تاثیر عملیات حرارتی بر ترکیبات بین فلزي فصل مشترك جوش انفجاري فولاد زنگ نزن
321 به آلومینیم 1230
حمید بختیاري1*، محمدرضا خانزاده قره شیران2* و سید علی اصغر اکبري موسوي3

چکیده
در این پژوهش تاثیر عملیات حرارتی بر ریز ساختار و خواص مکانیکی ترکیبات بین فلزي فصل مشترك اتصال جوشکاري انفجاري فولاد آستنیتی 321 به آلومینیم 1230 بررسی شده است. بررسی هاي آزمایشگاهی با استفاده از میکروسکوپ نوري ،میکروسکوپ الکترونی روبشی، آزمونهاي ریز سختی سنجی و استحکام کششی برشی انجام شده است. ترکیبات بین فلزي فصل مشترك و مقدار نفوذ عناصر آلومینیم، آهن، نیکل و کروم با استفاده از آنالیز خطی و الکترون برگشتی در نمونه ها مشخص شدند. در نمونه هاي پیش از عملیات حرارتی با افزایش فاصله توقف از یک به دو و نیم میلیمتر فصل مشترك اتصال از حالت صاف به موجی تبدیل شده و ضخامت لایه هاي بین فلزي از 5/3 میکرون به 3/102 میکرون افزایش یافته است. ریز سختی نیز با افزایش ترکیبات بین فلزي از 766 ویکرز در نمونه با فاصله توقف یک میلیمتر به 927 ویکرز در نمونه با فاصله توقف دو و نیم میلیمتر، افزایش یافته است. همچنین، استحکام آنها از 2/103 مگاپاسکال به 5/214 مگاپاسکال افزایش یافته است. انجام عملیات حرارتی در دماي C 054 براي شش ساعت باعث افزایش ضخامت لایه ترکیبات بین فلزي به 4/4 میکرون براي نمونه با فاصله توقف یک میلیمتْر و 5/118 میکرون براي نمونه با فاصله توقف دو و نیم میلیمتر شده است.
نتایج نشان دادند که با افزایش دما و زمان، ریزسختی و استحکام به علت افزایش ضخامت منطقه بین فلزي نسبت به پیش از انجام عملیات حرارتی کاهش یافته است.

واژه هاي کلیدي :ترکیبات بین فلزي، جوشکاري انفجاري، عملیات حرارتی، فاصله توقف.

کارشناسی ارشدمهندسی مواد گرایش جوشکاري، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف آباد، نجف آباد، ایران.
استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شهر مجلسی، شهر مجلسی، اصفهان، ایران.
دانشیار، دانشکده مهندسی متالورژي و مواد، پردیس دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
[email protected] [email protected] :نویسنده مسئول مقاله -*
پیشگفتار
جوشکاري انفجاري یکی از روشهاي پیشرفتهجوشکاري در حالت جامد است. جوشکاري انفجاري روشیاست که در آن از انرژي کنترل شده یک ماده منفجرهاستفاده می شود تا سطوح جوش شونده که نسبت به هم در فاصله توقف معینی قرار گرفته اند با سرعت بالایی به یکدیگر نزدیک شده و به هم برخورد کنند. در اثر برخورد دو سطح به یکدیگر، یک میدان خمیري موضعی در فصل مشترك اتصال ایجاد می شود که با اشتراك گذاري الکترونها یک باند با پیوند متالورژیکی بین اجزا جوش شونده ایجاد می شود. در اثر فشار برخوردي بالا یک جت با سرعت بالا از دو سطح اتصال تشکیل می شود که موجب ایجاد سطوح اتصالی تمیز در فصل مشترك جوشکاري و حذف آلودگی هاي سطحی می شود. تشکیل این جت از شرایط اساسی ایجاد پیوند مناسب در جوشکاري انفجاري می باشد [1- 5].
اتصالات حاصله با این روش به مانند روشهاي دیگر جوشکاري حالت جامد فاقد مشکلات شدید متالورژیکی ناشی از حضور مذاب در منطقه جوشکاري می باشند و از این روش می توان به عنوان روشی مناسب جهت اتصال دهی طیفی گسترده از فلزات هم جنس و نا هم جنس با
جدول1- انواع ترکیبات بین فلزي از نوع [FeX ALY10].
چگالی(3g/cm) ریز سختی(HV) ساختار مقدار (%Al(at فاز
6/67 250-350 مکعبی مرکز پر 25 Fe3Al
5/37 400-520 مکعبی مرکز پر 50 FeAl
– 650 -680 مکعبی مرکز پر 63 Fe2Al7
4/36 1000 -1050 رومبوهدرال 66-67 FeAl2
4/11 1000 -1100 اورترومبیک 69/7 -73/2 Fe2Al5
3/95 820-980 مونوکلینیک 74-76 FeAl3

خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت به یکدیگر استفادهکرد [6و7].
اتصال آلومینیم به فولاد، با روشهاي جوشکاري ذوبی به دلیل اختلاف درجه حرارت، خواص شیمیایی، فیزیکی و لایههاي اتمی آنها بسیار دشوار است. از این روش به گونه گسترده میتوان جهت پوشش دهی به صورت دو یا چند لایه در صنایع شیمیایی، تولید نیروگاهی، هوا و فضا ،صنایع اتوماتیک، تجهیزات خلا، ساخت مخازن تحت فشار و مبدلهاي حرارتی استفاده کرد. پوشش دهی اتصالات لوله اي شکل و سطوح استوانه اي نیز یکی دیگر از کاربردهاي عمده این روش می باشد و می توان استوانه ها و سیلندرهاي توخالی مرکب را تولید کرد، اما وجود عناصري اصلی مانند آهن وآلومینیم و نیز استحکام پیوند بین اتمهاي نامشابه مربوطه که بیشتر از استحکام پیوند بین اتمهاي مشابه است، احتمال ایجاد ترکیبات بین فلزي در فصل مشترك اتصال را افزایش می دهند[7و8و9].
از نقطه نظر شیمیایی واکنش آهن با آلومینیم چندین ترکیب بین فلزي از نوعFeX ALY ایجاد می کند زیرا فقط مقدار کمی از آهن می تواند در آلومینیم حل شود و بر عکس که در جدول 1 خواص آنها آمده است[10].
ترکیبات بین فلزي در دماي زیر نقطه ذوب آلومینیم رخ میدهند. نسبت شکل گیري این ترکیبات به نوع نفوذ بستگی دارد، بنابراین به دما و زمان وابستهاند. با افزایش زمان و دماي عملیات حرارتی انتظار میرود ضخامت لایههاي بین فلزي نیز افزایش یابند [10]. داده هاي تجربی مشخص کرده اند که ترکیبات بین فلزي نمونه ها در معرض تنش حرارتی زیر C003 رشد شایان توجهی نداشته اند، ولی در مورد نمونه هاْیی که درجه حرارت برابر یا بیشتر از C005 بوده است، گسترش ترکیبات Fe/Al در فصل مشتركْ اتصال بیشتر بوده است.

1383792-1554085

شکل 1- تنظیم مورب براي جوشکاري انفجاري صفحات مسطح [12].

شکل2- تنظیم موازي براي جوشکاري انفجاري صفحات مسطح [12].
شکل 1 نمایانگر یک تنظیم مورب جهت انجام جوشکاري انفجاري با صفحه پرنده می باشد که این تنظیم معمولاً براي مواد منفجره با سرعت انفجاري بالا و ورقهاي کوچک بکار می رود. شکل 2 نیز نمایانگر یک تنظیم موازي جهت انجام جوشکاري انفجاري می باشد که صفحه پرنده به صورت موازي و جداگانه از صفحه پایه (برخورد شونده) با یک فاصله توقف معین و یکنواخت (d) قرار می گیرد. تنظیم موازي براي مواد منفجره با سرعت پایین و صفحات بزرگ کاربرد دارد[11].

ساماردزیچ و همکاران [12] در مطالعه اتصال سه گانه-52Almg5–Al–St نشان دادندکه شدت کاهش استحکام اتصال پس از آنیل کردن در دماي ْC054 نسبت به دماي C513 به دلیل تشکیل لایه ترکیبات بین فلزي و افزایش مقدْار عناصري مانند نیکل، کروم و سیلیسیم بسیار بیشتر بوده است و با افزایش دما ترکیبات بین فلزي در ریزساختار افزایش یافته است. در دماي عملیات حرارتی پایین ترکیبات بین فلزي جدید اثر شایان توجهی بر خواص استحکام نداشته است، اما در دماي C054 افزایش ترکیبات بین فلزي نقش موثري جهت وْقوع شکست در قطعه ایفا کرده است.
در مطالعات تاثیر دما و زمان بر اتصال انفجاري فولاد کم کربن به فولاد آستنیتی 304، نشان داده شدکه با افزایش زمان عملیات حرارتی در دماي ثابت C 250 از یک ساعت به چهار ساعت به دلیل درشت شدن ساختار ، مقدار ریزسختی کاهش یافته است، بنابراین زمان هاي کوتاه براي عملیات حرارتی پیشنهاد شده است[13].
پژوهشهاي لوکاج و همکاران [14] نیز نشان داد که با انجام عملیات حرارتی در دماي C052 براي 100 ساعت به علت افزایش نفوذ آلومینیم، درشتْ شدن دانه هاي آن و شکل آمورف فصل مشترك ریز سختی فلزات پایه و فصل مشترك کاهش زیادي یافته است.
در این پژوهش بررسی اثر دما و زمان عملیات حرارتی بر اتصال انفجاري لوله هاي فولاد آستنیتی 321 به آلومینیم 1230 و تاثیر آن بر ریزساختار متالورژیکی ترکیبات بین فلزي فصل مشترك و خواص مکانیکی اتصال صورت گرفته است.

مواد و روش ها
آلیاژهاي مورد استفاده در فرآیند جوشکاري انفجاريجهت ایجاد لوله دو جزئی، فولادي با ترکیب Cr18Ni9Tiو آلیاژ آلومینیوم از جنس 3AlkA می باشد که در جدول
2 ترکیب شیمیایی آنها آمده است.
متغیري که جهت اتصال لوله آلیاژي از جنس
3AlkA به لوله آلیاژي فولادي از جنسStCr18Ni9Ti در طراحی مورد استفاده قرار گرفته، فاصله توقف بوده است.
در ف رایند جوشکاري، چهار فاصـله توقـف گونـاگون درنظر گرفته شده که این فاصلهها به ترتیـب 1، 5/1، 2، 5/2 میلیمتر بوده و لوله ها به صورت کاملاً موازي و هم محـورنسبت به یکدیگر در فاصلههاي توقف بالا قـرار داده شـدهاند و عمل جوشکاري انجام گرفته است .جهت اتصال دهـیلوله ها از ماده منفجره اي به نـام آمـاتول1 کـه ترکیبـی ازتري نیتروتولوئن یا تی ان تی و نیترات آمونیم مـیباشـد،استفاده شده اسـت. در شـکل 3 سیـستم تنظیمـی مـورداستفاده جهت جوشـکاري انفجـاري نمونـه هـا نـشان دادهشده است.

لوله پایه و ابعاد آن
لولهاي از جنسStCr18Ni9Ti به عنوان لوله پایه درنظر گرفته شده است که داراي ضـخامتmm5/4 و طـولmm200 م ی باش د. قط ر خ ارجی آن mm135 و قط ر داخلی آن mm126 می باشد.
لوله پرنده و ابعاد آن
لوله آلیاژي از جنس 3AlkA به عنوان لوله پرنده در جوشکاري انفجاري در نظر گرفته شده که داراي ضخامت mm5/1 و طول mm240 می باشد.

عملیات حرارتی پس گرم
پس از انجام جوشکاري، عملیات حرارتی پس گرم روي نمونه ها انجام شد. عملیات حرارتی را در کوره تحت حفاظت گاز آرگون با فشار یک بار در دماي Cْ054 به
1
-Ammatol
مدت زمان شش ساعت انجام داده و سپس در محیط هواسرد شدند. انتخاب دماي ْC053 و ْC054 در این پژوهشبه علت بحرانی بودن این دما براي اتصال فولاد – آلومینیم میباشد.
در جدول 3 خصوصیات آزمون ها و نامگذاري نمونهها بر اساس فاصله توقف، دما و زمان عملیات حرارتی آمده است.

آزمون میکروسکوپ نوري
بمنظور آماده سازي نمونه ها براي متالوگرافی به وسیله سمباده هاي داراي شماره هاي به ترتیب 60 تا2500، سمباده زده شده و پس از رفع خطوط و ناهمواريهاي سطحی پولیش زده شدند. پس از پولیش، سطح نمونه ها با الکل شسته و خشک و سپس به وسیله محلول گلیسیرژیا (گلیسرین +اسید نیتریک +اسید کلریدریک) اچ شیمیایی شدند. از استاندارهاي مرجع -3 ASTM E[1511] براي آماده سازي،[07-407 ASTM E16] میکرو اچ فلزات،[11-883 ASTM E 17]تصاویر میکروسکوپ نوري و استاندارد[02-487 ASTM B18] براي اندازه گیري ضخامت لایه ترکیبات بین فلزي استفاده شد. ریز ساختار فصل مشترك و ترکیبات بین فلزي به وسیله میکروسکوپ نوري مدل 3Metallux در بزرگنمایی هاي گوناگون مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت.

آزمون میکروسکوپ الکترونی روبشی در این پژوهش از میکروسکوپ الکترونی روبشی و مجهز به سیستم آنالیز شیمیایی الکترون بازگشتی3 مدلVEGA\\TESCAN-LMU جهت مقایسه و بررسی شکل و اندازه ترکیبات بین فلزي، ترك هاي موجود استفاده شده است. پس از ایجاد خلاء با فشار بالا در ستون خلاء دستگاه، فصل مشترك اتصال با بزرگنماییهاي گوناگون، مورد بررسی قرار گرفت.
3
-Energy Dispersive X-ray Spectrometry (EDS)
جدول2- ترکیب شیمیایی لوله هاي جوشکاري انفجاري(Wt%).
Fe Al Zn V Cu Ni Ti Cr Mg S P Mn Si C (%
(Wtعنصر
بالانس – – – – 10/5 – 18 – 0/03 0/04 2 0/75 0/8 AISI321
0/7 بالانس 0/10 0/05 0/1 – 0/03 – 0/05 – – 0/05 0/7 – AA1230

شکل3- سیستم تنظیمی جوشکاري انفجاري آلومینیوم 1230 به فولاد 321.

جدول3- خصوصیات آزمون هاي جوشکاري و عملیات حرارتی نمونه ها.
زمان(hr) دما(
(C ضخامت مواد منفجره
(mm) قطر داخلی لوله
پایه(mm) قطر خارجی لوله
پرنده(mm) سرعت انفجار

(
m
/
s
)

3650

(

m

/

s

)

3650



قیمت: تومان


پاسخ دهید