تاثیر کامپوزیت سازی سطحی لیزری با ذرات کاربید تیتانیم بر رفتار تریبولوژیکی فولاد ابزار گرمکار H13

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علم و صنعت ایران

2 عضو هیات علمی

چکیده

ذرات کاربید تیتانیم (TiC) به دلیل دارا بودن استحکام، سختی و پایداری الکتروشیمیایی بالا، به عنوان ماده‌ای ایده‌آل جهت ساخت برخی از انواع کامپوزیت‌ها شناخته شده‌اند. در این پژوهش، به منظور کامپوزیت سازی سطح فولاد ابزار گرمکار 13H، از ذرات کاربید تیتانیم (TiC) پیش‌نشانی شده و فرآیند کامپوزیت سازی لیزر پالسی Nd:YAGاستفاده شده است. پروفیل سختی سطوح کامپوزیت‌شده توسط آزمون ریزسختی سنجی ویکرز، مورد بررسی قرار گرفت. مشخصه‌یابی پوشش‌ها به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به طیف‌نگار تفکیک انرژی (EDS)، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD) انجام گرفت. رفتار تریبولوژیکی سطوح کامپوزیتی و زیرلایه با آزمون پین روی دیسک مورد ارزیابی قرار گرفت و ضریب اصطکاک آنها نیز گزارش شد. نتایج نشان داد که مشارکت مناسب و توزیع یکنواخت ذرات TiC در مناطق کامپوزیتی، سبب ایجاد سطوحی عاری از هر گونه ترک و تخلخل شده و همچنین مشارکت ذرات TiC با سختی و استحکام بالا، از یک سو سبب کاهش ضریب اصطکاک و از سوی دیگر با جلوگیری از تغییر فرم پلاستیک و ترک‌های سطحی، سبب بهبود مقاومت سایشی نمونه‌های کامپوزیتی نسبت به سطوح غیرکامپوزیتی، شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Effect of Laser Surface Compositing Using Nd:YAG Pulsed Laser with TiC Particles On Tribological behavior of H13 Tool Steel

چکیده [English]

Because of high strength, hardness and chemical stability of titanium carbide (TiC), it is known as an ideal material for manufacturing the different types of composite. In this study, surface of hot work H13 tool steel was composited with TiC particles using pulsed Nd:YAG laser process. Hardness of the composited surfaces was measured with a Vickers microhardness tester. Characterization of the composited area was done using scanning electron microscope (SEM) which equipped to energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), field emission scanning electron microscope (FESEM) and X-ray diffraction technique. In order to investigation of tribological behavior of non-treated and composited samples, pin-on-disk test was employed. Characterization results showed a composited zone without any crack and porosity, with appropriate incorporation and uniform distribution of TiC particles in the matrix. The results of tribological test illustrated that incorporation of TiC particles with their initial morphology and high hardness and strength, not only decrease the friction coefficient, but also improve the wear resistance of composited surfaces in compare with H13 non-composited surfaces.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hot work H13 tool steel
  • Laser
  • TiC particles
  • Pulsed Nd:YAG laser
  • Tribological behavior
    [1]           S. Jhavar, CP. Paul, , NK. Jain,Causes of failure and repairing options for dies and molds,A review. Engineering Failure Analysis, Vol.34, pp.519-535, 2013.

    [2]           B. AlMangour,D. Grzesiak, JM. Yang, Nanocrystalline TiC-reinforced H13 steel matrix nanocomposites fabricated by selective laser melting, Material and Design: Vol.96, pp.150-161, 2016.

    [3]           BS.Yilbas,F.Patel,C.Karatas,Laser controlled melting of H12 hot-work tool steel with B4C particles at the surface, Optic and Laser Technology: Vol.74, pp. 36-42, 2015.

    [4]           H.Jesperson,C. Nilsson,The Influence of the cooling rate during quenching and preheating temperature on the toughness of a hot-work tool steel, BHM Berg‐und Hüttenmännische Monatshefte:Vol.157, pp. ,2012.

    [5]           V. Balasubramanian, et al,Laser cladding with powder: hardfacing on carbon steels based on quantitative and qualitative factors, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology:Vol.40, pp. 887-897, 2009.

    [6]           K.Ushashri,M.Masanta,Hard TiC Coating on AISI304 Steel by Laser Surface Engineering Using Pulse Nd:YAG Laser, Materials and Manufacturing Processes: Vol.30, pp. 730-735, 2015.

    [7]           J.Davis,Surface Hardening of Steels. ASM International, Materials Park, OH:Vol. 227, 2002.

    [8]           H J.Shin,Y T.Yoo,Microstructural and hardness investigation of hot-work tool steels by laser surface treatment, Journal of Materials Processing Technology: Vol. 201, pp. 342-347, 2008.

    [9]           D.Delagnes,F.Rézaï-Aria, C. Levaillant,Influence of testing and tempering temperatures on fatigue behaviour, life and crack initiation mechanisms in a 5%Cr martensitic steel. Procedia Engineering:Vol. 2, pp. 427-439, 2010.

 [10]           Y.Lei,R.Sun,Y.Tang,W.Niu,Microstructure and phase transformations in laser clad CrxSy/Ni coating on H13 steel, Optics and Lasers in Engineering:Vol. 66, pp. 181 –186, 2015.

 [11]           A.Chehrghani,MJ.Torkamany,M J. Hamedi,J.Sabbaghzadeh,Numerical modeling and experimental investigation of TiC formation on titanium surface pre- coated by graghit under pulsed laser irradiation. Applied Surface Science,Vol.258, pp. 2068-2076, 2012.

 [12]           FO. Olsen,L. Alting,Pulsed Laser Materials Processing, Nd-YAG versus CO2 Lasers, CIRP Annals - Manufacturing Technology:Vol.44, pp. 141-145, 1995.

 [13]           S.Huang,M.Samandi,M. Brandt,Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC/Ni layers,Wear: Vol. 256, pp. 1095- 1105, 2004.

 [14]           G. Telasang, J.Dutta Majumdar, G. Padmanabham,M.Tak,I.Manna,Effect of laser parameters on microstructure and hardness of laser clad and tempered AISI H13 tool steel.Surface & Coatings Technology:Vol. 258, pp. 1108–1118, 2014.

 [15]           D.Verdi,CJ.Múnez,F.Sevillano,P.Poza,Laser surface alloying of Gr22 ferritic steel with Ni(Al): Effect of processing parameters on the microstructure and high temperature performance, Journal of Materials Processing Technology:Vol. 213, pp. 1825–1834, 2013.

 [16]           DI.Adebiyi,API.Popoola,SL. Pityana,Microstructural evolution at the overlap zones of 12Cr martensitic stainless steel laser alloyed with TiC, Optics & Laser Technology:Vol. 61, pp. 15–23, 2014.

 [17]           Wear resistance,ASM Handbook, ASM International, Materials Park, OH:Vol. 1, pp. 579-638, 1991.

 [18]           G.Telasang,J.DuttaMajumdar,G.Padmanabham,I. Manna,Wear and corrosion behavior of laser surface engineered AISI H13 hot working tool steel. Surface & Coatings Technology:Vol.261, pp. 69–78,2015.

 [19]           GA.Roberts,R. Kenney,Tool Steel. ASM International:Vol.221, 1998.

 [20]           V. Fallah,SF.Corbin, A. Khajepour,Solidification behaviour and phase formation during pre‐placed laser cladding of Ti45Nb on mild steel, Surface and Coatings Technology:Vol. 204, pp. 2400‐2409, 2010.

 [21]           شهرامخیراندیش،ماندانا عادلی،محسن اسدیاسدآبادی،یوسف رضالو، "فولادهایابزار"،ایران،مرکزانتشاراتدانشگاهعلموصنعت،1388.

 [22]           L. Falcon-Franco, E. Bedolla-Becerril, J. Lemus-Ruiz, J.G. Gonzalez-Rodríguez, R. Guardian, I. Rosales,Wear performance of TiC as reinforcement of a magnesium alloy matrix composite, Composites: Part B.Vol. 42, pp. 275–279, 2011.

 [23]           S C. Lim, M F. Asddvard, Wear- mechanism maps, Acta Metallurgical, Eddvard Arnold: pp. 82-171, 1992.

 [24]           J. Hogee, R. Eadar,Material wear resistance quatification, AFS Transactions: pp. 59-63, 1994.

 [25]           S.W. Huang, M. Samandi, M. Brandt,Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC/Ni layers, Wear:Vol. 256, pp. 1095-1105, 2004.

 [26]           D G. Ahn,Hardfacing technologies for improvement of wear characteristics of hot working tools: AReview,International Journal of Precision Engineering and Manufacturing: Vol.14, pp. 1271-1283, 2013.

 [27]           J. Dutta Majumdar,Laser assisted composite surfacing of materials for improved wear resistance,Physics Procedia: Vol. 5, pp. 425-430, 2010.