بهبود پايداري حرارتي و رفتار تريبولوژيکي پوشش هاي کاربيدتنگستن - کبالت نانو ساختار توليد شده با روش پاشش شعله اي 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.

چکيده مواد تنگستن مونوکاربايد-کبالت نانوساختار تفت جوشي شده به دليل داشتن تلفيقي از سختي و چقرمگي بالا به عنوان گزينه ي مناسبي براي گستره ي وسيعي از کاربردهاي مقاوم به سايش نظير ابزارهاي برش کاري و سوراخ کاري و ساخت قالب هاي اکستروژن استفاده مي شوند. اما بکارگيري ذرات تنگستن مونوکاربايد-کبالت نانوساختار جهت توليد پوشش هاي نانوساختار بوسيله ي فرايند پاشش شعله اي پرسرعت، منجر به افت مقاومت سايشي در مقايسه با پوشش هاي ميکروساختار متعارف شده است. اين رفتار به دليل نسبت بسيار بالاي سطح-به-حجم ذرات تنگستن مونوکاربايد نانومتري است که تجزيه و دکربوراسيون شديد آن ها را در حين پاشش شعله اي پرسرعت در پي داشته و منجر به ايجاد فازهاي نامطلوب غيرتنگستن مونوکاربايد مي شود. بنابراين، هدف از اين پژوهش، بهبود پايداري حرارتي و رفتار تريبولوژيکي پوشش هاي تنگستن مونوکاربايد-کبالت نانوساختار توليد شده با روش پاشش شعله اي پرسرعت است. در اين راستا، ابتدا فرايند الکترولس مس و نيکل هريک بطور مجزا بر روي ذرات تنگستن مونوکاربايد-کبالت ميکروساختار (ms-WC12) انجام شده و ذرات پودر روکش دارِ Cu/ms-WC و Ni/ms-WC توليد و تحت پاشش قرارگرفتند. در ادامه، تأثير روکش هاي الکترولس مس و نيکل بر ساختار پوشش بدست آمده و ميزان دکربوراسيون تنگستن مونوکاربايد در حين فرايند پاشش، بررسي شد. با توجه به تأثير بسيار مطلوب روکش الکترولس نيکل بر افزايش پايداري حرارتي تنگستن مونوکاربايد و کاهش چشمگير ميزان دکربوراسيون، ذرات تنگستن مونوکاربايد-کبالت نانوساختار (ns-WC) از طريق آسياکاري مکانيکي توليد شده و روکش الکترولس نيکل بر روي سطح آن ها ايجاد شد؛ بدين ترتيب، ذرات پودر Ni/ns-WC نيز توليد شده و تحت پاشش قرارگرفت. ويژگي هاي پوشش هاي بدست آمده شامل ميکروساختار، چگونگي رشد دانه هاي تنگستن مونوکاربايد نانومتري، خواص مکانيکي، مقاومت اکسيداسيون دماي بالا، رفتار سايشي دماي محيط و دماي بالا مورد ارزيابي قرارگرفت. نتايج نشان داد که انجام فرايند الکترولس مس بر روي ذرات پودرتنگستن مونوکاربايد-کبالت ميکروساختار منجر به انحلال شديد کبالت در حمام الکترولس و جايگزيني مس بجاي آن بر روي سطح و نيز درون ذرات اوليه شد. مشاهدات انجام شده از سطح مقطع ذرات پودر Cu/ms-WC تضعيف اتصال تنگستن مونوکاربايد به زمينه و گسستگي آن را به روشني نشان داد. در مقابل، انجام فرايند الکترولس نيکل بر روي ذرات پودر تنگستن مونوکاربايد-کبالت ميکروساختار سبب تشکيل يک لايه ي متراکم و يکنواخت از نيکل پيرامون ذرات اوليه با ضخامت 5/1-5/0 ميکرومتر شد. ارزيابي هاي ميکروساختاري و مقايسه ي مقدار کربن موجود در پودرهاي اوليه و پوشش ها، دکربوراسيون ناچيز تنگستن مونوکاربايد در پوشش Ni/ms-WC در حدود 6/2 درصد را نشان داد درحالي که تنگستن مونوکاربايد در پوشش هاي ms-WC12 و Cu/ms-WC به ترتيب به ميزان 3/16 و 2/21 درصد دکربوره شد. در مقايسه با پوشش ms-WC12، در پوشش ns-WC پيک هاي تنگستن دي کاربايد (W 2 C) با شدت بيشتري در الگوي پراش پرتوي ايکس مشاهد شدند؛ اين نتيجه، به همراه افت چشمگير مقدار کربن به ميزان 8/36 درصد، تأييد نمود که ذرات ns-WC متحمل دکربوراسيون به مراتب شديدتري نسبت به ذرات پودر ms-WC12 در حين پاشش مي شوند. در مقابل، پوشش Ni/ns-WC عمدتاً از فازهاي تنگستن مونوکاربايد و زمينه ي فلزي کبالت/نيکل تشکيل شده و الگوي پراش پرتوي ايکس اين پوشش يک پيک بسيار کوچک از فاز تنگستن دي کاربايد را با شدت بسيار کمتر در مقايسه با ms-WC12 و ns-WC نشان داد. همچنين، ميزان دکربوراسيون تنگستن مونوکاربايد در پوشش Ni/ns-WC برابر با 4/5 درصد بدست آمد که در مقايسه با پوشش هاي ms-WC12 و ns-WC به ترتيب به ميزان 66 و 85 درصد کاهش نشان داد. پوشش Ni/ms-WC ميانگين ميکروسختي معادل با 1168 ويکرز را ارائه داد که نشان دهنده ي سختي بالاتر آن در مقايسه با پوشش ms-WC12 (1120 ويکرز) است. از سوي ديگر، پوشش هاي نانوساختار ns-WC و Ni/ns-WC به ترتيب با ميکروسختي 1185 و 1214 ويکرز، ميانگين سختي نسبتاً بالاتري را در مقايسه با پوشش هاي ميکروساختار ارائه کردند. چقرمگي شکست پوشش Ni/ms-WC برابر با MPa.m 1/2 86/9 بدست آمد که در حدود 60 درصد بيشتر از پوشش ms-WC12 (MPa.m 1/2 76/5) است. از سوي ديگر، چقرمگي شکست پوشش هاي Ni/ns-WC و ns-WC برابر با MPa.m 1/2 32/10 و 12/5 اندازه گيري شد که به ترتيب بيشترين و کمترين مقدار را در مقايسه با ساير پوشش ها نشان دادند. ارزيابي مقاومت اکسيداسيوني در بازه ي دمايي 800-600 درجه سانتيگراد نشان داد که کينتيک اکسيداسيون براي پوشش هاي ms-WC12 و ns-WC از قانون خطي (با انرژي فعال سازي به ترتيب برابر با 4/90 و 9/78 کيلوژول بر مول) و در مورد پوشش هاي Ni/ms-WC و Ni/ns-WC از قانون پارابوليک (با انرژي فعال سازي به ترتيب برابر با 212 و 5/197 کيلوژول بر مول) پيروي مي کند. نرخ سايش دماي محيط پوشش هاي ms-WC12 و ns-WC به ترتيب معادل با 4- 10×1/10 و 4- 10×7/14 ميلي گرم بر متر اندازه گيري شد، درحالي که پوشش هاي Ni/ms-WC و Ni/ns-WC با 4- 10×2/3 و 4- 10×5/2 ميلي گرم بر متر، نرخ سايش بسيار کمتري را ارائه مي کنند. اين مقادير، رشد قابل ملاحظه ي مقاومت سايشي کلمات کليدي: تنگستن مونوکاربايد-کبالت نانوساختار؛ پاشش شعله اي پرسرعت؛ ميکروساختار؛ خواص مکانيکي؛ کينتيک اکسيداسيون؛ مقاومت سايشي دماي محيط و دماي بالا.