اللحام بالمونة لكاربيد التنكستن المسمنت (WC+8%Co) مع الفولاذ واطئ السبائك (AISI 4041) لعدد القطع

الباحث

حيدر جليل كريم احمد

المشرف

احمد عودة جاسم - حامد اوميدفار

الجامعة

جامعة بابل

الكلية / القسم

كلية هندسة المواد / هندسة المعادن

الشهادة

دكتوراه

السنة

2024

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Brazing; Cemented carbide; Low alloy steel; Cutting tools

يُعد الربط بين المواد المختلفة في خواصها الميتالورجيا في تطبيقات أدوات القطع Cutting Tools Ylas Application حيويًا للبحث والتطوير في مجال أدوات القطع. غالبًا ما تتطلب أدوات القطع ربط مواد مختلفة للاستفادة من قوتها الفردية وتحسين أداء .(Tool Performance) BIN) يمكن أن يؤدي الربط الناجح للمواد المختلفة في أدوات القطع إلى تحسين عمر الأداة وزيادة دقة التشغيل الآلي وزيادة الإنتاجية في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. ربط كاربيد التنكستن المسمنت (WC+8%CO) مع الفولاذ الواطيء السبائك ( Low Alloy Steel (AISI 4041 يمثل تحدياً خاصاً وذلك بسبب الاختلاف الكبير في الخصائص الحرارية الذي يؤدي إلى ضغوط متبقية عالية (Residual Stress) عند الواجهة Cus ،(Interfaces) يمكن أيضاً تشكيل مراحل هشة (Brittle) . هنالك مشكلتان أساسيتان تواجهان ربط (WC-8Co) وفولاذ 4041 AISI وهو الفرق الكبير بين معامل التمدد الحراري (CTE) للكاربيد والفولاذ، مما يؤدي إلى تركيز الضغط عند الوصلة وتقليل الخصائص الميكانيكية لوصلة الربط. وبزيادة درجة حرارة ووقت اللحام، تصبح WC Gls خشنة (coarse) وتشكل La Se من نوع ]1 على Gila الكاربيد. All فإن دراسة التوزيع الطوري المجهري لوصلة اللحام بين الكربيد والفولاذ أمر حاسم. تم لحام فولاذ 4041 WC-8Co/AISI في البداية باستخدام عملية فرن اللحام الكهربائي مع استخدام سبائك (Brazing Filler Alloys) sis أساسها الفضة (Ag-Based) كطبقات وسيطة. تشمل هذه السبائك (Ag—Cu-Zn-Cd).(Ag—Cu-Ti) ، (Ag-28Cu) ، و (Ag-Cu-Zn-Mn-Ni) أجريت العملية في بيئة محمية بغاز الأرجون ذو نقاوة عالية (Argon Gas) لجميع سبائك الحشوء مع تطبيق جو مفرغ من الهواء (Vacuum) خصيصاً لسباتك الحشو Ag-Cu و Glu Ag-Cu-Ti سيتم شرحها في الفصول التالية. الغرض من هذا اللحام هو فحص وفهم تأثير هذه سبائك الحشو على بعض الخصائص المميزة للمفصل الملحوم. لهذا الغرض، تم فحص البنية المجهرية والسلوك الميكانيكي للمفاصل الملحومة". تمت Aula خصائص الترطيب والانتشار (Wetting and Diffusion) لسبيكة Ag-28Cu على سطح الكاربيد ألمسمنت 1/0-800/ا باستخدام طريقة القطرة الساكنة ،(Sessile Drops) لوحظ أن زاوية التماس (Contact Angle) انخفضت بشكل ملحوظ عندما تم زيادة درجة حرارة Cub jill بشكل معتدل. بناءً على هذه النتائج، تم إجراء اللحام في فرن مفرغ من الهواء للكاربيد المسمنت as WC-8CO فولاذ AIS! 4041 باستخدام Ag-28Cu كسبيكة حشو. تم فحص ومناقشة التفاعلات (Interactions) والخصائص الميكانيكية للوصلةء بما في ذلك الصلادة وقوة القص. تم تحديد طبقة انتقالية (transition layer) واضحة من Fe-Cu-Co عند الواجهة WC-8Co/Ag—28Cu عندما تم لحام وصلة steel 4041 0-800/4151/ل/ا بسبيكة الحشو Ag—-28Cu ، تم تحقيق قيم متوسطة لقوة القص تقارب 132 ميجا باسكال. تم لحام WC-8Co و 4041 AIS! معًا باستخدام معدن مالئ (Brazing Filler Alloy) من 11-لا0 Age في بيئة مفرغة من الهواء. ركزت الدراسة على التغيرات المجهرية عند واجهة (Interface) اللحام بين 4041 WC-8Co/Ag—Cu-Ti/AISI لفهم تأثير درجة حرارة اللحام على المجهرية وقوة الترابط للوصلة. عند الواجهة بين WC-8CO والسبيكة المالئة، تشكلت طبقة مستمرة من TIC نتيجة التفاعل بين ذرات 11 في لسبيكة الحشو المالئة وذرات © في WC-8Co ساعدت هذه الطبقة على سد الفجواة بين WC-8Co وسبيكة الحشو المالئة. بالمثل، عند واجهة بين فولاذ AISI 1 والسبيكة المالئة، تشكلت طبقة من112 ، مما أعاق هجرة ذرات Fe نحو WC-8Co Gila ومنع تشكيل طور صلب وهش. تم تحديد هيكل وصلات اللحام ك WC-8Co/TIC/Cu2Ti/Ag—Cu 3 granules/TiC/AISI 4041. لا10! عندما تم تغيير درجة حرارة اللحام من 800 إلى 920 درجة مئوية، ارتفعت قوة الترابط لوصلة 4041 WC-8CO/AISI ثم انخفضت. انكسرت الوصلة التي تم لحامها عند 900 درجة مئوية bad 10 دقائق في منتصف خط calalll وأظهرت قوة ترابط متوسطة تبلغ 0 ميجا باسكال. لقد قدمت عملية الربط بين 110-800 والفولاذ باستخدام سبيكة الحشو (Ag-Cu-Zn-Cd) تحديات ملحوظة. تستكشف هذه الدراسة بشكل منهجي كيف تؤثر درجة حرارة اللحام (700 و 730 و 750 درجة مئوية) ومدة اللحام لمدة 10 ،gilda كأهم alge اللحام، على التغيرات الطورية والبنية المجهرية الدقيقة للواجهة في مفاصل 4041 WC-8CO/AIS! الفولاذية. وجدت الدراسة أن اللحام عند درجات حرارة أقل يكون أكثر ملاءمة مقارنة بتقنيات اللحام بالانصهارء وذلك بشكل رئيسي لأنه يتجنب تكون اطوار هشة الضارة عند واجهة WC-8Co حددت الدراسة أن أفضل ظروف للعملية هي عند 750 درجة مئوية Baal 0 دقائق. تحت هذه الظروفء تصبح البنية اليوتكتية Gal وتوزيع الدندريتات الأولية أكثر تجانسا. تشير النتائج إلى أن استخدام هذا السبيكة اللحامية للربط عند 750 درجة مئوية ينتج عنه قوة قص تقريبا 155 ميجا باسكال. تم لحام الوصلات باستخدام سبيكة مبنية على الفضة Gaus ،(Ag-16Cu-23Zn-7.5Mn-4.5Ni) النسبة الوزنية) كمادة حشو. في هذه السبيكة، توزعت مراحل المحلول الجامد a-Cu على شكل جزر(0-010 (Island Like بشكل cauly مما أسهم في تقوية المفصل (joint) بسبب صلابتها العالية. Gal تقارب النيكل والكوبالت والحديد إلى تشكيل طبقات من المحلول الجامد /ا©-0 عند الواجهات ،(Interfaces) مما عزز من قوتها. تحسنت قوة الوصلة مع توسع طبقات المحلول الصلب ( Solid a-Cu (Solution ومع cell مع زيادة درجة حرارة اللحام ومدته ( Brazing time and cuss) ،(Temperature المساحة الكلية وعدد هذه الجزر من المحلول الجامد0-0 ¢ مما Gal إلى تقليل تأثير تقوية الانتشار. بلغت القوة القصوى للوصلات الملحومة MPa 325 عند اللحام على days حرارة 750 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. من ناحية أخرىء يُعتبر استخدام سبائك مواد الحشو GIS التكلفة الفعالة لتحقيق وصلات عالية الجودة جزءًا Lage من عملية اللحام. من بين المواد المختلفة، يتم استخدام سبائك النحاس والزنك B) ,0) بشكل متكرر كبديل أقل تكلفة كسبائك حشو مقارنة مع الفضة (48-511761)، خاصة عندما تكون درجات حرارة اللحام العالية مطلوبة. لذلكء يُقترح اختيار معايير الربط المناسبة للحام الفولاذ واطيء السبائك a2 WC-8CO/AISI 1 سبيكة حشو وسيطة مبنية على النحاس والزنك، مما قد يؤدي إلى إنشاء وصلات GIS جودة عالية مقارنة بتلك التي تُنشأ باستخدام سبائك مبنية على الفضة. في هذه الدراسة، تم فحص hill المجهري والخصائص الميكانيكية لوصلات WC-8Co/AISI 4041 SY التي تم لحامهاء والتي تم تصنيعها باستخدام طبقة وسيطة من النحاس والزنك .(Muntz Alloy) من خلال تحديد درجة الحرارة المثالية والزمن لذوبان وتبليل الطبقة الوسيطة من النحاس والزنك، لتحقيق رابط معدني قوي في ala) لفولاذ 4041 WC-8Co/AISI في هذه الدراسة الحالية، تم تطوير واستخدام سبيكة جديدة مبنية على النحاس والزنك (a, B) مضاف اليها بعض العناصر (Cu-Zn—Mn-Sn-Si) كسبية حشو مالئة لربط WC-8Co إلى فولاذ AISI 1 تم استكشاف لحام فولاذ 4041 WC-8Co/AISI باستخدام هذه السبيكة المبتكرة لأوقات لحام مختلفة، وتحديداً 62.5 65 6765 610 12.5، و 15 دقيقة. أظهرت النتائج وجود أطوار المحلول الجامد co cy و B ومركب Co,W3C المعدني البيني في منطقة الوصلة (Joint) تم الحصول على أعلى قوة قصء والتي بلغت 300 ميجا باسكال، مع فترة (Brazing Time) ilps مدتها 7.5 دقيقة. ومع ذلك، أدى تمديد وقت الترابط إلى أكثر من 7.5 دقيقة إلى انخفاض في القوة، وربما يعود ذلك إلى زيادة تكوين مركب CozW3C الهش الضار.

Cemented carbides such as WC-Co are made of a hard compound (WC) grains are embedded in a tough Co as a binder, using powder metallurgy technology. These hard metals are renowned for their exceptional level of hardness, strength, remarkable ability to resist wear and impressive resistance to both high temperatures and corrosive agents. Due to these advantages, cemented carbides are widely used to manufacture wear-resistant parts, used in mechanical operations such as cutting tools, geological exploration, oil mining, excavate rocks, and road construction etc. However, the usage of cemented carbides is limited due to their high cost, brittleness, low machining impact under severe operating conditions. WC-Co can be combined with steel to challenge these limitations and broaden their industrial applications. Joining WC-Co to steels have chemically and mechanically challenges, due to the properties mismatches between them, poor wettability of molten filler metals on surface cemented carbide and develop high residual stresses in the joints during cooling it. To improve the wetting and minimize the degraded of the joints. Lessening the residual stresses can be performed by using the appropriate brazing filler alloys and controlling the process parameters, so silver-based and copper-based brazing filler metals have employed to dissimilarly brazing the cemented carbides to steels. The experimental materials which used in this study were WC-Co (8 wt.% Co) sheets (4mm×4mm×5mm), low alloy steel 4041 steel (10mm×10mm×5mm), and several foils of brazing filler alloys for brazing process with an thickness 160μm. The microstructure of each brazed joint has been investigated using SEM, EDS, and X-ray diffraction. Vickers micro-hardness, and shear strength tests have been performed to investigate mechanical behavior of the brazed joints. Several experimental brazing filler alloys have been used to braze WC-8Co to low alloy steel (AISI 4041 steel) in an Electric Furnace under protection Argon and Vacuum atmospheres. Four of these fillers are silver-based alloys (Ag-28%Cu, Ag-28%Cu-2%Ti, Ag- 26%Cu-21%Zn-18%Cd, and Ag-16Cu-23Zn-7.5Mn-4.5Ni), and the other are copper-based (Cu-39.81%Zn, and a novel brazing alloy Cu- Zn-1.5%Mn-0.5%Si-0.7%Sn). They have been tested for wettability on surface of WC-Co at brazing temperature. The contact angles setup used was fabricated during the investigation. The results indicate that atmospheric protection of vacuum promotes flow over WC-8Co, so the brazing filler alloys Ag-Cu, and Ag-Cu-Ti promote flow over surface of WC-8Co. The brazing filler alloys have exhibited excellent wetting behavior and flowed very well on surface WC-8Co substrate (contact angles <45°). These include:  Ag-Cu (28°) at 850°C for 15min, with maximum strength 131 MPa.  Ag-Cu-Ti (16°) at 900°C for 10 min., with maximum shear strength 220 MPa, both of them have conducted under Vacuum atmosphere protection. While the another group below have conducted under Argon atmosphere protection, and comprises.  Ag-Cu-Zn-Cd (35.5°) at 750°C for 10 min., with maximum shear strength 187 MPa.  Ag-Cu-Zn-Mn-Ni (16°) at 750° for 5 min., with maximum shear strength 325 MPa.  Cu-Zn (23.5°) at 960°C for 5min, with maximum shear strength 215 MPa, and  A novel brazing filler Cu-Zn-Mn-Sn-Si (15.5°) at 940°C for 7.5 min., with maximum shear strength 298 MPa. Microstructural analysis has showed the presence of voids and discontinuous reaction layer for both side of interfaces between brazing filler alloys and the materials (poor wetting), when brazing WC-8Co to AISI steel by using Ag-Cu and Ag-Cu-Ti under Argon atmosphere protection, just at 850°C for 15 minutes, a joint formed only between the brazing filler alloy and the surface of AISI 4041 steel side by using Ag-Cu filler alloy. But experiments which were conducted under vacuum environment protection, have exhibited excellent bonding for two sides, without any noticeable defects for both brazing filler alloys mentioned above. While the result of microstructure analysis for Ag-Cu-Zn-Cd and Ag-Cu-Zn-Mn-Ni brazing filler alloys has revealed really strong bonds at both sides of the joints, when have conducted in Argon environment with no visible flaws, and presents a multiphase structure, comprised of a copper- rich (Cu,Zn)s.s, a silver-rich (Ag,Cd)s.s , as well as eutectic structure. Diffusion of Ag and Cd in WC-8Co, as well as the formation of Co-Fe-Cu reaction product, have proposed as the bonding mechanism, while due to the high affinity between Ni, Co, and Fe, α-Cu (s.s) layers formed at the interfaces and strengthened both of them. Therefore, it is proposed that selecting appropriate bonding parameters for brazing WC-8Co/AISI 4041 steel with a (α – β) brass interlayer could result in the creation of superior quality joints compared to those created using silver-based alloys. Using the (α – β) brass interlayer, the increase in hardness of joint brazed through the presence of (Cu,Zn) solid solution and enhancing shear strength, and creating continuous reaction layers with free defects both of interfaces between WC-8Co/brazing filler alloy/AISI 4041 steel. It is also the copper- based alloy brass (α – β) has less cost-effective than silver-based alloys. In this current study, a novel alloy brass have been developed and employed as a brazing filler alloy (Cu-38.8Zn-1.5Mn-0.7Sn-0.6Si) to braze WC-8Co to AISI 4041 steel successfully. The brazing of WC- 8Co/AISI 4041 steel using this innovative filler alloy was explored with various brazing durations, specifically 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5, and 15 minutes at 940°C. The findings indicated the presence of γ, α, and β solid solution phases and the Co3W3C intermetallic compound within the joint area. The highest shear strength, measured at 298 MPa, was attained with a 7.5-minute bonding period. However, extending the bonding time beyond 7.5 minutes led to a decrease in strength, potentially due to the increased formation of the brittle Co3W3C compound.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب