22034

22034

بررسي پارامترهاي موثر بر اتصال كاربيد تنگستن به فولاد با استفاده از واكنش هاي سنتز احتراقي

كارشناسي ارشد

استخراج فلزات

96-97

1399/3/12

دكتر ماندانا عادلي - دكتر منصور سلطانيه

مواد و متالورژي

هدف از پژوهش حاضر امكان سنجي اتصال كاربيد تنگستن WC-8Co به فولاد VCN-150 با استفاده از واكنش¬هاي سنتز احتراقي و بررسي ميزان چسبندگي و استحكام اتصال و نيز عوامل موثر بر اين فرآيند است. بر اين اساس يك سامانه آزمايشگاهي كه وظيفه¬ي اعمال فشار محوري، گرمايش سريع و تأمين اتمسفر محافظ براي ايجاد اتصال بين دو قطعه فولاد و كاربيد¬ تنگستن را داشت، طراحي و ساخته شد. در اين راستا پودرهاي نيكل و تيتانيم تجاري به عنوان پودرهاي واكنش¬گر اوليه و منبع توليد گرما در فرآيند اتصال مورد استفاده قرار گرفتند و از اين پودر¬ها به منظور تهيه مخلوط¬¬هاي فشرده پودري Ni+Ti استفاده شد. اجزاي مورد اتصال و مخلوط پودري فشرده نيكل – تيتانيم مابين آن¬ها در اتمسفر آرگون و تحت نيروي اعمالي مشخص، توسط يك كوره القايي تحت گرمايش با سرعت بالا قرار گرفتند. اثر اندازه ذرات نيكل و تيتانيم، نيروي اعمالي همزمان با فرآيند اتصال¬دهي و ضخامت لايه¬ي اتصال دهنده روي استحكام برشي، نفوذ عناصر، ميزان تخلخل در لايه¬ي اتصال و زمان افروزش بررسي شد. مشخصات ريزساختاري نمونه¬ها پس از اتصال¬دهي، توسط دستگاه XRD و SEM مجهز به EDS ارزيابي شد. استحكام برشي ميانگين اتصالات نيز با طراحي و ساخت يك فك استحكام برشي طبق استاندارد ASTM، اندازه¬گيري شد. آناليزهاي انجام شده مؤيد تشكيل NiTi به ¬عنوان فاز اصلي در لايه¬ي اتصال بود. نتايج نشان دادند كه با كاهش اندازه متوسط ذرات نيكل از 62 به 3 ميكرون، به جهت افزايش سطوح تماس پودر¬ها، زمان افروزش لايه اتصال دهنده از 238 به 35 ثانيه كاهش يافته و واكنش آن با شدت و حرارت بيشتري انجام شده و در نتيجه¬ي آن نفوذ بيشتري بين اجزاي اتصال مشاهده شد. همچنين استحكام برشي اندازه¬گيري شده به دليل ريزدانگي و نفوذ بهتر از حدود صفر به 44/32 مگاپاسكال افزايش يافت. ميزان تخلخل نيز حدوداً از 20 به 4 درصد كاهش يافت. نتايجي مشابه براي ذرات تيتانيم به دست آمد. افزايش ضخامت لايه اتصال دهنده از 2 تا 5 ميليمتر باعث افزايش تخلخل در لايه اتصال حدوداً از 4 به 21 درصد، كاهش استحكام برشي از 44/32 به 02/7 مگاپاسكال و كاهش نفوذ متقابل عناصر مربوط به اجزاي اتصال شد. زمان افروزش احتمالا به دليل افزايش سطح انتقال حرارت در نتيجه افزايش ضخامت لايه اتصال، از 37 به 30 ثانيه كاهش يافت. افزايش نيروي اعمالي در حين اتصال از صفر به 60 كيلوگرم با اندازه ذرات ثابت نيكل و تيتانيم به ترتيب 3 و 30 ميكرون و ارتفاع قرص 2 ميليمتر شرايط بهينه اتصال¬دهي در اين پروژه بود كه نه تنها باعث بهبود نفوذ عناصر در فصل مشترك اتصال شد بلكه تخلخل در لايه اتصال از حدود 54 به 3 درصد كاهش و استحكام برشي از حدود صفر به 63/38 مگاپاسكال افزايش يافت. واژه‌هاي كليدي: اتصال كاربيد تنگستن – فولاد، سنتز احتراقي، واكنش گرمازا، تركيبات بين فلزي NiTi، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، پراش سنجي اشعه ايكس (XRD)، استحكام¬¬سنجي

1399/03/21

Investigating the parameters affecting the joining of tungsten carbide to steel using combustion synthesis reactions

6/1/2020 12:00:00 AM

The purpose of this study is to evaluate the connection of WC-8Co tungsten carbide to VCN-150 steel using combustion synthesis reactions and to investigate the degree of adhesion and strength of the connection and also the factors affecting this process. A laboratory-scale setup was designed and built for joining two cylindrical pieces of steel and tungsten carbide through an intermediate reactive compact made from Ni+Ti powder mixture. The designed setup made possible the applying of an axial pressure during heating the samples as well as providing a protective atmosphere for the exothermic reaction between Ni and Ti. Once the nickel-titanium compressed samples were subjected to a high heating rate by an induction furnace in an argon atmosphere, the liberated heat due to the exothermic reaction between these two and the formation of NiTi intermetallic compound thereof was sufficient for the joining of the produced NiTi to both steel and carbide. The effect of the particle sizes of nickel and titanium, the applied force, and the thickness of the bonding layer on the joining process, interdiffusion of elements, volume of porosity, ignition time, and finally the shear strength of the produced interface was evaluated. After the joining process, the samples were cut in halves and the cross-section was prepared for studying the microstructural features as well as bonding quality. In order to characterize the joined samples, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy along with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) techniques were used. The average shear strength of each sample was measured using a shear-evaluation system designed and fabricated according to ASTM standard. Analyses confirmed the formation of NiTi as the main phase due to the combustion synthesis reaction in the compressed powder mixture of Ni + Ti (bonding layer). The results showed that by reducing the average particle size of nickel from 62 to 3 microns, due to increasing the contact surfaces of the powders, the ignition time of the connecting layer was reduced from 238 to 35 seconds and its reaction was more intense and hot. It was more penetrating between the components of the connection. Also, the measured shear strength increased from about zero to 32.44 MPa due to better fineness and penetration. The degree of porosity also decreased from about 20 to 4 percent. Similar results were obtained for titanium particles. Increasing the thickness of the bonding layer from 2 to 5 mm increased the porosity in the bonding layer from about 4 to 21%, reducing the shear strength from 32.44 to 7.04 MPa and reducing the mutual penetration of the elements related to the connection components. The ignition time was probably reduced from 37 to 30 seconds due to the increase in heat transfer surface as a result of the increase in the thickness of the connection layer. Increasing the applied force during the connection from zero to 60 kg with the size of the fixed particles of nickel and titanium of 3 and 30 microns, respectively, and the height of the tablet 2 mm, was the optimal connection conditions in this project. This improved the penetration of the elements in the joint of the joints and reduced the porosity in the joint layer from about 54 to 3%. The average shear strength also increased from about zero to 38.36 MPa. Keywords: Tungsten carbide-Steel joints, Combustion Synthesis, Thermal Reaction, NiTi Intermetallic Compounds, Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray Distribution (XRD), Shear Strength