توصيفگر ها :
سرمت , Wc-FeAl , گرافن , تف جئشي پلاسماي جرقه اي (SPS) , خواص مكانيكي , چقرمگي شكست , مقاومت به سايش , مقاومت به اكسيداسيون , ريزساختار
چكيده فارسي :
چكيده
اين پژوهش به بررسي اثر افزودن گرافن بر خواص مكانيكي و تريبولوژيكي سرمتهاي پايه WC-FeAl توليدشده به روش تفجوشي پلاسماي جرقهاي (SPS) ميپردازد. با توجه به چالش دستيابي همزمان به سختي بالا و چقرمگي شكست مطلوب در سرمتها، بهويژه براي كاربرد در ابزارهاي برشي، هدف اصلي اين تحقيق بهينهسازي تركيبهاي جديدي از سرمتها با عملكرد مكانيكي و حرارتي ارتقاءيافته است. در همين راستا، سه نوع نمونه شامل) WC-Co به عنوان نمونه مرجع)، WC- FeAl و WC-FeAl-G (با افزودني گرافن) تهيه و مورد ارزيابي قرار گرفتند. سختي نمونهها با آزمون ويكرز اندازهگيري شد و نتايج نشان داد كه سختي سرمت WC-FeAl-G به ميزان 55/19درصد بيشتر از WC-FeAl و سختي WC-FeAl نيز به ميزان 06/18 درصد بيشتر از نمونه مرجع WC-Co است. بررسي ريزساختار با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و آزمون پراش اشعه ايكس (XRD) نشان داد كه افزودن گرافن موجب ريزدانه شدن ساختار و كاهش انحلال فاز كاربيدي در زمينه فلزي شده است. آزمون خمش چهار نقطهاي نشان داد كه بيشينه تنش شكست خمشي براي سرمتهاي WC-Co، WC-FeAl و WC-FeAl-G به ترتيب 4/392 ، 2/114 و 3/274 مگاپاسكال است. آزمون سايش نيز حاكي از بهبود قابل توجه مقاومت به سايش در نمونههاي حاوي گرافن و پيونده FeAl بود، بهگونهاي كه كاهش وزن به ترتيب 015/0، 002/0 و 001/0 گرم براي WC-Co، WC-FeAl و WC-FeAl-G اندازهگيري شد. ارزيابي مقاومت به اكسيداسيون از طريق آزمون اكسيداسيون همدما و آناليز حرارتي DSC-TG انجام گرفت. نتايج نشان داد كه سرمت WC-FeAl داراي بيشترين مقاومت در برابر اكسيداسيون است كه به تشكيل فازهاي كمپلكس پايدار مانند Al₂(WO₄)₃ و FeWO₄ نسبت داده ميشود. درصد افزايش وزن در آزمون DSC-TG بهترتيب برابر با 41/15 درصد براي WC-Co، 90/12 درصد براي WC-FeAl-G و تنها 02/6 درصد براي WC-FeAl گزارش شد كه نشاندهنده بالاتر بودن مقاومت به اكسيداسيون در نمونه حاوي گرافن نسبت به WC-Co است. در مجموع، يافتههاي اين تحقيق نشان ميدهد كه افزودن گرافن اگرچه باعث اندكي كاهش در مقاومت اكسيداسيون نسبت به WC-FeAl ميشود اما همچنان مقاومت اكسيداسيون بالاتري نسبت به سرمت WC-Co وجود دارد. ضمن اينكه افزودن گرافن موجب افزايش سختي و مقاومت به سايش ميشود. همچنين، بازيابي بخش قابل توجهي از استحكام خمشي از دست رفته در نمونه WC-FeAl با افزودن گرافن، يكي از چالشهاي اصلي استفاده از پيوندههاي جايگزين بهجاي كبالت را مرتفع ساخته و چشمانداز مثبتي براي توسعه سرمتهاي بدون كبالت فراهم ميآورد.
چكيده انگليسي :
Abstract
This study investigates the effect of graphene addition on the mechanical and tribological properties of WC-FeAl-based cermets produced by the spark plasma sintering (SPS) method. Considering the challenge of simultaneously achieving high hardness and desirable fracture toughness in cermets, especially for use in cutting tools, the main objective of this study is to optimize new combinations of cermets with improved mechanical and thermal performance. In this regard, three types of samples, including WC-Co (as a reference sample), WC-FeAl, and WC-FeAl-G (with graphene addition), were prepared and evaluated. The hardness of the samples was measured by the Vickers test, and the results showed that the hardness of WC-FeAl-G cermet is 19.55% higher than WC-FeAl, and the hardness of WC-FeAl is 18.06% higher than the reference WC-Co sample. Microstructure examination using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) showed that the addition of graphene resulted in a finer grain structure and reduced dissolution of carbide phase in the metal matrix. The four-point bending test showed that the maximum bending failure stress for WC-Co, WC-FeAl and WC-FeAl-G cermets was 392.4, 114.2, and 274.3 MPa, respectively. The wear test also indicated a significant improvement in the wear resistance of the samples containing graphene and FeAl binder, such that the weight loss was measured to be 0.015, 0.002, and 0.001 g for WC-Co, WC-FeAl, and WC-FeAl-G, respectively. The oxidation resistance was evaluated by isothermal oxidation test and DSC-TG thermal analysis. The results showed that WC-FeAl cermet has the highest oxidation resistance, which is attributed to the formation of stable complex phases such as Al₂(WO₄)₃ and FeWO₄. The weight gain present in the DSC-TG test was reported to be 15.41% for WC-Co, 12.90% for WC-FeAl-G, and only 6.02% for WC-FeAl, respectively, indicating that the oxidation resistance of the graphene-containing sample is higher than that of WC-Co. Overall, the findings of this study show that although the addition of graphene causes a slight decrease in oxidation resistance compared to WC-FeAl, it still has higher oxidation resistance than WC-Co cermet. In addition, the addition of graphene increases hardness and wear resistance. Also, the recovery of a significant part of the lost flexural strength in the WC-FeAl sample by adding graphene overcomes one of the main challenges of using alternative binders instead of cobalt and provides a positive outlook for the development of cobalt-free cermets.