SUPERVISOR
Behzad Niroumand
بهزاد نيرومند (استاد راهنما)
STUDENT
Samira Riahi Falavarjani
سميرا رياحي فلاورجاني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Effects of microstructure and surface roughness on wetting angle of a hypoeutectic cast iron
Absract In this research, first a hypoeutectic cast iron was cast according to method B of ASTM A367 standard chill test. Six gray cast irons samples with differen types of flake graphite as well as a mottled and a white cast iron were then cut from the casting. All samples were roughened to different values by mechanical abrasion and electroetching and their wetting angles and roughnesses were measured. After the last stage of the electroetching process, all samples were exposed to atmosphere for 4 weeks and their wettability was studied after 1, 2, 3 and 4 weeks of air exposure. Tafel polarization test was used to study the corrosion resistance of some of the samples and its correlation to their wetting angles. Microstructure and surface morphology of the samples were studied by optical and scanning electron microscopy in all roughening and oxidation stages. The results indicated that not only surface roughness but also the roughening method affected the surface wettability. Wettability of mechanically abraded cast iron surfaces with the same roughness was only affected by the type of phases present in the microstructure. Whereas, wettability of electroetched surfaces with the same roughness was further affected by the type and distribution of graphite flakes. increased with in all stages of electroetching and mechanical abrasion. Coarse A type and fine D type graphite gray cast iron samples in stages 1 and 2 of electroetching, fine E type graphite gray cast iron and mottled cast iron in stage 4 of electroetching and white cast iron mechanically abraded with 800 sandpaper followed Cassie-Baxter’s equation. Whereas, coarse A type graphite gray cast iron in stages 3 and 4 of electroetching and in all stages of mechanical abrasion, fine A type graphite gray cast iron in stages 1, 2 and 4 of electroetching and in mechanical abrasion by 80, 800 and 1200 grit sandpapers, coarse D type graphite gray cast iron in all electroetching stages and in mechanical abrasion by 80, 800 and 1200 grit sandpapers, fine D type graphite gray cast iron in all mechanical abrasion stages and in stages 3 and 4 of electroetching, coarse E type graphite gray cast iron in all mechanical abrasio and electroetching stages, fine E type graphite gray cast iron in stage 3 of electroetching and in mechanical abrasion by 80, 800 and 1200 grit sandpapers, mottled cast iron in mechanical abrasion by 320, 800 and 1200 grit sandpapers and white cast iron in all electroetching stages and in mechanical abrasion by 1200 sandpaper followed Wenzel’s equation. In other cases, the results did not fit to any of the models. Wettability of all the air exposed samples increased from values below 40? to above 90?. Polarization testes indicated that this could significantly increase their corrosion resistance. The reason for hydrophobicity of the air exposed samples was suggested to be related to formation of a low surface energy carbon layer by absorption of micro-organisms from the environment. Key words: Hydrophobicity, Contact angle, Gray cast iron, Surface roughness, Mechanical abrasion, Electroetching, Graphite type, Surface phases, Wettability model
چکيده در اين پژوهش ابتدا يک چدن هيپويوتکتيک بر اساس تست تبريدي استاندارد ASTM A367 روش B، ريخته گري شد. سپس 6 نمونه چدن خاکستري با توزيع هاي مختلف گرافيت لايه اي و دو نمونه چدن خالدار و چدن سفيد از قطعه ريخته گري شده برش زده و پوليش شد. همه نمونه hy;ها با دو فرآيند سنباده زني و الکترواچ به ميزان هاي مختلف زبر شده ، زاويه ترشوندگي وزبري سطح آنها اندازه گيري شد. در ادامه همه نمونه ها پس ازآخرين مرحله الکترواچ به مدت 4 هفته در معرض هواي محيط قرار گرفته، بلافاصله پس از الکترواچ و پس از 1، 2، 3 و 4 هفته قرار گرفتن در معرض هواي محيط آزمون ترشوندگي بر روي سطوح آن ها انجام شد. جهت بررسي ارتباط زاويه ترشوندگي با مقاومت به خوردگي نمونه hy; چدن خاکستري با توزيع گرافيت هاي A ريز پس از زبر شدن با سنباده هاي 80 و 1200 و بلافاصله پس از آخرين مرحله الکترواچ و پس از 4 هفته قرار گرفتن در معرض هواي محيط و نمونه هاي چدن خاکستري با توزيع گرافيت هاي D درشت و چدن سفيد بلافاصله پس از آخرين مرحله الکترواچ و پس از 4 هفته قرار گرفتن در معرض هواي محيط تحت آزمون پلاريزاسيون تافل قرار گرفتند. همچنين ساختار و مورفولوژي سطح نمونه ها در مراحل مختلف زبرسازي و اکسيداسيون توسط ميکروسکوپ نوري و الکتروني روبشي مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج به دست آمده از اين پژوهش نشان داد که تنها زبري سطح بر زاويه ترشوندگي تاثير نداشته و روش زبر کردن سطح نيز از عوامل تاثيرگذار بر زاويه ترشوندگي سطح مي باشد. در نمونه هاي مختلف چدني سنباده زده شده با زبري يکسان، تنها نوع فازهاي سطحي بر زاويه ترشوندگي تاثيرگذار بود. در حالي که درمورد سطوح الکترواچ شده با زبري سطح يکسان علاوه بر فازهاي سطحي، نحوه و شکل توزيع گرافيت ها نيز بر زاويه ترشوندگي تاثيرگذاشت. بررسي پارامترهاي زبري نشان داد همواره در مراحل مختلف الکترواچ و سنباده زني، با افزايش مقدار نيز افزايش مي يابد. همچنين بررسي مدل ترشوندگي منطبق بر سطوح نشان داد نمونه هاي چدن خاکستري با توزيع گرافيت A درشت و D ريز در مراحل 1 و 2 الکترواچ، E ريز و چدن خالدار در مرحله 4 الکترواچ و چدن سفيد در مرحله زبر شدن با سنباده 800 از را بطه کسي-بکستر پيروي مي نمايند. در حالي که نمونه هاي چدن خاکستري با توزيع گرافيت A درشت در مراحل 3و 4 الکترواچ و همه مراحل سنباده زني، A ريز در مراحل 1، 2 و 4 الکترواچ و مراحل سنباده زني با سنباده هاي 80، 800 و 1200، D درشت در همه مراحل الکترواچ و مراحل سنباده زني با سنباده هاي 80، 800 و1200، D ريز در همه مراحل سنباده زني و مراحل 3 و 4 الکترواچ، E درشت در همه مراحل سنباده زني و الکترواچ، E ريز در مرحله 3 الکترواچ و مراحل سنباده زني با سنباده هاي 80، 800 و 1200، چدن خالدار در مراحل زبر شدن با سنباده هاي 320، 800 و 1200 و چدن سفيد در همه مراحل الکترواچ و مرحله زبر شدن با سنباده 1200 از رابطه ونزل تبعيت مي نمايند. در بقيه موارد نتايج به دست آمده بر هيچ يک از مدل ها منطبق نبود.در مورد نمونه هاي در معرض هوا قرار گرفته زاويه ترشوندگي همه نمونه ها پس از 4 هفته قرار گرفتن در معرض هوا از زواياي کمتر از 40 درجه به مقادير بيشتر از 90 درجه افزايش يافت. آزمون هاي پلاريزاسيون نشان داد که اين مسئله مي تواند باعث افزايش قابل توجه مقاومت به خوردگي نمونه ها شود. به نظر مي رسد علت آب گريز شدن سطوح نمونه هاي فلزي در معرض هوا قرار گرفته به ايجاد لايه هاي کربن با انرژي سطحي پايين در اثر جذب ميکروارگانيزم ها از محيط مربوط باشد. کلمات کليدي آب گريزي، زاويه تماس، چدن خاکستري، زبري سطح، سنباده زني، الکترواچ، توزيع گرافيت ها، فازهاي سطحي، مدل ترشوندگي