تاثير لايه مياني مس بر خواص متالورژيكي اتصال نوردي تيتانيم به فولاد

محسن سبكتكين ريزي*1، سيد غلامرضا رضوي2، حسين مناجاتي زاده3
1 و2- كارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
3- استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
*M_Saboktakin@smt.iaun.ac.ir
(تاريخ دريافت: 03/05/90، تاريخ پذيرش: 07/10/90)

چكيده
روكش تيتانيم بر روي فولاد منجر به ايجاد خواصي همچون مقاومت به سايش و خوردگي بالا مي شود كه باعث كـاربرد وسـيع ايـنكامپوزيت فلزي در صنايعي از جمله صنايع اتمي، شيميايي، هوافضا و همچنين مصارف بيومـواد گرديـده اسـت. يكـي از روش هـاياتصال در حالت جامد جهت اعمال چنين روكشي استفاده از روش اتصال نوردي مي باشد. در اين مقاله كيفيت روكش نوردي تيتانيم بر روي فولاد ساده كربني از لحاظ خواص متالورژيكي، مكانيكي و همچنين تاثير استفاده از لايه مياني مس بر خـواص متـالورژيكياتصال مورد بررسي قرار گرفته است. فصل مشترك روكش و پايه با استفاده از ميكروسكوپ نوري و الكتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت و فازهاي تشكيل شده توسط آناليز تفرق اشعه ايكس شناسايي گرديد. نتايج نشـان مـي دهـد كـه افـزايش دمـاي اتصـال، موجب افزايش ضخامت تركيبات بين فلزي و افزايش سـختي در فواصـل نزديـك بـه فصـل مشـترك روكـش تيتـانيمي بـه فلـز پايـهمي گردد.

واژه هايكليدي:
تيتانيم، اتصال نوردي، روكش، فولاد، خواص مكانيكي، لايه مياني مس

1-مقدمه
اعمال روكش تيتانيم بر روي فولاد باعث ايجاد خـواص منحصـربه فردي همچون مقاومت به خوردگي بالا مي شود كـه منجـر بـهكاربرد وسيع اين كامپوزيـت فلـزي در صـنايعي از جملـه صـنايعاتمي، شيميايي، هوا فضا، بيومواد و حتي صنايع هسته اي گرديـدهاست [1]. اما از آنجاييكـه تيتـانيم حلاليـت محـدودي در آهـندارد و ه مچن ين ي ك عنص ر كاربي د زاي ق وي م ي باش د، ل ذا استحكام و چسبندگي بالاي روكـش بـه زيـر لايـه حـائز اهميـتبوده و بايـد مـورد توجـه قـرار گيـرد [2]. در اتصـال يـا روكـش مس تقيم آلياژه اي تيت انيم ب ه ف ولاد، برخ ي از تركيب ات ت رد و شكننده و همچنين كاربيد تيتانيم (TiC) تشكيل و باعث ترد شدن و كاهش استحكام و چسبندگي محـل اتصـال خواهنـد شـد. لـذاروشهاي مختلفي ديگري از جملـه جوشـكاري انفجـاري1[3] و اتصال نفوذي2[4]، براي اتصال تيتانيم به فولاد مورد استفاده قرار گرفته است. در جوشكاري با اتصال انفجاري بـا اينكـه اسـتحكاممحل اتصال بيشتر از فلزات پايه مي باشـد ولـي اعمـال تغييـر فـرمپلاستيكي شديد جهت اتصال منجر به جدايش و ترك در محـلاتصال مي شود. در اتصال نفوذي تشكيل تركيبات بين فلزي تـردباعث كاهش استحكام محل اتصـال مـي گـردد . بنـابراين كـاهش درصد تركيبات بين فلزي عامل مهمي در بهبود استحكام اتصـالمي باشد [4]. در اتصال نوردي3 تيتـانيم بـه فـولاد از آنجـايي كـهزمان انجام فرآيند بسيار كوتاه مي باشـد زمـان كـافي بـراي نفـوذدرهم اجزاي مورد اتصال وجود نداشـته و درصـد تركيبـات بـينفلـزي ب ه آس اني قابـل كنت رل م ـيباش د [5]. ه مچن ين طب ق بررسي هاي انجام شده استفاده از مس به عنوان لايه مياني مـانع ازتشكيل تركيبات Fe-Ti و بهبود سطوح مورد اتصال مي شود [6].
بر اساس دياگرام فازي تيتانيم- مس وآهن- مـس، هـيچ تركيـبب ين فل زي ب ين م س و آه ن تش كيل نخواه د ش د و ه م چن ين تركيبات بين فلزي تشـكيل شـده بـين تيتـانيم و مـس خيلـي تـردنيستند [7]. به دليـل پـايين بـودن نقطـه ذوب مـس و پلاستيسـيتهبالاي آن استفاده از مس براي ايجاد تمـاس بـين دو سـطح مـورداتصال مناسب است [8]. در اين تحقيـق اعمـال روكـش نـورديتيتانيم خالص تجاري بر روي فولاد ساده كربني با استفاده ار لايه مياني مس از لحاظ خواص مكانيكي، فيزيكـي و هـمچنـين تـاثيردماي نورد بر ساختار و استحكام اتصال مورد ارزيابي قرار گرفته است.

2- مواد و روش تحقيق
ورق تيتــانيم خــالص تجــاري و فــولاد ســاده كربنــي بــا ابعــاد (mm) 2×100×150 با تركيـب شـيميايي موجـود در جـدول (1) تهيه شد. هـم چنـين بـه عنـوان لايـه ميـاني از فويـل مـس خـالصتجاري به ضخامت 100 ميكرومتر استفاده گرديـد . ورق تيتـانيم،مس و فولاد بر روي هم پرچ و نمونـه هـاي تهيـه شـده در كـورهتحت اتمسفر خنثي در دماي بين ºC900-800 به مدت 40 دقيقـهپيش گرم و سـپس بـه منظـور اعمـال كـرنش حقيقـي 30 درصـد عمليات نوردگرم بر روي نمونه ها انجام شد و در نهايت نمونـه هـادر كوره تحـت اتمسـفر خنثـي سـرد شـد. خـواص و ريزسـاختارنمونه هاي حاصـل از نـورد گـرم بوسـيله ميكروسـكوپ نـوري والكترون ي روبش ي(SEM)4، مجه ز ب ه آن اليز نقطـ هاي (EDX)5
بهـار
مورد بررسي قرار گرفتند. اندازه دانـه هـا نيـز از روي تصـاوير
ميكروس كوپ ن وري و مط ابق روش خط ي ان دازه گي ري و ب ا استفاده از رابطه Jefree محاسبه شد.

جدول (1): تركيب شيميايي مواد مورد استفاده (درصد وزني)

آلياژ
عناصر تيتانيم فولاد ساده كربني
C 0/02 0/12
Ti Bal. –
Mn – 0/5
H 0/01 –
O 0/25 –
N 0/03 –
Si – 0/5
P – 0/035
S – 0/035
Fe 0/03 Bal.

براي حكاكي فولاد از محلول نايتال 3% و براي حكاكي تيتانيم از محلــــــــول كــــــــرول 6 بــــــــا تركيــــــــب شــــــــيميايي
(92ml H2O, 2ml HF, 6ml HCl) استفاده گرديد. براي تعيـيننــوع فازهــاي موجــود در زمينــه نيــز از دســتگاه پــراش اشــعه
ايك س(XRD)7 م دل Philip X,Pert اس تفاده ش د. چس بندگي روكش اعمالي به فولاد نيـز بـا اسـتفاده از آزمـون پيلينـگ8 و بـر
اساس استاندارد ASTM D1876 در دستگاه آزمون كشش مدل Instron 4486 انجام گرفت و جهت اندازه گيري سختي روكش، پايــه و نقــاط نزديــك بــه آن ريــز ســختي ســنجي ويكــرز بــانيروي63/37 گرم در دمايºC4/26 مورد استفاده قرار گرفت. بـهمنظور سنجش نحوه توزيع سختي در اطراف فصل مشترك، ريـزس ختي س نجي ب ه فواص ل 25، 50، 100 و 200 ميكرومت ر از دو طرف فصل مشترك به سمت زير لايه فولادي و روكش تيتانيمي اندازهگيري شد.
3-نتايج و بحث
3-1- بررسي ساختار فصل مشترك اتصال نوردي تيتانيم به فولاد
تيت انيم ب ه ف ولاد در دماه اي م ورد آزم ايش را نش ان م يده د.
نتايج نشان مي دهد كه اعمال روكش تيتانيم بر روي فولاد توسط فرآيند نورد گرم در دمـاي بـالاتر ازºC 900 و كـم تـر ازºC 800 امكانپذير نمي باشد. با توجه بـه اينكـه تيتـانيم در دماهـاي پـايينداراي فاز الفا با ساختار هگزاگونال مي باشد و داراي سيستم هـايلغزشي محدودي ميباشد، لذا مقاومـت بـه تغييـر فـرم پلاسـتيكياجزاي مورد اتصال زياد بوده و نيروي اعمالي جهت اتصال، براي تغيير فرم پلاستيكي و شكستن فيلم اكسيدي و ديگر ناخالصي هـادر فصل مشترك اتصال كافي نبوده و لذا روكش تيتانيم و فولاد در دم ايي كمت ر از ºC800 امك ان پ ذير نم ي باش د [9-10]. از طرف ديگر در دماهـاي بـالاتر ازºC 900 تيتـانيم و مـس تشـكيليك نقطه ذوب يوتكتيك مي دهند و درصد تركيبات بـين فلـزيدر طول فصـل مشـترك تيتـانيم- مـس بـهطـور قابـل ملاحظـهاي اف زايش يافت ه و موج ب ت رك و ج دايش در فص ل مش ـتركروك ش و فل ز پاي ه م يگ ردد، ل ذا روك ش تيت انيم و ف ولاد در دماهايي بالاتر از ºC900 امكانپذير نخواهد بود [11]. شكل (1) تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از فصل مشترك روكـشمس داراي شبكه متراكمFcc مي باشد لذا اين امر منجـر گرديـدهكه نفوذ اتم هـاي مـس در شـبكه غيـر متـراكم تيتـانيم راحـتتـرص ورت پذيرفت ه و ب ا اف زايش دم اي فرآين د، ات م ه اي م س مسافت هاي بيشتري را در شبكه تيتانيم نفوذ كنند [11].
201930254172

همانگونه كه مشاهده مي شود هيچ لايـه نفـوذي يـا واكنشـي درفصل مشترك مس و فولاد رخ نداده است كه آن را مي تـوان بـهحلالي ت مح دود م س در ف ولاد و كوت اه ب ودن زم ان فرآين داتص ال ده ي نس بت داد[5 -6]. ام ا در فص ل مش ترك اتص التيتانيم- مس مشاهده مـي شـود كـه سـه لايـه واكنشـي حاصـل ازفرآين د نف وذ م س در ش بكه تيت انيم در فص ل مش ترك اتص التش كيل گردي ده اس ت ك ه در دماه اي مختل ف اتص ال، داراي ضخامت هـاي متفـاوتي مـي باشـند . افـزايش ضـخامت لايـه هـا بـاافزايش دما، به دليل ساختار متفاوت تيتانيم در بالا و پـايين دمـايºC882 مي باشد به گونهاي كه تيتانيم در زيـر دمـاي فـوق دارايساختار ساختار آلفا با شبكه هگزاگونال و بـالاي ايـن دمـا دارايساختار بتا با شبكه مكعبي مركزدار مي باشد و بـا توجـه بـه اينكـه

شكل (1): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) از فصل مشترك اتصال نوردي تيتانيم به فولاد در دماهاي: الف) ºC800، ب) ºC850 و
900ºC (ج
شكل (2) نمودار افـزايش ضـخامت لايـههـاي نفـوذي در فصـلمشترك اتصال تيتانيم- مس با دما را نشان مي دهـد، كـه افـزايشضخامت تركيبات با افزايش دما به خوبي قابل ملاحظه مي باشد.

شكل (2): ضخامت تركيبات بين فلزي تشكيل شده در فصل مشترك تيتانيم- مس بر حسب دما

جهت پي بردن بـه ماهيـت ايـن لايـههـا آنـاليزEDX انجـام شـد.
تركيب شيميايي بدست آمده از آناليز عنصـري فـوق بـا ديـاگرامفازي تيتانيم- مس تطبيق و فازهاي تشكيل شـده در ايـن لايـه هـاتخمين زده شد كـه نتـايج حاصـل در جـدول (2) گـزارش شـدهاست. همانگونه كه مشـاهده مـي گـردد لايـههـاي تشـكيل شـدهحــاوي تركيبــات 4 Ti2Cu ،Ti Cu ،Ti3Cu4 ،Ti2Cu3 ،TiCuمي باشند كه مطابق شكل (2) با افزايش دما، ضخامت اين لايه هـانيز افزايش يافته است. نتايج نشـان مـي دهـد كـه رشـد لايـه هـاينفوذي مجزا به صـورت سـهمي مـي باشـد و بـا فـرض ديفوزيـونكنترل بودن واكنش از روابط زير بدست ميآيد:
X 2 = kt (1)

−Q
K = k0 exp(

RT ) (2)

ك ه در رواب ط ف وق X: ض خامت لاي ه ه اي نف وذي ب ر حس ب (t ،(m: زم ان اتص الده ي ب ر حس ب (T ،(S: دم اي اتص ال ب ر

بهـار
حسـ ب(K0 ،(K: ثابــت رشـ د بـ ر حسـ ب (1-Q ،(m2s: انــرژي
فعــالســازي بــراي رشــد لايــه هــا (1-R ،(KJmol: ثابــت گازهــا (1-8.314 Jmol-1k) مي باشد [6-9].

جدول (2): فازهاي تشخيص داده شده در فصل مشترك تيتانيم- مس با توجه به نتايج حاصل از آناليز عنصري EDX و تطبيق آن با دياگرام فازي تيتانيم- مس
(C˚) دما لايه فازهاي تشكيل شده
800 1 Ti2Cu3+βTiCu4
2 TiCu+Ti3Cu4
3 Ti2Cu+Ti
850 1 Cu+βTiCu4
2 Ti2Cu
3 TiCu+Ti2Cu
900 1 Ti2Cu3+Ti3Cu4
2 Ti2Cu+TiCu
3 Ti2Cu+Ti

جهت بررسي نحـوه توزيـع عناصـر مختلـف بـه خصـوص آهـن،تيتانيم و مس در فصل مشترك اتصال، آناليز خطي تهيه گرديـد .
شــكل (3) تصـ وير حاصــل از آنـ اليز خطــي فصـ ل مشـ ترك تيتانيم- فولاد در دماي ºC900 را نشان مي دهد. بر اساس آنـاليزخطي فوق ملاحظه مي گـردد كـه عنصـر مـس نفـوذ چنـداني درشبكه فولاد نداشته است كه دليل آن كم بودن حلاليت و ضريب نفوذ مس در آهن مـيباشـد (DαCuFe = 4.42 ×10−9 cm 2

s ) ولي عنصر مس بـهطـور قابـل ملاحظـه اي در شـبكه تيتـانيم نفـوذكرده است بهطوري كـه حضـور عنصـر مـس در فواصـل دور ازفصل مشترك قابـل مشـاهده اسـت. مهـاجرت اتـم هـاي مـس درفواصل دور از شـبكه تيتـانيم در دمـايºC 900 بـه دليـل افـزايشضريب نفوذ مس در شـبكه تيتـانيم بتـا بـا افـزايش دمـا مـي باشـد
.[4]( DβCuTi =11.3×10−3 cm 2

s )

شكل (3): نتايج حاصل از آناليز خطي از توزيع عناصر مختلف در فصل مشترك تيتانيم- فولاد در دماي ºC900

در بررسي فصل مشترك اتصال نوردي تيتـانيم بـه فـولاد كـه درش كل (4) نش ان داده ش ده اس ت ي ك س اختار س وزني ش كلمشاهده مي گردد.

شكل (4): ساختار سوزني شكل α+β در فصل مشترك اتصال تيتانيم- مس در دماي ºC900

از آنجايي كه مس يك عنصر پايدار كننده فاز بتـا مـي باشـد لـذا
با بررسي بيشتر ساختار موجود در شكل فوق مشخص گرديد كه ساختار حاصله سـاختار سـوزني شـكلα+β اسـت . ايجـاد چنـينساختاري در فصل مشترك تيتانيم- مس به اين علت مي باشد كه وجود لايه مياني مس در فصـل مشـترك اتصـال موجـب پايـدار شدن فاز β گشته و مهاجرت اتم هاي مس در شبكه تيتانيم باعـثكــاهش دمــاي اســتحاله يوتكتوئيــدβ⎯882⎯⎯→ +°C α β مي شود و ساختار سوزني شكل α+β از تجزيه فاز β در طول سرد كردن نمونه ها حاصل مي گردد [4 -8].
3-2- نتايج حاصل از ريـز سـختي سـنجي فصـل مشـتركاتصال نوردي تيتانيم به فولاد
شكل (5) تصوير ميكروسكپ نوري از ريز سختي سـنجي فصـلمشترك اتصال نوردي و شكل (6) نتـايج حاصـل از ريـز سـختيسنجي ويكرز نمونه ها در دماهاي مختلف مورد آزمايش را نشـانمي دهد .

شكل (5):تصوير ميكروسكوپ نوري از ريز سختي سنجي نمونه هاي مورد اتصال

شكل (6): ننايج حاصل از ريز سختي سنجي فواصل دور و نزديك به فصل
مشترك
همانطـور كـه مشـاهده مـي گـردد در نـواحي نزديـك بـه فصـلمشترك تيتانيم با مس، سختي بـالا اسـت و بـا افـزايش فاصـله ازفصل مشترك مقدار سـختي كـاهش يافتـه اسـت ولـي در فصـلمشترك فولاد با مـس تغييـر چنـداني در مقـدار سـختي مشـاهدهنمي شود. افزايش مقدار سختي در فصل مشترك مس- تيتانيم بـهدلي ل تش كيل فازه اي ب ين فل زي متش كل از تركيب ات Ti-Cuمي باشد كه اين تركيبات داراي سختي بالاتري نسـبت بـه فلـزاتپايه ميباشند [10] و چون بـر اسـاس شـكل (2) بـا افـزايش دمـاميزان اين تركيبات افزايش يافته، لذا مقدار سختي نيز بـا افـزايشدما در فواصل نزديك به فصل مشـترك تيتـانيم و مـس افـزايشمييابد. همـان طـور كـه در شـكل (5) مشـاهده مـي گـردد ميـزاندرخش ندگي نقط ه اث ر در فص ل مش ترك اتص ال بيش تر از بقي ه نواحي است كه اين بيانگر سختي بيشتر نواحي نزديك بـه فصـل مشترك مي باشد.
3-3- بررسي نتايج حاصل از آناليز XRD نتايج حاصل از آناليز XRD از سطح شكسـت روكـش تيتـانيم بـهفولاد در شكل (7) نشان داده شده است.

شكل (7):نتايج حاصل از آناليز تفرق اشعه ايكس
بهار
الگوي پراش حاصله از سطح شكست نشان مي دهـد كـه فازهـايتشــــكيل شــــده در فصــــل مشــــترك اغلــــب فازهـــ اي 3Ti2Cu ،TiCu ،Ti3Cu4 ،Ti2Cu بوده و هـيچ فـازي از تركيبـاتFe-Ti و كاربيد تيتانيم (TiC) در سطوح اتصال مشاهده نگرديـد . همچنين حضور عنصر مس در سـطح شكسـت اتصـال در دمـايºC900-800 نشان دهنده اين است كه شكست در ناحيه بين مس و تركيبات بين فلزي رخ داده است كـ ه خـود بيـانگر چسـبندگيمناسب بين تيتانيم- مس و مس- فولاد مي باشد.

4- نتيجهگيري:
فصل مشترك فولاد- مس عاري از هرگونه لايه هاي واكنشي حاصل از فرآيند نفوذ مي باشد.
در فصل مشترك مس-تيتانيم بـه دليـل نفـوذ مـس در شـبكهتيتانيم، سه لايه نفوذي حاصل مي گردد.
مس به عنوان يك لايه ميـاني پايـدار كننـده فـازβ بـوده كـهضمن تشـكيل سـاختار سـوزني شـكلα+β بـه عنـوان يـك مـانعنفوذي عمل كرده و مـانع از نفـوذ تيتـانيم و آهـن در يكـديگر وتشكل تركيبات بين فلزي Fe-TiوTiC مي شود. 4- تشكيل تركيبات بين فلزي Ti-Cu موجب افزايش سـختي درفواصل نزديك به فصل مشترك تيتانيم- مس مي گردد.

5- مراجع
S. N. Polyanskii and V.S. Kolnogorov, “Cladded steel for the Oil and Gas Industries”, Chemical and petroleum Engineering, Vol. 38, pp. 11–12, 2002.

G. E. Totten, Steel Heat treatment Handbook 2rd ed, p. 1718, Taylor & Francis, 2006.

N. Kahramana and B.Gulenc, “Joining of
Titanium/Stainless Steel By Explosive Welding And Effect on Interface”, Materials Processing Technology, Vol. 169, pp. 127–133, 2005.

A. Elrefaey and W. Tillmann, “Solid State Diffusion Bonding Of Titanium to Steel Using A Copper Base Alloy as Interlayer”, Materials Processing Technology, Vol. 209, pp. 2746–2752. 2009.

T. Fukuda and Y. Seino, “Bonding Strength and Microstructure of Bonding Interface of Hot Rolled Titanium Clad Steel”, Iron and Steel Institute of Japan, Vol. 75, pp. 94-101, 1989.

S. Kundu and S. Chatterjee, “Characterization of Diffusion Bonded Joint Between Titanium and 304 Stainless Steel Using a Ni Interlayer”, Materials Characterization, Vol.
59, pp. 631-637, 2008.

M. K. Lee and J. G. Lee, “Interlayer Engineering for Dissimilar Bonding of Titanium to Stainless Steel”, Materials letters, Vol. 64, Issue. 9, pp. 1105-1108, 2010.

A. Elrefaey and W. Tillmann, “Evaluation of Transient Liquid Phase Bonding Between Titanium and Steel”, Advanced Engineering Materials, Vol. 11, No. 7, pp. 556560, 2009.

S. Dziallach and W. Bleck, “Roll-Bonded Titanium/
Stainless-Steel Couples, Part1 Diffusion and InterfaceLayer Investigation”, Advanced Engineering Materials, Vol. 11, No. 1-2, pp. 82-87, 2009.

R Ferro and A. Saccoe, Intermetallic Chemistry, Elsevier, London, 2008.

C. Leyens and M. Peters, Titanium and Titanium Alloy, Wiley-VCH, Germany, 2003.

6- پينوشت
Explosive welding
Diffusion bonding
Roll bonding
Scanning Electron Microscope
Energy Dispersive X-ray fluorescence
Kroll’s Solution
X-ray Diffraction 8- Peeling Test



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید