استفاده از واکنش سنتز احتراقی ترکیب بین فلزی NiTi جهت اتصال فولاد به کاربید تنگستن

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 11، شماره 41، آذر 1399، صفحه 103-114   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

علیرضا کریمی¹؛ ماندانا عادلی^{* 2}؛ منصور سلطانیه³

¹دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی

²دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

³دانشگاه علم و صنعت ایران

تاریخ دریافت: 24 خرداد 1399،  تاریخ بازنگری: 19 دی 1399،  تاریخ پذیرش: 22 دی 1399 

چکیده

در این پژوهش امکان ایجاد اتصال فولاد – کاربید تنگستن با استفاده از روشی نوین بر پایه فرآیندهای سنتز احتراقی بررسی شده و مکانیزم اتصال مورد بحث قرار گرفته است. سامانه‌ای آزمایشگاهی با هدف گرمایش سریع نمونه و انجام واکنش سنتز تحت فشار و در اتمسفر محافظ طراحی و ساخته شد. بین قطعاتی استوانه‌ای شکل از فولاد و کاربید، لایه‌ای متشکل از مخلوط فشرده‌ پودرهای عنصری نیکل و تیتانیم به عنوان پودر واکنشگر و منبع تولید گرما در اتصال‌دهی مورد استفاده قرارگرفت. برای تهیه این لایه، پودر عناصر با توجه به نسبت مولی 1:1 Ni:Ti = توزین و مخلوط و به‌صورت قرص‌های خام به قطر mm 12 فشرده شدند. از یک کوره‌ی القایی جهت گرمایش سریع مخلوط پودری فشرده نیکل – تیتانیم و انجام واکنش گرمازای سنتز احتراقی و تولید ترکیب بین‌فلزی NiTi بین قطعات مورد اتصال استفاده شد. پس از اتصال، نمونه‌ها به منظورمطالعات ریزساختاری و بررسی کیفیت اتصال در فصول مشترک NiTi/کاربید و NiTi/فولاد از وسط برش زده شده و متالوگرافی شدند. به منظور مشخصه‌یابی نمونه‌ها از آنالیزXRD و SEM-EDSاستفاده شد. آنالیزهای انجام شده مؤید تشکیل NiTi به‌عنوان فاز اصلی در اثر انجام واکنش سنتز احتراقی در مخلوط پودری فشرده Ni+Ti بود. نتایج آنالیز عنصری نقطه‌ای، نفوذ عناصر تنگستن و کبالت در لایه‌ی اتصال NiTi و همچنین نفوذ متقابل تیتانیم و نیکل را اثبات کرد. بررسی نقشه‌ی توزیع عناصر در فصل مشترک‌های اتصال، تجمع عناصر نیکل و تنگستن در فصل مشترک کاربید/ NiTi و عناصر تیتانیم و آهن در فصل مشترک فولاد/ NiTi را به دلیل تشکیل پیوند در فصل مشترک‌ها در نتیجه-ی دمای بالای فرآیند تأیید کرد. نتایج نشان داد که با استفاده از واکنش‌های سنتز احتراقی و ذوب موضعی محصول NiTi تشکیل شده، امکان برقراری اتصالی با کیفیت مناسب بین کاربید تنگستن و فولاد با استفاده از لایه واسط NiTi به دلیل نفوذ عناصر و تشکیل پیوند در فصل مشترک‌های اتصال و ایجاد چسبندگی میان اجزای اتصال وجود دارد.

کلیدواژه‌ها

اتصال فولاد – کاربید تنگستن، سنتز احتراقی،؛ واکنش گرمازا، ترکیب بین فلزی NiTi

عنوان مقاله [English]

The application of combustion synthesis reactions in Ni-Ti system in the joining of steel to tungsten carbide

نویسندگان [English]

Alireza Karimi¹؛ Mandana Adeli²؛ Mansour Soltanieh³

¹School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology

²School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.

³Iran University of Science and Technology

چکیده [English]

In this study, the possibility of establishing steel/tungsten carbide joints via a novel method based on combustion synthesis process was studied. An experimental setup was designed for rapid heating and ignition of a cylindrical sample composed of compressed, exothermic mixture of Ni and Ti powders. The sample was placed as the bonding intermediate between steel-WC parts. The combustion reaction resulted in the formation of NiTi intermetallic compound, which was melted down and attached to both steel and WC parts. To prepare the green samples, Ni and Ti powders were weighed out to a molar ratio of Ni:Ti=1:1, and cold-pressed. The heating and ignition of the samples were carried out using inductive heating. After the joining was accomplished, the samples were cut in halves and characterized using XRD and SEM-EDS techniques. The analyses showed the formation of NiTi as the main phase as the product of synthesis. The elemental composition profile across the interfacial regions proved the diffusion of tungsten and cobalt elements in NiTi bonding layer and interdiffusion of titanium and nickel. Examination of X-ray maps within the joint confirmed the accumulation of nickel and tungsten in the carbide/NiTi joint and titanium and iron elements in the steel/NiTi joint due to high process temperature, accelerated diffusion, and bond formation at the joint. The results showed that by using the combustion synthesis reactions for the formation of NiTi compound, it is possible to establish acceptable joints between tungsten carbide and steel via an intermediate layer of NiTi.

کلیدواژه‌ها [English]

Steel-tungsten carbide joints, Combustion synthesis, Exothermic reaction, NiTi intermetallic compound

مراجع

نتیجهیآنالیزEDSخطیازفصلمشترکفولاد /NiTiدر قسمت (د) از شکل 1References:[1] A. S. Mukasyan, J. D. E. White, “Combustion Joining of Refractory Materials” Int. J. Self. Propag. High Temp. Synth. 2007, 16(3), 154–168.]4[م ،بدرلو ،س. ع. طیبی فرد، م. ذاکری، سنتزنانوکامپوزیت(MoSi2-20%TiC )بهروشسنتزاحتراقیخودگسترفعالشدهمکانیکی(MASHS) ،مواد نوین ،دوره7، شماره45،پاییز 9315 ص ،86-79.]3[آ، کریمی، ح. بهاروندی، ح. عبدیزاده، بررسیتأثیرمقدارومنبعکربنبرسنتزنانوساختارTi2AlCبهروشسنتزخوداحتراقیدمابالا، مواد نوین، دوره8 ،شماره41، پاییز 9316 ص ،68-57.[4] H. Kalantari, M. Adeli, M. R. Aboutalebi, “Investigation of the Effect of Foaming Agent on the Fabrication of NiTi Foams Using the Self-Propagating, High-Temperature Synthesis Process”, Met. Mater. Trans. B. 2019, 50, 2566–2573.[5] I. Voiculescu1, V. Geanta, H. Binchiciu, D. Iovanas, R Stefanoiu, “Dissimilar Brazed Joints betweenSteel NiTiFeSteelNiTi

992استفاده از واکنشسنتزاحتراقی ترکیب بینفلزی NiTiجهت اتصالفولادبه کاربیدتنگستنand Tungsten Carbide”, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 209 (2017) 1-7. [6] A. Elrefaey, A. Monem, W. Tillmann. “Microstructure and Mechanical Properties of Brazed Titanium/Steel Joints” J.Materials Sci. 2007, 42(23), 9553-9558.[7] V. A. Shcherbakov, “SHS Welding of Hard Alloy and Steel”, Key Eng. Mater. 2002, 217, 215-218.[8] N. Farjam, M. Nematollahi, M. Taheri-Andani, M. J. Mahtabi, M. Elahinia, “Effects of Size and Geometry on the Thermomechanical Properties of Additively Manufactured NiTi Shape Memory Alloy”, Int. J. Adv. Manuf. Tech. 2020, 107, 3145–3154.[9] H. C. Yi, J. J. Moore, “Combustion Synthesis of TiNi Intermetallic Compounds, Part III Microstructural Characterization”,J. Mater. Sci. 1992, 27, 5067-5072.[10] E. Dong, W.Yu, Q. Cai, L. Cheng, Z. Ning, J. Shi, “High-Temperature Deformation Behavior of TiNi-Nb Hypoeutectic Alloy”, Mater. Sci. Eng. A. 2019, 764, 138228.[11] C. Velmurugan, V. Senthilkumar, P. S. Kamala, “Microstructure and Corrosion Behavior of NiTi Shape Memory Alloys Sintered in the SPS Process”, Int. J. Min. Met. Mater., 2019, 26, 1311-1321.[12] K. Morsi, “The Diversity of Combustion Synthesis Processing: A Review”, J. Mater. Sci., 2012, 47, 68-92.[13] B. Ma, X. Wang, C. Chen, D. Zhou, P. Xu, X. Zhao, “Dissimilar Welding and Joining of Cemented Carbides”, Metals 2019, 9, 1-21