بررسی تاثیر تیتانیم و کربن بر ریزساختار و خواص سایشی کامپوزیت Fe - TiC
چكیده :
هدف اصلی در این پروژه بررسی تغییر درصد تیتانیم و كربن بر روی ریز ساختار و خواص سایشی مكانیكی كامپوزیت فروتیك( Fe/TiC ) است.
نتایج حاصله نشان داده است كه با كنترل تركیب شیمیایی، نوع عملیات حرارتی، اصلبح روش ساخت و سرعت انجمادی قطعه می توان ریز ساختار زمینه، نحوه توزیع ذرات سرامیكی (TiC) و میانگین اندازه ذرات ( TiC) و تعداد آنها در واحد سطح و شكل آنها و كسر حجمی آن و در نهایت چگالی كامپوزیت كه منجر به خواص سایشی و مكانیكی متفاوت می گردد را كنترل نمود.
افزایش مقدار كربن و تیتانیم باعث افزایش مقدار كاربید تیتانیم، سختی، مقاومت به سایش و اندازه ذرات كاربیدی می شود در حالی كه چگالی كامپوزیت كاهش می یابد.
فهرست مطالب
«عنوان» « صفحه»
فصل اول : مقدمه
مقدمه 1
فصل دوم : مروری بر منابع
1-2- عوامل مؤثر بر خواص كامپوزیتها 6
2-2- تقسیم بندی كامپوزیتها 7
3-2- تریبولوژی و تریبوسیستم 9
1-3-2- تعریف سایش و عوامل اثر گذار روی آن 10 2-3-2- انواع مكانیزم های سایش 10
1-2-3-2- سایش چسبان 10
2-2-3-2- سایش خراشان 11
3-2-3-2- سایش خستگی 12
4-2-3-2- سایش ورقه ای 12
5 -2-3-2- سایش اكسایش 12
3-3-2- پارامتر سایش 13
4-3-2- رابطه بین مقاومت به سایش و سختی 13
5 -3-2- منحنی سایش 14
4-2- كامپوزیت فروتیك 14
1-4-2- انواع كامپوزیت های فروتیك 15
1-1-4-2- كامپوزیت هایی كه با كوئینچ سخت می شوند 15
2-1-4-2- كامپوزیت هایی كه با پیر سختی سخت می شوند 16
2-4-2- روشهای ساخت فروتیك 17
1-2-4-2- ساخت کامپوزیت به صورت غیر همزمان 18
الف) پراكنده كردن ذرات فاز دوم 18
ب) روش پاششی 19
ج) تزریق مذاب فلزی 19
2-2-4-2- ساخت فروتیک به صورت همزمان ( insitu) 20
الف) سنتز خود احتراقی (SHS) 20
ب) XD 26
ج) دمش گاز واكنش دهنده 26
د) اكسایش مستقیم فلز( DIMOX) 27
ه) primex 28
و) واكنش حین تزریق 28
ز) واكنش شیمیایی در داخل مذاب 28
ح) روش آلیاژسازی مكانیكی 31
ط) متالورژی پودر 34
ی) احیای كربوترمال 35
ک) احیای ترمیت 35
ل) روش سطحی 35
3-4-2- خواص كامپوزیت های فروتیك 36
1-3-4-2- سختی 36
2-3-4-2- استحكام 37
3-3-4-2- مدول الاستیكی 37
4-3-4-2- مقاومت به سایش 37
پارامترهای موثر روی سایش 38
الف) كسر حجمی كاربید تیتانیم 38
ب) اندازه ذرات و شكل آنها 38
ج) نوع زمینه 39
د) كاربید های ریخته گری 40
ه) عملیات حرارتی و سرعت سرد كردن زمینه 40
و) نیرو در دستگاه pin on Disk 40
ز) عیوب در قطعات 41
ح) اثر ذوب مجدد 41
5-3-4-2- ماشین كاری 41
6-3-4-2- عملیات حرارتی 41
7-3-4-2- جذب ارتعاش 41
8-3-4-2- دانسیته 42
9-3-4-2- فرسایش 42
فصل سوم : مطالعه موردی
1 -3- روش تحقیق 43
1-1-3 - مواد اولیه 44
2-1-3- عملیات ذوب و ریخته‌گری 45
3-1-3- آماده سازی نمونه‌ها 45
4-1-3- آنالیز نمونه‌ها 46
5-1-3- متالوگرافی 47
6-1-3- آزمایش سختی 47
7-1-3- تست سایش 48
2-3-بیان نتایج
1-2-3- ریزساختار نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف كربن با تیتانیم ثابت 49
2-2-3- ریزساختار نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف تیتانیم با كربن ثابت 52
3-2-3- تاثیر درصد كربن بر خواص نمونه‌ها 55
4-2-3- تاثیر درصد تیتانیم بر خواص نمونه‌ها 55
5-2-3- نتایج پراش اشعه ایكس 56
6-2-3- تأثیر درصد كربن بر خواص سایشی نمونه‌ها 59
7-2-3- تأثیر درصد تیتانیم بر خواص سایشی نمونه‌ها 60
3-3- بحث نتایج
1-3-3- بررسی تشكیل فاز كاربید تیتانیم 61
2-3-3- مطالعه مسیر انجماد در كامپوزیت Fe-TiC 65
3-3-3- تأثیر درصد كربن بر ریزساختار كامپوزیت فروتیك 66
4-3-3- تأثیر درصد تیتانیم بر ریزساختار نمونه‌ها 73
5-3-3- تأثیر درصد كربن بر چگالی كامپوزیت Fe-TiC 78
6-3-3- تأثیر مقدار كربن بر سختی كامپوزیت Fe-TiC 78
7-3-3- تأثیر مقدار كربن بر خواص سایشی كامپوزیت Fe-TiC 79
8 -3-3- تأثیر مقدار تیتانیم بر چگالی نمونه‌ها 80
9-3-3- تأثیر مقدار تیتانیم بر سختی كامپوزیت Fe-TiC 81
10-3- 3-تاثیر مقدار تیتانیم بر خواص سایشی كامپوزیت 82
11-3-3- بررسی سطوح سایش 86
فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادها
1-4 نتیجه گیری 92
2-4پیشنهادها 94
منابع و مراجع 95
فهرست اشكال
« شماره شكل» « صفحه»
فصل اول :مقدمه
شکل (1-1) برخی کاربردهای فروتیک 4
فصل دوم : مروری بر منابع
شكل (1-2) دسته بندی کامپوزیتها 8
شكل (2-2) خراش در وضعیتهای مختلف 11
شكل (3-2) رابطه بین سختی و مقاومت به خراش 13
شكل (4-2) خواص کامپوزیت فروتیک 15
شكل (5-2) دسته بندی روشهای ساخت کامپوزیت فروتیک 17
شكل (6-2) نحوه توزیع ذرات TiC در روش SHS 21
شكل (7-2) افزایش دما در SHS 21
شكل (8-2) تغییرات دمایی احتراق بر حسب زمان در SHS 22
شكل (9-2) اثر دمای پیش گرم روی سرعت و گرمای واکنش در SHS24
شكل (10-2) تغییرات دما بر حسب زمان به ازای مقادیر مختلف Al 25
شكل (11-2) اثر درصد Fe روی دمای احتراق در روش SHS 25
شکل (12-2) شماتیک تولید فروتیک به روش دمش 27
شکل( 13-2) پروفیل نفوذی Ti و C در روش Insitu 29
شکل (14-2) اثر درصد Ti روی اندازه TiC 30
شکل(15-2) شماتیک روش In mold و رسم تغییرات دمایی آن 31
شکل (16-2) آسیاب ماهواره ای 32
شکل (17-2) تاثیر عملیات حرارتی رو ی دما و سرعت واکنش SHS 33
شکل(18-2) شماتیکی از فرآیند و مراحل میانی و تکمیلی آن 34
شکل(19-2) مقایسه کاهش سختی بر اثر دما در سه ماده مختلف 36
شکل(20-2) تصویر میکروسکوپ نوری مقطع اچ نشده دو نمونه 38
شکل (21-2) تصویر میکروسکوپ نوری دو نمونه دیگر 39
شکل(22-2) تغییرات اندازه متوسط و تعداد ذرات TiC بر اثر سرعت سرد کردن 40
فصل سوم : مطالعه موردی
شكل (1-3) مراحل عملی تهیه نمونه‌ها و انجام آزمایشها 44
شكل (2-3) تصویر شماتیك نمونه‌های ریخته‌گری شده 46
شكل (3-3) تصویر شماتیك از دستگاه سایش پین و دیسك 48
شكل (4-3) تصاویر میكروسكوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ نشده (تیتانیم ثابت) 50
شكل (5-3) تصاویر میكروسكوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ شده (تیتانیم ثابت) 51
شكل (6-3) تصاویر میكروسكوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ نشده (كربن ثابت) 53
شكل (7-3) تصاویر میكروسكوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ شده (كربن ثابت) 54
شكل (8-3) الگوی پراش اشعه ایكس در نمونه‌های با كربن مختلف 57
شكل (9-3) الگوی پراش اشعه ایكس در نمونه‌های با مقادیر مختلف تیتانیم 58
شكل (10-3) تصویر میكروسكوپ الكترونی از ریزساختار نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 62
شكل (11-3) الگوی پراش اشعه ایكس از نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 63
شكل (12-3) تصویر میكروسكوپ نوری از نمونه C 5/3-Ti 10-Fe در حالت اچ شده 63
شكل (13-3) گوشه غنی از آهن دیاگرام سه‌تایی Fe-Ti-C 66
شكل (14-3) تصویر میكروسكوپ الكترونی از نمونه C 5/3-Ti 10-Fe در حالت اچ نشده 68
شكل (15-3) ریزساختار نمونه‌ها در حالت اچ شده (تیتانیم ثابت) 69
شكل (16-3) تغییرات میانگین اندازه ذرات با مقادیر مختلف كربن 70
شكل (17-3) تأثیر درصد وزنی كربن بر روی چگالی ذرات در واحد سطح 71
شكل (18-3) تأثیر درصد وزنی كربن بر روی درصد كسر حجمی كاربید تیتانیم 72
شكل (19-3) تصویر میكروسكوپ الكترونی از نمونه C 5/2-Ti 4-Fe 74
شكل (20-3) ریزساختار نمونه‌ها در حالت اچ شده (كربن ثابت) 75
شكل (21-3) تغییرات میانگین اندازه ذرات در اثر تغییر درصد وزنی تیتانیم 76
شكل (22-3) تأثیر درصد وزنی تیتانیم بر روی چگالی ذرات در واحد سطح 77
شكل (23-3) تأثیر درصد تیتانیم بر روی درصد كسر حجمی كاربید رسوب كرده 77
شكل (24-3) تأثیر درصد وزنی كربن بر روی چگالی كامپوزیت فروتیك 78
شكل (25-3) تأثیر مقدار كربن بر سختی كامپوزیت (تیتانیم ثابت) 79
شكل (26-3) نمودار تغییرات كاهش وزن بر حسب مسافت لغزش (تیتانیم ثابت ) 80
شكل (27-3) تأثیر مقدار تیتانیم بر چگالی كامپوزیت 81
شكل (28-3) تأثیر مقدار تیتانیم بر سختی كامپوزیت 82
شكل (29-3) تغییرات كاهش وزن نمونه‌ها بر حسب مسافت لغزش (كربن ثابت) 83
شكل (30-3) تأثیر سختی به كاهش وزن كامپوزیت 85
شكل (31-3) تأثیر درصد حجمی كاربید تیتانیم به كاهش وزن كامپوزیت 85
شكل (32-3) تغییرات كاهش وزن دیسك بر حسب مسافت لغزش 86
شكل (33-3) تصویر میكروسكوپ الكترونی از سطح سایش نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 88
شكل (34-3) تصویر میكروسكوپ الكترونی از سطح مقطع عمود بر سطح سایش 88
شكل (35-3) تصویر میكروسكوپ الكترونی از سطح سایش نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 89
شكل (36-3) عیوب زیر سطحی در نمونه C 5/3-Ti 10-Fe پس از سایش 90
فهرست جداول
«شماره جدول» « صفحه»
جدول (1-1) برخی کامپوزیتهای زمینه فلزی با استحکام دهنده غیر فلزی 2
جدول (2-1) تركیب خواص كامپوزیت فروتیك در مقایسه با فولاد و WC-Co 4
جدول(1-2) فرآیندهای سنتز تقویت کننده به روش درجا 9
جدول(2-2) تقسیم بندی واکنشهای SHS برای سیستمهای دوجزیی 23
جدول(3-2) مقایسه مقاومت سایشی فروتیک با چدن سفید 37
جدول(1-3) ترکیب شیمیایی مواد اولیه مصرف شده 45
جدول (2-3) تركیب شیمیایی نمونه‌های ریخته‌گری شده 46
جدول (3-3) تأثیر درصد كربن بر خواص نمونه‌ها 55
جدول (4-3) تأثیر درصد تیتانیم بر خواص كامپوزیت 56
جدول (5-3) تأثیر درصد كربن بر خواص سایشی نمونه‌ها و دیسك فولادی 59
جدول (6-3) تأثیر درصد تیتانیم بر خواص سایشی نمونه‌ها و دیسك فولادی 60
فصل اول :
مقدمه
كامپوزیت مخلوطی از دو یا چند جز با خواص متفاوت است كه خواص مجموعه از مجموع
خواص ذرات یا اجزاء تشكیل شده برتر است. اجزای كامپوزیت از نظر شیمیایی، متفاوت و از نظر فیزیكی تفكیك پذیر است. فاز پیوسته را زمینه(matrix) و فاز توزیع شده را تقویت كننده(reinforcement ) گویند. [2]
در دنیای امروز نیاز صنعت به مواد مهندسی نو ضروری است. در این میان كامپوزیت های زمینه فلزی از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. كامپوزیتهای پایه فلزی از مخلوط و یا ترکیب ذرات سخت سرامیكی و حتی الیاف كربنی در زمینه فلزی با روشهای مختلف بدست می آیند. [2] متداولترین تقویت كننده ها SiC ، TiC , TiB , Al2O3 و ... است. به طور مثال كامپوزیت
Al – SiC به جای آلیاژ آلومینیوم، سبب كاهش وزن و افزایش مدول الاستیسیته در پیستونهای دیزلی خواهد شد. [3]
جدول (1-1) برخی از كامپوزیتهای زمینه فلزی با ذرات استحكام دهنده غیر فلزی را نشان می دهد.
جدول 1-1 : تعدادی از كامپوزیتهای ذره ای زمینه فلزی با ذرات غیر فلزی و روش های مورد استفاده برای ساخت آنها [4]
|
روش ساخت
|
آلیاژ زمینه
|
درصد حجمی
|
اندازه ذرات پخش
|
نوع ذره
|
|
Vacuum slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy
|
Al-Si, Al-Cu, Al-Cu-Mg
|
0.3-20
|
1-20
|
SiC
|
|
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy, laser melt-particle injection, casting
|
Al-Cu, Al-MG, Ti-Al-V, steel
|
8-40
|
<40-212
|
Tic
|
|
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy
|
Al-Mg, Al-Cu, Al-Si, Cu-, steel, Mg
|
0.5-10
1-20
|
0.01-200
<50
|
Al2O3 (bauxite),
87.9% Al2O3
|
|
laser melt-particle injection, powder sintering
|
Ti-Al-V, Co-base
|
…
|
106-105-
|
WC
|
|
Powder metallurgy
|
Co-Cr
|
…
|
18-38
|
M7C3 (Cr-rich)
|
|
Slurry casting, bottom pouring, spray dispersion, powder metallurgy
|
Cu, Al, steel
|
1-4
|
5-80
|
ZrO2/ZrSiO4
|
|
Slurry casting, bottom pouring, spary dispersion, powder metallurgy
|
Cu, Al, steel
|
10
|
…
|
TiO2/MgO
|
|
Slurry casting, bottom pouring, powder metallurgy
|
Al-Mg, Cu
|
2-10
|
30-110
|
Glass/SiO2
|
|
Slurry casting, compocasting, powder metallurgy
|
Al-Cu-Mg, Ag, Cu-Sn
|
3-10
|
40-180
|
Mica/talc
|
|
Slurry casting, squeeze casting
|
al-Si-Mg
|
15
|
125
|
Shell char
|
|
Slyrry casting, squeeze casting, powder metallurgy
|
Al, Cu, Ag, iron
|
1-750
|
15-800
|
Graphite
|
|
Powder metallurgy
|
Cu, Ag, Cu-steel
|
20-40
|
…
|
PTFE
|
|
Powder metallurgy
|
Cu, Cu-Ta
|
1-80
|
0.5/5
|
MoS2
|
|
Powder metallurgy
|
Fe-Pb, Ag-Cu, Ag
|
20-80
|
…
|
MoSe2
|
برتری هایی كه كامپوزیت های زمینه فلزی نسبت به بقیه دارند عبارتند از :
1) استحكام و چقرمگی بهتر
2) هدایت حرارتی و الكتریكی عالی
3) پایداری حرارتی بهتر نسبت به كامپوزیتهای زمینه پلیمری
4) جوش پذیری و كار پذیری بهتر از بقیه كامپوزیتها [3]
در میان كامپوزیتهای زمینه فلزی Fe/TiC ، كامپوزیتی منحصر به فرد است. اولین مطالعات در مورد این كامپوزیت در سال 1950 میلادی آغاز شد. حفظ استحكام در دمای بالا ، امكان ماشینكاری راحت در حالت آنیل با سختی 45 راکول C ، مقاومت سایشی بالا و مقاومت به خوردگی عالی از خواص برجسته این كامپوزیت است. [3]
در این كامپوزیت، ذرات كاربید تیتانیم در داخل زمینه ای از آلیاژ آهن پراكنده شده است و دارای سختی حدودا V3200(ویكرز) می باشند. این نوع کامپوزیت در صنایع سیمان، خودرو و پلاستیك سازی ، هواپیما سازی و شیمیایی كاربرد دارد. [5] همچنین از آن می توان به عنوان ابزار قالب، قالب های سرب ، سنبه و روتور و شفت موتور و هواپیما و قالبهای شكل دهی گرم و پیستون تزریق فشار بالا و غلطك های نورد استفاده كرد. [3]