SUPERVISOR
Ali Ashrafi,Hamidreza Salimi jazi,Mehdi Salehi
علی اشرفی (استاد مشاور) حمیدرضا سلیمی جزی (استاد راهنما) مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed javad Tondpour
جواد تندپور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Effect of cladding powder composition on microstructure and mechanical properties of the clads obtained on 304SS using GTAW process
Effect of cladding powder composition on microstructure and mechanical properties of the clads obtained on 304SS using GTAW process One of the most usual processes in surface engineering is cladding of the surface of components. Since the major destruction mechanisms of components are usually begins from the surface, therefore protection and strengthening of their surfaces are vital and crucial issues in determination of the quality and durability of components and consequently the performance of the manufacturing unit and the final cost of products.. For this purpose, in the present study, cladding of the 304 stainless steel by molybdenum and chromium and its effect on the microstructure and hardness of the cladded layer was investigated. In this regard, by simultaneous synthesis of molybdenum from molybdenum trioxide and chromium from chromium oxide, the elements were provided on the clad. The cladding was also performed both with and without the presence of potassium permanganate and carbon. For this purpose, 304 stainless steel specimens were cladded by gas tungsten arc welding method. To do this, powder mixture containing chromium oxide, molybdenum trioxide and nickel with various amounts of potassium permanganate graphite as the source of carbon were prepared with appropriate stoichiometric ratio and milled. Then, the sodium silicate binder was added to the mixture, and the resulting pasty mixture was applied on the surface of the specimens as a pre-placed past. After drying in the air and oven, the cladding was carried out using GTAW. The cross-sections of cladded samples were studied by optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The results revealed that microstructure of the weld zone consisted of austenite and ferrite which formed during the solid state transformation of primary ferrite to austenite in the cooling cycle, so that the morphology of ferrite in the center of the weld was lathy ferritic in austenite matrix which changed to skeletal ferrite in the interface of the substrate and clad. It was also found that addition of potassium permanganate to the preset paste layer increased the temperature of weld pool, which enhanced the synthesis of molybdenum and chromium and resulted in the increase in the amount of ferrite in the microstructure of the cladded layer. X-ray diffraction was used to study the phase composition of cladded layers. Presence of the Cr 1.36 Fe 0.52 , FeMo and MoNi 4 peaks in the diffraction patterns of the cladded specimens showed that molybdenum and chromium was synthesized in the weld pool. The microhardness profile of cladded samples demonstrated that the maximum value of hardness in the cladded layers was changed from 230 HV for the sample without potassium permanganate and graphite to 302 HV for the sample contained 3 moles of potassium permanganate and 5 moles of graphite. The value of hardness decreased by increasing the distance from the weld center due to the decrease in the amount of ferrite. Keywords: Synthesis, 304 stainless steel, Lathy ferrite, Skeletal ferrite, Cladding, Gas tungsten arc welding
یکی از متداول ترین فرایندهای مهندسی سطح، روکش کاری سطح قطعات می باشد. با توجه به اینکه عمده مکانیزم های تخریب قطعات معمولا از سطح شروع می شود، لذا حفاظت و مقاوم سازی از مسائل بسیار حساس و تعیین کننده کیفیت و عمر قطعات و نهایت کارایی یک واحد تولیدی و بهای تمام شده محصول می باشد. بنابراین روکش کاری را می توان یک روش با هزینه کم برای پوشش دهی یک ماده پرکننده روی سطح قطعه کار جهت بهبود سختی و ریزساختار بیان کرد. بدین منظور در این پژوهش، به بررسی روکش کاری فولاد زنگ نزن 304 با مولیبدن و کروم و تاثیر آن بر ریزساختار و سختی روکش ایجاد شده پرداخته شده است. در این راستا با سنتز همزمان مولیبدن از تری اکسید مولیبدن و کروم از اکسید کروم، عناصر مورد نظر بر روی روکش تامین گردید. این روکش کاری همچنین در حالت های بدون حضور و با حضور پرمنگنات پتاسیم و کربن صورت گرفت. بدین منظور نمونه هایی از جنس فولاد زنگ نزن 304 توسط روش جوشکاری قوسی تنگستن-گاز با جریان و سرعت جوشکاری ثابت با مخلوط پودری مشخص روکش کاری شد. برای این کار مخلوط های پودری حاوی اکسید کروم، تری اکسید مولیبدن و نیکل به همراه مقادیر مختلف پرمنگنات پتاسیم و گرافیت به عنوان منبع کربن با نسبت استوکیومتری مناسب تهیه و آسیاب کاری شد و با افزودن چسب سیلیکات سدیم، مخلوط خمیری به صورت پیش نشست بر روی سطح نمونه ها اعمال شد. پس از خشک نمودن در هوا و خشک کن، نمونه ها جهت روکش کاری جوشکاری شدند. مقطع عرضی نمونه ها توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ریزساختار منطقه جوش نمونه ها شامل فازهای آستنیت و فریت بوده که در طی فرایند سرد شدن به صورت فریت اولیه منجمد شده و سپس استحاله فریت به آستنیت اتفاق افتاده است، به گونه ای که مرفولوژی ساختار روکش ها در مرکز جوش به صورت فریت شبکه ای در زمینه آستنیتی بوده و در فصل مشترک با زیرلایه، به فریت اسکلتی تغییر کرده است. همچنین نتایج نشان داد که در اثر افزودن پرمنگنات پتاسیم به لایه پیش نشانی به دلیل گرمازا بودن آن، دمای حوضچه جوش بالا رفته و سنتز مولیبدن از تری اکسید مولیبدن و همچنین کروم از اکسید کروم بیشتر صورت گرفته و با توجه به فریت زا بودن آن ها، افزایش میزان فریت در ساختار روکش را به دنبال داشته است. با بررسی تصاویر ماکروسکوپی از حوضچه جوش نیز مشاهده گردید با افزایش مقدار پرمنگنات پتاسیم، به دلیل گرمازا بودن آن، عمق حوضچه و همچنین نسبت عمق به پهنای حوضچه جوش نمونه ها افزایش یافته است. جهت شناسایی نوع فازهای تشکیل شده در سطح روکش ها از آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده گردید. بر اساس الگوی پراش پرتو ایکس نمونه های روکش کاری شده، وجود فازهای Cr 1.36 Fe 0.52 ، FeMo و MoNi 4 نشان می دهد که سنتز عناصر مولیبدن و کروم در حوضچه جوش صورت گرفته است. بررسی میزان رقت در نمونه ها توسط آزمون طیف سنج انرژی (EDS) انجام شد. با استفاده از آزمون ریزسختی سنجی، پروفیل سختی نمونه ها تهیه شد که حداکثر سختی روکش ها از HV 230 برای نمونه بدون پرمنگنات پتاسیم و گرافیت تا HV 302 برای نمونه حاوی 3 مول پرمنگنات پتاسیم و 5 مول گرافیت متغیر بوده و پروفیل سختی از مرکز جوش نمونه ها به سمت فلز پایه (HV 190) به دلیل کاهش میزان فریت، کاهش یافته است. کلمات کلیدی سنتز، فولاد زنگ نزن آستنیتی 304، فریت شبکه ای، فریت اسکلتی، روکش کاری، جوشکاری قوسی تنگستن-گاز