چکیده :
هدف اصلی در این پروژه بررسی تغییر درصد تیتانیم و کربن بر روی ریز ساختار و خواص سایشی مکانیکی کامپوزیت فروتیک( Fe/TiC ) است.
نتایج حاصله نشان داده است که با کنترل ترکیب شیمیایی، نوع عملیات حرارتی، اصلبح روش ساخت و سرعت انجمادی قطعه می توان ریز ساختار زمینه، نحوه توزیع ذرات سرامیکی (TiC) و میانگین اندازه ذرات ( TiC) و تعداد آنها در واحد سطح و شکل آنها و کسر حجمی آن و در نهایت چگالی کامپوزیت که منجر به خواص سایشی و مکانیکی متفاوت می گردد را کنترل نمود.
افزایش مقدار کربن و تیتانیم باعث افزایش مقدار کاربید تیتانیم، سختی، مقاومت به سایش و اندازه ذرات کاربیدی می شود در حالی که چگالی کامپوزیت کاهش می یابد.
مقدمه
کامپوزیت مخلوطی از دو یا چند جز با خواص متفاوت است که خواص مجموعه از مجموع خواص ذرات یا اجزاء تشکیل شده برتر است. اجزای کامپوزیت از نظر شیمیایی، متفاوت و از نظر فیزیکی تفکیک پذیر است. فاز پیوسته را زمینه(matrix) و فاز توزیع شده را تقویت کننده(reinforcement ) گویند. [2]
در دنیای امروز نیاز صنعت به مواد مهندسی نو ضروری است. در این میان کامپوزیت های زمینه فلزی از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. کامپوزیتهای پایه فلزی از مخلوط و یا ترکیب ذرات سخت سرامیکی و حتی الیاف کربنی در زمینه فلزی با روشهای مختلف بدست می آیند. [2] متداولترین تقویت کننده ها SiC ، TiC , TiB , Al2O3 و ... است. به طور مثال کامپوزیت
Al – SiC به جای آلیاژ آلومینیوم، سبب کاهش وزن و افزایش مدول الاستیسیته در پیستونهای دیزلی خواهد شد. [3]
جدول (1-1) برخی از کامپوزیتهای زمینه فلزی با ذرات استحکام دهنده غیر فلزی را نشان می دهد.
جدول 1-1 : تعدادی از کامپوزیتهای ذره ای زمینه فلزی با ذرات غیر فلزی و روش های مورد استفاده برای ساخت آنها [4]
روش ساخت
آلیاژ زمینه
درصد حجمی
اندازه ذرات پخش
نوع ذره
Vacuum slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy
Al-Si, Al-Cu, Al-Cu-Mg
- 3-20
1-20
SiC
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy, laser melt-particle injection, casting
Al-Cu, Al-MG, Ti-Al-V, steel
8-40
<40-212
Tic
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy
Al-Mg, Al-Cu, Al-Si, Cu-, steel, Mg
- 5-10
1-20
- 01-200
<50
Al2O3 (bauxite),
- 9% Al2O3
laser melt-particle injection, powder sintering
Ti-Al-V, Co-base
…
106-105-
WC
Powder metallurgy
Co-Cr
…
18-38
M7C3 (Cr-rich)
Slurry casting, bottom pouring, spray dispersion, powder metallurgy
Cu, Al, steel
1-4
5-80
ZrO2/ZrSiO4
Slurry casting, bottom pouring, spary dispersion, powder metallurgy
Cu, Al, steel
10
…
TiO2/MgO
Slurry casting, bottom pouring, powder metallurgy
Al-Mg, Cu
2-10
30-110
Glass/SiO2
Slurry casting, compocasting, powder metallurgy
Al-Cu-Mg, Ag, Cu-Sn
3-10
40-180
Mica/talc
Slurry casting, squeeze casting
al-Si-Mg
15
125
Shell char
Slyrry casting, squeeze casting, powder metallurgy
Al, Cu, Ag, iron
1-750
15-800
Graphite
Powder metallurgy
Cu, Ag, Cu-steel
20-40
…
PTFE
Powder metallurgy
Cu, Cu-Ta
1-80
- 5/5
MoS2
Powder metallurgy
Fe-Pb, Ag-Cu, Ag
20-80
…
MoSe2
برتری هایی که کامپوزیت های زمینه فلزی نسبت به بقیه دارند عبارتند از :
1) استحکام و چقرمگی بهتر
2) هدایت حرارتی و الکتریکی عالی
3) پایداری حرارتی بهتر نسبت به کامپوزیتهای زمینه پلیمری
4) جوش پذیری و کار پذیری بهتر از بقیه کامپوزیتها [3]
در میان کامپوزیتهای زمینه فلزی Fe/TiC ، کامپوزیتی منحصر به فرد است. اولین مطالعات در مورد این کامپوزیت در سال 1950 میلادی آغاز شد. حفظ استحکام در دمای بالا ، امکان ماشینکاری راحت در حالت آنیل با سختی 45 راکول C ، مقاومت سایشی بالا و مقاومت به خوردگی عالی از خواص برجسته این کامپوزیت است. [3]
در این کامپوزیت، ذرات کاربید تیتانیم در داخل زمینه ای از آلیاژ آهن پراکنده شده است و دارای سختی حدودا V3200(ویکرز) می باشند. این نوع کامپوزیت در صنایع سیمان، خودرو و پلاستیک سازی ، هواپیما سازی و شیمیایی کاربرد دارد. [5] همچنین از آن می توان به عنوان ابزار قالب، قالب های سرب ، سنبه و روتور و شفت موتور و هواپیما و قالبهای شکل دهی گرم و پیستون تزریق فشار بالا و غلطک های نورد استفاده کرد. [3]
فهرست مطالب
«عنوان» « صفحه»
فصل اول : مقدمه
مقدمه 1
فصل دوم : مروری بر منابع
1-2- عوامل مؤثر بر خواص کامپوزیتها 6
2-2- تقسیم بندی کامپوزیتها 7
3-2- تریبولوژی و تریبوسیستم 9
1-3-2- تعریف سایش و عوامل اثر گذار روی آن 10 2-3-2- انواع مکانیزم های سایش 10
1-2-3-2- سایش چسبان 10
2-2-3-2- سایش خراشان 11
3-2-3-2- سایش خستگی 12
4-2-3-2- سایش ورقه ای 12
5 -2-3-2- سایش اکسایش 12
3-3-2- پارامتر سایش 13
4-3-2- رابطه بین مقاومت به سایش و سختی 13
5 -3-2- منحنی سایش 14
4-2- کامپوزیت فروتیک 14
1-4-2- انواع کامپوزیت های فروتیک 15
1-1-4-2- کامپوزیت هایی که با کوئینچ سخت می شوند 15
2-1-4-2- کامپوزیت هایی که با پیر سختی سخت می شوند 16
2-4-2- روشهای ساخت فروتیک 17
1-2-4-2- ساخت کامپوزیت به صورت غیر همزمان 18
الف) پراکنده کردن ذرات فاز دوم 18
ب) روش پاششی 19
ج) تزریق مذاب فلزی 19
2-2-4-2- ساخت فروتیک به صورت همزمان ( insitu) 20
الف) سنتز خود احتراقی (SHS) 20
ب) XD 26
ج) دمش گاز واکنش دهنده 26
د) اکسایش مستقیم فلز( DIMOX) 27
ه) primex 28
و) واکنش حین تزریق 28
ز) واکنش شیمیایی در داخل مذاب 28
ح) روش آلیاژسازی مکانیکی 31
ط) متالورژی پودر 34
ی) احیای کربوترمال 35
ک) احیای ترمیت 35
ل) روش سطحی 35
3-4-2- خواص کامپوزیت های فروتیک 36
1-3-4-2- سختی 36
2-3-4-2- استحکام 37
3-3-4-2- مدول الاستیکی 37
4-3-4-2- مقاومت به سایش 37
پارامترهای موثر روی سایش 38
الف) کسر حجمی کاربید تیتانیم 38
ب) اندازه ذرات و شکل آنها 38
ج) نوع زمینه 39
د) کاربید های ریخته گری 40
ه) عملیات حرارتی و سرعت سرد کردن زمینه 40
و) نیرو در دستگاه pin on Disk 40
ز) عیوب در قطعات 41
ح) اثر ذوب مجدد 41
5-3-4-2- ماشین کاری 41
6-3-4-2- عملیات حرارتی 41
7-3-4-2- جذب ارتعاش 41
8-3-4-2- دانسیته 42
9-3-4-2- فرسایش 42
فصل سوم : مطالعه موردی
1 -3- روش تحقیق 43
1-1-3 - مواد اولیه 44
2-1-3- عملیات ذوب و ریخته‌گری 45
3-1-3- آماده سازی نمونه‌ها 45
4-1-3- آنالیز نمونه‌ها 46
5-1-3- متالوگرافی 47
6-1-3- آزمایش سختی 47
7-1-3- تست سایش 48
2-3-بیان نتایج
1-2-3- ریزساختار نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف کربن با تیتانیم ثابت 49
2-2-3- ریزساختار نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف تیتانیم با کربن ثابت 52
3-2-3- تاثیر درصد کربن بر خواص نمونه‌ها 55
4-2-3- تاثیر درصد تیتانیم بر خواص نمونه‌ها 55
5-2-3- نتایج پراش اشعه ایکس 56
6-2-3- تأثیر درصد کربن بر خواص سایشی نمونه‌ها 59
7-2-3- تأثیر درصد تیتانیم بر خواص سایشی نمونه‌ها 60
3-3- بحث نتایج
1-3-3- بررسی تشکیل فاز کاربید تیتانیم 61
2-3-3- مطالعه مسیر انجماد در کامپوزیت Fe-TiC 65
3-3-3- تأثیر درصد کربن بر ریزساختار کامپوزیت فروتیک 66
4-3-3- تأثیر درصد تیتانیم بر ریزساختار نمونه‌ها 73
5-3-3- تأثیر درصد کربن بر چگالی کامپوزیت Fe-TiC 78
6-3-3- تأثیر مقدار کربن بر سختی کامپوزیت Fe-TiC 78
7-3-3- تأثیر مقدار کربن بر خواص سایشی کامپوزیت Fe-TiC 79
8 -3-3- تأثیر مقدار تیتانیم بر چگالی نمونه‌ها 80
9-3-3- تأثیر مقدار تیتانیم بر سختی کامپوزیت Fe-TiC 81
10-3- 3-تاثیر مقدار تیتانیم بر خواص سایشی کامپوزیت 82
11-3-3- بررسی سطوح سایش 86
فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادها
1-4 نتیجه گیری 92
2-4پیشنهادها 94
م
پایان نامه بررسی تاثیر تیتانیوم و کربن بر ریزساختار و خواص سایشی کامپوزیت Fe – TiC