SUPERVISOR
Mehdi Salehi
مهدي صالحي (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad javad Moaveni Tajoddin
محمدجواد معاوني تاج الدين
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
چکيده يکي از مکانيزم هاي عمده استهلاک قطعات و تجهيزات مهندسي در صنايع فولاد، سيمان و صنايع معدني، سايش مي باشد. يکي از روش هاي مهندسي سطح جهت بهبود خواص سايشي، روکش کاري جوشي مي باشد. چدن پرکروم به دليل تشکيل فازهاي کاربيد M 7 C 3 ، از جمله مواد مقاوم به سايش در اين صنايع مي باشد که معمولاً بر سطح فولاد ساده کربني اعمال مي شود. در اين پژوهش سه روکش چدن پرکروم با نام هاي تجاري روکش کاربيد کروم (C 3.5 Cr 35)، روکش کاربيد کروم-کاربيد نيوبيوم (C3.4 Cr 22 Nb 10) و روکش کاربيد کمپلکس (C4.5 Cr23.5 Nb5.5 Mo6.5 V1.5 W2.2) بر سطح فولاد ساده کربني AISI 1010 در 3 لايه جهت حداقل شدن اثر رقت در سطح روکش، بوسيله روش SMAW روکش کاري شد. سپس به منظور ارزيابي خواص ريزساختاري، آزمون هاي متالوگرافي نوري، SEM، EDS، XRD و آزمون ريزسختي سنجي، انجام شد. بررسي هاي ريزساختاري، تفرق اشعه ايکس و طيف سنج انرژي، بيانگر فاز M 7 C 3 در ريزساختار هر سه روکش بود. در روکش کاربيد کروم-نيوبيوم مقدار اندکي از فاز NbC و در ريزساختار روکش کاربيد کمپلکس، فاز (Nb,Mo)C و کاربيد کمپلکس ((Cr 2.5 Fe 4.3 Mo 0.1 )C 3 ) در ريزساختار حاصل شد. اندازه کاربيدهاي M 7 C 3 در روکش کاربيد کروم-نيوبيوم و کاربيد کمپلکس، کاهش پيدا کرد که مي توند به دليل اثر جوانه زايي فاز کاربيد نيوبيوم بر فاز M 7 C 3 باشد. کسر حجمي کاربيدها در روکش کاربيد کروم-نيوبيوم به دليل حضور عنصر کاربيدزاي نيوبيوم و مصرف کربن، نسبت به دو روکش ديگر کمتر بود و بالا بودن مقدار درصد کربن روکش کاربيد کمپلکس، باعث افزايش کسرحجمي کاربيدها در اين روکش شد. ارزيابي رفتار سايشي با آزمون گلوله آلومينا بر ديسک انجام شد. روکش کاربيد کروم مقاومت سايشي بالاتري را از خود نشان داد. ميزان کاهش وزن در اثر آزمون سايش براي روکش هاي کاربيد کروم، کاربيد کروم-نيوبيوم و کاربيد کمپلکس در نيروي عمودي 13 کيلوگرم به ترتيب، 9/4، 6/10 و 6/12 ميلي گرم حاصل شد. روکش کاربيد کروم-نيوبيوم به دليل حضور کسر حجمي پاييني از فاز کاربيدي مقاومت سايشي کمتري را به نسبت روکش کاربيد کروم از خود نشان داد و روکش کاربيد کمپلکس به دليل حضور کسرحجمي بالايي از کاربيدها، افزايش سختي کاربيدها و زمينه يوتکتيکي و به تبع آن کاهش چقرمگي، مقاومت سايشي ضعيف تري را نسبت به دو روکش ديگر نشان داد. در نيروي عمودي 19 کيلوگرم براي دو روکش کاربيد کروم و کاربيد کروم-نيوبيوم کاهش وزن کمتري نسبت به نيروي عمودي 16 کيلوگرم مشاهده شد، که مي تواند به علت استحاله ناشي از تنش آستنيت به مارتنزيت باشد. همچنين به منظور ارزيابي مقاومت سايشي دماي بالا، آزمون سايشي گلوله بر روي ديسک در دماي 400 درجه سانتي گراد انجام شد. به دليل تشکيل لايه اکسيدي بارپذير بر سطح روکش در اين دما، موجب کاهش ضريب اصطکاک به نسبت آزمون دماي محيط شد. ميزان کاهش حجم روکش هاي کاربيد کروم، کاربيد کروم-نيوبيوم و کاربيد کمپلکس به ترتيب 85034/2، 72188/2 و 04144/1 ميليمتر مکعب حاصل شد. روکش کاربيد کمپلکس به دليل حضور عناصر آلياژي مقاوم به حرارت از جمله Mo، V و W در ترکيب خود باعث شده تا درصد بيشتري از خواص مکانيکي خود را در دماي بالا حفظ کند لذا، مقاومت سايشي بالاتري را از خود نشان داد. کلمات کليدي: روکش کاري جوشي، چدن پرکروم، رفتار سايشي، سايش دماي بالا