مطالعه ریزساختار محل اتصال فولاد CK15 روکش کاری شده به روش لحیم کاری سخت برنز C93200

بومی سازی برنر فراساحل و خشکی
آبان ۲۳, ۱۳۹۶
اصلاح سطح نانوذرات SiO2 و TiO2 و کاربرد آن در تغییر ترشوندگی سنگ مخزن نفت دوست
آبان ۲۹, ۱۳۹۶

مطالعه ریزساختار محل اتصال فولاد CK15 روکش کاری شده به روش لحیم کاری سخت برنز C93200

چکیده:

هدف، مطالعه ریزساختار محل اتصال یاتاقان محوری فولاد برنز است که با تلفیقی از روش روکش کاری با لحیم سخت ریخته گری شده است. در این پژوهش، به منظور انجام اتصال ابتدا فلزات مورد نظر به روش شیمیایی شسته شده اند. سپس، فرآیند روکش کاری با لحیم کاری سخت از جنس برنز C93200 روی فولاد CK15 ریخته گری شده است. نتیجه آنکه در اطراف محل اتصال، ذرات ناخالصی و مضر سولفید روی، سرب تقریبا خالص و ترکیب بین فلزی سخت و مفید Cu4Sn مشاهده شد.  به علاوه، بدلیل دمای نسبتا پایین لحیم کاری سخت و زمان کوتاه ریخته گری فرآیند، در مقیاس ۱ میکرومتر، نفوذ عناصر برنز در فولاد مشاهده نشد.

کلمات کلیدی: یاتاقان محوری، روبش خطی

Microstructure Study of Bond Region of Steel CK15 Coated with Bronze UNS C93200 by Brazing Process

, ,

 

۱Bachelor of mechanical engineering, Payparan Parsian engineering and technology development Co.

۲Master of Material engineering, Payparan Parsian engineering and technology development Co.

۳PhD, Department of Engineering, Ayatollay Amoli Branch,Islamic Azad University,Amol,Iran

 

Abstract:

The purpose of this research is investigating microstructure of bond region in steel-bronze axial bearing. The bearing would be made through Brazing process. In this research in order to gaining bond, the parts first should be cleaned and degreased chemically. Then the bronze UNS C93200 would be placed on steel CK15. Results show that in the bonding region impure ZnSo, lead that is almost pure and Cu4Sn intermetallic compound are appeared. Because of low temperature and short time of brazing process, diffusion of bronze elements in steel have not been occured at scale 1µm.

Keywords: Axial Bearing, SEM

۱: مقدمه

مصری ها در عهد باستان سنگهای عظیم را با حرکت بر روی الوار چوبی جا به جا کرده و برای سهولت حرکت، آنها را به آب یا روغن آغشته می کردند. سپس استفاده از محور، چرخ و یاتاقان (Bearing) چوبی در درشکه ها و استفاده از چربی حیوانات برای روانکاری آن متداول شد. کشف آلیاژ بابیت درسال ۱۸۳۹ توسط اسحاق بابیت و استفاده از آن در ساخت یاتاقان های فلزی موتورهای بخار و سپس ساخت یاتاقان هایی از جنس برنز از تحولات دیگر در سیر پیشرفت یاتاقان ها بوده است. ساخت یاتاقان های لغزشی در صنایع حمل ونقل ریلی در سال ۱۹۴۹ و ساخت یاتاقان های غلتکی در اوائل دهه ۱۹۶۰ و در نهایت ساخت یاتاقان های مغناطیسی در دهه ۱۹۸۰ از دیگر تحولات در پیدایش یاتاقان ها بوده است.

 

یاتاقان قطعه ای است که حداقل بین دو قطعه، اجازه حرکت نسبی آسان چرخشی یا خطی میدهد. از طرف دیگر، به هر قطعه ای که اصطکاک سطوح درگیر را کاهش دهد یاتاقان اطلاق می شود .دو وظیفه مهم یاتاقان در دستگاه ها با اجزا متحرک شامل اولا نگهداشتن محور به نحوی که از لقی بیش از حد آن ممانعت کند و ثانیا جلوگیری از حرکت جانبی محور به طوری که مانع برخورد قسمت های متحرک و ثابت شود، می باشد. روش دیگر دسته بندی یاتاقان ها از نظر نوع نیروی وارد بر آن است که شامل نیروی شعاعی (Radial)، نیروی محوری (Axial) و نیروی شعاعی- محوری (Radial-Axial) می شود. همچنین، یاتاقان ها از نظر ساختمان داخلی به سه گروه شامل یاتاقان لغزشی (Sliding Contact Bearing)، یاتاقان غلتشی (Rolling Bearings) و یاتاقان مغناطیسی (Magnetic) تقسیم بندی می شوند [۱-۴].
اگر به قطعه ای، نیروی محوری وارد شود یاتاقان شعاعی نمی تواند مانع از حرکت محور شود و لذا باید از یاتاقان محوری (thrust bearing) استفاده کرد. یاتاقان محوری، یاتاقانی است که هنگام کار، بار محوری را تحمّل می کند. این نوع یاتاقان را یاتاقان کف گرد نیز می نامند. زمانی که مقدار نیروی محوری کم باشد میتوان از یاتاقان)محوری(مخروطی استفاده کرد و در دستگاه های سنگین، یاتاقان )محوری(کفشکی انتخاب بهتر خواهد بود [۴]. بنابراین نیروی وارد شده به محل اتصال لایه ها زیاد بوده و لذا کیفیت اتصال این لایه ها بایستی پاسخگوی نیروی وارد شده باشد.

یاتاقان محوری، کل وزن اجزاء گردان مجموعه قطعات بطور مثال در موتور دیزل، کل وزن میل لنگ، شاتون، پیستون، پیچ های مرتبط و … و همچنین در توربین کل وزن محور، پره ها  [۱, ۳] و همچنین فشار محوری را تحمل می‎کند. بخش اصلی یاتاقان، بلوک فشاری (thrust block) است. فشار محوری از بلوک فشاری ‌به قطعات یاتاقان منتقل می‎شود. این قطعات روی صفحات فنری و نهایتا بر روی براکت فشاری (thrust bracket) قرار می‎گیرند. روغن مورد نیاز روانکاری و خنک کردن یاتاقان‎ها توسط عمل خود پمپاژ)بدون پمپ(سوراخ‎های شعاعی بلوک فشاری و در حین گردش این قسمت، تامین می شود [۲]. بنابراین کیفیت اتصال این فلزات اهمیت ویژه ای دارد چرا که اگر اتصال این لایه های فلزی ضعیف باشد از هم جدا می شوند.

یک روش ساخت یاتاقان های محوری فولاد-برنز ، روکش کاری با لحیم کاری (brazing) است. لحیم کاری برای اتصال فلزات وآلیاژها با استفاده از فلزات پرکننده ای که نقطه ذوب آنها پایین تر از فلزات پایه است انجام می گیرد. در لحیم کاری سطوح قطعات فقط تا دمای ذوب فلز اتصال دهنده گرم می شود. تفاوت اصلی لحیم کاری و جوشکاری این است که در لحیم کاری فلز پایه ذوب نمی شود ولی در جوشکاری فلز پایه ذوب می شود. در فرآیند لحیم کاری سخت، فلز پرکننده با نقطه ذوب بالای۴۵۰ درجه سانتیگراد که دمایی کمتر از نقطه ذوب فلز پایه درمحل اتصال دارد ذوب می شود در حالیکه در فرآیند لحیم کاری نرم، فلز پرکننده با نقطه ذوب کمتر یا مساوی ۴۵۰ درجه سانتیگراد که دمایی کمتر از نقطه ذوب فلز پایه درمحل اتصال دارد ذوب می شود [۵]. بنابراین روکش کاری برنز با نقطه ذوب حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد روی فولاد، لحیم کاری سخت می باشد.

برای دستیابی به اتصال قابل قبول به روش روکش کاری با لحیم کاری چهار عامل مهم شامل : کیفیت سطح اتصال، کیفیت فلز پرکننده، گرمای یکنواخت و واکنش دهنده مناسب، دخیل هستند [۱]. صیقلی بودن دو سطح لغزان، تضمین‎کننده ی وجود همیشگی یک لایه روغن بین آنها در سرعت حداقل و سرعت اسمی می‎باشد. اهمیت وجود این لایه روغن در کارکرد دایم و صحیح اجزا بسیار مهم است. از بین رفتن آن می‌تواند باعث صدمه شدید به یاتاقان ها و در نهایت از کار افتادن دستگاه شود. یاتاقان محوری بر روی صفحات فنری بشقـابی شکلی مستقر می‎شود تا توزیع یکنواخت بار محوری بر روی این قطعات تضمین شود [۳, ۴]. به این ترتیب، کیفیت سطح اتصال که بخشی از کیفیت اتصال است بسیار مهم بوده و مطالعه آن ضروری است. در این پژوهش، مطالعه ریزساختار مد نظر است.

روکش کاری با لحیم کاری روشی برای روکش دادن قطعات به منظور ایجاد لایه واسط است. در این روش، قطعات با فلز پرکننده (filler) که دارای نقطه ذوب کمتر از فلز پایه است روکش کاری می شوند. در فرایند روکش کاری که به منظور پوشش دادن قطعات استفاده می شود از پرکننده هایی به شکل مفتول، تسمه، پروفیل، پودر یا حتی مذاب استفاده می شود [۵]. در این پژوهش، از پرکننده های برنزی به شکل پروفیل مورد نیاز استفاده می شود زیرا شکل محل اتصال ساده نیست.

در این پژوهش، مطالعه کیفیت ریزساختار اتصال بین برنز و فولاد در یاتاقان محوری که به روش روکش کاری با لحیم کاری سخت تولید شده، مدنظر است.

۲: مواد و روش تحقیق

در این پژوهش، ریزساختار محل اتصال برنز به ضخامت۸/۰ میلیمتر به فولاد در یاتاقان محوری که از طریق روش روکش کاری با لحیم کاری سخت تولید شده است مورد بررسی قرار می گیرد. به همین منظور، از میکروسکوپ الکترونی روبشی با تفنگ میدان نشری (field emission) TESCAN MIRA III استفاده شده است.

مطابق جدول ۱، ترکیب شیمیایی فلز پایه که قطعه ای فولادی به قطر ۱۰۰ میلیمتر از جنس CK15 است، فهرست شده است. عمق پله قرارگیری پروفیل برنزی  ۶ میلیمتر و قطر پله قرارگیری پروفیل ۹۰ میلیمتر است.  ضخامت پولکی ۱۵ میلیمتر، ضخامت برنز  ۴ میلیمتر و فلاکس مورد استفاده از کلرید روی، کلرید آمونیوم، کلرید سدیم و پودر قلع تشکیل شده است.

جدول۱: ترکیب شیمیایی فلز پایه فولاد CK15 با استفاده از روش اسپکترومتری نشری

نام عنصر آهن کربن منگنز سیلیسیم کرم مس آلومینیم نیکل فسفر گوگرد
درصد وزنی بقیه ۱۵/۰ ۴۶/۰ ۲۸/۰ ۰۷/۰ ۰۶/۰ ۰۵۳/۰ ۰۳/۰ ۰۱۹/۰ ۰۰۸/۰

آلیاژ برنز ریخته گری شده UNS C93200 به عنوان پرکننده به شکل یک حلقه )پروفیل(با ضخامت ۵ میلیمتر و قطر داخلی  ۳۸/۵میلیمتر و قطر خارجی  ۹۴ میلیمتر ماشین کاری کرده به طوری که فاقد هرگونه ناخالصی باشد . ترکیب شیمیایی آلیاژ مورد استفاده در این فرآیند، برنز UNS C93200، مطابق جدول ۲ است.

جدول۲: ترکیب شیمیایی برنز C93200 با استفاده از روش اسپکترومتری نشری

نام عنصر مس قلع سرب روی آهن نیکل گوگرد آنتیموآن فسفر
درصد وزنی بقیه ۰۵/۶ ۶/۱۴ ۹۳/۳ ۹۱/۰ ۸۳/۰ ۰۵/۰ ۵۰/۰ ۳۸/۰

قبل از روکش کاری برنز، تمیزکاری فولاد به صورت زیر انجام می شود:

  • تمیزکاری مکانیکی توسط فرچه سیمی انجام می شود.
  • قطعات در محلول اسید سولفوریک به مدت۵ دقیقه غوطه ور می شوند.
  • برای خنثی سازی قطعات با الکل متانول)اتیلیک( به مدت۱۰ دقیقه شستشو می شوند.
  • قطعات به روش دستی با فلاکس)کلرید روی.کلرید آمونیوم.کلرید سدیم.پودر قلع(پوشانده می شوند.
  • پرکننده حلقوی شکل با محلول اسید به مدت ۱۰ دقیقه شستشو و تمیزکاری می شود.

برای انجام روکش کاری، ابتدا پرکننده برنزی داخل پروفیل قرار داده شده و حرارت داده می شود تا جایی که آلیاژ ذوب شود. پس از ذوب، سه دقیقه مشعل روشن می ماند. پس از آن، قطعه روکش کاری شده تا دمای محیط  سرد می شود.

۳: نتایج و بحث

در ریزساختار اطراف محل اتصال، سه فاز سفید رنگ، سیاه رنگ و خاکستری رنگ مشاهده شد. به منظور مطالعه این فازها، مطابق شکل۱ و شکل۲، ابتدا اشعه روی فازی با حداقل اندازه برابر با ۵ میکرومتر تنظیم شد. سپس طیف تفکیک انرژی (EDS) تهیه شد. به منظور اطمینان از صحت نتایج آزمایشات، حداقل ۲ مرتبه تکرار شد.

مطابق طیف تفکیک انرژی و مقادیر کمّی آن در شکل۳، فاز سیاه رنگ، ناخالصی MS که M شامل مقادیر بسیار زیادی از فلز روی ۴۰/۴۱ درصد اتمی، مقدار کَمی فلز مس ۴۰/۴ درصد اتمی و نیز مقادیر جزئی از فلزات آهن ۳۷/۱درصد اتمی، سرب ۱۲/۱درصد اتمی و قلع ۶۳/۰درصد اتمی است.

مطابق طیف تفکیک انرژی و مقادیر کمّی آن در شکل۴، فاز سفید رنگ، سرب تقریبا خالص ۹۴/۵۷درصد وزنی و مقادیر جزئی روی به صورت محلول جامد ۷۳/۰درصد وزنی و آهن به عنوان ناخالصی۲۱/۰درصد وزنی است زیرا با توجه به نمودار فاز ی سرب-مس، شکل۵، سرب و مس ترکیب یا محلول جامد تشکیل نمی دهند لذا پیک مس۵۰/۴درصد وزنی مربوط به زمینه است.

مطابق طیف تفکیک انرژی و مقادیر کمّی آن در شکل ۶ و با توجه به نمودار فازی مس-قلع و موقعیت این آلیاژ در این نمودار، شکل۷،  فاز خاکستری رنگ، ترکیب انتقالی Cu4Sn است زیرا شامل ۷۸/۱۰درصد اتمی مس و ۹۲/۱۹درصد اتمی قلع است.

مطابق طیف تفکیک انرژی و مقادیر کمّی آن، شکل۸، ترکیب شیمیایی زمینه شامل ۸۶/۳۰درصد وزنی مس۰۸/۹درصد وزنی قلع، ۷۳/۳ درصد وزنی روی و مقادیر جزئی سرب ۵۳/۰درصد وزنی وگوگرد ۴۴/۰ درصد وزنی و ناخالصی آهن ۲۹/۰درصد وزنی است.

ُُ مطابق طیف تفکیک انرژی و مقادیر کمّی آن، شکل۸، ترکیب شیمیایی زمینه شامل ۸۶/۳۰درصد وزنی مس۰۸/۹درصد وزنی قلع، ۷۳/۳ درصد وزنی روی و مقادیر جزئی سرب ۵۳/۰درصد وزنی وگوگرد ۴۴/۰ درصد وزنی و ناخالصی آهن ۲۹/۰درصد وزنی است.

شکل قطعه

در شکل۸ روبش خطی در ۳۰ نقطه از محل اتصال برنز-فولاد در مقیاس ۱ میکرون اجرا شد. نتایج نشان می دهد که در این مقیاس، هیچ یک از عناصر برنز در فولاد نفوذ نکرده است. زیرا در مقایسه با روش اتصال نفوذی فولاد-برنز [۶-۸]، زمان عملیات کوتاه و دمای عملیات نسبتا پایین است. بنابراین، در این شرایط، استحکام اتصال برنز-فولاد قابل توجه نخواهد بود.

شکل۸: روبش خطی از محل اتصال فولاد-برنز

۴: نتیجه ­گیری

در این پژوهش، از فرآیندریخته گری سخت برای روکش کاری برنز C93200 روی فولاد CK15 استفاده شد. نتایج حاکی از این است که در برنز حضور نسبتا زیاد عنصر گوگرد به مقدار ۵۲/۰درصد وزنی و روی به عنوان عنصر آلیاژی به مقدار ۹۳/۳ درصد وزنی موجب تشکیل ناخالصی سولفید روی شده است. به همین منظور کنترل ترکیب شیمیایی برنز با حداقل مقدار گوگرد ضروری است. از طرف دیگر، حضور ترکیب بین فلزی سخت Cu4Sn موجب افزایش سختی و استحکام زمینه برنز می شود. به علاوه، در محل اتصال برنز-فولاد، نفوذ عناصر صورت نمی گیرد زیرا در لحیم کاری سخت، زمان ریخته گری کوتاه و دمای آن پایین است.

 

مراجع:

[۱] س.ا. وحدت, مواد مناسب برای موتور دیزل, چرتکه, تهران, ۱۳۹۰٫

[۲] س.ا. وحدت, شناخت مواد جلد اول, چرتکه, تهران, ۱۳۹۰٫

[۳] س.ا. وحدت, پایش، عیب یابی و نگهداری از موتور دیزل, مرکز آموزش و تحقیقات صنعتی ایران, تهران۱۳۸۴٫

[۴] B. Challen, R. Baranescu, Diesel Engine Reference Book, Butterworth-Heinemann, 1999.

[۵] س.ا. وحدت, آشنایی با روش تولید در صنایع، ساخت و متالورژی, چرتکه, تهران, ۱۳۹۱٫

[۶]ح. ثابت قدم، ع. زارعی هنزکی، ا. هادیان و ع. آرائی، بررسی اثر پارامترهای زمان و فشار بر خواص مکانیکی و ریزساختاری اتصال نفوذی مس-فولاد زنگ نزن ۴۱۰ با میان لایه نیکل، دومین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی ایران و جامعه ریخته گران ایران،  دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، صفحه ۱-۱۰، ۱۳۸۴

[۷]ا. زند، ح. کلوند، مطالعه ریزساختار اتصال نفوذی برنز-فولاد تولید شده به روش ریخته گری گریز از مرکز افقی، مجله ریخته گری،شماره ۱۱۰ صفحه ۷-۱  ۱۳۹۴

 

                                                                                                                                       حامد کلوند

                                                        کارشناس ارشد مهندسی مواد، شرکت مهندسی و توسعه تجهیزات پایوران پارسیان

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *