Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Shafyei
علی شفیعی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Shirinbayan
محمدعلی شیرین بیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

An investigation on the kinetics of vanadium carbide coating on the surface of AISI D2 steel using a borax molten bath
AISI D2 cold work tool steel is usually used for the purpose of hardness and wear resistance. Thermo reactive diffusion coatings (TRD) treatment is usually applied to this type of tool steel to improve the surface hardness. Since the rollers made of D2 tool steels are susceptible to wear fatigue, its surface hardness is of critical importance. In first stage, a heat treatment route has been proposed for D2 tool steel which results in a combination of high hardness and toughness. For this purpose two heat treatment routes were adopted. In the first one, the preheated steel samples were held in a molten salt bath of 990 °C for a certain time followed by tempering at different temperatures. This heat treatment cycle resulted in a steel of 56 HRC and microstructure containing the primary carbides, tempered martensite, retained austenite, and transition carbides. In the second heat treatment route, the preheated samples were held in a BaCl 2 molten bath of 1070 °C for 30 minutes and then oil quenched. The two stages tempering treatment were then applied to the quenched specimens in which the samples were first tempered at 560 °C followed by tempering at 530 °C . The latter heat treatment resulted in a hardness of 60 HRC and an increase of D2 working time up to 15% in rolling mill. In the second stage, a vanadium carbide coating was applied to the D2 tool steel samples by immersion in borax liquid bath containing ferro vanadium, aluminum and boric acid. Coating process hardening heat treatment were carried out simultaneously as follows: Firstly the samples were preheated up to 500 °C and then TRD coating was performed on the samples at various temperatures for different times. Finally a specific mar-tempering treatment route was carried on the samples. The surface hardness of coated sample was evaluated as 2300-3200 HV at various positions while the hardness of the bulk was measured as (59-61) HRC. XRD analysis of coating showed that main component was vanadium carbide (V 8 C 7 ). Finally the kinetic of coating was studied based on determined rate curves. Kinetic study of Formation Coating showed that the diffusion of Carbon atoms in the Coating layer controlled the Coating process and the activation energy 114.5 kJ/mole was obtained.
فولادهای ابزار سردکار AISI D2 معمولا در شرایطی به کار می روند که سختی و مقاومت به سایش بالا مورد نیاز باشد. با توجه به شرایط و مکانیزم حاکم بر سایش خستگی غلتک hy;های نورد ازجنس فولاد D2 افزایش سختی سطحی غلتک ها از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. مرحله اول این پژوهش با هدف دستیابی به ماکزیمم سختی، همزمان با افزایش چقرمگی در غلتک‌های مذکور انجام گرفته است. بدین منظور دو گروه عملیات حرارتی برای سخت کاری این فولاد در نظر گرفته شد. در گروه اول با دمای آستنیته پایین محدوده (C° 990)، قطعات ابتدا پیشگرم شده و سپس در حمام آستنیته در دمای C° 990 غوطه ور شدند. با توجه به نتایج بدست آمده، سختی سطح نمونه ها HRC 56 بوده و میکرو ساختار آن ها متشکل از کاربیدهای آلیاژی اولیه و زمینه‌ای شامل آستنیت باقی مانده، مارتنزیت تمپر شده و کاربید‌های انتقالی است. در گروه دوم با دمای آستنیته بالای محدوده (C° 1070)، بعد از پیشگرم، نمونه‌ها در حمام نمک کلرید باریم به مدت 30 دقیقه در دمای C° 1070 تحت عملیات آستنیته قرار گرفتند و پس ازآن در روغن سرد شدند. در ادامه دو مرحله تمپر برای این نمونه‌ها در نظر گرفته شد. دمای بهینه برای حصول ماکزیمم سختی (HRC 60) برابر با C° 560 بدست آمد. برای دستیابی به چقرمگی بالا بدون کاهش شدید سختی، دمای تمپرینگ مرحله دوم، C° 30 کمتر از دمای تمپر اولیه در نظر گرفته شد. در مرحله دوم این پژوهش، سینتیک تشکیل پوشش کاربید وانادیوم بر روی فولاد ابزار AISI D2 با استفاده از روش غوطه وری در حمام نمک بوراکس همزمان با انجام عملیات حرارتی سخت کاری با دمای آستنیته بالای محدوده بر روی فولاد مذکور و هم چنین تاثیر پارامترهای دما و زمان در ترکیب شیمیایی ثابت حمام نمک مذاب بر مشخصات پوشش مورد بررسی قرار گرفته است. حمام نمک مذاب با ترکیب بوراکس، پودر فرو وانادیوم، پودر آلومینیوم و اسید بوریک انتخاب شد. عملیات پوشش دهی و حرارتی سخت کاری به صورت توامان شامل عملیات پیشگرم کردن نمونه ها در دمای C° 500 به مدت 2 ساعت، ورود نمونه ها به حمام نمک بوراکس جهت ایجاد پوشش در دماهای C° 900، C° 950 و C° 1000 برای مدت زمان های 3، 4، 5 و 6 ساعت، عملیات آستنیته کردن نمونه ها در دمای C° 1070 به مدت 30 دقیقه و دو مرحله برگشت دادن نمونه ها در دماهای C° 560 و C° 530 به مدت 2 ساعت، انجام شد. پس از انجام سیکل عملیات پوشش دهی و حرارتی سختی نمونه ها در مقیاس میکرو و ماکرو به ترتیب 2300 تا 3200 ویکرز و 61-59 راکول سی بدست آمد. آنالیزساختاری پوشش توسط دستگاه پراش اشعه ایکس (XRD) نشان داد که نوع کاربید وانادیوم تشکیل شده در پوشش V 8 C 7 می باشد. ریزساختار نمونه ها به وسیله میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار گرفت و ضخامت پوشش اندازه گیری شده با استفاده از SEM، در محدوده 7/6 تا 95/26 میکرون اندازه گیری شد. نهایتا با استفاده از منحنی های نرخ رشد پوشش، سینتیک رشد لایه پوشش نیز مورد بررسی قرار گرفت. مقدار انرژی فعال سازی محاسبه شده برای تشکیل پوشش بر روی سطح فولاد D2 با روش حمام مذاب بوراکس، kJ/mol 5/114 مشخص گردید.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی