روکش کاری فولاد کربنی با سنتز لیزری کاربید تیتانیوم از ایلمنایت فعال سازی شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 گروه مهندسی مواد و نساجی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

3 مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران، تهران، ایران

چکیده

 ایجاد لایه­ای سخت بر سطح فولاد کربنی روشی مناسب جهت ارتقای کارایی آن است. ازجمله مواد مقاوم به سایش مورد توجه برای این منظور، کاربید تیتانیوم است. در پژوهش حاضر، سنتز کربوترمی ذرات TiC با استفاده از لیزر پالسی موردبررسی قرارگرفته­است. تلاش شد کاربید تیتانیوم به صورت درجا از ایلمنایت، به‌عنوان ماده اولیه­ای ارزان، به دست آید. اما تبدیل کامل ایلمنایت به TiC در زمان کوتاه فراوری لیزری امری دشوار است. برای فایق آمدن بر این مشکل از دو راه­حل همزمان استفاده­شد: مقدار کربن بیش از استوکیومتری احیا استفاده شد و مخلوط پودرهای ایلمنایت و گرافیت تحت فعال­سازی مکانیکی قرار گرفتند. در این راستا، اثر افزایش زمان فعال‌سازی تا 200 ساعت با استفاده از پراش پرتو ایکس بررسی شد. سپس با نشاندن لایه­ای از پودر بر سطح فولاد، روکش­کاری لیزری انجام شد. تأثیر فعال­سازی مکانیکی بر تشکیل ذرات پخش‌شده در روکش، خصوصاً تبدیل ذرات اکسیدی به کاربیدی، مورد تحلیل قرارگرفت. به این منظور از میکروسکوپ الکترونی روبشی با آنالیزگر EDS و تحلیل پراش پرتو ایکس استفاده­شد. همچنین ذرات TiC و زمینه روکش ازنظر ریخت­شناسی و ریزساختاری بررسی شدند. مشاهده شد که روکش دارای ساختار انجماد جهت­دار بوده؛ مناطق هم­محور، سلولی، دندریتی و درنهایت یوتکتیک تشکیل‌شده‌اند. از سوی دیگر، ریزسختی­سنجی نشانگر افزایش تدریجی سختی از زیرلایه تا سطح روکش بود، که به مقدار 1600 ویکرز در نزدیکی سطح رسید. مشخص گردید که سنتز روکش کامپوزیتی با توزیع گرادیانی مناسبی از ذرات TiC به روش احیای لیزری ایلمنایت امکان­پذیر است.

کلیدواژه‌ها


 
1. V. Sarin, Comprehensive hard materials, Newnes, Oxford, UK, )2014.(
2. K. Das, T.K. Bandyopadhyay, S. Das, A Review on the various synthesis routes of TiC reinforced ferrous based composites, Journal of Materials Science, 37(2002)3881-3892.
3. C.C. Degnan, P.H. Shipway, A comparison of the reciprocating sliding wear behaviour of steel based metal matrix composites processed from self-propagating high-temperature synthesised Fe–TiC and Fe–TiB2 masteralloys, Wear, 252(2002)832-841.
4. I. Brown, W. Owers, Fabrication, microstructure and properties of Fe–TiC ceramic–metal composites, Current Applied Physics, 4(2004)171-174.
5. K. Parashivamurthy, R. Kumar, S. Seetharamu, M. Chandrasekharaiah, Review on TiC reinforced steel composites, Journal of materials science, 36(2001)4519-4530.
6. X. Wang, Z. Zou, S. Qu, S. Song, Microstructure and wear properties of Fe-based hardfacing coating reinforced by TiC particles, Journal of materials processing Technology, 168 (2005) 89-94.
7. X.H. Wang, S.L. Song, Z.D. Zou, S.Y. Qu, Fabricating TiC particles reinforced Fe-based composite coatings produced by GTAW multi-layers melting process, Materials Science and Engineering: A, 441(2006)60-67.
8. C.K. Sahoo, M. Masanta, Microstructure and mechanical properties of TiC-Ni coating on AISI304 steel produced by TIG cladding process, Journal of Materials Processing Technology, 240(2017)126-137.
9. A. Rokanopoulou, G. Papadimitriou, Titanium carbide/duplex stainless steel (DSS) metal matrix composite coatings prepared by the plasma transferred arc (PTA) technique: microstructure and wear properties, Journal of coatings technology and research, 8(2011)427-437.
10. M. Jones, A. Horlock, P. Shipway, D. McCartney, J. Wood, Microstructure and abrasive wear behaviour of FeCr–TiC coatings deposited by HVOF spraying of SHS powders, Wear, 249(2001)246-253.
11. E. Toyserkani, A. Khajepour, S.F. Corbin, Laser cladding, CRC press, 2004.
12. A. Emamian, S.F. Corbin, A. Khajepour, Effect of laser cladding process parameters on clad quality and in-situ formed microstructure of Fe–TiC composite coatings, Surface and Coatings Technology, 205(2010)2007-2015.
13. M. Razavi, M.R. Rahimpour, M. Ganji, M. Ganjali, M. Gangali, In situ deposition of Fe-TiC nanocomposite on steel by laser cladding, Surface Review and Letters, (2016)1750080.
14. S. Qu, X. Wang, M. Zhang, Z. Zou, Microstructure and wear properties of Fe–TiC surface composite coating by laser cladding, Journal of Materials Science, Vol) 2008(1546-1551.
15. G.L. Zhao, Y. Zou, Z.D. Zou, H. Zhang, Research on in situ synthesised (Ti,V)C/Fe composite coating by laser cladding, Materials Science and Technology, 31) 2015(1329-1334.
16. Z. Wang, T. Lin, X. He, H. Shao, J. Zheng, X. Qu, Microstructure and properties of TiC-high manganese steel cermet prepared by different sintering processes, Journal of Alloys and Compounds, 650) 2015(918-924.
17. A. Lahouel, S. Boudebane, A. Iost, A. Montagne, A new method to fabricate Fe-TiC composite using conventional sintering and steam hammer, in:  International Journal of Engineering Research in Africa, Trans Tech Publ, )2017(28-44.
18. M. Razavi, M.S. Yaghmaee, M.R. Rahimipour, S.S. Razavi-Tousi, The effect of production method on properties of Fe–TiC composite, International Journal of Mineral Processing, 94(2010)97-100.
19. Y.-m. Wang, Z.-f. Yuan, Z.-c. Guo, Q.-q. Tan, Z.-y. Li, W.-z. Jiang, Reduction mechanism of natural ilmenite with graphite, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 18(2008)962-968.
20. P. Scherrer, Estimation of the size and internal structure of colloidal particles by means of röntgen, Nachr. Ges. Wiss. Göttingen, 2(1918)96-100.
21. G.K. Williamson, W.H. Hall, X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram, Acta Metallurgica, 1(1953)22-31.
22. Chen, T. Hwang, M. Marsh, J.S. Williams, Mechanically activated carbothermic reduction of ilmenite, Metallurgical and Materials Transactions A, 28(1997)1115-1121.
23. B.D. Cullity, Elements of X-Ray Diffraction, 2nd ed., Addison-Wesley, (1978).
24. V. Soleimanian, M. Mojtahedi, A comparison between different X-ray diffraction line broadening analysis methods for nanocrystalline ball-milled FCC powders, Appl. Phys. A, 119(2015)977-987.
25. C. Suryanarayana, Mechanical alloying and milling, Marcel Dekker, New York, (2004).
26. J.B. Holt, Z.A. Munir, Combustion synthesis of titanium carbide: Theory and experiment, Journal of Materials Science, 21(1986)251-259.
27. A. Saidi, A. Chrysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie, Preparation of Fe-TiC composites by the thermal-explosion mode of combustion synthesis, Ceramics International, 23(1997)185-189.
28. L.S.A. Marques, A.C. Fernandes, F. Vaz, M.M.D. Ramos, Influence of Oxygen Addition on the Structural and Elastic Properties of TiC Thin Films, Plasma Processes and Polymers, 4(2007)195-199.
29. A. Emamian, S.F. Corbin, A. Khajepour, In-Situ Formation of TiC Using Laser Cladding, in: J. Cuppoletti (Ed.) Metal, Ceramic and Polymeric Composites for Various Uses, 2011.
30. W. Kurz, D.J. Fisher, Fundamentals of Solidification, Trans Tech Publications, (1989).
31. S. Chen, X. Chen, L. Wang, J. Liang, C. Liu, Laser cladding FeCrCoNiTiAl high entropy alloy coatings reinforced with self-generated TiC particles, Journal of Laser Applications, 29(2017)012004.
32.گلعذار محمدعلی، اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها، ویرایش دوم، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان، 1367.
33. A. Walker, H. Flower, D. West, The laser surface-alloying of iron with carbon, Journal of materials science, 20(1985)989-995.
34. A. Emamian, S.F. Corbin, A. Khajepour, In-Situ Deposition of Metal Matrix Composite in Fe-Ti-C System Using Laser Cladding Process, J. Cuppoletti (Ed.), InTech, (2011).
35. S. Yang, M. Zhong, W. Liu, TiC particulate composite coating produced in situ by laser cladding, Materials Science and Engineering: A, 343(2003)57-62.
36. A. Emamian, S.F. Corbin, A. Khajepour, Tribology characteristics of in-situ laser deposition of Fe-TiC, Surface and Coatings Technology, 206(2012)4495-4501.
37. کاظمی مریم، ثقفیان حسن، خیراندیش شهرام، سلیمانی گیلکجانی رضا، تاثیر سرعت روبش پرتو لیزر بر ریزساختار و ریزسختی فولاد ابزار گرمکار H13 کامپوزیت سطحی شده با ذرات کاربید تیتانیوم با استفاده از لیزر، علوم و مهندسی سطح، 37(1397)104-97.
38. X.H. Wang, L. Cheng, M. Zhang, S.Y. Qu, B.S. Du, Z.D. Zou, Reaction synthesis of (Ti,V)C carbide reinforced Fe based surface composite coating by laser cladding, Surface Engineering, 25(2009)211-217.
39. X.H. Wang, S.Y. Qu, B.S. Du, Z.D. Zou, In situ synthesised TiC particles reinforced Fe based composite coating produced by laser cladding, Materials Science and Technology, 25(2009)388-392.