دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
فرسوده یا خورده شده است. عملیات سطحی می‌تواند موجب افزایش مقاومت به خوردگی، مقاومت به سایش، چقرمگی، یا خواص ضد اصطکاکی در محل مورد نظر گردد. برخی از پوششها توسط فرآیندهای جوشکاری گازی یا قوسی و یا توسط فرآیندهای پاشش دهی حرارتی رسوب داده می‌شوند و روشهای دستی، نیمه اتوماتیک یا اتوماتیک را می‌توان برای هر یک از فرآیندها به کار برد. مواد پرکننده مناسب در شکلها و انواع گوناگون نظیر میله جوشکاری، الکترودهای پوششدار، خمیرها و پودرها موجود می‌باشند. چسبندگی این مواد بر روی فلزات پایه از طریق نفوذ، پیوندهای متالورژیکی یا پیوندهای مکانیکی صورت می‌گیرد.
به طور کلی خواص مهم آلیاژهایی که جهت عملیات سطحی به کار می¬روند عبارتند از:
1- سختی
الف- ماکرو سختی
ب- میکرو سختی یا سختی اجزاء تشکیل دهنده یک ساختار ناهمگن
ج- سختی گرم یا مقاومت در برابر اثر تضعیف کننده دما
2- مقاومت به سایش
الف- تحت شرایط کم تنش
ب- تحت شرایط پر تنش
ج- تحت شرایطی که قطعه توسط مواد ساینده و در سرعتهای متفاوت رویه برداری می‌شود.
3- مقاومت به ضربه
الف- مقاومت به تغییر شکل تحت ضربه های متوالی (مربوط به تنش تسلیم)
ب- مقاومت به ترک خوردگی تحت ضربه (مربوط به استحکام و چکش خواری)
ج- استحکام فشاری
د- چکش خواری فشاری
4- مقاومت حرارتی
الف- مقاومت در برابر باز پخت (تمپر شدن)
ب- حفظ استحکام حرارتی در دمای بالا
ج- مقاومت به خزش
د- مقاومت در برابر اکسیداسیون یا خوردگی داغ
ه- مقاومت در برابر خستگی حرارتی
5- مقاومت در برابر خوردگی
6- خواص اصطکاکی و قابلیت جوشکاری
عملیات سطحی دارای مزایایی است که مهمترین آنها عبارتند از:
1- افزایش مقاومت به سایش و خوردگی در محل مورد نیاز
2- استفاده آسان از ترکیبات خیلی سخت و آلیاژهای مقاوم به سایش
3- سهولت کاربرد در محل
4- استفاده اقتصادی از عناصر آلیاژی گران قیمت
5- اقتصادی بودن برای کاربر به علل زیر:
• عمر کارکرد بیشتر
• کاهش هزینه نگهداری و تعویض
• بازیابی قطعات فرسوده
• استفاده از مواد پایه ارزان قیمت تر
• مصرف کمتر انرژی در هنگام کار
• افزایش بازدهی قطعه در بیشتر موارد [1]
1-2- انواع روشهای عملیات سطحی (با استفاده از جوشکاری)
روشهای گوناگون عملیات سطحی به چندین گروه به شرح زیر تقسیم می‌شوند:
1) پر کردن (بازسازی)
در این روش با افزودن فلز جوش به سطح فلز پایه، قطعاتی که نیاز به بازسازی ابعادی دارند را می‌توان تعمیر نمود. همچنین می‌توان به منظور بزرگ تر کردن یا پر کردن سطح قطعه از این روش استفاده کرد. در فرآیند بازسازی، خواص لایه رسوب داده شده اغلب مشابه با خواص فلز قطعه کار میباشد [2].
2) لایه نشانی
لایه نشانی نیز به منظور افزودن یک یا چند لایه از فلز جوش به سطح اتصال یا سطوحی که جوشکاری می‌شوند، انجام می‌گیرد. این روش بر خلاف روش بازسازی، جهت بزرگ کردن ابعاد انجام نمی‌شود، بلکه به دلایل متالورژیکی صورت می‌گیرد. به عنوان مثال گاهی اوقات به منظور جوشکاری دو قطعه غیر مشابه، ابتدا باید روی لبه‌های اتصال، توسط چند نوع الکترود، لایه‌هایی از رسوب ایجاد شود تا ترکیب شیمیایی و خواص دیگر دو لبه به یکدیگر نزدیک شود، سپس عملیات اتصال انجام گیرد. با روشهای مختلف جوشکاری لایه‌های مورد نظر را می‌توان رسوب داد، اما باید توجه داشت تا حد امکان عمق نفوذ و میزان رقت کم باشد.
3) روکش کاری
روکش جوش داده شده عبارت است از یک لایه نسبتاً ضخیم فلز پر کننده که روی فلز پایه از جنس فولاد کربنی یا کم آلیاژ قرار می‌گیرد و سبب افزایش مقاومت سطحی قطعه در برابر خوردگی می‌شود. فرآیند معمولاً توسط روشهای قوسی مانند جوشکاری زیر پودری، جوشکاری الکترود دستی و جوشکاری قوسی تحت گاز محافظ انجام می‌گیرد، هر چند فرآیندهای جوشکاری حالت جامد نظیر روکش دهی انفجاری و روکش دهی غلطکی نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
باید توجه داشت برای رسیدن به سطح روکش داده شده مناسب و مقاوم در برابر انواع خوردگی‌ها، نوع آلیاژ روکش و کیفیت سطح قبل از عملیات سطحی باید کاملاً مطلوب باشد. غالباً از فولاد زنگ نزن یا آلیاژهای اصلی نیکل جهت روکش دهی استفاده می‌شود.
4) سخت پوشی
فرآیندهای سخت پوشی به گروهی از فرآیندها اطلاق می‌شود که در آنها با به کار بردن مواد مقاوم به سایش و سخت روی سطح یک قطعه، از بین رفتن مواد که ممکن است در اثر عوامل مختلفی چون سایش، ضربه، فرسایش، خوردگی سایشی، خستگی حرارتی و ... به وجود آید، کاهش پیدا می‌کند. سخت پوشی یک قطعه می‌تواند توسط روشهایی چون فرآیندهای جوشکاری و پاشش دهی حرارتی انجام شود و با استفاده از عملیات حرارتی یا فرآیندهای اصلاح سطح مانند سخت کاری شعله‌ای یا نیتروژن دهی نمی‌توان یک قطعه را سخت پوشی کرد. اگرچه هدف اصلی به کارگیری اکثر مواد سخت پوشی کاهش سایش است، اما با توجه به این که مکانیزهایی چون خوردگی و پوسته شدن سطح فلز در دماهای بالا، تأثیر به سزایی بر سرعت سایش قطعه دارد، از اینرو در این موارد، انتخاب ماده مناسب سخت پوشی، بر اساس شدت این مکانیزم ها صورت می‌گیرد.
کاربردهای سخت پوشی، به منظور کنترل سایش با توجه به نوع مکانیزم سایش، به طور گسترده‌ای تغییر می‌کند. محدوده این کاربردها از سایش بسیار شدید در ابزار برش، ابزار حفاری، چرخهای آسیاب تا سایش فلزات روانکاری نشده یا به طور جزئی روانکاری شده روی هم، نظیر شیرهای کنترل و یاتاقانها تغییر می‌کند.
فرآیند سخت پوشی را همچنین می‌توان به منظور کنترل سایش و خوردگی همزمان به عنوان مثال در شیرها و پمپهایی که در معرض مایعات خورنده قرار دارند، به کار برد [3،2].
سخت پوشی نسبت به سایر روشهای عملیات سطحی از اهمیت و کاربرد بیشتری برخوردار است و از اینرو به تفصیل مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
2-1- انتخاب آلیاژ سخت پوشی
انتخاب آلیاژ سخت پوشی با توجه دو فاکتور اصلی میزان سایش و هزینه صورت می‌گیرد. اگرچه عوامل مهم دیگری مانند نوع فلز پایه، فرآیند رسوب دهی، ضربه، خوردگی، اکسیداسیون و ... نیز باید در نظر گرفته شود.
به طور معمول آلیاژهای سخت پوشی به صورت پودر یا میله بدون روپوش، میله پوشیده شده با فلاکس، سیم جوشهای جامد و سیم جوشهای تو پودری با طول زیاد به کار می‌روند. معمولترین فرآیندهای سخت پوشی همراه با نوع مواد مصرفی متناسب با آنها در جدول 2-1 ارائه شده است.
جدول 2-1 : فرآیندهای معمول سخت پوشی همرا با نوع مواد مصرفی آنها [3]
به طور کلی، مقاومت به ضربه آلیاژهای سخت پوشی با افزایش میزان کاربید، کاهش پیدا می‌کند. در مواقعی که مقاومت در برابر ترکیبی از سایش و ضربه مورد نظر باشد، با توجه به نوع محیط کاری، یکی از این دو عامل اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. در کاربردهایی که مقاومت در برابر ضربه اهمیت زیادی دارد، از فولادهای آستنیتی منگنزدار می‌توان جهت بازسازی قطعات استفاده کرد [4].
در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی یا صنایع پتروشیمی، سایش همراه با خوردگی ناشی از محلولهای اسیدی و قلیایی میباشد. در چنین محیطهایی تعداد کمی از آلیاژهای سخت پوشی پایه آهنی مقاومت لازم در برابر خوردگی را تأمین می‌کنند. در حالیکه توسط آلیاژهای پایه کبالت یا نیکل می‌توان به مقاومت مورد نظر در برابر ترکیب سایش و خوردگی دست پیدا کرد.
آلیاژهای پایه آهنی در برابر اکسیداسیون و خوردگی داغ نیز مقاومت کمی دارند. آلیاژهای پایه نیکل حاوی براید نیز به دلیل نا کافی بودن میزان کرم در زمینه، مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون ندارند. بنابراین آلیاژهای پایه نیکل یا کبالت حاوی ترکیبات بین فلزی لاوه یا حاوی کاربید در شرایطی که به مقاومت به سایش همراه با مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی داغ مورد نیاز میباشد، توصیه می‌شوند.
حفظ استحکام یک آلیاژ در کاربردهای دمای بالا، به عنوان مثال در قالبهای آهنگری داغ که در حرارت حدود oC870 کاربرد دارند، به منظور مقاومت در برابر سایش از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. آلیاژهای پایه آهنی با ساختار مارتنزیتی، در دماهای بالا سختی خود را از دست می‌دهند.
به طور کلی حفظ استحکام یک آلیاژ سخت پوشی در دماهای بالا، با افزایش میزان مولیبدن یا تنگستن موجود در زمینه، افزایش پیدا می‌کند [3]. در جدول 2-2 لیستی از مواد سخت پوشی همراه با مزایا و کاربرد آنها ارائه شده است.
آنچه که در انتخاب یک آلیاژ سخت پوشی باید مورد توجه قرار گیرد عبارتند از:
1- تحلیل شرایط کاری به منظور تعیین نوع سایش و مقاومت مورد نیاز در برابر آن
2- انتخاب چندین آلیاژ سخت پوشی
3- تحلیل سازگاری آلیاژهای سخت پوشی با فلز پایه با در نظر گرفتن تنشهای حرارتی و احتمال به وجود آمدن ترک
4- تست کردن قطعات سخت پوشی شده
5- انتخاب آلیاژ سخت پوشی بهینه با در نظر گرفتن هزینه و عمر قطعه در برابر سایش
جدول 2-2: راهنمای انتخاب آلیاژهای سخت پوشی [3]
6- انتخاب فرآیند سخت پوشی با در نظر گرفتن سرعت رسوب دهی، بازدهی و هزینه کلی شامل هزینه مواد مصرفی و هزینه انجام عملیات [5]
2-2- مواد سخت پوشی
مواد مورد استفاده به منظور سخت پوشی دسته وسیعی از آلیاژها، کاربیدها و ترکیبات مختلفی از آنها را در بر می‌گیرد. مواد سخت پوشی متداول، شامل فولادها یا مواد آهنی کم آلیاژ، چدنهای سفید پر کروم، مواد آهنی پر آلیاژ، کاربیدها و آلیاژهای غیر آهنی شامل آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت می‌باشند. تعدادی از آلیاژهای پایه مس نیز گاهی اوقات به عنوان مواد سخت پوشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. بخش عمده آلیاژهای سخت پوشی غیر آهنی را آلیاژهای پایه کبالت و پایه نیکل تشکیل می‌دهند. سالیانه از میان Kg106×18 مواد سخت پوشی عرضه شده در بازار، در حدود %90 وزنی را آلیاژهای سخت پوشی پایه آهنی تشکیل می‌دهند که البته تنها % 75 ارزش دلاری این مواد را به خود اختصاص می‌دهند.
به طور کلی ریز ساختار آلیاژهای سخت پوشی دارای ذرات سخت بورایدی، کاربیدی یا ترکیبات بین فلزی لاوه می‌باشند که در زمینه نرمتر آهنی، کبالتی یا نیکلی رسوب کرده‌اند. کاربیدها غالب ترین فاز سخت موجود در ریز ساختار آلیاژهای سخت پوشی پایه آهنی و پایه کبالتی می‌باشند. میزان کربن این آلیاژها معمولاً تا حدود % 4 وزنی میباشد. بورایدها نیز غالب ترین فاز سخت موجود در ریز ساختار آلیاژهای سخت پوشی پایه نیکل می‌باشند. مجموع درصد وزنی کربن و بور این آلیاژها معمولاً تا حدود %5 میباشد. فازهای کاربیدی یا بورایدی خاص با توجه به نوع عناصر آلیاژی موجود در زمینه این آلیاژها تشکیل می‌شوند. به طور کلی فاز زمینه مواد سخت پوشی پایه آهنی پرآلیاژ، پایه کبالت و پایه نیکل شامل حداکثر %35 کرم، %30 مولیبدن، %13 تنگستن و مقادیر کمتری سیلسیم و منگنز میباشد.
مواد سخت پوشی را به چندین روش می‌توان دسته بندی کرد. یکی از روشهای دسته بندی این مواد بر اساس موارد کاربرد آنها میباشد. بر این اساس آلیاژهای سخت پوشی در پنج گروه زیر قرار می‌گیرند:
الف- آلیاژهای مخصوص بازسازی
ب- آلیاژهای مقاوم در برابر سایش فلز به فلز
ج- آلیاژهای مقاوم در برابر سایش فلز به زمین
د- آلیاژهای مقاوم در برابر سایش های شدید فلز به زمین و لبه های برش (کاربیدهای تنگستن)
ه- آلیاژهای مقاوم در دماهای بالا و محیط های خورنده (آلیاژهای سخت پوشی غیر آهنی) [6،3]
الف- آلیاژهای مخصوص بازسازی
این آلیاژها شامل فولادهای کم آلیاژ پرلیتی و فولادهای پر آلیاژ آستنیتی منگنزدار می‌باشند. هدف از به کارگیری اغلب این آلیاژها، بازسازی قطعات ساییده شده به منظور به دست آوردن ابعاد اصلی و نیز فراهم کردن بستر و زیر لایه مناسب برای کاربرد آلیاژهای سخت پوشی واقعی میباشد. با این وجود از فولادهای منگنزدار آستنیتی برای مقاومت در برابر شرایط سایشی متوسط و ضعیف نیز استفاده می‌شود. آلیاژهای مخصوص بازسازی را می توان جهت ترمیم سطوح سایشی سرهای ریلهای راه آهن، غلتکهای نورد فولاد و چرخ دنده های بزرگ کم سرعت به کار برد.
ب- آلیاژهای مقاوم به سایش فلز به فلز
این آلیاژها شامل فولادهای مارتنزیتی هوا سخت می‌باشند که با رعایت ملاحظات ویژه می‌توان از آنها بدون بروز هرگونه ترک خوردگی برای سطوح تحت سایش قطعات ماشین آلات مختلف استفاده کرد.(در حقیقت این آلیاژها، آلیاژهای سخت پوشی مخصوص قطعات ماشین آلات می‌باشند). به عنوان مثال می‌توان به کاربرد آنها در قطعات تحت بار تراکتورها و بیلهای قدرتی، غلتک های نورد فولاد و چرخهای جرثقیل ها اشاره کرد.
ج- آلیاژهای مقاوم به سایش فلز به زمین
این آلیاژها چدنهای سفید پر کرم می‌باشند که کاربیدهای کرم موجود در ریز ساختار آنها در حین فرآیند انجماد فلز جوش تشکیل می‌شود. این آلیاژها در برابر سایش ناشی از لغزش و خرد شدن که به ترتیب از نوع سایش کم تنش و پر تنش می‌باشند، مقاومت خوبی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال می‌توان به کاربرد آنها در تیغه های بیلهای مکانیکی، قطعات سنگ شکن ها، لبه های مغارها و مته ها اشاره کرد.
د- آلیاژهای مقاوم به سایش های شدید فلز به زمین و لبه های برش (کاربیدهای تنگستن)
این مواد در واقع مواد کامپوزیتی می‌باشند که به شکل لوله¬هایی از جنس فولاد کربنی حاوی دانه های کاربید تنگستن عرضه می‌شوند. در اثر قوس الکتریکی برقرار شده بین لوله مذکور و سطح مورد نظر، لوله فولادی ذوب شده و دانه‌های کاربید تنگستن در داخل حوضچه مذاب توزیع شده و پس از انجماد زمینه در جای خود ثابت باقی می‌مانند. دانه‌های کاربید تنگستن مقاومت بسیار خوبی در برابر شرایط سایشی و برشی بسیار شدید از خود نشان می‌دهند. به عنوان مثال می‌توان به کاربرد آنها در تیغچه‌های برش، لبه های نگهدارنده مته های مخصوص صخره ها، تجهیزات حفاری، استخراج و خاک برداری اشاره کرد.
ه- آلیاژهای مقاوم به دماهای بالا و محیط های خورنده (آلیاژهای سخت پوشی غیر آهنی)
این مواد در محیط هایی که برای آلیاژهای سخت پوشی پایه آهنی بسیار مخرب بوده و یا به مقاومت زیادی در برابر نوع خاصی از سایش (علاوه بر سایش خراشان ) نیاز میباشد، کاربرد دارند. این آلیاژها در سه گروه زیر قرار می گیرند:
1- آلیاژهای پایه کبالت که شامل فازهای کاربیدی و ترکیبات بین فلزی می‌باشند.
2- آلیاژهای پایه نیکل که شامل فازهای بورایدی، کاربیدی و ترکیبات بین فلزی می‌باشند.
3- آلیاژهای پایه مس
بر خلاف آلیاژهای سخت پوشی پایه آهن و مواد کامپوزیتی کاربید تنگستنی که دارای کاربردهای وسیعی در تجهیزات کشاورزی، معدنکاری، ساختمانی و صنعت فولاد می‌باشند، آلیاژهای سخت پوشی غیر آهنی در تجهیزات صنایع شیمیایی، نیروگاهها، خودروها و صنایع نفت که مستلزم یک شرایط کاری بحرانی (مانند بالا بودن دمای کاری) و مقاومت به سایش می‌باشند کاربرد دارند. آلیاژهای پایه کبالت مقاومت خاصی در برابر تغییر شکل و خوردگی شیمیایی دمای بالا (500-oC900) از خود نشان داده و از آنها برای پوشش سطوح قالبها و غلتک های هدایت کننده در صنعت فولاد استفاده می‌شود. از کاربرد های متداول دیگر در مورد آلیاژهای سخت پوشی غیر آهنی، می توان به بهبود خواص سطحی سطوح نشیمنگاههای شیرها (شیرهای کنترلی و سوپاپهای خروجی اگزوز موتورهای دیزلی)، قطعات پمپ ها، یاتاقانهای مته صخره‌ها، یاتاقانهای کشتی ها و تجهیزات صنایع شیشه سازی می‌توان اشاره کرد [7،6،3].
2-2-1- آلیاژهای پایه آهن
همانطور که در قبل اشاره شد، آلیاژهای سخت پوشی پایه آهن در مقایسه با آلیاژهای سخت پوشی پایه کبالت و پایه نیکل از کاربردهای وسیع تری برخوردارند. این آلیاژها علاوه بر برخورداری از قیمت کم دارای خواص متنوعی نیز می‌باشند. بسیاری از تجهیزات، از قبیل تجهیزات سنگ شکن ها، آسیاب ها و تجهیزات خاک برداری تحت شرایط سایشی شدید و اغلب نیازمند زمان کمی برای تعمیر و بازسازی می‌باشند. به همین دلیل همواره تمایل عمومی زیادی به سخت پوشی این قطعات با کمترین هزینه و بیشترین سرعت با مواد قابل دسترس وجود دارد که در نتیجه مقادیر بسیار زیادی از آلیاژهای پایه آهن در این صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند [4].
به طور کلی آلیاژهای پایه آهن که دارای مقادیر قابل توجهی از کرم و کربن و میکروساختاری شامل حجم بالایی از کاربیدهای آلیاژی سخت می‌باشند، به منظور عملیات سطحی و سخت پوشی به کار می‌روند. میزان کرم و کربن به ترتیب می‌تواند تا 40 و 6 درصد وزنی برسد. این آلیاژها، اغلب با استفاده از روشهای جوشکاری قوسی رسوب داده می‌شوند. نرخ سرد شدن رسوب باید تا حد کافی بالا باشد تا به عنوان مثال میکروساختار غیر تعادلی کاربیدهای M7C3 در زمینه آستنیت شبه پایدار ایجاد شود[8].
با توجه به تنوع بسیار زیاد آلیاژهای سخت پوشی پایه آهن موجود، می‌توان این مواد را بر اساس مناسب بودن برای شرایط سایشی مختلف و ریز ساختار عمومی آنها طبقه بندی کرد. بنابراین اغلب آلیاژهای سخت پوشی پایه آهن را می‌توان در چهار دسته زیر قرارداد:
1- فولادهای پرلیتی
2- فولادهای آستنیتی
3- فولادهای مارتنزیتی
4- چدنهای پر آلیاژ[3]
2-2-1-1- فولادهای پرلیتی
این آلیاژها در واقع فولادهای کم آلیاژی می‌باشند که با اعمال تغییرات جزئی در ترکیب شیمیایی، خواص جوش پذیری آنها بهبود یافته است. این فولادها به علت برخورداری از مقادیر کم کربن (کمتر از 2/0% وزنی) و سایر عناصر آلیاژی (به عنوان مثال حداکثر 2% وزنی کرم) دارای ساختار پرلیتی می‌باشند. فولادهای پرلیتی به منظور بازسازی قطعات ساییده شده، به خصوص قطعات ساخته شده از جنس فولادهای کربنی و فولادهای کم آلیاژ، بسیار مناسب می‌باشند. به عنوان مثال می‌توان به کاربردهای آنها در محورها، غلتک ها و قطعات ماشین آلات سنگین که تحت بارگذاری ضربه ای، غلتشی و لغزشی قرار دارند اشاره کرد. به طور کلی این گروه از آلیاژهای سخت پوشی دارای خواص مقاومت به ضربه بالا و سختی کم در حدود 25 الی HRC37 می‌باشند. خواص جوش پذیری این آلیاژها نیز بسیار عالی است. در جدول2-3 ترکیب شیمیایی و خواص یک نمونه از این آلیاژها (EFe1) که به منظور بازسازی قطعات کاربرد دارد، ارائه شده است.
جدول2-3 : ترکیب شیمیایی، سختی و مقاومت به سایش خراشان یک فولاد کم آلیاژ پرلیتی (EFe1)، فولادهای آستنیتی منگنزدار ( EFeMn-Cو EFeMn-Cr) مورد استفاده در بازسازی و فولادهای مارتنزیتی هوا سخت مورد استفاده در کاربردهای سایشی فلز به فلز [3]
2-2-1-2- فولادهای آستنیتی
اغلب فولادهای تجاری رایج در گروه فولادهای آستنیتی را می‌توان به دو دسته وسیع فولادهای کم کرم و پر کرم تقسیم کرد.
فولادهای کم کرم معمولاً حاوی حداکثر %4 کروم، 12 الی %15 منگنز و مقادیری نیکل یا مولیبدن می‌باشند (جدول 2-3). این فولادها عموماً برای بازسازی قطعات ساخته شده از جنس فولادهای منگنزدار که تحت ضربات سنگین قرار دارند (مانند سنگ شکن های ضربه ای) مورد استفاده قرار می‌گیرند. فولادهای آستنیتی پر کروم که معمولاً حاوی 12 الی%17 کروم و در حدود %15 منگنز می‌باشند، برای بازسازی و اتصال فولادهای آستنیتی منگنزدار و فولادهای کربنی و کم آلیاژ مورد استفاده قرار می‌گیرند. به علاوه سختی فلزات جوش حاصله از این مواد پر کننده به محض جوشکاری بیشتر از سختی فلزات جوش حاصله از فولادهای آستنیتی کم کرم میباشد (HRC24 در مقایسه با HRC18).
استحکام بالای فولادهای آستنیتی منگنزدار در نتیجه تزاید بین کربن و منگنز میباشد. منگنز در ممانعت از تشکیل فازهای دیگری غیر از آستنیت نه تنها باعث افزایش میزان حلالیت کربن در دماهای پایین می‌شود، بلکه باعث فوق اشباع شدن کربن در ساختار نیز می گردد. به همین دلیل استحکام ذاتی این فولادها و قابلیت کار سختی آنها بالا میباشد.
با توجه به اینکه فولادهای آستنیتی منگنزدار شبه پایدار می‌باشند، ممکن است مشکلاتی از قبیل ترد شدن کاربیدی در حین سرد شدن آرام یا گرم کردن مجدد این آلیاژها بروز کند. به همین دلیل قطعات ساخته شده فولادهای منگنزدار باید تا حد ممکن در حین فرآیند بازسازی و تعمیر سرد نگاه داشته شوند.
اعمال رسوبات سخت پوشی این آلیاژها فقط توسط روشهای قوسی و با استفاده از الکترودهای پوشش دار یا سیمهای لوله¬ای صورت می گیرد. اعمال رسوب توسط فرآیند اکسی استیلن به دلیل حرارت ورودی بالا و سرعت سرد شدن کم، تردی کاربیدی را همراه خواهد داشت. اغلب این قطعات در حین جوشکاری در داخل آب نگاه داشته می‌شود. ترکیب شیمیایی و خواص آلیاژهای سخت پوشی فولادی آستنیتی منگنزدار مورد استفاده برای کاربردهای بازسازی در جدول 2-3 ارائه شده‌است [10،9،3]. یکی از پدیده هایی که سبب افزایش مقاومت به سایش آلیاژهای پایه آهنی آستنیتی می‌شود، استحاله مارتنزیتی ناشی از کرنش میباشد. به دلیل انرژی نقص در چیده شدن کم این آلیاژها، در هنگام تغییر شکل پلاستیک، از طریق این نوع استحاله، مارتنزیت تشکیل می‌شود. بر اساس تست سایش لغزنده ای که Kim و همکارانش روی آلیاژ Fe-20Cr-1C-1Si، تحت تنش تماسی Mpa103 و در محدوده دمایی 25 تا oC450 انجام دادند به این نتیجه رسیدند که با افزایش بیش از 10 درصد وزنی منگنز به این آلیاژ، استحاله به مارتنزیت ε با ساختار hcp (γ-ε)، از طریق استحاله مارتنزیتی ناشی از کرنش ، موجب مقاومت به سایش آلیاژ پایه آهنی Fe-20Cr-1C-1Si، در دماهای بالا خواهد شد[11].
2-2-1-3- فولادهای مارتنزیتی
این فولادها به گونه ای طراحی شده اند که در اثر سرد شدن فلز جوش در هوا، ساختار مارتنزیتی تشکیل می‌دهند. به همین دلیل این فولادها اغلب به فولادهای خود سخت شونده یا هوا سخت موسوم بوده و در حقیقت مشابه فولادهای ابزار با سختی 45 تا HRC60 می‌باشند. حداکثر میزان کربن این فولادها در حدود%7/0 میباشد. عناصر دیگری از قبیل مولیبدن، تنگستن، نیکل و کرم (تا حدود %12) نیز به این فولادها افزوده می‌شود تا باعث افزایش سختی پذیری، استحکام و تسریع استحاله مارتنزیتی شوند. عناصری مانند منگنز و سیلسیم نیز به منظور افزایش قابلیت جوشکاری به آنها اضافه می‌شوند.
کاربرد عمده فولادهای سخت پوشی مارتنزیتی در شرایط سایش لغزشی و غلتشی فلز به فلز قطعات روانکاری نشده مانند قطعات تحت بار تراکتورها و قطعات کشاورزی میباشد. مقاومت به ضربه فولادهای مارتنزیتی در مقایسه با فولادهای پرلیتی و آستنیتی ضعیف میباشد، اما این امر تا حدودی با افزایش سختی و مقاومت به سایش این آلیاژها جبران می گردد.
در محیط های کاری دمای بالا و خورنده هرچه میزان کرم فولاد بیشتر باشد، عملکرد بهتری از خود نشان خواهد داد. به عنوان مثال فلز پر کننده AWS ER420 و فولادهای اصلاح شده با نیکل، مولیبدن، نایوبیم (یا وانادیم) انتخاب مناسبی برای محیط هایی می‌باشند که دمای آنها بالا بوده (300 تاoC600) و شرایط خورنده متوسطی بر آنها حاکم میباشد. در مورد غلتک های نورد داغ ورقهای فولادی نیز که خواصی از قبیل سختی داغ بالا، مقاومت به اکسیداسیون و مقاومت به خستگی حرارتی از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشند، از فلزات پر کننده ER420 و EFe3 استفاده می‌شود[4،3].
2-2-1-4- چدنهای پر کرم
چدنهای پر کرم محدوده وسیعی از ترکیب شیمیایی را به خود اختصاص می‌دهند. میزان کرم این آلیاژها از 6 تا %35 و میزان کربن آنها از 2 الی %6 وزنی متغیر میباشد. سایر عناصر آلیاژی موجود در ترکیب شیمیایی این آلیاژها شامل مولیبدن، منگنز و سیلسیم میباشد.
یکی از مهمترین ویژگیهای ریز ساختاری این آلیاژها از نظر مقاومت در برابر سایش، تشکیل کاربید M7C3 به مقدار زیاد در حین فرآیند انجماد میباشد. این کاربید شامل کروم، آهن و مولیبدن (در صورت حضور در آلیاژ) می باشد [3]. زمینه پیرامون این ذرات کاربیدی می‌تواند آستنیتی، پرلیتی یا مارتنزیتی باشد. به طور کلی برای تشکیل زمینه آستنیتی در پیرامون این ذرات نیاز به حضور منگنز به مقدار کافی در ترکیب شیمیایی این آلیاژها میباشد [6].
درصد کربن این آلیاژها نشانه خوبی برای مقاومت به سایش بالای این دسته از مواد به شمار می رود. به همین منظور نمودارهای میزان سایش این آلیاژها بر اساس درصد کربن موجود در آنها تحت شرایط کاری پر تنش و کم تنش در شکل 2-1 رسم شده است. این نمودارها بر اساس رسوب دهی شش آلیاژ مختلف به صورت قوس باز با سیمهای توپودری و نه پارامتر جوشکاری مختلف رسم شده‌اند. میزان کربن این نمودارها مربوط به لایه دوم سخت پوشی دو لایه میباشد. استفاده از یک ناحیه هاشور خورده به جای خط در این نمودارها بیانگر این مطلب است که اعداد به دست آمده در آزمایشها از پراکندگی برخوردار بوده‌اند. این امر در مورد چدنهای کم کربن تر تحت شرایط سایشی پر تنش شدیدتر میباشد. شرایط حاکم بر آزمایش و پارامترهای آن در پاورقی جدول2-3 بیان شده‌اند. هرچه میزان کربن و کرم این آلیاژها بیشتر باشد، تشکیل فاز هیپریوتکتیکی شامل ذرات کاربیدی برگ سوزنی و بزرگ با سطح مقطع هگزاگونال تسهیل می‌گردد. هرچه میزان کربن و کرم این آلیاژها کمتر باشد تمایل به تشکیل ریز ساختار هیپویوتکتیکی بیشتر می‌شود.
شکل2-1: حجم ساییده شده بر حسب میزان کربن آلیاژهای سخت پوشی چدنهای سفید پر کروم تحت شرایط سایشی سمت راست: کم تنش سمت چپ: پر تنش[3]
ریز ساختارهای مربوط به سه چدن پر کرم (رسوب داده شده توسط فرآیند جوشکاری قوس باز) در شکل 2-2 مشاهده می‌شود. ترکیب شیمیایی اسمی این آلیاژها در جدول 2-4 ارائه شده است. همانطور که مشاهده می‌شود فلز پر کننده ERFeCr-A3 با میزان کروم %11 و کربن %6/2 دارای ریز ساختار هیپویوتکتیکی عمدتاً آستنیتی میباشد. دو آلیاژ دیگر ERFeCr-A4 با %29 کرم و %5/3 کربن و ERFeCr-A2 با %28 کروم و %3/4 کربن دارای ریز ساختار هیپریوتکتیکی با حجم قابل توجهی کاربید می‌باشند. در شکل، سطح مقطع کاربیدهای سوزنی مذکور نشان داده شده است.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 165 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
