SUPERVISOR
Behzad Niroumand
بهزاد نیرومند (استاد راهنما)
STUDENT
Samira Riahi Falavarjani
سمیرا ریاحی فلاورجانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Effects of microstructure and surface roughness on wetting angle of a hypoeutectic cast iron
Absract In this research, first a hypoeutectic cast iron was cast according to method B of ASTM A367 standard chill test. Six gray cast irons samples with differen types of flake graphite as well as a mottled and a white cast iron were then cut from the casting. All samples were roughened to different values by mechanical abrasion and electroetching and their wetting angles and roughnesses were measured. After the last stage of the electroetching process, all samples were exposed to atmosphere for 4 weeks and their wettability was studied after 1, 2, 3 and 4 weeks of air exposure. Tafel polarization test was used to study the corrosion resistance of some of the samples and its correlation to their wetting angles. Microstructure and surface morphology of the samples were studied by optical and scanning electron microscopy in all roughening and oxidation stages. The results indicated that not only surface roughness but also the roughening method affected the surface wettability. Wettability of mechanically abraded cast iron surfaces with the same roughness was only affected by the type of phases present in the microstructure. Whereas, wettability of electroetched surfaces with the same roughness was further affected by the type and distribution of graphite flakes. increased with in all stages of electroetching and mechanical abrasion. Coarse A type and fine D type graphite gray cast iron samples in stages 1 and 2 of electroetching, fine E type graphite gray cast iron and mottled cast iron in stage 4 of electroetching and white cast iron mechanically abraded with 800 sandpaper followed Cassie-Baxter’s equation. Whereas, coarse A type graphite gray cast iron in stages 3 and 4 of electroetching and in all stages of mechanical abrasion, fine A type graphite gray cast iron in stages 1, 2 and 4 of electroetching and in mechanical abrasion by 80, 800 and 1200 grit sandpapers, coarse D type graphite gray cast iron in all electroetching stages and in mechanical abrasion by 80, 800 and 1200 grit sandpapers, fine D type graphite gray cast iron in all mechanical abrasion stages and in stages 3 and 4 of electroetching, coarse E type graphite gray cast iron in all mechanical abrasio and electroetching stages, fine E type graphite gray cast iron in stage 3 of electroetching and in mechanical abrasion by 80, 800 and 1200 grit sandpapers, mottled cast iron in mechanical abrasion by 320, 800 and 1200 grit sandpapers and white cast iron in all electroetching stages and in mechanical abrasion by 1200 sandpaper followed Wenzel’s equation. In other cases, the results did not fit to any of the models. Wettability of all the air exposed samples increased from values below 40? to above 90?. Polarization testes indicated that this could significantly increase their corrosion resistance. The reason for hydrophobicity of the air exposed samples was suggested to be related to formation of a low surface energy carbon layer by absorption of micro-organisms from the environment. Key words: Hydrophobicity, Contact angle, Gray cast iron, Surface roughness, Mechanical abrasion, Electroetching, Graphite type, Surface phases, Wettability model
در این پژوهش ابتدا یک چدن هیپویوتکتیک بر اساس تست تبریدی استاندارد ASTM A367 روش B، ریخته گری شد. سپس 6 نمونه چدن خاکستری با توزیع های مختلف گرافیت لایه ای و دو نمونه چدن خالدار و چدن سفید از قطعه ریخته گری شده برش زده و پولیش شد. همه نمونه hy;ها با دو فرآیند سنباده زنی و الکترواچ به میزان های مختلف زبر شده ، زاویه ترشوندگی وزبری سطح آنها اندازه گیری شد. در ادامه همه نمونه ها پس ازآخرین مرحله الکترواچ به مدت 4 هفته در معرض هوای محیط قرار گرفته، بلافاصله پس از الکترواچ و پس از 1، 2، 3 و 4 هفته قرار گرفتن در معرض هوای محیط آزمون ترشوندگی بر روی سطوح آن ها انجام شد. جهت بررسی ارتباط زاویه ترشوندگی با مقاومت به خوردگی نمونه hy; چدن خاکستری با توزیع گرافیت های A ریز پس از زبر شدن با سنباده های 80 و 1200 و بلافاصله پس از آخرین مرحله الکترواچ و پس از 4 هفته قرار گرفتن در معرض هوای محیط و نمونه های چدن خاکستری با توزیع گرافیت های D درشت و چدن سفید بلافاصله پس از آخرین مرحله الکترواچ و پس از 4 هفته قرار گرفتن در معرض هوای محیط تحت آزمون پلاریزاسیون تافل قرار گرفتند. همچنین ساختار و مورفولوژی سطح نمونه ها در مراحل مختلف زبرسازی و اکسیداسیون توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج به دست آمده از این پژوهش نشان داد که تنها زبری سطح بر زاویه ترشوندگی تاثیر نداشته و روش زبر کردن سطح نیز از عوامل تاثیرگذار بر زاویه ترشوندگی سطح می باشد. در نمونه های مختلف چدنی سنباده زده شده با زبری یکسان، تنها نوع فازهای سطحی بر زاویه ترشوندگی تاثیرگذار بود. در حالی که درمورد سطوح الکترواچ شده با زبری سطح یکسان علاوه بر فازهای سطحی، نحوه و شکل توزیع گرافیت ها نیز بر زاویه ترشوندگی تاثیرگذاشت. بررسی پارامترهای زبری نشان داد همواره در مراحل مختلف الکترواچ و سنباده زنی، با افزایش مقدار نیز افزایش می یابد. همچنین بررسی مدل ترشوندگی منطبق بر سطوح نشان داد نمونه های چدن خاکستری با توزیع گرافیت A درشت و D ریز در مراحل 1 و 2 الکترواچ، E ریز و چدن خالدار در مرحله 4 الکترواچ و چدن سفید در مرحله زبر شدن با سنباده 800 از را بطه کسی-بکستر پیروی می نمایند. در حالی که نمونه های چدن خاکستری با توزیع گرافیت A درشت در مراحل 3و 4 الکترواچ و همه مراحل سنباده زنی، A ریز در مراحل 1، 2 و 4 الکترواچ و مراحل سنباده زنی با سنباده های 80، 800 و 1200، D درشت در همه مراحل الکترواچ و مراحل سنباده زنی با سنباده های 80، 800 و1200، D ریز در همه مراحل سنباده زنی و مراحل 3 و 4 الکترواچ، E درشت در همه مراحل سنباده زنی و الکترواچ، E ریز در مرحله 3 الکترواچ و مراحل سنباده زنی با سنباده های 80، 800 و 1200، چدن خالدار در مراحل زبر شدن با سنباده های 320، 800 و 1200 و چدن سفید در همه مراحل الکترواچ و مرحله زبر شدن با سنباده 1200 از رابطه ونزل تبعیت می نمایند. در بقیه موارد نتایج به دست آمده بر هیچ یک از مدل ها منطبق نبود.در مورد نمونه های در معرض هوا قرار گرفته زاویه ترشوندگی همه نمونه ها پس از 4 هفته قرار گرفتن در معرض هوا از زوایای کمتر از 40 درجه به مقادیر بیشتر از 90 درجه افزایش یافت. آزمون های پلاریزاسیون نشان داد که این مسئله می تواند باعث افزایش قابل توجه مقاومت به خوردگی نمونه ها شود. به نظر می رسد علت آب گریز شدن سطوح نمونه های فلزی در معرض هوا قرار گرفته به ایجاد لایه های کربن با انرژی سطحی پایین در اثر جذب میکروارگانیزم ها از محیط مربوط باشد. کلمات کلیدی آب گریزی، زاویه تماس، چدن خاکستری، زبری سطح، سنباده زنی، الکترواچ، توزیع گرافیت ها، فازهای سطحی، مدل ترشوندگی