علوم و فناوری کامپوزیت

تاثیر افزودن پودر آلومیناید آهن نانو ساختار بر خواص مکانیکی کامپوزیت کاربید تنگستن تولید شده به روش سینترینگ پلاسمای جرقه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری تخصصی، مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان، اصفهان، ایران

2 کارشناسی ارشد، مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، شاهین شهر، اصفهان

3 استادیار، مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران

4 استادیار، مهندسی مواد، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

10.22068/jstc.2018.89074.1455

چکیده

در این تحقیق از پودر آلومیناید آهن سنتز شده به روش آلیاژسازی مکانیکی و عملیات آنیل برای تولید کامپوزیت کاربید تنگستن- آلومیناید آهن استفاده شد. مخلوط پودرهای کاربید تنگستن و آلومیناید آهن با ترکیب WC-25vol% FeAl به روش سینترینگ پلاسمای جرقه‌ای در دمای ℃ 1150 سنتز شد. سختی، تافنس شکست و رفتار سایشی نمونه تولیدی مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج آن با نمونه کاربید تنگستن- کبالت تجاری مقایسه شد. بررسی ساختاری از مخلوط پودری نشان داد که ذرات آلومیناید آهن و ذرات کاربید تنگستن به صورت کاملاً همگن در همدیگر پخش شده‌اند که دلیل آن وجود ذرات آلومیناید آهن با اندازه ذره در محدوده 50 تا 800 نانومتر بوده است. در شرایط سینترینگ، وجود ذرات فاز زمینه آلومیناید آهن با اندازه نانو توانایی نفوذ سریع بین ذرات کاربیدی و همچنین پر کردن فضاهای خالی بین ذرات بزرگتر را داشته و منجر به تشکیل ساختار کاملاً همگن با چگالی تقریباً برابر با چگالی تئوری شده است. سختی و تافنس شکست نمونه کاربید تنگستن- آلومیناید آهن تولیدی به‌ترتیب برابر با GPa 17.90 و MPa√m 9.1 به‌دست آمده است که نسبت به نمونه کاربید تنگستن- کبالت دارای سختی بالاتر (GPa 15.70) و تافنس شکست به‌میزان جزئی پایین‌تر است. نتایج آزمون سایش نشان داد که با افزایش دمای آزمون از دمای اتاق به ℃500، نرخ سایش ویژه برای هر دو نمونه افزایش یافته است. همچنین نمونه کاربید تنگستن- آلومیناید آهن نسبت به نمونه کاربید تنگستن- کبالت در دو شرایط دمای اتاق و دمای ℃ 500 مقاومت به سایش بالاتری از خود نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Influence of nanostructured FeAl powder addition on mechanical properties of WC composites produced by Spark plasma sintering technique

نویسندگان [English]

  • morteza hadi 1
  • hadi karimi 2
  • omid bayat 3
  • iman ebrahimzadeh 4

1 Department of Material Engineering, Golpayegan University, Isfahan,Iran

2 Department of Material Engineering, Malek ashtar university of technology, Shahinshahr, Iran.

3 Department of Metallurgy and Materials Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran

4 Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran

چکیده [English]

In this study, a FeAl powder synthesized by mechanical alloying and annealing process was used as a binder to produce WC-FeAl composite. The powders of WC and FeAl were blended with composition of WC-25 vol% FeAl and sintered by spark plasma sintering at 1150℃. The hardness, fracture toughness and wear behavior of sintered WC-FeAl sample was investigated and compared with a commercial WC-Co. Structural evaluation of mixed powder was showed a homogeneous distribution of WC and FeAl which related to particle size of FeAl to be in the range of 50-800 nm. FeAl nanoparticles were able to diffuse faster between WC particles and occupy interparticle spaces among larger particles in the sintering condition; thus resulted to formation of an almost homogeneous structure with densification to near theoretical density. The hardness and fracture toughness of WC-FeAl was 17.90 GPa and 9.1 MPa√m, respectively that this hardness was higher than that of WC-Co (15.7 GPa) and fracture toughness was lower slightly. The results for wear test showed that the specific wear rate of both samples was enhanced with increasing the test temperature from room temperature to 500℃. Furthermore, WC-FeAl showed higher wear resistance than WC-Co at both room and 500℃ temperatures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tungsten carbide
  • Sintering
  • Mechanical properties
  • Wear
مراجع
[1] Mahmoodan, M. Aliakbarzadeh, H. and Gholamipour, R., “Investigation of Mechanical Properties and Microstructure of WC-10%Wtco Containing Tac Grain Growth Inhibitor” In Persian, Journal of Advanced Materials and Technologies, Vol. 1, No. 4, pp. 391-399, 2009.
[2] Erfanmanesh, M. Abdollah-Pour, H. Mohammadian-Semnani, H. and Shoja-Razavi, R., “Kinetics and oxidation behavior of laser clad WC-Co and Ni/WC-Co Coatings” Ceramics International, Vol. 44, No. 11, pp. 12805-12814, 2018.
[3] Karimi, H. Hadi, M. Ebrahimzadeh, I. Farhang, M. R. and Sadeghi, M., “High-temperature oxidation behaviour of WC-FeAl composite fabricated by spark plasma sintering, Ceramics International, In Press, 2018.
[4] Furushima, R. Katou, K. Nakao, S. Sun, Z. M. Shimojima, K. Hosokawa, H. and Matsumoto, A., “Relationship between hardness and fracture toughness inWC–FeAl composites fabricated by pulse current sintering technique” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 42, pp. 42-46, 2014.
[5] Furushima, R. Katou, K. Nakao, S. Zheng Sun, M. Shimojima, K. Hosokawa, H. and Matsumoto, A., “Effect of Oxygen Content in WC-FeAl Powders on Microstructure and Mechanical Properties of Sintered Composites Fabricated by Pulse Current Sintering Technique” Materials Transactions, Vol. 55, No. 12, pp. 1792-1799, 2014.
[6] Nakayama, H. Kobayashi, K. Ozaki, K. and Kikuchi, K. “Carbon-Dispersed WC-FeAl Hard Material Fabricated by Mechanical Milling and Subsequent Pulsed Current Sintering, Materials Transactions, Vol. 55, pp. 947-951, 2014.
[7] Ahmadian, M. Chandra, T. Wexler, D. and Calka, A., “The effect of boron on the grain size of the aluminides matrix in hot pressed WC composites” Powder Metallurgy Progress, Vol. 9, pp. 173-177, 2009.
[8] Mosbah, A.Y. Wexler, D. Calka, A., “Abrasive wear of WC–FeAl composites” Wear, Vol. 258, pp. 1337–1341, 2005.
[9] Ahmadian, M. Wexler, D. Chandra, T. and Calka, A., “Abrasive wear of WC–FeAl–B and WC–Ni3Al–B composites” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 23, pp. 155-159, 2005.
[10] Furushima, R. Katou, K. Shimojima, K. Hosokawa, H. and Matsumoto, A., “Control of WC grain sizes and mechanical properties in WC–FeAl composite fabricated from vacuum sintering technique” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 50, pp. 16-22, 2015.
[11] Furushima, R. Katou, K. Shimojima, K. Hosokawa, H. Mikami, M. and Matsumoto, A., “Effect of h-phase and FeAl composition on the mechanical properties of WCeFeAl composites” Intermetallics, Vol. 66, pp. 120-126, 2015.
[12] Haixia, S. Yunxin, W. Chuanan, T. Shuai, Y. Qianming, G. Ji, L., “Microstructure and Mechanical Properties of FeAl Intermetallics Prepared by Mechanical Alloying and Hot-Pressing” Tsinghua Science and Technology, V. 14, N. 3, pp. 300-306, 2009.
[13] Rajath hegde, M. M. and Surendranathan, A. O., “Synthesis, characterization and annealing of mechanically alloyed nanostructured FeAl powder” Frontiers of Materials Science in China, Vol. 4, No. 1, pp. 310-318, 2009.
[14] Rena, X. Peng, Z. Wanga, C. and Miao, H., “Influence of nano-sized La2O3 addition on the sintering behavior and mechanical properties of WC-La2O3 composites, Ceramics International, Vol. 41, No. 10, pp. 14811-14818, 2015.
[15] Fabijanic, T. A. Alar, Z. and Coric, D., “Influence of consolidation process and sintering temperature on microstructure and mechanical properties of near nano- and nano-structured WC-Co cemented carbides” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 54, pp. 82-89, 2015.
[16] Raihanuzzaman, R. M. Han, S. Ghomashchi, R. Kim, H. and Hong, S., “Conventional sintering of WC with nano-sized Co binder: Characterization and mechanical behavior” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 53, pp. 2-6, 2015.
[17] Nikzad, L. Ebadzadeh, T. Vaezi, M. R. and Tayebifard, A., “The Synthesis mechanism of B4C-TiB2 composite with spark plasma sintering” In Persian, Journal of Advanced Materials and Technologies, Vol. 3, No. 2, pp. 51-61, 2014.
 
[18] Hosford, W. F., “Mechanical Behavior of Materials” Cambridge University Press, New York, pp. 193-194, 2005.
[19] Sun, J. Zhao, J. Li, Z. Ni, X. Zhou, Y. and Li, A., “Effects of initial particle size distribution and sintering parameters on microstructure and mechanical properties of functionally graded WC-TiC-VC-Cr3C2-Co hard alloys” Ceramics International, Vol. 43, pp. 2686-2696, 2017.
[20] Ahmadifard, S. Roknian, M. Khodaee, F. and Heidarpour, A., “Fabrication and investigation of microstructutr and mechanical properties of A356-TiO2-Gr surface hybrid nanocomposite by friction stir processing” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 5, No. 1, pp. 61-68, 2018.
[21] Xua, B. Zhua, Z. Ma, S. Zhang, W. and Liu, W., “Sliding wear behavior of Fe–Al and Fe–Al/WC coatings prepared by high velocity arc spraying” Wear, Vol. 257, pp. 1089-1095, 2004.
[22] Bowden, F .P. and Tabor, D., “The Friction and Lubrication of Solids, Parts I and II” Oxford University Press, Oxford, 1954.
[23]  hodabakhshi, E. Kazemi, S. and Ahmadifard, S., “Investigation the mechanical and microstructural propreties of copper surface composite Cu/SiO2 fabricated by friction stir processing” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 4, No. 4, pp. 426-433, 2017.
[24] Mazaheri, H. fazel Najafabadi, M. and Alaei, A., “Study of microstructure and tribological behavior of the composite layer produced of silicon carbide particles on a steel ASTM A106 GTAW welding method, In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 2, No. 1, pp. 65-72, 2015.
[25] Archard, J. F., “Wear theory and mechanisms” Wear Control Handbook, ASME, New York, pp. 35-80, 1980.
 
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 6، شماره 2
شهریور 1398
صفحه 225-233
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار