بهبود پایداری حرارتی و رفتار تریبولوژیکی پوشش های کاربیدتنگستن - کبالت نانو ساختار تولید شده با روش پاشش شعله ای پرسرعت

STUDENT

DEGREE

YEAR

The sintered nanostructured WC-Co materials have received increasing attentions as wear resistant components in a variety of industrial applications such as cutting and drilling tools and extrusion dies, due to their superior combination of hardness and fracture toughness. Despite the sintered materials, the nanostructured WC-Co coatings, mostly deposited by high velocity oxygen fuel (HVOF) thermal spray method, reveal an inferior wear resistance in comparison to their conventional microstructured counterparts. This arises from the high surface-to-volume ratio of nano-sized WC particles which accelerates their decomposition and decarburization during HVOF spraying leading to the formation of undesirable and brittle non-WC phases like W 2 C, Co x W y C and amorphous / nanostructured Co-W-C phases in the nanostructured coating structure. Therefore, this study is motivated by improving the thermal stability and tribological properties of nanostructured WC-Co coating deposited by HVOF spraying. Firstly, electroless copper and nickel plating processes were distinctly applied on commercial microstructured WC-12Co (ms-WC12) particles to produce copper-coated (Cu/ms-WC) and nickel-coated (Ni/ns-WC) feedstock powders. These powders were then deposited onto the ST37 steel substrates by HVOF spraying to form ms-WC12, Cu/ms-WC and Ni/ms-WC coatings. The carbon content analysis of each powder and resultant coating showed the decarburization levels of 16.3, 21.2 and 2.6%, respectively for ms-WC12, Cu/ms-WC and Ni/ms-WC, representing extremely low WC decarburization for Ni/ms-WC. Secondly, considering the protection role of electroless nickel layer against WC decarburization, the nanostructured WC-12Co (ns-WC) powder particles was produced by mechanical milling and subjected to electroless nickel plating to prepare nickel-coated nanostructured WC-Co (Ni/ns-WC) feedstock powder. Comparing the carbon content of ns-WC and Ni/ns-WC powders and coatings revealed decarburization levels of 36.8 and 5.4%, respectively, indicating significant improvement in thermal stability of nano-sized WC during HVOF by using the nickel-coated feedstock powder. In the third place, characteristics of ms-WC12, Cu/ms-WC, Ni/ms-WC, ns-WC and Ni/ns-WC coatings were investigated in terms of microstructural, mechanical and tribological properties as well as high temperature oxidation behavior, and the structure-properties-relationship for the coatings have been discussed in detail. Keywords: WC-Co coating; HVOF; Microstructure; Mechanical properties; Tribological properties; Oxidation resistance.

مواد تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار تفت جوشی شده به دلیل داشتن تلفیقی از سختی و چقرمگی بالا به عنوان گزینه ی مناسبی برای گستره ی وسیعی از کاربردهای مقاوم به سایش نظیر ابزارهای برش کاری و سوراخ کاری و ساخت قالب های اکستروژن استفاده می شوند. اما بکارگیری ذرات تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار جهت تولید پوشش های نانوساختار بوسیله ی فرایند پاشش شعله ای پرسرعت، منجر به افت مقاومت سایشی در مقایسه با پوشش های میکروساختار متعارف شده است. این رفتار به دلیل نسبت بسیار بالای سطح-به-حجم ذرات تنگستن مونوکارباید نانومتری است که تجزیه و دکربوراسیون شدید آن ها را در حین پاشش شعله ای پرسرعت در پی داشته و منجر به ایجاد فازهای نامطلوب غیرتنگستن مونوکارباید می شود. بنابراین، هدف از این پژوهش، بهبود پایداری حرارتی و رفتار تریبولوژیکی پوشش های تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار تولید شده با روش پاشش شعله ای پرسرعت است. در این راستا، ابتدا فرایند الکترولس مس و نیکل هریک بطور مجزا بر روی ذرات تنگستن مونوکارباید-کبالت میکروساختار (ms-WC12) انجام شده و ذرات پودر روکش دارِ Cu/ms-WC و Ni/ms-WC تولید و تحت پاشش قرارگرفتند. در ادامه، تأثیر روکش های الکترولس مس و نیکل بر ساختار پوشش بدست آمده و میزان دکربوراسیون تنگستن مونوکارباید در حین فرایند پاشش، بررسی شد. با توجه به تأثیر بسیار مطلوب روکش الکترولس نیکل بر افزایش پایداری حرارتی تنگستن مونوکارباید و کاهش چشمگیر میزان دکربوراسیون، ذرات تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار (ns-WC) از طریق آسیاکاری مکانیکی تولید شده و روکش الکترولس نیکل بر روی سطح آن ها ایجاد شد؛ بدین ترتیب، ذرات پودر Ni/ns-WC نیز تولید شده و تحت پاشش قرارگرفت. ویژگی های پوشش های بدست آمده شامل میکروساختار، چگونگی رشد دانه های تنگستن مونوکارباید نانومتری، خواص مکانیکی، مقاومت اکسیداسیون دمای بالا، رفتار سایشی دمای محیط و دمای بالا مورد ارزیابی قرارگرفت. نتایج نشان داد که انجام فرایند الکترولس مس بر روی ذرات پودرتنگستن مونوکارباید-کبالت میکروساختار منجر به انحلال شدید کبالت در حمام الکترولس و جایگزینی مس بجای آن بر روی سطح و نیز درون ذرات اولیه شد. مشاهدات انجام شده از سطح مقطع ذرات پودر Cu/ms-WC تضعیف اتصال تنگستن مونوکارباید به زمینه و گسستگی آن را به روشنی نشان داد. در مقابل، انجام فرایند الکترولس نیکل بر روی ذرات پودر تنگستن مونوکارباید-کبالت میکروساختار سبب تشکیل یک لایه ی متراکم و یکنواخت از نیکل پیرامون ذرات اولیه با ضخامت 5/1-5/0 میکرومتر شد. ارزیابی های میکروساختاری و مقایسه ی مقدار کربن موجود در پودرهای اولیه و پوشش ها، دکربوراسیون ناچیز تنگستن مونوکارباید در پوشش Ni/ms-WC در حدود 6/2 درصد را نشان داد درحالی که تنگستن مونوکارباید در پوشش های ms-WC12 و Cu/ms-WC به ترتیب به میزان 3/16 و 2/21 درصد دکربوره شد. در مقایسه با پوشش ms-WC12، در پوشش ns-WC پیک های تنگستن دی کارباید (W 2 C) با شدت بیشتری در الگوی پراش پرتوی ایکس مشاهد شدند؛ این نتیجه، به همراه افت چشمگیر مقدار کربن به میزان 8/36 درصد، تأیید نمود که ذرات ns-WC متحمل دکربوراسیون به مراتب شدیدتری نسبت به ذرات پودر ms-WC12 در حین پاشش می شوند. در مقابل، پوشش Ni/ns-WC عمدتاً از فازهای تنگستن مونوکارباید و زمینه ی فلزی کبالت/نیکل تشکیل شده و الگوی پراش پرتوی ایکس این پوشش یک پیک بسیار کوچک از فاز تنگستن دی کارباید را با شدت بسیار کمتر در مقایسه با ms-WC12 و ns-WC نشان داد. همچنین، میزان دکربوراسیون تنگستن مونوکارباید در پوشش Ni/ns-WC برابر با 4/5 درصد بدست آمد که در مقایسه با پوشش های ms-WC12 و ns-WC به ترتیب به میزان 66 و 85 درصد کاهش نشان داد. پوشش Ni/ms-WC میانگین میکروسختی معادل با 1168 ویکرز را ارائه داد که نشان دهنده ی سختی بالاتر آن در مقایسه با پوشش ms-WC12 (1120 ویکرز) است. از سوی دیگر، پوشش های نانوساختار ns-WC و Ni/ns-WC به ترتیب با میکروسختی 1185 و 1214 ویکرز، میانگین سختی نسبتاً بالاتری را در مقایسه با پوشش های میکروساختار ارائه کردند. چقرمگی شکست پوشش Ni/ms-WC برابر با MPa.m 1/2 86/9 بدست آمد که در حدود 60 درصد بیشتر از پوشش ms-WC12 (MPa.m 1/2 76/5) است. از سوی دیگر، چقرمگی شکست پوشش های Ni/ns-WC و ns-WC برابر با MPa.m 1/2 32/10 و 12/5 اندازه گیری شد که به ترتیب بیشترین و کمترین مقدار را در مقایسه با سایر پوشش ها نشان دادند. ارزیابی مقاومت اکسیداسیونی در بازه ی دمایی 800-600 درجه سانتیگراد نشان داد که کینتیک اکسیداسیون برای پوشش های ms-WC12 و ns-WC از قانون خطی (با انرژی فعال سازی به ترتیب برابر با 4/90 و 9/78 کیلوژول بر مول) و در مورد پوشش های Ni/ms-WC و Ni/ns-WC از قانون پارابولیک (با انرژی فعال سازی به ترتیب برابر با 212 و 5/197 کیلوژول بر مول) پیروی می کند. نرخ سایش دمای محیط پوشش های ms-WC12 و ns-WC به ترتیب معادل با 4- 10×1/10 و 4- 10×7/14 میلی گرم بر متر اندازه گیری شد، درحالی که پوشش های Ni/ms-WC و Ni/ns-WC با 4- 10×2/3 و 4- 10×5/2 میلی گرم بر متر، نرخ سایش بسیار کمتری را ارائه می کنند. این مقادیر، رشد قابل ملاحظه ی مقاومت سایشی کلمات کلیدی: تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار؛ پاشش شعله ای پرسرعت؛ میکروساختار؛ خواص مکانیکی؛ کینتیک اکسیداسیون؛ مقاومت سایشی دمای محیط و دمای بالا.