1390)

چكيده
قطعات ماشين آلات به كمك روشهاي مختلف نظير فورجينگ، ماشينكاري، ريختهگري و جوشـكاري توليـد مـيشـوند . انتخـابروشهاي توليد وابسته به هزينه توليد است. در اين بين جوشكاري اصطكاكي بـا توجـه بـه هزينـههـاي پـايين توليـد و امكـان اتـصالقطعات از جنس غير مشابه اهميت فراواني پيدا كرده است. در اين تحقيق ريزساختار و خواص مكـانيكي جـوش اصـطكاكي بـين دوفولاد غير مشابهCK35 و18CrMo4 مورد ارزيابي قرار ميگيرد بدين منظور از آزمونهاي مكانيكي نظير كشش، خمش و سـختي وبررسيهاي ريز ساختاري به كمك ميكروسكوپ الكتروني روبشي و ميكروسكوپ نوري كمك گرفته شد. نتايج نـشان داد بـالاتريناستحكام كششي (576 مگاپاسكال) و حداكثر زاويه خمش (30 درجه ) در زمـان اصـطكاك 13 ثانيـه و زمـان فـورج 3 ثانيـه بدسـت ميآيد. بررسيهاي ريزساختاري حاكي از حضور نواحي فلزپايه، ناحيه متاثر از حـرارت و ناحيـه ترمومكانيكـال در دو طـرف ناحيـهجوش اصطكاكي است. همچنين بالاترين سختي در ناحيه جوش بدست ميآيد.

واژههاي كليدي
جوشكاري اصطكاكي، فولاد CK35 و 18CrMo4، خواص مكانيكي، ريز ساختار

1- مقدمه
جوشكاري اصطكاكي يكي از روشهاي اقتصادي و پـرمـصرفدر اتصال فلزات و آلياژهـاي غيـرهمجنس در صـنعت اسـت. در اين روش جوشكاري، گرما از طريق تبـديل انـرژي مكـانيكي بـهانرژي حرارتـي در فـصل مـشترك اتـصال دو قطعـه كـار در اثـرچرخش با سرعت بالا و اعمال فشار بوجود ميآيد [1]. از مزاياي جوشكاري اصطكاكي ميتوان به زمان توليـد بـسيار كـم، صـرفهجويي بالا از طريق مواد مصرفي پايين و امكان جوشكاري فلزاتو آلياژهاي غيرهمجنس اشاره نمـود [2]. از پارامترهـاي مـوثر بـرجوشكاري اصـطكاكي مـيتـوان بـه زمـان اصـطكاك، فـشار درهنگام اصطكاك دو قطعـه، زمـان و فـشار فورجينـگ و سـرعتچرخش اشاره نمود. فاكتورهاي ذكر شده در بـالا بـراي رسـيدنبه يك اتصال با خواص مناسب بايستي تحت كنتـرل درآينـد. در اين روش در مرحله فـورج مقـداري زائـده1 ايجـاد مـيشـود كـهبايستي در مرحله ماشينكاري حـذف شـود. فرآينـد جوشـكارياصطكاكي به دو دسته تقسيم ميشود: 1- جوشكاري اصطكاكيلحظ ه اي2 و 2- جوش كاري اص طكاكي م داوم3 در جوش كاري اصطكاكي مداوم يكي از اجزاء در حال چرخش با سرعت ثابـتو ديگــري ثابــت اســت و بنــابراين حــرارت در ســطوح تحــتاصطكاك بوجـود مـيآيـد . هنگـامي كـه حـرارت كـافي ايجـادگرديد، حركت دوراني با ترمز متوقـف مـيشـود و فـشار نهـايياعمال ميشود [1 و 4].
32 فصلنامه علمي پژوهشي فرآيندهاي نوين در مهندسي مواد / سال پنجم / شماره چهارم/ زمستان 1390
تحقيق ات زي ادي در م ورد جوش كاري اص طكاكي انج ام ش ده است. به عنوان مثالDobrovidov شـرايط بهينـه در جوشـكارياصطكاكي فولا د تندبر را به فولاد سـاده كربنـي بـا 45/0 درصـدكربن را بررسي نمود [5]. در تحقيق ديگري كه توسطSahin برروي جوشكاري اصطكاكي قطعات از جنس فولادCK40 انجامپذيرفت، مشاهده گرديد اسـتحكام كشـشي در ناحيـه جـوش درحدود 95% فلز پايه ميباشد. همچنـين اسـتحكام ضـربه در ناحيـه جوش كمي بالاتر از فلـز پايـه مـيباشـد [6]. در تحقيـق ديگـريهمين محقق پارامترهاي مـوثر بـر جوشـكاري اصـطكاكي فـولادتندبر را به فولاد ساده كربني بررسي نمود. نتايج اين محقق نـشانداد بـالاترين اسـتحكام كشـشي در زمـان اصـطكاك 7/3 ثانيـه وفشار اصطكاك 600 م گاپاسكال بدست مـيآيـد [7]. در تحقيـقديگـ ري كـ ه توسـ طSatyanarayana بـ ر روي جوشــكاري اصطكاكي غير همجنس فولاد زنگ نزن آستنيتي به فولاد زنـگنزن فريتي انجام پذيرفت، مشاهده گرديد انرژي ضربه و خـواصاستحكامي در ناحيه جوش در مقايسه با فلز پايه (فولاد زنگ نزنفريتي) بهبود يافت [8]. در داخل كشور تحقيقات بسيار كمـي درم ورد جوش كاري اص طكاكي انج ام پذيرفت ه اس ت. در تحقي ق حاضر جوشكاري اصطكاكي فـولاد كـم آليـاژ كـروم، موليبـدنواناديوم دار به فولاد ساده كربنيCK35 كه در تهيه محور فرماننيسان كاربرد دارد بررسي گرديده و شرايط بهينـه در توليـد ايـنقطعه نظير زمان اصطكاك و زمان فورج مشخص ميگردد.

2- مواد و روش تحقيق
تركيـــب شـــيميايي فولادهـــاي مـــورد مـــصرف در تحقيـــقشامل 18CrMo4 و CK35 به ترتيب در جدول (1) و (2) آورده شده است . در اين تحقيـق پارامترهـاي فـشار فـورج اوليـه، فـشارفورج ثانويه و سرعت چرخش بترتيب برابـر بـا 25 بـار، 45 بـار و1500 دور ب ر دقيق ه در نظ ر گرفت ه ش د. عملي ات جوش كاري اصطكاكي در دو زمان فورج 3 و 5 ثانيه و زمانهـاي اصـطكاك8، 11، 16،13، 17 و 19 ثانيه انجام گرديد.
ب ـراي بررس ي خ واص مك ـانيكي ناحي ـه ج وش اص طكاكي از
آزمـــونهـــاي كـــشش مطـــابق بـــا اســـتانداردEN10002-1 (توسط دستگاه Zim مدلYMM ) ، سختي (توسط دستگاه كوپامدلMH1 و نيروي 5 كيلـوگرم) و خمـش مطـابق بـا اسـتانداردENISO15620 استفاده گرديد. نحـوه انجـام آزمـون خمـش بـرروي نمونه هاي محور فرمان نيسان توليدشده به روش جوشكارياصطكاكي در شكل (1) آورده شده است.
براي بررسي ريز ساختار ناحيه جـوش، نمونـههـا پـس از (اچ) درمحلـ ول نايتـ ال 4% توسـ ط ميكروسـ كوپ نـ وريOlympus مدلPGM3 و ميكروسكوپ الكترونـي روبـشي(SEM) سـاختشركت JEOl استفاده گرديد. همچنين براي بررسي نمونـه هـا درحالت ماكرو از محلول (اچ) با تركيب كلرور مـس (20 گـرم) و اسيدكلريدريك (100گرم) و آب (100 گرم) استفاده گرديد.

جدول(1) تركيب شيميايي فولاد CK35 (درصد وزني)
%C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Fe
418183-134812

0/362 0/296 0/561 0/008 0/027 0/078 0/089 Bal.

32 فصلنامه علمي پژوهشي فرآيندهاي نوين در مهندسي مواد / سال پنجم / شماره چهارم/ زمستان 1390

-159158-3173328

در ش كل (2) و (3) ارتب اط ب ين زم ان اص طكاك و اس ـتحكام
كشـــشي در زمـــان فـــورج 3 و 5 ثانيـــه آورده شـــده اســـت.
اصطكاك 13 ثانيه بالاترين استحك ام كششي (Mpa 570) بدست آم ده اس ت. دلي ل ايـن م سئله در ارتب اط ب ا آن اس ت ك ه در زمانهـاي اصـطكاك كـم حـرارت توليـدي بـسيار كـم اسـت وبنابراين منجر به جوش با استحكام بالا نميشود.
همچنين در زمانهاي اصـطكاك يـا فـورج بـالاتر، دمـاي ناحيـهج وش اف زايش يافت ه و بن ابراين پهن اي ناحي ه مت اثر از ح رارت افزايش يافته (همراه با درشت شدن دانههـا ) و بنـابراين اسـتحكامكاهش مي يابد. بنابراين بـالاترين اسـتحكام كشـشي (Mpa 570) مربوط به زمان اصطكاك 13 ثانيه و زمان فورج 3 ثانيه است كـهمنجر به دماي 930 درجه سانتيگـراد در لحظـه فـورج مـيشـود .
نتايج بالا توسط محققين ديگر و در مورد آلياژهاي ديگـر اثبـاتشده است [7 و 9]. بررسي نتايج حاصل از آزمون خمـش بيـانگربالاترين زاويه خمش در لحظه شكست (30 درجـه) بـراي نمونـهب ا زم ان اص طكاك 13 ثاني ه و زم ان ف ورج 3 ثاني ه م يباش د.
بررسيهاي ريز ساختاري حـاكي از حـضور سـه ناحيـه فلـز پايـه،ناحيه متاثر از حرارت و ناحيه ترمومكانيكـال در دو طـرف ناحيـه
شكل (2): ارتباط بين زمان اصطكاك و استحكام كششي در زمان فورج 3 ثانيه.

شكل (3): ارتباط بين زمان اصطكاك و استحكام كششي در زمان فورج
5 ثانيه.

ساختار ناحيه متاثر از حرارت: وسعت اين ناحيـه بـسيار كـم وداراي ساختاري درشت دانهتر در مقايسه با فلز پايه است.
ساخت ار ناحيه ترمومكانيكال: ساختار اين ناحيه بدليل تغيير فرم پلاستيك، ريزدانه تر و ظريف تر ميباشد.
بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي اتصال جوشكاري اصـطكاكي … 33
4- ناحيه جوش: وسعت اين ناحيه بسيار كم ميباشـد . دليـل ايـندر طرف 418CrMo، 9/2 ميلي متر اسـت كـه بـا توجـه بـه كمتـرمسئله آن است كه در اثر جوشكاري قسمت زيادي از اين ناحيـهبــودن اســتحكام كشــشي فــولاد CK35 در مقايــسه بــا فــولادبه بيرون پس زده ميشود و زائده جوش را تشكيل ميدهد(شكل 418CrMo قابل توجيه است.
6). همچنين اندازه زائده جوش در طرفCK35 ، 1/3 ميليمتـر و

شكل (4): ريزساختار نواحي مختلف جوش اصطكاكي دو فولاد و در نمونه با زمان فورج 3 ثانيه و زمان اصطكاك 13 ثانيه.
CK3518CrMo4

شكل (5): ريزساختار تهيه شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي از نواحي مختلف جوش اصطكاكي دو فولاد 18CrMo4 و CK35 در نمونه با زمان فورج 3 ثانيه و زمان اصطكاك 13 ثانيه.

-122681387953

بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي اتصال جوشكاري اصـطكاكي … 35
نتايج حاصل از يررسي سختي نمونهها در جدول (3) آورده شده است. همانطوريكه مشاهده ميگردد سختي در نـواحي متـاثر ازحرارت و ناحيه ترمومكانيكال در مقايسه با فلز پايه كـاهش يافتـهاست. همچنـين بـالاترين سـختي در ناحيـه جـوش بدسـت آمـدهاست. دليل اين مسئله در ارتباط با ريزشدن دانهها و تاثير عمليات
فورج در اين ناحيه ميباشد.
شكل (6): تصوير ماكرو از جوش اصطكاكي و اندازه زائده جوش

188976209303

جدول (3): مقدار سختي (ويكرز) در مناطق مختلف جوش اصطكاكي فولاد 18CrMo4 و CK35 در نمونه با زمان فورج 3 ثانيه و زمان اصطكاك 13 ثانيه.
فولاد پايه ناحيه متاثر از ناحيه ناحيه جوش ناحيه ترمومكانيكال ناحيه متاثر از حرارت فولاد پايه CK35 كم آلياژ حرارت فولاد كم ترمومكانيكال CK35 CK35
آلياژ فولاد كم آلياژ
188976214093

283 242 265 311 289 256 300

4- نتيجهگيري
در تحقيق حاضر اتصال از طريـق جوشـكاري اصـطكاكي فـولادCK35 به فولاد18CrMo4 كـه در سـاخت محـور فرمـان نيـسانكاربرد دارد انجام پذيرفته و نتايج زيرحاصل گرديد.
بالاترين استحكام كششي (576 مگاپاسكال) و حداكثر زاويـهخمش (30 درجه ) در زمان اصطكاك 13 ثانيـه و زمـان فـورج 3 ثانيه بدست آمد كه با توجه به استحكام كششي فولادCK35 درحال ت آني ل ش ده (650مگاپاس كال)، اس تحكام كش شي ناحي ه جوش 88/0 فلز پايه است.
بالاترين سختي در ناحيه جوش بدست ميآيد كه با توجه بـهتاثير عمليات فورج بر ريزشدن دانهها قابل توجيه است.
بررسي هاي ريز ساختاري حضور نواحي فلزپايه، ناحيه متاثر ازحـرارت و ناحي ه ترمومكانيك ال را در دو ط رف ناحي ه ج وش اصطكاكي تاييد مينمايد.
با توجـه بـه كمتـر بـودن اسـتحكام كشـشي فـولادCK35 درمقايسه بـا فـولاد18CrMo4 تغييرفـرم بيـشتري در آن رخ داده وبنابراين اندازه زائده جوش در طرف CK35 بزرگتر است. 5- مراجع
VL. Vill,” Friction welding of Metals”. New York: AWS, 1962.

S. Tsang, “Friction welding” , Metal Handbook, 10 th Ed., Vol.6, Welding, Brazing and Soldering, pp. 444-449, ASM, Metals park, Ohio 1995.

S. Allabhakshi, G. Madhusudhan Reddy, V.V. Ramarao, C. Phani,Babu, C.S. Ramachandran,” Studies on Weld Overlaying of Austenitic Stainless Steel (AISI 304) with Ferritic Stainless Steel (AISI 430)”. National Welding Conference, Chennai, India, January 2002, Indian Institute of Welding, Paper 8.

K. Jayabharath, M. Ashfaq, P. Venugopal, D.R.G. Achar,” Investigations on the Continuous Drive Friction welding of Sintered Powder Metallurgical (P/M) Steel and wrought Copper Parts. Materials Science and Engineering A, Vol.
454-455, PP. 114-123, 2007.

A.N. Dobrovidov, ” Selection of Optimum Conditions for the Friction Welding of High Speed Steel 45″, Weld production, Vol. 22, PP. 22-26, 1975.

M. Sahin, H.E. Akata, T. Gulmez, “Characterization of Mechanical Properties in AISI 1040 Parts Welded by Friction Welding”. Materials Characterization, Vol. 58, PP. 1033-1038, 2007.

M. Sahin, “Joining with Friction Welding Of High Speed Steel And Medium – Carbon Steel”. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 168, PP. 202-210, 2005.

V.V. Satyanarayana, G. Madhusudhan Reddy, T. Mohandas,” Dissimilar Metal Friction Welding Of Austenitic–Ferritic Stainless Steels”. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 160, PP. 128-137, 2005.
36 فصلنامه علمي پژوهشي فرآيندهاي نوين در مهندسي مواد / سال پنجم / شماره چهارم/ زمستان 1390

[9] P. Sathiya, S. Aravindan, A. Noorul Haq,” Some
Steel Joints”. Materials and Design, Vol. 29, PP. 1099-Experimental Investigations on Friction Welded Stainless
1109, 2008.

6- پي نوشت

Flash
Inertial friction welding 3- Continuous friction welding



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید