SUPERVISOR
Ali Ashrafi,Hamidreza Salimi jazi,Mehdi Salehi
علي اشرفي (استاد مشاور) حميدرضا سليمي جزي (استاد راهنما) مهدي صالحي (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed javad Tondpour
جواد تندپور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Effect of cladding powder composition on microstructure and mechanical properties of the clads obtained on 304SS using GTAW process
Effect of cladding powder composition on microstructure and mechanical properties of the clads obtained on 304SS using GTAW process One of the most usual processes in surface engineering is cladding of the surface of components. Since the major destruction mechanisms of components are usually begins from the surface, therefore protection and strengthening of their surfaces are vital and crucial issues in determination of the quality and durability of components and consequently the performance of the manufacturing unit and the final cost of products.. For this purpose, in the present study, cladding of the 304 stainless steel by molybdenum and chromium and its effect on the microstructure and hardness of the cladded layer was investigated. In this regard, by simultaneous synthesis of molybdenum from molybdenum trioxide and chromium from chromium oxide, the elements were provided on the clad. The cladding was also performed both with and without the presence of potassium permanganate and carbon. For this purpose, 304 stainless steel specimens were cladded by gas tungsten arc welding method. To do this, powder mixture containing chromium oxide, molybdenum trioxide and nickel with various amounts of potassium permanganate graphite as the source of carbon were prepared with appropriate stoichiometric ratio and milled. Then, the sodium silicate binder was added to the mixture, and the resulting pasty mixture was applied on the surface of the specimens as a pre-placed past. After drying in the air and oven, the cladding was carried out using GTAW. The cross-sections of cladded samples were studied by optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The results revealed that microstructure of the weld zone consisted of austenite and ferrite which formed during the solid state transformation of primary ferrite to austenite in the cooling cycle, so that the morphology of ferrite in the center of the weld was lathy ferritic in austenite matrix which changed to skeletal ferrite in the interface of the substrate and clad. It was also found that addition of potassium permanganate to the preset paste layer increased the temperature of weld pool, which enhanced the synthesis of molybdenum and chromium and resulted in the increase in the amount of ferrite in the microstructure of the cladded layer. X-ray diffraction was used to study the phase composition of cladded layers. Presence of the Cr 1.36 Fe 0.52 , FeMo and MoNi 4 peaks in the diffraction patterns of the cladded specimens showed that molybdenum and chromium was synthesized in the weld pool. The microhardness profile of cladded samples demonstrated that the maximum value of hardness in the cladded layers was changed from 230 HV for the sample without potassium permanganate and graphite to 302 HV for the sample contained 3 moles of potassium permanganate and 5 moles of graphite. The value of hardness decreased by increasing the distance from the weld center due to the decrease in the amount of ferrite. Keywords: Synthesis, 304 stainless steel, Lathy ferrite, Skeletal ferrite, Cladding, Gas tungsten arc welding
چکيده يکي از متداول ترين فرايندهاي مهندسي سطح، روکش کاري سطح قطعات مي باشد. با توجه به اينکه عمده مکانيزم هاي تخريب قطعات معمولا از سطح شروع مي شود، لذا حفاظت و مقاوم سازي از مسائل بسيار حساس و تعيين کننده کيفيت و عمر قطعات و نهايت کارايي يک واحد توليدي و بهاي تمام شده محصول مي باشد. بنابراين روکش کاري را مي توان يک روش با هزينه کم براي پوشش دهي يک ماده پرکننده روي سطح قطعه کار جهت بهبود سختي و ريزساختار بيان کرد. بدين منظور در اين پژوهش، به بررسي روکش کاري فولاد زنگ نزن 304 با موليبدن و کروم و تاثير آن بر ريزساختار و سختي روکش ايجاد شده پرداخته شده است. در اين راستا با سنتز همزمان موليبدن از تري اکسيد موليبدن و کروم از اکسيد کروم، عناصر مورد نظر بر روي روکش تامين گرديد. اين روکش کاري همچنين در حالت هاي بدون حضور و با حضور پرمنگنات پتاسيم و کربن صورت گرفت. بدين منظور نمونه هايي از جنس فولاد زنگ نزن 304 توسط روش جوشکاري قوسي تنگستن-گاز با جريان و سرعت جوشکاري ثابت با مخلوط پودري مشخص روکش کاري شد. براي اين کار مخلوط هاي پودري حاوي اکسيد کروم، تري اکسيد موليبدن و نيکل به همراه مقادير مختلف پرمنگنات پتاسيم و گرافيت به عنوان منبع کربن با نسبت استوکيومتري مناسب تهيه و آسياب کاري شد و با افزودن چسب سيليکات سديم، مخلوط خميري به صورت پيش نشست بر روي سطح نمونه ها اعمال شد. پس از خشک نمودن در هوا و خشک کن، نمونه ها جهت روکش کاري جوشکاري شدند. مقطع عرضي نمونه ها توسط ميکروسکوپ نوري و ميکروسکوپ الکتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد که ريزساختار منطقه جوش نمونه ها شامل فازهاي آستنيت و فريت بوده که در طي فرايند سرد شدن به صورت فريت اوليه منجمد شده و سپس استحاله فريت به آستنيت اتفاق افتاده است، به گونه اي که مرفولوژي ساختار روکش ها در مرکز جوش به صورت فريت شبکه اي در زمينه آستنيتي بوده و در فصل مشترک با زيرلايه، به فريت اسکلتي تغيير کرده است. همچنين نتايج نشان داد که در اثر افزودن پرمنگنات پتاسيم به لايه پيش نشاني به دليل گرمازا بودن آن، دماي حوضچه جوش بالا رفته و سنتز موليبدن از تري اکسيد موليبدن و همچنين کروم از اکسيد کروم بيشتر صورت گرفته و با توجه به فريت زا بودن آن ها، افزايش ميزان فريت در ساختار روکش را به دنبال داشته است. با بررسي تصاوير ماکروسکوپي از حوضچه جوش نيز مشاهده گرديد با افزايش مقدار پرمنگنات پتاسيم، به دليل گرمازا بودن آن، عمق حوضچه و همچنين نسبت عمق به پهناي حوضچه جوش نمونه ها افزايش يافته است. جهت شناسايي نوع فازهاي تشکيل شده در سطح روکش ها از آزمون پراش پرتو ايکس (XRD) استفاده گرديد. بر اساس الگوي پراش پرتو ايکس نمونه هاي روکش کاري شده، وجود فازهاي Cr 1.36 Fe 0.52 ، FeMo و MoNi 4 نشان مي دهد که سنتز عناصر موليبدن و کروم در حوضچه جوش صورت گرفته است. بررسي ميزان رقت در نمونه ها توسط آزمون طيف سنج انرژي (EDS) انجام شد. با استفاده از آزمون ريزسختي سنجي، پروفيل سختي نمونه ها تهيه شد که حداکثر سختي روکش ها از HV 230 براي نمونه بدون پرمنگنات پتاسيم و گرافيت تا HV 302 براي نمونه حاوي 3 مول پرمنگنات پتاسيم و 5 مول گرافيت متغير بوده و پروفيل سختي از مرکز جوش نمونه ها به سمت فلز پايه (HV 190) به دليل کاهش ميزان فريت، کاهش يافته است. کلمات کليدي سنتز، فولاد زنگ نزن آستنيتي 304، فريت شبکه اي، فريت اسکلتي، روکش کاري، جوشکاري قوسي تنگستن-گاز