SUPERVISOR
Seyed mehran Nahvi,Seyed Mohsen Safavi,Mehdi Salehi
سیدمهران نحوی (استاد مشاور) سید محسن صفوی (استاد راهنما) مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Masoumi
حامد معصومی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Evaluation of Optimized Mechanisms for Grinding of HVOF Coatings of WC-Co-Cr Cermet and Analysis of the Effect of Grinding on Adhesion Strength and Surface Properties of Coating
HVOF thermal spray coatings of WC-10Co-4Cr cermets are widely used to protect materials from corrosion, wear and to restore worn components in a variety of industrial environments such as petroleum and gas, petrochemical, steel industries, aerospace, gas turbines, textile industries and automotive industries. The as-sprayed coatings of thermal spray techniques generally result in high level of surface roughness. In carbide cermet coatings especially, such as WC-Co based coatings, the surface roughness in the as-sprayed form is higher than the acceptable values for many applications. Therefore, the carbide coating surfaces are to be finished suitably in order to achieve desirable surface roughness and dimensional tolerance. The grinding, however, may change the coating properties. The main objective of this thesis is to examine the effect of grinding on adhesion strength and surface properties of WC-10Co-4Cr coating and to determine the optimal grinding parameters. In this research, the fundamental grinding parameters are depth of cut, ap, feed rate, vw, and cutting speed, vs. According to the results of X-ray diffraction analysis, decarburization of WC has occurred during thermal spray process, but the grinding process did not result in any phase transformations in the coating. Based on the mathematical model, the as-ground average surface roughness depends not only on the depth of cut, feed rate and cutting speed, but also on the depth of cut and cutting speed interaction and on the feed rate and cutting speed interaction. The values of grinding force ratio for all the grinding experiment conditions remain almost constant. It suggests that the wheel topography approximately was unchanged in all experimental conditions. Also, as the maximum undeformed chip thickness, hm, increases, the specific energy shows a decreasing trend because of the effect of hm on the material removal mechanisms. The material removal during grinding of WC–10Co–4Cr coating was via both brittle fracture and ductile flow modes, and the most of the energy was consumed by ductile flow mode due to plowing. There is a little increase in the porosity content of coating after grinding due to mechanical loading. The residual stress of as-sprayed WC-10Co-4Cr coating was compressive indicating that the mismatch and peening rather than quenching component have a decisive role in the final direction of the residual stress. Also, the compressive residual stresses were increased with increasing distance from the coating surface due to the increased effect of thermal mismatch and peening stresses. There was a significant increase in the compressive residual stress of coating surface after grinding because of the mechanical-plastic deformation due to the Hertzian loads. Adhesion and cohesion strength and microhardness of the coating were improved after grinding because of the increased compressive residual stress. The optimum grinding parameters have been determined using desirability function approach, and finally, the optimum process parameters for surface grinding of HVOF coatings of WC-10Co-4Cr cermets have been determined as ap=10.73µm, vw=550mm/s and vs=30.45m/s. Key Words WC-10Co-4Cr coating, grinding, force, roughness, material removal mechanism, residual stress, microhardness, adhesion strength
پوششهای پاشش حرارتی HVOF سرمت کاربید تنگستن- کبالت- کروم، WC-10Co-4Cr، برای محافظت مواد در مقابل خوردگی و سایش و به منظور ترمیم قطعات سایش یافته در صنایع مختلف نظیر نفت و گاز، پتروشیمی، صنایع فولاد، هوا- فضا، توربین های گاز، صنایع نساجی و صنایع خودروسازی کاربرد گستردهای دارند. به طور کلی پوشش های پاشش حرارتی زبری سطح بالایی دارند؛ بویژه در پوشش های کاربیدی نظیر پوششهای مبنای WC-Co، زبری سطح پس از پوششدهی بیشتر از محدودهی مجاز بسیاری از کاربردهاست. بنابراین سنگ زنی پوشش های کاربیدی باید به نحو مناسبی انجام پذیرد تا کیفیت سطح مطلوب و تلرانس ابعادی مورد نظر حاصل شود. به هر حال سنگزنی پوشش، ویژگیها و خواص آن را تحت تأثیر قرار میدهد. هدف اصلی در این رساله نیز ارزیابی تأثیر سنگزنی بر استحکام چسبندگی و ویژگیهای سطحی پوشش WC-10Co-4Cr و در نهایت تعیین پارامترهای بهینهی سنگزنی است. پارامترهای اصلی سنگزنی که در این پژوهش مورد مطالعه قرار گرفتهاند، شامل عمق برش، ap، نرخ پیشروی، vw، و سرعت برش، vs ، میباشند. مطابق نتایج آنالیز فازی به کمک اشعهی X، دیکربوراسیون جزئی کاربید تنگستن در حین پاشش حرارتی اتفاق است، اما سنگزنی تأثیری بر تبدیل یا تغییر فازهای موجود در پوشش نداشته است. بر اساس مدل ریاضی، زبری متوسط پوشش پس از سنگزنی نه تنها به عمق برش، نرخ پیشروی و سرعت برش وابسته است، بلکه به اثر متقابل عمق برش و سرعت برش، و اثر متقابل نرخ پیشروی و سرعت برش نیز بستگی دارد. نسبت نیروی سنگزنی در شرایط مختلف آزمایش تقریباً ثابت بوده که نشان از توپوگرافی نسبتاً ثابت سنگ داشته است. همچنین با افزایش ضخامت براده انرژی مخصوص روند کاهشی داشته است که علت آن تغییرات در مکانیزم سنگزنی است. در سنگزنی پوشش WC-10Co-4Cr هر دو مکانیزم جریان داکتیل و شکست ترد همزمان مشاهده شده است و در جریان داکتیل ناشی از مکانیزم خیش بیشترین مصرف انرژی مشاهده شده است. پس از سنگزنی به دلیل بارگذاری مکانیکی اعمالی به پوشش، درصد تخلخل آن افزایش اندکی یافته است. تنش پسماند پوشش WC-10Co-4Cr دارای جهتگیری فشاری بوده است که حاکی از نقش برجستهتر تنش ناشی از عدم تطابق حرارتی و تنش کوبش در قیاس با تنش کوینچ در تعیین وضعیت تنش نهایی پوشش میباشد. همچنین با افزایش فاصله از سطح پوشش، شدت تنش فشاری به دلیل تأثیر بیشتر تنشهای عدم تطابق حرارتی و کوبش بیشتر شده است. پس از سنگزنی نیز به دلیل تغییر شکل پلاستیکی- مکانیکی در نتیجهی تنشهای نرمال هرتزی تنش پسماند فشاری در سطح به میزان قابل توجهی تقویت شده است، و در عمق پوشش به میزان کمتری افزایش یافته است. همچنین پس از سنگزنی پاسخهای سختی و استحکام چسبندگی و پیوستگی بهبود یافتهاند که علت آن افزایش تنش پسماند فشاری پوشش است. با انجام بهینهسازی به روش تابع مطلوبیت، پارامترهای ap=10.73µm وvw=550mm/s و vs=30.45m/sبه عنوان پارامترهای بهینهی سنگزنی تخت پوشش HVOF سرمت WC-10Co-4Cr تعیین شدند. واژگان کلیدی: پوشش WC-10Co-4Cr، سنگزنی، نیرو، زبری، مکانیزم برادهبرداری، تتنش پسماند، میکروسختی، استحکام چسبندگی.