SUPERVISOR
Mehdi Salehi
مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad javad Moaveni Tajoddin
محمدجواد معاونی تاج الدین
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Weld overlay of high chromium cast iron on plain carbon steel and evaluation of microstructure and wear behaviour
One of the main mechanism of the depreciation of pieces and the equipment in the steel, cement and minig industries is the wear. One of the methods in the surface engineering to improve the wear properties is cladding. High chromium cast iron is one of the wear resistant material that usually use in the steel industries to improve the plain carbon steel because of its property to make M 7 C 3 carbide phases. In this research the plain carbon steel AISI 1010 had been cladded by three different types of the High chromium cast iron: Chromium Carbide (C 3.5 Cr 35), chromium-niobium carbide (C3.4 Cr 22 Nb 10) and complex carbide (C4.5 Cr23.5 Nb5.5 Mo6.5 V1.5 W2.2) in three layers and by using SMAW method to decrease the dilution effect to the least. Then optical metallography, SEM, EDS and XRD and microhardness tests had been done to evaluate the microstructure properties. Microstructure evaluation and the results of the X-ray and energy dispersive spectrometer shown the M 7 C 3 phases on the all three coats. In the chromium-niobium coat were a few amount of NbC phase and in the microstructure of the complex carbide were (Nb,Mo)C phases and complex carbide ((Cr 2.5 Fe 4.3 Mo 0.1 )C 3 ). The size of the M 7 C 3 phases in the chromium-niobium and complex carbide were decrease that could be the result of nucleation effect of Niobium Carbide phase on the M 7 C 3 phase. The volume fraction of the carbides in the chromium-niobium coat was less than both others coats because of carbide former niobium and consume of carbon. And high percentage of carbon in the complex carbide coat cause the high volume fraction of carbides. The Alumina ball on the disc test was done to evaluate the wear behavior. Chromium Carbide coat shown the highest wear resistant. The amount of weight decreasing in the wear resistant test for the Chromium Carbide, Chromium-Niobium carbide and Complex carbide coats under the 13 kgr vertical force were 4.9,10.6 and 12.6 mgr respectively. Chromium-Niobium carbide coat shown the less wear resistant than Chromium Carbide coat because of low volume fraction of carbides phases. And the complex carbide coat shown the weaker wear resisitant than both others coats because of high volume fraction of carbides and increasing of carbide hardness Eutectic backgrounds that cause decreasing toughness. Under the 19 kgr force in comparison with 16 kgr force Chromium Carbide and Chromium-Niobium carbide coats shown less weight lost that could be because of the transformation of Austenitic to Martensite. Although the Ball on the disc test had been done at 400 C temperature to evaluate wear resistant at high temperature. Decreasing friction coefficient shown in comparison with Room temperature because of forming of Oxide layers. The amount of volume decreasing of Chromium Carbide, Chromium-Niobium carbide and Complex carbide were 2.85034, 2.72188 and 1.04144 mm 3 respectively. The effect of some alloy materials such as Mo, V and W cause that Complex carbide coat kept more of its mechanical properties at high temperature so it shown more wear resisitant. Keywords : Cladding, High Chromium Cast iron, wear behavior, high temperature wear
یکی از مکانیزم های عمده استهلاک قطعات و تجهیزات مهندسی در صنایع فولاد، سیمان و صنایع معدنی، سایش می باشد. یکی از روش های مهندسی سطح جهت بهبود خواص سایشی، روکش کاری جوشی می باشد. چدن پرکروم به دلیل تشکیل فازهای کاربید M 7 C 3 ، از جمله مواد مقاوم به سایش در این صنایع می باشد که معمولاً بر سطح فولاد ساده کربنی اعمال می شود. در این پژوهش سه روکش چدن پرکروم با نام های تجاری روکش کاربید کروم (C 3.5 Cr 35)، روکش کاربید کروم-کاربید نیوبیوم (C3.4 Cr 22 Nb 10) و روکش کاربید کمپلکس (C4.5 Cr23.5 Nb5.5 Mo6.5 V1.5 W2.2) بر سطح فولاد ساده کربنی AISI 1010 در 3 لایه جهت حداقل شدن اثر رقت در سطح روکش، بوسیله روش SMAW روکش کاری شد. سپس به منظور ارزیابی خواص ریزساختاری، آزمون های متالوگرافی نوری، SEM، EDS، XRD و آزمون ریزسختی سنجی، انجام شد. بررسی های ریزساختاری، تفرق اشعه ایکس و طیف سنج انرژی، بیانگر فاز M 7 C 3 در ریزساختار هر سه روکش بود. در روکش کاربید کروم-نیوبیوم مقدار اندکی از فاز NbC و در ریزساختار روکش کاربید کمپلکس، فاز (Nb,Mo)C و کاربید کمپلکس ((Cr 2.5 Fe 4.3 Mo 0.1 )C 3 ) در ریزساختار حاصل شد. اندازه کاربیدهای M 7 C 3 در روکش کاربید کروم-نیوبیوم و کاربید کمپلکس، کاهش پیدا کرد که می توند به دلیل اثر جوانه زایی فاز کاربید نیوبیوم بر فاز M 7 C 3 باشد. کسر حجمی کاربیدها در روکش کاربید کروم-نیوبیوم به دلیل حضور عنصر کاربیدزای نیوبیوم و مصرف کربن، نسبت به دو روکش دیگر کمتر بود و بالا بودن مقدار درصد کربن روکش کاربید کمپلکس، باعث افزایش کسرحجمی کاربیدها در این روکش شد. ارزیابی رفتار سایشی با آزمون گلوله آلومینا بر دیسک انجام شد. روکش کاربید کروم مقاومت سایشی بالاتری را از خود نشان داد. میزان کاهش وزن در اثر آزمون سایش برای روکش های کاربید کروم، کاربید کروم-نیوبیوم و کاربید کمپلکس در نیروی عمودی 13 کیلوگرم به ترتیب، 9/4، 6/10 و 6/12 میلی گرم حاصل شد. روکش کاربید کروم-نیوبیوم به دلیل حضور کسر حجمی پایینی از فاز کاربیدی مقاومت سایشی کمتری را به نسبت روکش کاربید کروم از خود نشان داد و روکش کاربید کمپلکس به دلیل حضور کسرحجمی بالایی از کاربیدها، افزایش سختی کاربیدها و زمینه یوتکتیکی و به تبع آن کاهش چقرمگی، مقاومت سایشی ضعیف تری را نسبت به دو روکش دیگر نشان داد. در نیروی عمودی 19 کیلوگرم برای دو روکش کاربید کروم و کاربید کروم-نیوبیوم کاهش وزن کمتری نسبت به نیروی عمودی 16 کیلوگرم مشاهده شد، که می تواند به علت استحاله ناشی از تنش آستنیت به مارتنزیت باشد. همچنین به منظور ارزیابی مقاومت سایشی دمای بالا، آزمون سایشی گلوله بر روی دیسک در دمای 400 درجه سانتی گراد انجام شد. به دلیل تشکیل لایه اکسیدی بارپذیر بر سطح روکش در این دما، موجب کاهش ضریب اصطکاک به نسبت آزمون دمای محیط شد. میزان کاهش حجم روکش های کاربید کروم، کاربید کروم-نیوبیوم و کاربید کمپلکس به ترتیب 85034/2، 72188/2 و 04144/1 میلیمتر مکعب حاصل شد. روکش کاربید کمپلکس به دلیل حضور عناصر آلیاژی مقاوم به حرارت از جمله Mo، V و W در ترکیب خود باعث شده تا درصد بیشتری از خواص مکانیکی خود را در دمای بالا حفظ کند لذا، مقاومت سایشی بالاتری را از خود نشان داد. کلمات کلیدی: روکش کاری جوشی، چدن پرکروم، رفتار سایشی، سایش دمای بالا