بررسي و مقايسه ريزساختار، سختي و مقاومت به سايش لايههاي سخت
كامپوزيتي ايجاد شده به روش جوشكاري FCAW حاوي ذرات TiC و
TiCN بر روي فولاد ساده كربني

مهدي محمديخواه1، حامد ثابت*2، عل ي شكوهفر3، سعيد محرابيان4 و اكبر هاديزاده5
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد، عضو باشگاه پژوهشگران جوان دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
عضو هيأت علمي گروه مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
استاد، دانشكده مهندسي مكانيك، دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي
1 و 4 و 5- شركت كاوش جوش
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 30/08/1388، تاريخ پذيرش: 22/11/1388)

چكيده
در اين تحقيق با استفاده از يك نوع سيم جوش توپودري حاوي مواد فروآلياژي عملي ات روكشكاري سخت توسط فرآيند FCAW با گازهاي محافظ مختلف آرگون و نيتروژن بر روي فولاد ساده كربني انجام گرديد. آزمايش آناليز شيميايي حكايت از جذب نيتروژن در نمونه جوشكاري شده با گاز نيتروژن دارد. نتايج آزمايشهاي پراش پرتو(XRD) X ، متالوگرافي SEM و آناليز نقطهايEDX بيانگر حضور رسوبات كربونيتريد تيتانيم(TiCN) در فلز جوش نمونه جوشكاري شده با گاز نيتروژن و همچنين رسوبات كاربيد تيتانيم (TiC) در نمونه جوشكاري شده با گاز آرگون در زمينه فريتي ميباشند. نتايج سختيسنجي بيانگر بالاتر بودن سختي نمونه جوشكاري شده با گاز نيتروژن در مقايسه با نمونه جوشكاري شده با گاز آرگون ميباشد. همچنين آزمون سايش انجام گرفته (ASTM G65) نشان ميدهد كه نمونه جوشكاري شده با گاز نيتروژن مقاومت به سايش بالاتري نسبت به نمونه جوشكاري شده با گاز آرگون دارد، بررسي SEM سطوح ساييده شده مشخص نمودكه مكانيزم سايش نمونههاي جوشكاري شده با گاز محافظ نيتروژن و با گاز محافظ آرگون شخم زني بوده است ولي خطوط شيار در سطح نمونه جوشكاري شده با گاز نيتروژن از عمق كمتري نسبت به نمونه جوشكاري شده با گاز آرگون برخوردار هستند كه اين امر مربوط به مقدار و توزيع فازهاي TiCN و TiC در نمونهها ميباشد.

واژهها ي كليدي:
FCAW، ريزساختار، سختي، مقاومت به سايش، TiCN ،TiC، فولاد ساده كربني.

1- مقدمه
سايش عبارت است از كاهش تدريجي ماده از سطح جسمي كـهدر مقابل سطح جسم ديگر حركت نسبي دارد. سايش بر خـلافمدول الاستيسيته و سختي، خاصيت ذاتي ماده نيست و بستـگي به مولفـه ه اي سـطحي ي ك مجموعـه (تريبوسي ستم1) دارد. پدي ده مذكور موجب اختلال در كـارايي قطعـات شـده و ممكـن اسـتمنجر به شكست فاجعهآميز آنها گردد [1].
ميزان سايش مواد تابعي از شرايط سايش، نيروهاي اعمالي، جنس و اندازه ذرات ساينده موجود در مجموعه و همچنين پارامترهاي متالورژيكي ماده تحت سايش همچون ساختار ميكروسكوپي، فازها و دانهبندي دارد [1 و 2]. انتخاب مواد مقاوم به سايش ميتواند به طور قابل ملاحظهاي در كاهش هزينهها و افزايش عمركاري قطعات مؤثر باشد. براي اين منظور شناسايي مكانيزمهاي سايش و روشهاي محافظت از سطح تحت سايش براي يك انتخاب صحيح بسيار پراهميت ميباشد [3].
به طور كلي نحوه جابجايي مواد و ويژگيهاي سطوح ساييده شده، نوع سايش را تعيين ميكند، لذا ميتوان انواع سايش را به دو روش عمده طبقهبند ي نمود [3 و 4]:
الف- بر اساس مكانيزم سايش ب- بر اساس محيط و نوع حركت
در دستهبندي اول طبق استاندارد DIN 50320 مكانيزمهاي سايش به چهار گروه كل ي تقسيم ميشوند كه عبارتند از:
1- الف- چسبان 2- الف- خراشان
3- الف- خستگي 4- الف- خوردگي
سايش خراشان متداولترين مكانيزم سايش قطعات و ماشينآلات صنعتي است و موقعي رخ ميدهد كه سطح سخت و زبر در مقابل يك سطح نرمتر حركت لغزشي داشته و در آن فرو رفته و يك سري شيارهايي را به وجود آورد. به عبارت دقيقتر جابجايي مواد به وسيله ذرات يا دندانههاي سخت را سايش خراشان ميگويند. اين مكانيزم به دو گروه سايش خراشان دو جسمه و سه جسمه تقسيم ميشوند. در سايش دو جسمه، دندانهاي سخت و در سايش سه جسمه ذرات سخت باعث سايش سطوح ميشوند.
روش دوم از دستهبندي سايش بر اساس محيط و نوع حركت و يا به عبارت ي بر اساس نوع تماس سطوح ساي ش يافته است كه به صورت زير تقسيمبندي ميشود [4]:
1- ب- سايش لغزشي 2- ب- سايش غلطشي
3- ب- سايش ضربهاي 4- ب- سايش نوساني
5- ب- سايش رفتگي
روشهايي كه براي كاهش نرخ سايش حاصل از مكانيزمهاي بالا و حفاظت سطح ب ه كار ميروند، عبارتند از [3 و 5]:
استفاده از روانكارهاي مناسب
سخت كردن سطحي (عمليات حرارتي ترموشيميايي-عمليات حرارتي سطحي)
آبكاري الكتريكي (كروم سخت و …)
كاشت يوني
ايجاد لايههاي مقاوم به سايش به روش جوشكاري يك روش متداول جهت افزايش عمر قطعات در معرض سايش، استفاده از عمليات سختكاري (ايجاد لايههاي سخت) توسط جوشكاري براي محافظت از سطح ميباشد [5]. سخت كاري يا روكشكاري سخت توسط جوشكاري در ابزارآلات كشاورزي، حفاري، صنايع نيشكر، معادن و ديگر صنايع براي افزايش سختي و مقاومت به سايش خراشان توأم با ضربه اجزاء استفاده ميگردد. آلياژهاي مورد استفاده جهت ايجاد لايه مقاوم به سايش بر روي فلزات پايه آهني (فولاد كربني و كمآلياژ) به دو دسته عمده آلياژها ي آهن ي وآلياژها ي غير آهني تقسيمبندي ميشوند. آلياژهاي آهني ب ه كار رفته براي اين منظور در دو دسته عمده زير قرار دارند [6 و 7]:
1- آلياژهاي پايه Fe-Cr-C
2-آلياژهاي پايه x) Fe-C-X عنصر كاربيدزا ) آلياژهاي غير آهني مورد استفاده نيز دو دستهاند كه عبارتند از:
آلياژهاي پايه كبالت
آلياژها ي پايه نيكل
آلياژها ي پايه آهني به علت قيمت مناسب و مقاومت به سايش بالاتر نسبت به آلياژهاي پايه غير آهني بيشتر مورد توجه مهندسين و صنعتگران بودهاند [7]. اين آلياژها بر اساس ساختار ميكروسكوپي به دستههاي مختلفي تقسيمبندي ميشوند كه عبارتند از [8 و 9]:
ساختار فريتي- بينيتي
ساختار آستنيت– كاربيد ماقبل يوتكتيك
ساختار مارتنزيتي
ساختار كاربيد اوليه به همراه يوتكتيك آستنيت– كاربيد
ساختار آستنيتي
ساختار آستنيتي- مارتنزيتي
ساختار يوتكتيك آستنيت- كاربيد
ساختارهاي حاو ي آستنيت و ي ا فريت برا ي كاربردهاي مقاومت به سايش خراشان توأم با ضربه بالا و مقاومت به سايش خراشان تحت نيروهاي كم مناسب ميباشند، ساختارهاي حاوي مارتنزيت براي كاربردهاي مقاومت به سايش خراشان تحت نيروهاي كم و مقاومت به سايش چسبان فلز با فلز مناسب ميباشند و ساختارهاي حاوي كاربي د براي كاربردهاي مقاومت به سايش خراشان بسي ار شديد، مقاومت به سايش در دماها ي بالا و مقاومت به سايش توأم با خوردگي كم مناسب ميباشند [9].
در سيستمهاي آلياژي حاوي كاربيد حضور كربن و عناصر كاربيدزا الزامي ميباشد. در اين نوع سيستمهاي آلياژي مورفولوژي، تركيب و چسبندگي كاربيد با زمينه و توزيع كاربيدها نقش بسيار تعيينكنندهاي بر خواص سايش ي آلياژ دارد [10]. يكي از اهداف محققين جهت بهبود عملكرد سايشي سيستمهاي آلياژي حاوي كاربيد توزيع مناسبتر و كاهش اندازههاي كاربيدها بوده است [10 و 11]. بدينمنظور در سيستمها ي آلياژي Fe-Cr-C استفاده از عناصر كاربيدزا ي قوي مانند Ti يا Nb جهت توزيع مناسبتر و كاهش اندازههاي كاربيد توصيه شده است [11]. بررسيها نشان داده است كه نيتريدها، كربونيتريدها، كربوبرايدها و برايدها را ميتوان جايگزين كاربيدها در شرايط سايش ي متفاوت نمود [12].
در همين خصوص استفاده از بور به همراه كربن به منظور تشكيل كاربوبرايد و همچنين استفاده از تيتانيم به همراه كربن و گاز نيتروژن جهت تشكيل كربونيتريد تيتانيم در لايه سخت بيشتر مورد توجه بوده است [13 و 14]. استفاده از كربن، نيتروژن و تيتانيم به دليل ايجاد ذرات كربونيتريد تيتانيم كوچك و ريز در زمي نه چقرمگي خوب و مقاومت به سايش مناسبي را هم فراهم مينماي ند كه برا ي كاربردهاي مقاومت به سايش همراه با ضربه توصيه شده است [15].
تحقيقاتي در مورد بكارگيري گاز 100% نيتروژن به عنوان گاز محافظ در آلياژسازي سطحي به همراه تيتانيم توسط فرآيند جوشكاري ليزر براي ايجاد پوششهاي سخت به كار گرفته شده است. گزارش شده است كه اين ذرات ريز نيتريدي TiN)) به عنوان مانعي در سر راه ذرات ساينده قرار گرفته و با ايجاد يك ساختار كامپوزيتي باعث افزايش مقاومت به سايش خراشان شدهاند [15 و 16]. عمليات سختكاري به همراه گاز نيتروژن خالص توسط ديگر فرآيندها توصيه نمي شود زيرا، مثلاً در مورد فرآيند TIG با استفاده از گاز محافظ 100% نيتروژن تخريب شديد الكترود تنگستني رخ ميدهد. علت اين امر ايجاد حرارت بسيار بالا در قوس حاصل از محافظت گاز نيتروژن بوده كه باعث ذوب و اكسيد شدن الكترود تنگستني ميگردد [17].
تحقيقات در مورد استفاده از گاز نيتروژن در جوشكاري قوسي نشان ميدهد [18] كه غلظت بالايي از عنصر نيتروژن در حوضچه جوش حل شده و حفراتي در منطقه جوش تشكيل نميگردد. زيرا نيتروژن ميتواند با عناصر فعال موجود در حوضچه جوش واكنش داده و به صورت تركيبات پايه نيتريدي در ساختار ظاهر گردد، بنابراين امكان بهبود خواص سطحي از طريق آلياژسازي به همراه گاز نيتروژن در جوشكاري قوسي نيز وجود دارد.
هدف از انجام اين تحقيق بررسي بكارگيري گاز نيتروژن در جوشكاري سيم توپودري حاوي عنصر تيتانيم و بررسي و مقايسه ريزساختارهاي حاصله با نمونههاي جوشكاري شده تحت پوشش گاز آرگون بوده و در آن به بررسي مقاومت به سايش نمونههاي جوشكاري شده مختلف پرداخته ميشود.

2- روش تحقيق
در اين تحقيق فولاد ساده كربني (ST52) با ابعاد 12×200×400 ميليمتر به عنوان فلز پايه استفاده گرديد. همچنين از سيم جوش

جدول (1): تركيب شيميايي فلز پايه (درصد وزني).
Fe C Mn Si S P
باقيمانده 0/22 1/60 0/55 0/04 0/04

KJF-610F به عنوان سيم جوش مصرفي حاوي تركيبات تيتانيمدار استفاده شد. جدول (1) تركيب شيميايي فلز پايه را نشان ميدهد.
قبل از جوشكاري اكسيدهاي سطحي فلز پايه (ST52)به كمك سنبادهزني زدوده شدند و سپس توسط استون چربيزدايي گرديدند. روكشكاري سطح به روش عمليات جوشكاري مطابق با پارامترهاي ارائه شده در جدول (2) انجام شد. براي اين منظور 2 سري نمونه با شراي ط يكسان ولي با تغيير در نوع گاز محافظ توليد شدند. يكي از نمونهها با گاز آرگون و ديگري با گاز نيتروژن تحت عمليات روكشدهي سخت قرارگرفتند. بعد از عمليات جوشكاري نمونههايي از كليه قطعات جوشكاري شده تهيه شدند. براي اين منظور 3 سري نمونه تهيه گرديد، نمونههاي سري اول داراي ابعاد 4×10×10 ميليمتر جهت آزمايش XRD در نظر گرفته شدند. نمونههاي سري دوم در ابعاد 10×20×40 ميليمتر تهيه و جهت آزمونهاي تركيب شيميايي، متالوگرافي و سختيسنجي مورد استفاده قرار گرفتند و نمونههاي سري سوم با ابعاد 10×25×75 ميليمتر تهيه شدند كه جهت آزمون سايش مورد استفاده قرار گرفتند.
آزمون تركيب شيميايي به روش اسپكترومتري نشر نوري2 با دستگاه مدل Master در 3 نقطه از سطح نمونه هاي تهيه شده انجام گرديد تا مقادير حداكثر و حداقل عناصر موجود (محدوده تركيب شيميايي) در فلز جوش تعيين گردد. همچنين با استفاده
از دستگاه سنجش نيتروژن مدل Leco-EF-400 ميزان نيتروژن موجود در قطعه جوشكاري شده تحت گاز نيتروژن تعيين گرديد.
جهت بررسي ريزساختار، نمونهها، پس از سنبادهزني و پوليش، توسط محلول نايتال 3 درصد اچ گرديدند و بررسي متالوگرافي بر روي آنها انجام شد. براي اين منظور از يك دستگاه

جدول (2): پارامترهاي جوشكاري نمونهها.
فرآيند FCAW دستي
دستگاه جوشكاري GAAM ELECTRIC/ PARS MIG602
(mm) قطر سيم 1/6
(mm) طول قوس 4-5
(V) ولتاژ 28 -30
(A) شدت جريان 290-300
تعداد پاسها 5
نوع گاز نيتروژن خالص – آرگون خالص
915924106734

12: براي گاز آرگون (Lmin) دبي گاز
15: براي گاز نيتروژن
C° دماي بين پاسي 200-220
قطبيت DCEP

cm
)
(
min

سيم

ورود

سرعت

700

جوشكاري

سرعت
cm
(
)
min

25

24

kj
(
)
cm

حرارت
هر

ورودي

پاس

18

17

cm

)

(

min

سيم

ورود

سرعت

700

جوشكاري



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید