19345

۱۹۳۴۵

بررسي اثر افزودن تيتانيوم بر ريزساختار و خواص سايشي آلياژ روكش‏سخت (Hardfacing) پايه Fe-C-B

دكتري تخصصي

مهندسي مواد

۱۳۹۰

۱۳۹۷/۰۴/۱۱

دكتر مسعود گودرزي

دكتر حامد ثابت

مواد و متالورژي

در اين تحقيق، اثر افزودن تيتانيوم بر ريزساختار و خواص تريبولوژيكي آلياژ روكش‏سخت پايه Fe-B-C مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور، با استفاده از سه سيم جوش توپودري حاوي پودر پايه Fe-B، Fe-B-C و Fe-B-C-Ti عمليات روكش‌كاري سخت روي فولاد ساده كربني ST37 به روش جوشكاري قوسي توپودري، طي سه حالت تك پاسي، دو پاسي و سه پاسي انجام پذيرفت و اثر تيتانيوم با مقايسه و تحليل ريزساختار و خواص سايشي لايه‌هاي مختلف اين سه آلياژ روكش‏سخت مطالعه شد. بررسي‌هاي فازي با استفاده از تفرق اشعه ايكس و نيز بررسي‌هاي ريزساختاري با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به سامانه‏ي آناليز گسيل ميداني نشان داد كه در نمونه‌هاي جوشكاري شده با سيم جوش Fe-B، با افزايش ميزان بور به حدود 18/3 درصد وزني در بالاترين لايه‏ي جوش، ريزساختار شامل يوتكتيك لايه‌اي (α(Fe) - Fe2B) و ذره‏هاي اوليه Fe2B و مقداري FeB در اطراف ذره‏هاي ستوني شكل Fe2B است درحالي‌كه در نمونه‌هاي جوشكاري شده با سيم جوش Fe-B-C، با افزايش ميزان بور به حدود 12/3 درصد وزني و افزايش ميزان كربن به حدود 38/0 درصد وزني در بالاترين لايه‏ي جوش، ريزساختار شامل يوتكتيك (Fe2B P(Fe) -) كه فاز Fe2B به شكل اسكلتي (استخوان ماهي) است و يوتكتيك )(Fe3(C, B P(Fe) -) كه ذره‏هاي Fe3(C, B) به شكل گل هستند و همچنين مقداري FeB در اطراف ذره‏هاي ستوني شكل Fe2B اوليه مي‏باشد. وجود ترك روي سطح تيغه‌هاي ستوني شكل Fe2B اوليه به علت تشكيل FeB و اختلاف ضريب انبساط حرارتي Fe2B و FeB در نمونه‌هاي جوشكاري شده با سيم جوش‌هاي Fe-B و Fe-B-C مشاهده شد. نتايج حاصل از بررسي نمونه‌هاي جوشكاري شده با سيم جوش Fe-B-C-Ti نشان داد كه ريزساختار منطقه‏ي جوش در لايه‏ي اول، شامل فاز مستطيل شكل TiC در زمينه‏ي فريت و يوتكتيك دندريتي لايه‌اي (α(Fe) - Fe2B) بوده كه در لايه‌هاي دوم و سوم با افزايش مقدار تيتانيوم در منطقه‏ي روكش‏سخت، علاوه بر كاربيد تيتانيوم، فاز هگزاگونال TiB2 نيز در زمينه شكل گرفته است كه هم باعث تشكيل نشدن فاز مضر FeB در اطراف فاز Fe2B و هم باعث كاهش ريزترك‌ها در زمينه شده است. همچنين مشخص شد كه دندريت‌هاي يوتكتيكي با افزايش ميزان تيتانيوم به 3/2 درصد وزني كه در لايه‏ي سوم به دست مي‏آيد، از حالت لايه‌اي به كرمي شكل تبديل شدند. آزمايش‌هاي سايش لغزشي خشك با استفاده از دستگاه پين روي ديسك مطابق استاندارد ASTM-G99 در دماي اتاق (25 درجه سانتي‌گراد) تحت بارهاي عمودي 50، 100 و 150 نيوتن و با سرعت لغزش 08/0 متر بر ثانيه و مسافت لغزشي ثابت 1000 متر انجام شد. پژوهش حاضر نشان داد كه با افزودن تيتانيوم به آلياژ روكش‏سخت Fe-B-C سختي و مقاومت به سايش روكش افزايش پيدا مي‏كند. در ميان نمونه‌هاي روكش‌كاري شده با سيم جوش‌هاي Fe-B، Fe-B-C و Fe-B-C-Ti، بهترين مقاومت به سايش را نمونه‏ي سه پاس روكش‌كاري شده با سيم جوش Fe-B-C-Ti داشته است. علت اين موضوع، سختي بالاتر ناشي از بيشتر بودن مقادير بور و تيتانيوم و تشكيل فازهاي غني از تيتانيوم TiC و TiB2 و همچنين كاهش كسر حجمي فاز غني از آهن Fe2B، نسبت به لايه‌هاي ديگر، است. همچنين در نيروي 50 و 100 نيوتن، مكانيزم سايش در همه‏ي نمونه‌هاي روكش‌كاري شده، سايش اكسيداسيون تشخيص داده شد و تشكيل و انهدام پي‌درپي لايه‏ي تريبولوژيكي، نرخ سايش را كنترل مي‌نمايد؛ درحالي‌كه مكانيزم سايش در نيروي 150 نيوتن، علاوه بر اكسيداسيون، شكست ترد نيز تشخيص داده شد.

1397/06/25

Investigation of Titanium addition on Microstructure and Sliding Wear of the Fe-C-B Hardfacing alloys

4/19/2024 12:00:00 AM

In this study, the microstructure, hardness, and dry sliding wear behavior of the hardfaced layers made by cored wires Fe-B, Fe-B-C and Fe-B-C-Ti alloy were investigated and the titanium effect was studied by comparing and analyzing the microstructure and wear properties of the three hardfacing alloys. ST37 steel was used as the substrate and the deposition of the hardfaced layers was conducted by the flux cored arc welding (FCAW) process under single-, two-, and three-pass conditions. Dry sliding wear tests were performed by a pin-on-disk apparatus, based on ASTM-G99, at room temperature (25 C) at the normal applied loads of 50, 100, and 150 N with a constant speed of 0.08 m/s for a sliding distance of 1000 m. The microstructural and phase analyses were carried out by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and X-ray diffraction (XRD), respectively. In samples hardfaced with Fe-B cored wire, with an increase in boron content of 3.18wt.% the microstructure consists of a lamellar eutectic (α-Fe2B) and primary particles of Fe2B and some FeB around the Fe2B columnar particles, while in samples hardfaced with Fe-B-C cored wire, with an increase in boron content of 3.12wt.% and an increase in carbon to 0.38wt.%, the microstructure includes eutectic (P-Fe2B), which is a Fe2B phase in the skeletal (fishbone-like) and eutectic (P-Fe3(C,B)), which is the Fe3 (C, B) rays are daisy-like, as well as some FeB around the primary Fe2B columnar particles. The presence of cracks on the surface of the basic Fe2B column blades due to the formation of FeB and the difference in the Fe2B thermal expansion coefficient and FeB was observed in samples hardfaced with Fe-B and Fe-B-C cored wires. So, the results showed that the hardfaced layer produced by the single-pass process contains TiC rectangular phase distributed within a matrix containing ferrite and the eutectic of (α-Fe2B). But, the hardfaced layers produced by the two- and three-pass process contain TiB2 hexagonal phase in addition to TiC, which prevents the formation of detrimental FeB phase around Fe2B and reduces the number of micro-cracks. Moreover, the sample hardfaced by the three-pass process had the best wear resistance due to the greater hardness resulted from the higher amounts of TiC and TiB2 phases. In addition, increasing the number of passes has led to the reduction of wear rate at all the three applied loads. At the applied load of 100 N, the wear mechanism for the all three hardfaced samples was an oxidation wear. However, at the applied load of 150 N, the wear mechanism was a combination of oxidation and brittle fracture.