ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ..σελ 5

Transcript

1 Εισαγωγή Η φθορά αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα στην διαμόρφωση του κόστους μιας εφαρμογής δεδομένου ότι σχετίζεται με την διατήρηση και την αντικατάσταση των εξαρτημάτων καθώς επίσης και με τον νεκρό χρόνο που προκύπτει από μια ενδεχόμενη αστοχία. Η σκλήρυνση της επιφάνειας ενός εξαρτήματος αποτελεί μια επιλογή για την καταπολέμηση της φθοράς. Πέρα από τις μεθόδους εναπόθεσης επιστρωμάτων με CVD, PVD κτλ υπάρχουν μέθοδοι που σαν κύριο χαρακτηριστικό περιλαμβάνουν την διάχυση στη στερεά κατάσταση. Τυπικά παραδείγματα αποτελούν η ενανθράκωση και η βορίωση που οδηγούν σε επικαλύψεις μεγαλύτερου πάχους σε σχέση με τις προαναφερθείσες. Επιφάνειες που έχουν υποστεί βορίωση διέπονται από υψηλή σκληρότητα η οποία είναι επιθυμητή κάτω από συνθήκες που προκαλούν φθορά. Επίσης εμφανίζουν υψηλή αντίσταση στην μαλάκυνση υψηλών θερμοκρασιών και διατηρούν ακριβής διαστάσεις κάτω από έντονες θερμοκρασιακές μεταβολές. Για τους παραπάνω λόγους η βορίωση αποτελεί μια ιδιαίτερα ελκυστική λύση για την αντιμετώπιση της φθοράς. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να εξεταστεί η επίδραση της επαναφοράς και της βορίωσης στον ρυθμό φθοράς 4 εργαλειοχαλύβων που παραδόθηκαν στο εργαστήριο Μεταλλογνωσίας σε ανοπτημένη κατάσταση. Η φθορά επιτυγχάνεται κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης με στερεά σωματίδια. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι εργαλειοχάλυβες QRO 90, Orvar, Sleipner και Vanadis. Η εργασία περιλαμβάνει ένα θεωρητικό μέρος στο οποίο αναλύονται οι τυπικές μικροδομές των εργαλειοχαλύβων μετά από ανόπτηση και μετά από βαφή και επαναφορά. Επίσης περιλαμβάνει το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για την θερμοχημική κατεργασία της βορίωσης και την μηχανική διάβρωση με στερεά σωματίδια. Ακολουθεί το πειραματικό μέρος στο οποίο αναφέρονται βασικές πληροφορίες για τα υλικά, τις θερμικές και θερμοχημικές κατεργασίες τους, την πειραματική διάταξη και τις συνθήκες μηχανικής διάβρωσης. Επίσης περιγράφεται ο τρόπος διεξαγωγής του μεταλλογραφικού ελέγχου και των σκληρομετρήσεων. Στην συνέχεια ακολουθεί η ενότητα των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από την μηχανική διάβρωση, τον μεταλλογραφικό έλεγχο και την σκληρομέτρηση των δοκιμίων. Τέλος αξιολογώντας τα αποτελέσματα προκύπτουν τα συμπεράσματα που παρατίθενται στην ενότητα των συμπερασμάτων. Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Δημήτριο Τσιπά για την ανάθεση της παρούσας διπλωματικής εργασίας καθώς και για την καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές του καθ όλη τη διάρκεια της. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Νικόλαο Μιχαηλίδη, τον Καθηγητή κ Στέφανο Σκολιανό αλλά και όλο το εργαστηριακό προσωπικό που με τη βοήθειά τους επετεύχθη η ολοκλήρωση αυτής της εργασίας. Τέλος θερμές ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω στον υποψήφιο διδάκτορα κ. Κωνσταντίνο Λέντζαρη η συμβολή του οποίου τόσο στο πειραματικό μέρος όσο και στο θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας ήταν καθοριστική. 1

2 Περιεχόμενα ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ..σελ 5 1 Mικροδομές σε χάλυβες εργαλείων 1.1) Μικροδομές εργαλειοχαλυβων που διαμορφώνονται εν θερμώ...σελ 6 1.2) Μικροδομές ανόπτησης.σελ.7 1.3) Καρβίδια σε χάλυβες εργαλείων.σελ 9 1.4) Δευτερογενής σκλήρωση σελ ) Μικροδομές μετά από θερμική κατεργασία..σελ 12 2 Βορίωση 2.1) Διμερές σύστημα σιδήρου βορίου Fe-B.σελ ) Αντίσταση στην φθορά και σκληρότητα...σελ ) Συνάφεια και δυσθραυστότητα.σελ ) Θερμική διαστολή..σελ ) Τραχύτητα..σελ ) Οικονομικές πτυχές της βορίωσης σελ ) Τύποι επικαλύψεων βορίου.σελ ) Διαδικασία βορίωσης με στερεές ενώσεις..σελ ) Επίδραση των κραματικών στοιχείων σελ ) Βορίωση σε χάλυβες σελ ) Τεχνική pack cementation.σελ 31 3 Φθορά λόγω στερεών σωματιδίων (SPE) 3.1) Μηχανική διάβρωση.σελ ) Μηχανική διάβρωση μετάλλων.σελ ) Μηχανισμός μηχανικής διάβρωσης σε μεταλλικά υλικά.σελ ) Παράμετροι που επηρεάζουν την μηχανική διάβρωση σελ ) Μηχανική διάβρωση χάλυβα...σελ 41 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ..σελ 44 1 Πειραματικά υλικά 2

3 1.1) Εργαλειοχάλυβας QRO 90 σελ ) Εργαλειοχάλυβας Orvar...σελ ) Εργαλειοχάλυβας Sleipner...σελ ) Εργαλειοχάλυβας Vanadis...σελ 46 2 Διαστάσεις δοκιμίων 3 Θερμικές και θερμοχημικές κατεργασίες 3.1) Εργαλειοχάλυβας QRO 90...σελ 48 4 Πείραμα μηχανικής διάβρωσης 4.1) Πειραματική διάταξη μηχανικής διάβρωσης...σελ )Σύστημα παροχής σωματιδίων σελ )Σύστημα αναρρόφησης και εκτόξευσης στερεών σωματιδίων..σελ ) Παράμετροι μηχανικής διάβρωσης..σελ )Στερεά σωματίδια...σελ )Παροχή στερεών σωματιδίων.σελ )Παροχή αέρα σελ ) Ταχύτητα και πυκνότητα ροής στερεών σωματιδίων..σελ ) Πειραματική διαδικασία μηχανικής διάβρωσης σελ 61 5 Μεταλλογραφικός έλεγχος 6 Σκληρομέτρηση 6.1) Σκληρομέτρηση κατά Rockwell.σελ ) Kλίμακες σκληρότητας κατά Rockwell.σελ ) Mικροσκληρότητα..σελ 66 ΕΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ.σελ 67 1 Αποτελέσματα σκληρομέτρησης και μικροσκληρομέτρησης 2 Αποτελέσματα μεταλλογραφικού ελέγχου 3 Αποτελέσματα μηχανικής διάβρωσης ΕΝΟΤΗΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ ΣΥΖΗΤΗΣΗ.σελ 86 Συμπεράσματα - Συζήτηση 3

4 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ σελ 89 4

5 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 5

6 1)Μικροδομές σε χάλυβες εργαλείων. (tool steel)[1] Μια μεγάλη ποικιλία μικροδομών παρατηρείται στους χάλυβες εργαλείων λόγω των διαφορών που μπορούν να εμφανίζουν ως προς την χημική τους σύσταση και την θερμική κατεργασία που έχουν υποστεί. 1.1)Μικροδομές εργαλειοχαλυβων που διαμορφώνονται εν θερμώ[1]: Oι κατεργασίες διαμόρφωσης εν θερμώ μπορούν να επηρεάσουν σε σημαντικό βαθμό την μορφολογία και την διασπορά των καρβιδίων στις παραγόμενες μικροδομές που δε εξαλείφεται ακόμα και αν ακολουθεί ανόπτηση σφαιροποίησης. Γενικά ο ρυθμός ψύξης μετά την εν θερμώ διαμόρφωση του χάλυβα πρέπει να ελέγχεται έτσι ώστε να προκύπτει μια ομοιόμορφη διασπορά του άνθρακα η οποία με την σειρά της (σε επόμενο στάδιο) να ευνοεί την ομοιόμορφη διασπορά των καρβιδίων στην ανοπτημένη κατάσταση. Σχήμα 1.1: Αρχική μικροδομή ΑISI S4 μετά από θερμή έλαση, αποτελείται από φερρίτη (λευκές περιοχές) και περλίτη. Η παραγόμενη μικροδομή μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι χημικά ανομοιογενής αφού ο σχηματιζόμενος περλίτης είναι χοντρόκοκκος και αποτελείται από πολύ παχιά πλακίδια φερρίτη και σεμεντίτη που συγκεντρώνουν τον άνθρακα σε μεμονομένες περιοχές. Συνήθως ακολουθεί ανόπτηση εξομάλυνσης όπου το κράμα θερμαίνεται στη ωστενιτική περιοχή προς χημική ομογενοποίηση του και ακολουθεί απόψυξη που θα οδηγήσει σε πιο λεπτομερή προϊόντα άρα και σε πιο ομοιόμορφη διασπορά του άνθρακα συγκριτικά με αυτήν που προκύπτει απευθείας μετά την θερμή έλαση. (βλ μικροδομές ανόπτησης). 4% Picral 500X. [1] 6

7 1.2)Μικροδομές ανόπτησης [1]: Επειδή οι περισσότεροι εργαλειοχάλυβες έχουν σχετικά μεγάλη σκληρότητα ακόμα και σε ανοπτημένη κατάσταση είναι συνήθως απαραίτητος ο έλεγχος της μορφολογίας τον καρβιδίων κατά την διάρκεια της ανόπτησης έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η μηχανουργική κατεργασημότητα και η διαμορφωσημότητα του υλικού. Για τους περισσότερους εργαλειοχάλυβες ένα σφαιρικό σχήμα των καρβιδίων είναι η συνήθως επιθυμητή μορφολογία παρόλο που σε μερικούς ελαφρά κραματωμένους εργαλειοχάλυβες παρατηρείται η βελτίωση σε ορισμένες μηχανουργικές κατεργασίες όταν στην μικροδομή σχηματίζεται περλίτης (καρβίδιο υπό την μορφή πλακιδίου). Γενικά η σκληρότητα μειώνεται όσο αυξάνεται ο βαθμός σφαιροποίησης. Μετά την σφαιροποίηση παρατηρούνται φαινόμενα σύμφυσης όπου οδηγούν σε αύξηση του μεγέθους τον καρβιδίων με αποτέλεσμα την μείωση τους ανά μονάδα όγκου του υλικού. Σαν αποτέλεσμα η απόσταση μεταξύ των καρβιδίων αυξάνει και η σκληρότητα του υλικού μειώνεται περαιτέρω. Από την άλλη πλευρά εάν τα καρβίδια είναι ευμεγέθη τότε κατά την ωστενιτοποίηση διαλύονται πιο δύσκολα. Επιπλέον μερικοί εργαλειοχάλυβες χρειάζονται την παρουσία ενός λεπτού δικτύου καρβιδίων κατά την ωστενιτοποίηση ώστε να αποφευχθεί η μεγέθυνση των κρυστάλλων. Η ανόπτηση σφαιροποίησης (spheroidization annealing) είναι μια θερμική κατεργασία η οποία αυξάνει την διαμορφωσημότητα και την μηχανουργική κατεργασημότητα. Όσο πιο ομοιόμορφη είναι η αρχική μικροδομή (μικροδομή μετά την διαμόρφωση του εν θερμώ) τόσο πιο ομοιόμορφη είναι και η σφαιροποίηση που επέρχεται κατά την ανόπτηση του με αποτέλεσμα μικρότερες τιμές σκληρότητας. Στο σχήμα 1.2 φαίνεται η επίδραση της αρχικής μικροδομής στην σφαιροποίηση του εργαλειοχάλυβα W1. Η μικροδομή (α) του χάλυβα W1 προκύπτει μετά την θερμή έλαση και αποτελείται από τραχύ και χοντρόκοκκο περλίτη (coarse pearlite).εάν η ίδια μικροδομή υποβληθεί σε εξομάλυνση (normalisation) τότε ο περλίτης που σχηματίζεται είναι πολύ πιο λεπτομερής (fine perlite) όπως φαίνεται στην μικροδομή (γ). Η εξομάλυνση της μικροδομής ευνοεί την χημική ομογενοποίηση του υλικού και την δημιουργία προϊόντων τα οποία είναι πιο λεπτομερή διότι μέσω του μηχανισμού της πολλαπλής φύτρωσης στα όρια των κόκκων του ωστενίτη οι κρύσταλλοι πολλαπλασιάζονται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η σκληρότητα του υλικού μετά από την εξομάλυνση ανόπτηση σφαιροποίησης (μικροδομή δ) να είναι μικρότερη από αυτήν που προκύπτει μόνο από την ανόπτηση της αρχικής μικροδομή (μικροδομή β) διότι τα σχηματιζόμενα καρβίδια είναι μεγαλύτερα και πιο ομοιόμορφα διεσπαρμένα στην μήτρα.. Σχήμα 1.2: Μικροδομές ΑISI W1 (1.05%C). Eπίδραση της αρχικής μικροδομής στην σφαιροποίηση. α) Μετά την θερμή έλαση σχηματίζεται τραχύς (coarse) και 7

8 λεπτομερής (fine) περλίτη. b) Μετά από σφαιροποίηση της μικροδομής (α), θέρμανση στους 76O o C, ρυθμός ψύξης 11 ο C/h μέχρι τους 595 ο C και μετά ψύξη στον αέρα. γ)ωστενιτοποίηση στους 870 ο C και βαφή σε λάδι της μικροδομής (α) για τον σχηματισμό λεπτομερή περλίτη. δ)ωστενιτοποίηση όπως στο (γ) ανόπτηση όπως το (β).παρατηρείτε η ομοιομορφία όσον αφορά την σφαιρικότητα των καρβιδίων στην μικροδομή (δ) συγκριτικά με την μικροδομή (β). 4% picral. 500.[1] Σχήμα 1.3: Μικροδομή AISI W4 σε κατάσταση πλήρους ανόπτησης (full anneled) 170ΗΒ. Αποτελείται από φερριτική μήτρα και καρβίδιο του σεμεντίτη σε σφαιρική μορφή.4%picral 1000X. [1] Σχήμα 1.4: Μικροδομή AISI Α4 σε ανοπτημένη κατάσταση (θέρμανση στους 90O o C για 1h και ρυθμός ψύξης 28 ο C/h. Παρατηρούνται ευμεγέθη κραματομένα καρβίδια και μικρά σφαιρικά καρβίδια σε φερριτική μήτρα. 4%Νital.1000X. [1] 8

9 Σχήμα 1.5: Μικροδομή χάλυβα ΑISI H23 μετά από ωστενιτοποίηση στους 870 ο C για 2h και ρυθμό ψύξης 28 o C/h μέχρι τους 540 ο C και μετά ψύξη στον αέρα. H μικροδομή αποτελείται από φερριτική μήτρα μέσα στην οποία υπάρχουν διασκορπισμένα μικρά σφαιροειδή και μεγάλα-πλακοειδή κραματωμένα καρβίδια. 98HRB. Kalling's. 500.[1] 1.3)Καρβίδια σε χάλυβες εργαλείων[1],[4]: Το ποσοστό αλλά και ο τύπος των καρβιδίων που υπάρχουν σε μια μικροδομή εξαρτάται άμεσα από την περιεκτικότητα σε άνθρακα και σε κραματικά στοιχεία (χρώμιο, μολυβδαίνιο, βανάδιο και βολφράμιο κλπ) στο υλικό. Ο σεμεντίτης είναι παρόν σε όλους τους κοινούς ανθρακοχάλυβες αλλά και στους ελαφρά κραματομένους. Περισσότερο σύνθετα καρβίδια σχηματίζονται όταν ο χάλυβας είναι ισχυρά κραματομένος. Η σκληρότητα των καρβιδίων εξαρτάται από την σύσταση του και μπορεί να κυμαίνεται από 800ΗV για το καρβίδιο του σεμεντίτη Fe 3 C μέχρι τα 1400HV όταν άλλα κραματικά στοιχεία όπως το χρώμιο αντικαθιστούν τον σίδηρο στην κρυσταλλική δομή του σεμεντίτη. Ο σεμεντίτης (Μ 3 C) είναι ένα καρβίδιο του σιδήρου με ορθορομβική κρυσταλλική δομή και στην ανοπτημένη κατάσταση των εργαλειοχαλύβων θα περιέχει μικρά ποσοστά σε μολυβδαίνιο, βανάδιο, και σχετικά χαμηλό ποσοστό σε χρώμιο σε αντίθεση με το μαγγάνιο που μπορεί να βρίσκεται σε υψηλά ποσοστά.. To καρβίδιο του σεμεντίτη είναι παρόν σε όλους τους χάλυβες εργαλείων με υψηλό ποσοστό σε άνθρακα και στους κραματομένους χάλυβες εργαλείων μετά από βαφή και επαναφορά σε θερμοκρασίες μικρότερες των 540 ο C. Σε αρκετές περιπτώσεις όταν η αναλογία των κραματικών στοιχείων μέσα στο κράμα είναι αρκετά μεγάλη και με την προϋπόθεση ότι η επαναφορά είναι παρατεταμένη τα κραματικά στοιχεία σχηματίζουν δικά τους καρβίδια με μέση η μικρή περιεκτικότητα σε σίδηρό όπως τα καρβίδια του Cr. Το καρβίδιο με χημικό τύπο M 7 C 3 είναι ένα καρβίδιο πλούσιο σε Cr με εξαγωνική κρυσταλλική δομή το οποίο παρατηρείται σε χάλυβες με μέτριο προς μεγάλο ποσοστό χρωμίου. Κατά την ωστενιτοποίηση του χάλυβα το συγκεκριμένο καρβίδιο διαλύεται πάρα πολύ αργά. Το καρβίδιο αυτό είναι 9

10 παρόν σε όλους του χάλυβες εργαλείων AISI D-type και στους ταχυχάλυβες σε ανοπτημένη κατάσταση και μετά από επαναφορά σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης το καρβίδιο με χημικό τύπο Μ 23 C 6 είναι ένα καρβίδιο πλούσιο σε Cr με εδροκεντρωμένη κυβική δομή FCC στο οποίο εμφανίζει μεγάλη διαλυτότητα ο σίδηρος. Παρατηρείτε σε ανοξείδωτους χάλυβες όπως ο AISI 420 και σε ταχυχάλυβες σε ανοπτημένη κατάσταση. Σχήμα 1.6: Ισοθερμοκρασιακή διάσπαση στους 870 ο C για το σύστημα Fe-C-Cr. Στο διάγραμμα παρατίθενται οι εργαλειοχάλυβες AISI H13, A2, D2 και 420. [1] Το καρβίδιο με χημικό τύπο M 6 C είναι ένα καρβίδιο πλούσιο σε μολυβδαίνιο ή σε βολφράμιο με εδροκεντρωμένη κυβική δομή όπως τα Fe4Mo2C και Fe3Mo3C. Η παρουσία του χρωμίου και του βαναδίου στην κρυσταλλική δομή του Μ 6 C είναι πιθανή. Παρατηρείτε στους ταχυχάλυβες και διαλύεται πολύ αργά κατά την ωστενιτοποίηση. Το καρβίδιο Μ 2 C είναι ένα καρβίδιο πλούσιο σε μολυβδαίνιο ή σε βολφράμιο με εξαγωνική δομή. Δεν παρατηρείται συχνά στους χάλυβες εργαλείων εκτός από μερικές περιπτώσεις σε ανοπτημένη κατάσταση. Το καρβίδιο MC είναι συνήθως ένα καρβίδιο πλούσιο σε βανάδιο με εδροκεντρωμένη κυβική δομή. Άλλα κραματικά στοιχεία που σχηματίζουν τέτοιου τύπου καρβίδιο είναι το τιτάνιο το νιόβιο κ.α τα οποία όμως δεν παρατηρούνται σε χάλυβες εργαλείων. Το καρβίδιο MC παρατηρείται σε χάλυβες με υψηλό ποσοστού βαναδίου και ιδιαίτερα στους ταχυχάλυβες. Είναι το σκληρότερο καρβίδιο και δε διαλύεται κατά την ωστενιτοποίηση. Το ποσοστό των καρβιδίων στην ανοπτημένη κατάσταση είναι μεγαλύτερο από αυτό που προκύπτει κατά την ωστενιτοποίηση βαφή διότι τα καρβίδια διοχετεύουν τον άνθρακα στον ωστενίτη κατά την διάρκεια τη ωστενιτοποίησης. 1.4)Δευτερογενής σκλήρωση (secondary hardening) [4]: Η δευτερογενής σκλήρωση αποτελεί το 4 ο στάδιο της επαναφοράς και δεν παρατηρείται στους κοινούς ανθρακούχους χάλυβες αλλά μόνο στους κραματωμένους για θερμοκρασίες από τους 450 o C 650 o C. Στην διάρκεια αυτού του 10

11 σταδίου τα κραματικά στοιχεία που έχουν μεγαλύτερη συγγένεια με τον άνθρακα από ότι ο σίδηρος (Cr,Mo,V) διαχέονται και αντικαθιστούν τον σίδηρο μέσα στο πλέγμα του σεμεντίτη σχηματίζοντας ένα κραματωμένο σεμεντίτη. (Fe,Mn,Cr) 3 C. Σε αρκετές περιπτώσεις όταν η αναλογία των κραματικών στοιχείων μέσα στο κράμα είναι μεγάλη και με την προϋπόθεση ότι η επαναφορά είναι αρκετά παρατεταμένη σχηματίζουν δικά τους καρβίδια με μέση ή μικρή περιεκτικότητα σε σίδηρο, όπως τα καρβίδια του χρωμίου (Fe,Cr) 7 C 3 (Fe,Cr) 23 C 6 ή και με ασήμαντη περιεκτικότητα όπως τα καρβίδια VC, W 2 C και Mo 2 C. Τα φαινόμενο αυτό συνοδεύεται από έντονη αύξηση της σκληρότητας και ονομάζεται δευτερογενής σκλήρωση δηλαδή μια δεύτερη σκλήρυνση μετά από την μαρτενσιτική βαφή που είναι η πρώτη. Στους κραματομένους χάλυβες ενώ η σκληρότητα μειώνεται μονότονα στην διάρκεια των προηγούμενων σταδίων, στο στάδιο της δευτερογενούς σκλήρωσης εμφανίζει ανάκαμψη η οποία εκδηλώνεται πολλές φορές ως σχετικό μέγιστο στην καμπύλη σκληρότητας θερμοκρασία επαναφοράς. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι ο χάλυβας εμφανίζει δευτερογενή σκλήρυνση η αντίσταση στην επαναφορά. Οι ισχυρά κραματωμένοι χάλυβες, χάλυβες εργαλείων, χάλυβες που προορίζονται να λειτουργήσουν σε υψηλές θερμοκρασίες και άλλοι περιέχουν σε μεγάλη αναλογία καρβιδιογόνα στοιχεία που σχηματίζουν συνήθως τρεις τύπους καρβιδίων: Μ 6 C, M 23 C 6, MC. Τα διάφορα καρβιδιογόνα στοιχεία έχουν το καθένα ιδιαίτερη επίδραση στην δευτερογενή σκλήρωση. Το Μο είναι πιο αποτελεσματικό από το Cr διότι εξασφαλίζει μεγαλύτερες σκληρότητες και μετατοπίζει την δευτερογενή σκλήρωση σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Το βανάδιο είναι ακόμα καλύτερο. Η μετατόπιση της δευτερογενούς σκλήρωσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι πλεονεκτική επειδή το τεμάχιο μπορεί να διατηρήσει τις καλές μηχανικές του ιδιότητες σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η επίδραση των κραματικών στοιχείων δεν είναι αθροιστική αλλά ορισμένοι συνδυασμοί είναι ευνοϊκοί. Οι κραματομένοι χάλυβες που έχουν επαναφερθεί στην περιοχή της δευτερογενούς σκλήρωσης χρησιμοποιούνται όταν :α) Επιδιώκεται υψηλή αντοχή παράλληλα με καλή δυσθραυστότητα. β)το εξάρτημα προβλέπεται να λειτουργεί σε υψηλή θερμοκρασία (χαμηλότερη όμως από την θερμοκρασία στην οποία έγινε η δευτερογενής σκλήρωση). Σχήμα 1.7: Επίδραση του μολυβδαινίου Μο στην δευτερογενή σκλήρωση συναρτήσει της θερμοκρασίας επαναφοράς με παραμετρικό έλεγχο την περιεκτικότητα του Mo στο κράμα. [1] \ 11

12 1.5)Μικροδομές μετά από θερμική κατεργασία (heat treated microstructures)[1]: Η σύσταση που έχουν οι χάλυβες εργαλείων εκτείνεται από τους χάλυβες εργαλείων με υψηλό ποσοστό σε άνθρακα χωρίς καμία άλλη κραματική προσθήκη (carbon tool steel) μέχρι τους ταχυχάλυβες (high speed steel) οι οποίοι περιέχουν κραματικά στοιχεία μέχρι και 20% κατά βάρος. Κατά συνέπεια η δυνατότητα σκλήρυνσης του υλικού μπορεί να διαφέρει σημαντικά από υλικό σε υλικό. Οι περισσότεροι χάλυβες εργαλείων σκληραίνονται και επαναφέρονται ώστε να αποκτήσουν υψηλή αντοχή στην φθορά αποκτώντας σκληρότητες περίπου στα 58HRC. Η κατάλληλη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης προσδιορίζεται πειραματικά για κάθε υλικό. Συγκεκριμένα ένας αριθμός δοκιμίων θερμαίνεται σε διάφορες θερμοκρασίες ωστενιτοποίησης και στην συνέχεια ακολουθεί βαφή όπου τα δοκίμια αποψύχονται με συγκεκριμένους ρυθμούς απόψυξης προς επίτευξη συγκεκριμένων τιμών σκληρότητας. Ακολουθεί μεταλλογραφικός έλεγχος όπου μετριέται το μέγεθος των πρώην ωστενιτικών κρυστάλλων και η σκληρότητα του δοκιμίου. Η βέλτιστη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης αντιστοιχεί σε αυτήν που επιτυγχάνεται μέγιστη σκληρότητα και λεπτόκοκκη δομή. Η θερμοκρασία και ο χρόνος ωστενιτοποίησης καθορίζουν την κατάσταση του ωστενίτη που πρόκειται να υποστεί βαφή. Τα ουσιαστικά χαρακτηριστικά του ωστενίτη είναι ο βαθμός διάλυσης των καρβιδίων, το μέγεθος του κόκκου και ο βαθμός ομογενοποίησης του. Στους υποευτηκτοειδής χάλυβες η ωστενιτοποίηση γίνεται συνήθως σε θερμοκρασίες 50 o C 100 ο C πάνω από την Α c3 και για χρόνο άνω της ½ ώρα, συνθήκες που θεωρούνται γενικά επαρκείς για την πλήρη διάλυση των καρβιδίων. Ωστόσο μερικά καρβίδια όπως του W, V, Nb, Ti διαλυτοποιούνται μερικώς υπό αυτές τις συνθήκες, αφήνοντας μικρότερες ποσότητες άνθρακα διαθέσιμες μέσα στον ωστενίτη από την αρχική περιεκτικότητα του κράματος. Για την πλήρη διαλυτοποίηση αυτών των δύσκολων καρβιδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί υψηλότερη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης, πράγμα που οδηγεί συγχρόνως και σε αύξηση του μεγέθους των κόκκων του ωστενίτη εφόσον δεν υπάρχει ΑlN στα όρια των κόκκων. Ανάλογα ισχύουν και στην περίπτωση των υπερευτηκτοειδών χαλύβων, όπου η ωστενιτοποίηση είναι κατά κανόνα δυσκολότερη και μάλιστα τόσο δυσκολότερη όσο πιο ευμεγέθη είναι τα καρβίδια.. Η αύξηση του μεγέθους των κόκκων οδηγεί σε μετατόπιση των καμπυλών ΤΤΤ προς τα δεξιά, δηλαδή αυξάνει την εμβαπτότητα. Η παρουσία μίκρομάκροδιαφορισμού, χημικής ετερογένειας από πλαστική διαμόρφωση κλπ δεν εξαλείφεται εύκολά στην διάρκεια της ωστενιτοποίησης και μπορεί να οδηγήσει σε ετερογενή προϊόντα μετασχηματισμού πχ άλλα προϊόντα στην επιφάνεια του δοκιμίου και άλλα στο κέντρο του. Έτσι η ωστενιτοποίηση πρέπει να αντιδιαστέλλεται σαφώς προς την θερμική κατεργασία της εξομάλυνσης (normalizing) ή οποία γίνεται, εφόσον είναι απαραίτητη, σε υψηλότερες θερμοκρασίες της ωστενιτικής περιοχής και για μεγαλύτερους χρόνους. Ακολουθεί απόψυξη στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος και κατόπιν η κανονική ωστενιτοποίηση. Η επίδραση της θερμοκρασίας ωστενιτοποίησης στην μικροδομή των χαλύβων εργαλείων εξετάζεται λαμβάνοντας υπόψη την περιεκτικότητα σε άνθρακα και των τύπο των καρβιδίων που σχηματίζονται. Στο σχήμα 1.8 παρατίθεται μια σειρά από φωτογραφίες που αφορούν την μικροδομή του εργαλειοχάλυβα S7 ο οποίος περιέχει 0,5%C για διάφορες θερμοκρασίες ωστενιτοποίησης και βαφή στον αέρα. Η βέλτιστη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης αντιστοιχεί στους 940 ο C και το κράμα δείχνει ιδιαίτερα ευαίσθητο (στις επιπτώσεις που αναφέρθηκαν προηγουμένως) όταν η ωστενιτοποίηση γίνεται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες ή υψηλότερες από την βέλτιστη. 12

13 Σχήμα 1.8: Μικροδομή ΑISI S7 (0.5%C). Eπίδραση της θερμοκρασίας ωστενιτοποίησης στην μικροδομή. α) Ωστενιτοποίηση στους 915 ο C και βαφή στον αέρα. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο σε θερμοκρασία χαμηλότερη από την βέλτιστη. b) Ωστενιτοποίηση στους 925 ο C. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο σε θερμοκρασία ελαφρά χαμηλότερη από την βέλτιστη. c) Ωστενιτοποίηση στην βέλτιστη θερμοκρασία στους 940 ο C. d) Ωστενιτοποίηση στους 955 ο C. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο σε θερμοκρασία υψηλότερη από την βέλτιστη. Παρατηρείτε ότι τα καρβίδια δεν είναι πλέον ορατά. 4% picral [1] Στο σχήμα 1.9 παρατίθενται μια σειρά από φωτογραφίες που αφορούν την μικροδομή του εργαλειοχάλυβα Ο1 με 0,9%C που προκύπτει μετά από βαφή σε λάδι. Η βέλτιστη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης είναι στους 800 ο C. Στις παρακάτω φωτογραφίες φαίνεται η επίδραση που έχει η ωστενιτοποίηση στην μικροδομή που προκύπτει μετά από βαφή. Η παρατεταμένη ωστενιτοποίηση οδηγεί σε αυξημένη περιεκτικότητα σε άνθρακα στον ωστενίτη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η έναρξη όσο και η λήξη του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού να γίνεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες με αποτέλεσμα την παρουσία υπολειπόμενου ωστενίτη. Σχήμα 1.9: Μικροδομή ΑISI Ο1 (0.9%C). Eπίδραση της θερμοκρασίας ωστενιτοποίησης στην μικροδομή. α) Ωστενιτοποίηση στους 800 ο C για 1h, 65HRC, μέγεθος κόκκου 9,5. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο στην βέλτιστη θερμοκρασία. b) Ωστενιτοποίηση στους 870 ο C, 65ΗRC, μέγεθος κόκκου 9. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο σε θερμοκρασία υψηλότερη από την βέλτιστη. c) Ωστενιτοποίηση στους 980 ο C, 64HRC, μέγεθος κόκκου 7. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο σε θερμοκρασία υψηλότερη από την βέλτιστη με αποτέλεσμα να παρατηρείτε η πλήρης διαλυτοποίηση των καρβιδίων d) Ωστενιτοποίηση στους 1100 ο C, 64HRC, μέγεθος κόκκου 3. Το δοκίμιο είναι ωστενιτοποιημένο σε 13

14 θερμοκρασία πολύ υψηλότερη από την βέλτιστη με αποτέλεσμα να παρατηρείτε η παρουσία υπολειπόμενου ωστενίτη. 4% picral. 500.[1] Η επίδραση της ωστενιτοποίησης στην μικροδομή των εργαλειοχαλύβων με υψηλό ποσοστό σε άνθρακα ή υψηλής κραμάτωσης όπως ο χάλυβας D2 είναι ακόμα μεγαλύτερη. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η μικροδομή του χάλυβα D2 μετά από βαφή στον αέρα και ωστενιτοποίηση σε θερμοκρασίες από 1010 ο C 1230 o C. H βέλτιστη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης είναι Τ = 1010 ο C. Σημειώνεται οτι ο παραμένων ωστενίτης, που είναι παρόν ακόμα και στην μικροδομή που προκύπτει από την βέλτιστη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης, δεν είναι δυνατών να παρατηρηθεί με το οπτικό μικροσκόπιο μέχρι να σχηματιστεί μια ποσότητα μεγαλύτερη από 10% κ.β στο κράμα. Σχήμα 1.10: Μικροδομή του εργαλειοχάλυβα ΑISI D2 μετά από βαφή στον αέρα για διάφορες θερμοκρασίες ωστενιτοποίησης. Σημειώνεται οτι ο παραμένων ωστενίτης, που είναι παρόν ακόμα και στην μικροδομή που προκύπτει από την βέλτιστη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης, δεν είναι δυνατών να παρατηρηθεί με το οπτικό μικροσκόπιο μέχρι να σχηματιστεί μια σημαντική ποσότητα του. α)θερμοκρασία ωστενιτοποίησης 1010 ο C βαφή στον αέρα β)θερμοκρασία 14

15 ωστενιτοποίησης 1065 ο C βαφή στον αέρα γ)θερμοκρασία ωστενιτοποίησης 1120 ο C βαφή στον αέρα δ)θερμοκρασία ωστενιτοποίησης 1175 ο C βαφή στον αέρα ε)θερμοκρασία ωστενιτοποίησης 1230 ο C βαφή στον αέρα. Vilella's etch, 1000.[1] Οι εργαλειοχάλυβες υψηλού ποσοστού σε άνθρακα αποτελούν υπερευτηκτοειδή κράματα που περιέχουν μόνο σεμεντίτη ο οποίος διαλύτοποιείται σχετικά εύκολα. Το διάγραμμα ισορροπίας σιδήρου άνθρακα μπορεί να αποτελέσει σημείο αναφοράς όσον αφορά την επιλογή της θερμοκρασίας ωστενιτοποίησης. Για αυτούς του χάλυβες μέγιστη σκληρότητα επιτυγχάνεται όταν περίπου το 0,6 0,65%C διαλυτοποιείται στον ωστενίτη. Επομένως η μικροδομή που προκύπτει μετά από βαφή αποτελείται από μαρτενσίτη και σεμεντίτη ο οποίος δεν διαλύθηκε κατά την ωστενιτοποίηση. Ένα μικρό ποσοστό ωστενίτη το οποίο δεν θα παρατηρείται στο οπτικό μικροσκόπιο μπορεί να υπάρχει στην τελική μικροδομή εάν η σωστή θερμοκρασία ωστενιτοποίησης έχει επιλεγεί. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η μικροδομή του εργαλειοχάλυβα W1 μετά από βαφή σε αλατόνερο μιας ράβδου διαμέτρου 19mm. Στις φωτογραφίες παρατηρείται η μικροδομή από τις εξώτερες περιοχές προς το κέντρο της ράβδου. Στις εξώτερες περιοχές παρατηρείται μαρτενσίτης με υψηλό ποσοστό σε άνθρακα και στο κέντρο λεπτομερής περλίτης. Παρατηρείται ότι ο σεμεντίτης δεν έχει διαλυτοποιηθεί πλήρως επομένως βρίσκεται σε όλες τις παραγόμενες μικροδομές. Σχήμα 1.11: Μικροδομή εργαλειοχάλυβα W1 (1,05%C). Το δοκίμιο είναι μια ράβδος, διαμέτρου 19mm,η οποία βάφεται σε αλατόνερο. α) Στις εξώτερες περιοχές της ράβδου παρατηρείται μαρτενσίτης και αδιάλυτα καρβίδια.4%picral. β)με χρήση 2%Νital εμφανίζεται μαρτενσίτης σκουρόχρωμος παρά ανοιχτόχρωμος. γ) Ζώνη μετάβασης. 55ΗRC. O μαρτενσίτης είναι ανοιχτόχρωμος, τα όρια των καρβιδίων είναι ευδιάκριτα και ο περλίτης εμφανίζεται μαύρος. 4%Picral. δ) Στο κέντρο του δοκιμίου. 42HRC. παρατηρείται λεπτομερής περλίτης (μαύρο), αδιάλυτα καρβίδια (τα όρια τους είναι ευδιάκριτα) και πακέτα μαρτενσίτη (λευκό). 4%Picral. [1] Μετά την βαφή οι εργαλειοχάλυβες πρέπει αμέσως να υποβάλλονται σε επαναφορά για την απαλοιφή των εσωτερικών τάσεων που προκύπτουν κατά τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό διότι είναι πολύ πιθανό να σχηματιστούν ρωγμές. Η πιθανότητα να σχηματιστούν ρωγμές αυξάνει όσο αυξάνει ο ρυθμός ψύξης του υλικού και όσο η γεωμετρία του δοκιμίου οδηγεί σε συγκέντρωση τάσεων. Εργαλειοχάλυβες που 15

16 βάφονται στον αέρα είναι λιγότερο ευαίσθητοι στον σχηματισμό ρωγμών κατά την βαφή λόγω του σχετικά μικρού ρυθμού ψύξης που επιτρέπει την απαλοιφή των εσωτερικών τάσεων που δημιουργούνται κατά τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Πολλοί εργαλειοχάλυβες συχνά επαναφέρονται σε θερμοκρασίες από 175 εως 230 C. Τόσο χαμηλές θερμοκρασίες επαναφοράς οδηγούν στην απαλοιφή των εσωτερικών τάσεων που προκύπτουν κατά την βαφή και σε μικρές μεταβολές στην μικροδομή. Χάλυβες που προορίζονται να λειτουργήσουν εν θερμώ και οι ταχυχάλυβες επαναφέρονται σε θερμοκρασίες σχετικά υψηλότερες. Τέτοιου είδους υλικά επαναφέρονται σε θερμοκρασίες τέτοιες που εμφανίζεται η δευτερογενής σκλήρωση η οποία οδηγεί ουσιαστικά στην μεταβολή της φύσης των ήδη σχηματισμένων καρβιδίων. Οι μεταβολές αυτές μπορούν να ανιχνευτούν με την χρήση συγκεκριμένων μεθόδων και όχι με την οπτική μικροσκοπία. Γενικά οι ελαφρά κραματωμένοι χάλυβες επαναφέρονται μια φορά ενώ οι υψηλά κραματωμένοι χάλυβες δύο φορές και οι ταχυχάλυβες σε μερικές περιπτώσεις και τρεις φορές. Όταν υπάρχουν σε μεγάλη περιεκτικότητα ισχυρά καρβιδιογόνα στοιχεία τότε η επαναφορά σε υψηλές θερμοκρασίες όπου επέρχεται η δευτερογενής σκλήρωση οδηγεί σε μεταβολές στην σύσταση και τον τύπο των καρβιδίων. Στο σχήμα 1.12 παρατίθεται η επίδραση της θερμοκρασίας και του χρόνου στον τύπο των καρβιδίων που είναι παρόν σε ένα μαρτενσιτικό ανοξείδωτο χάλυβα που περιέχει 12%Cr και είναι περισσότερο κραματωμένος από τον χάλυβα 420. Σε χαμηλές θερμοκρασίες επαναφοράς το καρβίδιο M 3 C είναι παρόν. Παρά όλα αυτά σε υψηλότερες θερμοκρασίες και για μεγαλύτερους χρόνους το καρβίδιο M3C αντικαθίσταται από το M7C3 και το M23C6 με το τελευταίο να είναι το μόνο καρβίδιο παρόν σε ακόμα υψηλότερες θερμοκρασίες και χρόνους επαναφοράς. Σχήμα 1.12: Διάγραμμα θερμοκρασίας χρόνου επαναφοράς σε δύο ανοξείδωτους μαρτενσιτικούς χάλυβες με 12%Cr όπου φαίνεται ο τύπος των καρβιδίων που είναι παρόν στην παραγόμενη μικροδομή. Οι συνεχείς γραμμές αφορούν το κράμα Α και η διακεκομμένη το κράμα Β. Σύσταση κράματος Α: 0.21% C, 13.2% Cr, and 0.24% N. Σύσταση κράματος Β: 0.18% C, 0.58%, Mn, 0.31% Si, 0.18% Ni, 11.7% Cr, 0.49% Mo, 0.01% Al, 0.38% V, 0.20% Nb, and 0.033% N. Το συγκεκριμένο διάγραμμα βασίζεται στις παρατηρήσεις που προκύπτουν από περισσότερα από 30 δοκίμια που έχουν υποβληθεί σε επαναφορά για διάφορους χρόνους και θερμοκρασίες επαναφοράς από ο C. [1] 16

17 Στο σχήμα 1.13 φαίνεται η επίδραση του σχηματισμού των κραματωμένων καρβιδίων σε δύο ταχυχάλυβες βολφραμίου λόγω της δευτερογενούς σκλήρωσης σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας επαναφοράς. Οι δύο ταχυχάλυβες εμφανίζουν το φαινόμενο της δευτερογενούς σκλήρωσης σε θερμοκρασίες κοντά στους 600 ο C. Σχήμα 1.13: Επίδραση του σχηματισμού των (κραματωμένων) καρβιδίων σε δύο ταχυχάλυβες βολφραμίου σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας επαναφοράς. Σύσταση κράματος Α: 0.8% C, 18% W, 4% Cr, 2% V και 10% Co. Σύσταση κράματος B: 0.8% C, 9% W, 3% Cr και 3% Co. [1] Σε πολλούς ταχυχάλυβες η επαναφορά σε θερμοκρασίες κοντά στους 540 ο C δημιουργεί σχετικά μικρές διαφορές στις μικροδομές όταν αυτές εξετάζονται με την βοήθεια της οπτικής μικροσκοπίας. Η ταχύτητα με την οποία γίνεται η χημική προσβολή αλλά και το πόσο σκουρόχρωμη θα εμφανιστεί η μήτρα μετά την προσβολή εξαρτάται άμεσα από την επαναφορά του χάλυβα. Σχήμα 1.14: Επίδραση της θερμοκρασίας επαναφοράς στην μικροδομή του χάλυβα AISI O1. Σε όλα τα δοκίμια η θερμοκρασία ωστενιτοποίησης είναι στους 800 ο C ακολουθεί απόψυξη στο λάδι και επαναφορά σε διάφορες θερμοκρασίες: 17

18 (a)200 C. 60 HRC. (b) 315 C. 55 HRC. (c) 425 C. 49 HRC. (d) 540 C. 43HRC. 4% picral, 500. [1] Οι μικροδομές που προκύπτουν στους εργαλειοχάλυβες μετά από τις θερμικές κατεργασίες δε διαφέρουν εφόσον η κατεργασία έχει εκτελεστεί με τον σωστό τρόπο. Η βασική διαφοροποίηση έγκειται στην παρουσία και τον τύπο των αδιάλυτων καρβιδίων τα οποία επηρεάζουν άμεσα τα μικρογραφικά χαρακτηριστικά του παραγόμενου πλακοειδή μαρτενσίτη (plate martensite). Για παράδειγμα εργαλειοχάλυβες όπως οι AISI S1,S5 και S7 δεν εμφανίζουν αδιάλυτα καρβίδια με αποτέλεσμα όλος άνθρακας να είναι διαλυμένος εντός του ωστενίτη με αποτέλεσμα ο παραγόμενος μαρτενσίτης να είναι ιδιαίτερα τραχύς και τα μικρογραφικά χαρακτηριστικά του να είναι ιδιαίτερα εμφανή στο οπτικό μικροσκόπιο. Αντίθετα σε άλλα κράματα η παρουσία αδιάλυτων καρβιδίων δεσμεύει μέρος του άνθρακα με αποτέλεσμα ο παραγόμενος μαρτενσίτης να είναι ιδιαίτερα λεπτομερής. Στην συνέχεια παρατίθενται μερικές μικροδομές από ελαφρά κραματωμένους χάλυβες με μέση περιεκτικότητα σε άνθρακα (σχήματα ) και μικροδομές από εργαλειοχάλυβες υψηλότερης κραμάτωσης (σχήματα ) μετά από βαφή και επαναφορά. Σχήμα 1.15: Μικροδομή εργαλειοχάλυβα AISI L6. Ωστενιτοποίηση στους Τ = 840 ο C,απόψυξη στο λάδι και επαναφορά στους 150 ο C. 61HRC. Παρατηρούνται σε διασπορά μικρά αδιάλυτα καρβίδια μέσα σε μήτρα επαναφερμένου μαρτενσίτη. 2%Νιtal.1000x. [1] 18

19 Σχήμα 1.16: Μικροδομή εργαλειοχάλυβα S1. Ωστενιτοποίηση στους Τ = 955 ο C,απόψυξη στο λάδι και επαναφορά στους 150 ο C HRC. Παρατηρείται μόνο επαναφερμένος μαρτενσίτης. 2%Νιtal.500x. [1] Σχήμα 1.17: Μικροδομή εργαλειοχάλυβα ΑΙSI H11. Ωστενιτοποίηση στους Τ = 1010 ο C,απόψυξη στο αέρα και διπλή επαναφορά στους 510 ο C. 52HRC. Παρατηρείται επαναφερμένος μαρτενσίτης και μερικά πολύ μικρά καρβίδια. Vilella's reagent [1] 19

20 Σχήμα 1.18: Μικροδομή εργαλειοχάλυβα ΑΙSI S7. Ωστενιτοποίηση στους Τ = 940 ο C,απόψυξη στο αέρα και επαναφορά στους 495 ο C. 52HRC. Παρατηρούνται σε διασπορά μικρά αδιάλυτα καρβίδια μέσα σε μήτρα επαναφερμένου μαρτενσίτη. Vilella's reagent. 1000x. [1] Σχήμα 1.19: Μικροδομή εργαλειοχάλυβα ΑΙSI Μ2. Ωστενιτοποίηση στους Τ = 1120 ο C,απόψυξη Σε λάδι και διπλή επαναφορά στους 480 ο C. 62HRC. Παρατηρείται επαναφερμένος μαρτενσίτης και η παρουσία αδιάλυτων καρβιδίων. Vilella's reagent [1] 20

21 2)Boρίωση [2] Υπό βιομηχανικές συνθήκες η παραγωγή επιφανειών με υψηλές τιμές σκληρότητας αποτελούσε πάντα έναν από τους σημαντικότερους τεχνολογικούς στόχους. Σήμερα αυτό επιτυγχάνεται σε πολλές περιπτώσεις με την εισαγωγή ενώσεων του βορίου στην επιφάνεια ενός υποστρώματος. Η κατεργασία κάτω από την οποία σχηματίζονται τα διάφορα βορίδια ονομάζεται βορίωση. Η βορίωση αποτελεί μια κατεργασία που επιτυγχάνεται μέσω διάχυσης στην στερεά κατάσταση. Αποτέλεσμα της διάχυσης του βορίου στην επιφάνεια του υποστρώματος είναι ο σχηματισμός μιας ή και περισσότερων ενδομεταλλικών ενώσεων στην επιφάνεια του μετάλλου. Η διάχυση του βορίου (όπως και άλλων κραματικών στοιχείων) στην επιφάνεια ενός υλικού γίνεται με την χρήση ουσιών που μπορεί να βρίσκονται σε αέρια ή σε υγρή ή σε στερεά κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή η κατεργασία επιτυγχάνεται μέσω χημικών ή ηλεκτροχημικών αντιδράσεων μεταξύ του υποστρώματος και των ενώσεων που δρουν σαν φορείς του βορίου. Στον πίνακα 2.1 παρατίθενται οι ενώσεις του βορίου και η διαδικασία που ακολουθείται σε κάθε περίπτωση για την επίτευξη μιας επικάλυψης. Πίνακας 2.1: Ενώσεις βορίου και διαδικασία προς επίτευξη επικάλυψης. [2] Κατάσταση Σύσταση Διαδικασία αντιδρώντος βορίου Αέρια BF 3 BCl 3 BBr 3 καθαρό ή με Στη θερμοκρασία της υδρογόνο Β 2 Η 6 +υδρογόνο (CH 3 ) 3 B/(C 2 H 5 ) 3 B κατεργασίας το άεριο βόριο απλώνεται στην επιφάνεια του υλικού το οποίο έχει Υγρή Στερεή Na 2 B 4 O 7 (+NaCl/+B 2 O 3 ) HBO 2 +NaF Βόριο ή στερεές ενώσεις βορίου σε λιωμένα fluorides(=φθορίδια) Β 4 C(+NaCl/+BaCl 2 +NaBF 4 ) Na 2 B 4 O 7 +B 4 C Υγρό διάλυμα Na 2 B 4 O 7 B 4 C+Na 3 AlF 6 +ethyl silicate Ferroboron+Na 3 AlF 6 +sodium silicate Άμορφο βόριο+αντιδραστήριο Ferroboron+αντιδραστήριο B 4 C+αντιδραστήριο θερμανθεί σε φούρνο Ηλεκτρόλυση Κάθοδος:Υλικό Άνοδος:Γραφίτης ή πλατίνα Ηλεκτρόλυση Κάθοδος:Υλικό Άνοδος:αντιδρών βορίου σε λιωμένα fluorides Εμβάπτιση σε τηγμένα άλατα Επαγωγική θέρμανση μέσα σε υγρό διάλυμα Επαγωγική θέρμανση μετά από εφαρμογή της πάστας Θέρμανση σε φούρνο,μαζί με σκόνη ή πάστα βορίου 21

22 2.1)Διμερές σύστημα Fe-B. [2] Σύμφωνα με το διμερές σύστημα Fe-B σχηματίζονται δύο ενδομεταλλικές ενώσεις του σιδήρου με το βόριο τα οποία ονομάζονται και βορίδια. Οι φάσεις αυτές είναι οι Fe 2 B και FeB με 8,83%κ.β και 16,23%κ.β σε βόριο αντίστοιχα. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται το διμερές σύστημα. Σχήμα 2.1: Διμερές σύστημα σιδήρου βορίου Fe-B.[2] Το συγκεκριμένο σύστημα παρουσιάζει ευτηκτικό σημείο σε περιεκτικότητα 3,8%κ.β σε βόριο και σημείο τήξης στους T = 1149 o C. Κραματικά στοιχεία όπως ο C μετατοπίζουν το ευτηκτικό σημείο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η προσθήκη 1% κ.β σε C οδηγεί σε μια μείωση 50 ο C στην θερμοκρασία του ευτηκτικού σημείου. Η κρυσταλλική δομή των βοριδίων του σιδήρου είναι η ορθορομβική για το Fe 2 B και η χωροκεντρωμένη τετραγωνική για το FeB. 2.2)Αντίσταση στην φθορά και σκληρότητα. [2] Η αντίσταση στην φθορά εξαρτάται άμεσα από το πορώδες που εμφανίζεται σε μια επικάλυψη. Επομένως σχετίζεται με την κατεργασία και τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία του επιστρώματος. Επιπλέον παράμετροι που επηρεάζουν την αντίσταση στην φθορά είναι η σκληρότητα, η ευθραυστότητα της επιφάνειας, η τραχύτητα της, οι περιβαλλοντικές συνθήκες και ο τρόπος με τον οποίο διεξάγεται η φθορά πχ κύλιση, ολίσθηση, πρόσκρουση κτλ. Η παρουσία η όχι ενός 22

23 λιπαντικού σφήνα επίσης επηρεάζει την φθορά που προκαλείται. Επομένως και η λίπανση αποτελεί παράμετρο που επηρεάζει την αντίσταση στην φθορά. Με βάση τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι η αντίσταση στην φθορά δεν εκφράζεται από μια απόλυτη τιμή. Κατά συνέπεια τα αποτελέσματα που προκύπτουν όταν η φθορά εκτελείται κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες έχουν αξία μόνο για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Για αυτό τον λόγω η σκληρότητα χρησιμοποιείται σαν μια βάση για να εκτιμήσουμε την αντίσταση στην φθορά. Στο συγκεκριμένο απλοποιητικό μοντέλο (όπου παράμετροι όπως η ευθραυστότητα, η ολκιμότητα και η τραχύτητα δεν λαμβάνονται υπόψη) η δυνατότητα χάραξης ή κοπής ενός υλικού με ένα άλλο υλικό αποτελεί βασική παράμετρο. Τυπικό παράδειγμα σκληρού υλικού αποτελούν τα βορίδια του σιδήρου η σκληρότητα των οποίων κυμαίνεται από ΗΚ. Για βιομηχανική χρήση η μονοφασική επικάλυψη Fe 2 B είναι ιδιαίτερα επιθυμητή. Αυτή έχει έναν αριθμό πλεονεκτημάτων όπως πχ η μικρή ευθραυστότητα. Επιπλέον είναι εφικτό να εφαρμοστεί και κάποια θερμική κατεργασία χωρίς να χάσει η επικάλυψη τις ιδιότητές της και την συνάφεια της. 2.3)Συνάφεια και δυσθραυστότητα [2] Η δυσθραυστότητα και η συνάφεια μιας επικάλυψης σχετίζεται επίσης με την αντίσταση στην φθορά. Όταν το βόριο διαχέεται στο βασικό μέταλλο όπως ο σίδηρος η επικάλυψη που δημιουργείται έχει μια οδοντωτή μορφή. Η σχηματιζόμενη επικάλυψη εξαρτάται τόσο από τις συνθήκες υπό τις οποίες γίνεται η κατεργασία όσο και από την αποδοτικότητα του φορέα που χρησιμοποιείται για την βορίωση. Συγκεκριμένα η επικάλυψη μπορεί να αποτελείται μόνο από την ενδομεταλλική ένωση Fe 2 B είτε από ένα συνδυασμό των ενώσεων Fe 2 B και FeB (σχήμα 2.2). Ο λόγος μεταξύ του πάχους της επικάλυψης και των διαστάσεων του υποστρώματος σε μια εγκάρσια τομή του αποτελεί επίσης σημαντική παράμετρο. Η θεώρηση της επικάλυψης και του υπόστρωματος σαν ενιαίο υλικό έχει σαν αποτέλεσμα η ψαθυρότητα (brittlness) της επικάλυψης να έχει πλέον μικρή σημασία. Σε δοκιμές κάμψης που έγιναν σε δοκίμια με μονοφασική επικάλυψη Fe 2 Β πάχους 60-80μm και μm η ρωγμάτωση της επικάλυψης παρατηρήθηκε μετά από παραμόρφωση 8% και 4% αντίστοιχα Η διφασικές επικαλύψεις βορίου συμπεριφέρονται διαφορετικά. Σύμφωνα με τους Deger, Riehle και Schatt εφελκυστικές τάσεις εμφανίζονται στην φάση FeB και θλιπτικές τάσεις στην φάση Fe 2 B. 23

24 Σχήμα 2.2: Εργαλειοχάλυβας Οrvar. Βορίωση στους Τ = 900 o C για t = 6h. Παρατηρείτε η διφασική επικάλυψη βορίου. Η λευκή περιοχή αντιστοιχεί στην φάση Fe 2 B και η σκουρότερη στην φάση FeB. Το πάχος της επικάλυψης είναι 40μm. Nital 2%. 1000x. 2.4)Θερμική διαστολή. [2] Οι συντελεστές θερμικής διαστολής της επικάλυψης και του υποστρώματος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν παραπλήσιοι. Σε αντίθετη περίπτωση η διαφορική διαστολή που παρατηρείται μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος κάτω από θερμοκρασιακές μεταβολές έχει σαν αποτέλεσμα την αποκόλληση της επικάλυψης από το υπόστρωμα. Τα παραπάνω έχουν ιδιαίτερη σημασία στην περίπτωση επικαλυμμένων εξαρτημάτων τα οποία υποβάλλονται σε περαιτέρω θερμική κατεργασία. Οι συντελεστές θερμικής διαστολής των στρωμάτων βορίου είναι σχεδόν όμοιοι με αυτόν του σιδήρου (4,5 5, Κ -1 ) με αποτέλεσμα ο κίνδυνος ρωγμάτωσης της επικάλυψη βορίου σε μικρότερες ή μεγαλύτερες θερμοκρασίες να είναι σχετικά μικρός. Ακόμα και όταν υπάρχει επανειλημμένη θέρμανση στους 1000 o C και αργή απόψυξη τα βοριωμένα δοκίμια δεν εμφάνισαν ρωγμές κατά τον μεταλλογραφικό έλεγχο. 2.5)Τραχύτητα [2] Η κατεργασία της βορίωσης για την παραγωγή ιδιαίτερα σκληρών επικαλύψεων επιτρέπει την διατήρηση της αρχικής τραχύτητας του υποστρώματος το οποίο και είναι ιδιαίτερα επιθυμητό. Στην περίπτωση που το μέσο ύψος τραχύτητας R t είναι 24

25 μεγαλύτερο από 2-4μm τότε καμία διαφοροποίηση στην τραχύτητα δεν παρατηρείται μετά την βορίωση. 2.6)Οικονομικές πτυχές της βορίωσης. [2] Στην περίπτωση που η διάρκεια ζωής ενός εξαρτήματός αυξηθεί κατά 50% ο υπολογισμός του συνολικού κόστους θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την μείωση που επέρχεται στο κόστος εργασίας από την μειωμένη αντικατάσταση των φθαρμένων εξαρτημάτων (νεκρός χρόνος μηχανημάτων, εργασία προσωπικού). Επιπλέον κράματα υψηλής περιεκτικότητας σε κραματικά στοιχεία μπορούν να αντικατασταθούν από κράματα χαμηλής περιεκτικότητας σε κραματικά στοιχεία ή από χάλυβες χαμηλού ποσοστού σε άνθρακα τα οποία έχουν μεγαλύτερη κατεργαστικότητα οδηγώντας σε μείωση του συνολικού κόστους. 2.7)Τύποι επικαλύψεων βορίου. [2] Η επιλογή της κατάλληλης ένωσης βορίου και της κατάλληλης διαδικασίας μπορεί να διαπιστωθεί μέσω του μεταλλογραφικού ελέγχου. Σε ένα στιλβωμένο δοκίμιο είναι εύκολο να αποσαφηνιστεί ποιες φάσεις είναι παρόν στην επικάλυψη. Επίσης είναι δυνατόν να εκτιμηθεί η παρουσία πορώδους και η οδοντωτή μορφή που παρουσιάζει η επικάλυψη με βάση τα οποία χαρακτηρίζεται η ποιότητα της επικάλυψης. Οι Kunst και Schaaber επινόησαν ένα σύστημα αξιολόγησης το οποίο φαίνεται στο σχήμα 2.3. Αποτέλεσμα τη συγκεκριμένης μελέτης ήταν η ταξινόμηση των πιθανών επιστρωμάτων βορίου από άποψη σύστασης και μορφολογίας σε συγκεκριμένους τύπους. Σχήμα 2.3:Τύποι επικαλύψεων βορίου. [2] 25

26 Α: Μονοφασική επικάλυψη αποκλειστικά FeB B: Διφασική επικάλυψη από Fe 2 B και FeB C: Διφασική επικάλυψη με τη στρώση FeB λεπτότερη από του τύπου Β D: Διφασική επικάλυψη αλλά μόνο απομονωμένα «δόντια» FeB E: Μονοφασική επικάλυψη αποκλειστικά Fe 2 B και με έντονα «δόντια» F: Μονοφασική επικάλυψη αποκλειστικά Fe 2 B λιγότερο έντονα «δόντια» G: Επικάλυψη με μεμονωμένα δόντια Fe 2 B H: Επικάλυψη με πολύ μεμονωμένα δόντια Fe 2 B I: Ζώνη διάχυσης Κ: Ζώνη αποδόμησης L: Διφασική επικάλυψη FeB και Fe 2 B ομοιόμορφα κατανεμημένο,χωρίς «δόντια» Μ: Μονοφασική επικάλυψη FeB και Fe 2 B ομοιόμορφα κατανεμημένο,χωρίς «δόντια» 2.8)Διαδικασία βορίωσης με στερεές ενώσεις. [2] Ο Minkevic σε έρευνα του είχε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η χρήση στερεών ενώσεων υπό την μορφή σκόνης οδηγούσε σε επικαλύψεις μικρού πάχους και με αρκετό πορώδες Οι Kunst και Schaaber ήταν οι πρώτοι που μελέτησαν εκτεταμένα την βορίωση χρησιμοποιώντας στερεές ενώσεις υπό την μορφή σκόνης. Θεώρησαν ότι προγενέστερες μελέτες κατέληξαν σε λανθασμένα συμπεράσματα διότι δε χρησιμοποιούσαν τα κατάλληλα αντιδρώντα υλικά για την βορίωση. Για παράδειγμα η χρήση Ferroboron (σκόνη βορίου +σιδήρου) επηρεάζεται σημαντικά από την περιεκτικότητα σε αλουμίνιο ή πυρίτιο (ακαθαρσίες). Στον πίνακα 2.2 παρατίθενται οι σημαντικότερες ιδιότητες των ενώσεων που χρησιμοποιούνται σαν δότες βορίου για την δημιουργία επικάλυψης βορίου. Πίνακας 2.2: Σημαντικότερες ιδιότητες ενώσεων βορίου για βορίωση με στερεές ενώσεις. [2] Όνομα Τύπος Μοριακό Βάρος Θεωρητική περιεκτικότητα Β Σημείο τήξης. (oc) % Άμορφο Βόριο Β 10, Ferrobon Καρβίδια Βορίου B 4 C 55,29 77, )Άμορφο βόριο. [2] Οι Kunst και Schaaber βρήκαν ότι ούτε οι συνθήκες κενού ούτε η αδρανής ατμόσφαιρα είναι απαραίτητες για την βορίωση με χρήση άμορφου βορίου. Κατά την βορίωση armco iron για t = 3h στους T = 1000 ο C με άμορφο βόριο σε πίεση 1atm προέκυψε επικάλυψη πάχους 200μm ενώ σε πίεση 10-5 Torr μόνο 30-40μm. Οι ίδιοι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι όσο αυξανόταν το ποσοστό του κρυσταλλικού βορίου σε βάρος του άμορφου βορίου τόσο το πάχος της επικάλυψης γινότανε μικρότερο. Ενδεχομένως αυτό να οφείλεται στην μεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια (active surface) του άμορφου βορίου συγκριτικά με το κρυσταλλικό. 26

27 Από μελέτες έχει προκύψει ότι η χρήση ενεργοποιητών (activators) μπορεί να αυξήσει το πάχος της επικάλυψης. Παράδειγμα αποτελεί η χρήση NH 4 Cl κατά την βορίωση με χρήση άμορφου βορίου. Η παρουσία ΝΗ 4 Cl σε ποσοστό 2-5% οδήγησε στον διπλασιασμό του πάχους της επικάλυψης. Συνοψίζοντας το άμορφο βόριο οδηγεί σε αύξηση του πάχους της επικάλυψης και αυξάνει την δυνατότητα για βορίωση (boronizability) και η σχηματιζόμενη επικάλυψη είναι διφασική. Επιπρόσθετα η συγκεκριμένη διαδικασία οδηγεί σε υψηλότερο κόστος διότι το άμορφο βόριο είναι ακριβότερο συγκριτικά με άλλες ενώσεις που δρουν σαν δότες βορίου )Ferroboron. [2] Επικαλύψεις με την χρήση ferroboron είναι από τεχνική σκοπιά είναι ακατάλληλες διότι οδηγούν σε μικροδομές τύπου Κ (σχήμα 2.3) που είναι ανεπιθύμητες. Από μελέτες έχει προκύψει ότι ένα μίγμα ferroboron Al 2 O 3 BaF 2 οδηγούν σε επικαλύψεις σχετικά μεγάλου πάχους. Το BaF 2 όπως και στην περίπτωση του άμορφου βορίου αποδείχθηκε καλός ενεργοποιητής. Περαιτέρω μελέτες απέδειξαν ότι είναι καλύτερο να αποφεύγεται η χρήση Αl 2 O 3 σε συνδυασμό με ferroboron και BaF 2 διότι έτσι προέκυπταν επικαλύψεις πάχους 20% μεγαλύτερες. Εξέταση της ζώνης αποδόμησης που προέκυψε έδειξε ότι πριν την διάχυση του βορίου η κατά την διάρκεια διάχυσης του συμβαίνει παράλληλα και η διάχυση του Si το οποίο υπήρχε σαν ακαθαρσία μέσα στο ferroboron. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε βόριο συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια να παρουσιάζει έντονες μεταβολές. Η ίδια συμπεριφορά παρατηρήθηκε και για το αλουμίνιο. Σε βιομηχανικό επίπεδο οι απαιτήσεις σε ferroboron υψηλής καθαρότητας είναι τόσο μεγάλες που η συγκεκριμένη μέθοδος βορίωσης καθίσταται απαγορευτική. Περιεκτικότητα σε Βόριο % ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 Απόσταση από την επιφάνεια (mm) Σχήμα 2.3: Περιεκτικότητα σε Βόριο συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια σε μια επικάλυψη τύπου Κ. Βορίωση για t = 6h στους T = 1075 o C με 66%ferroboron + 32%Al 2 O 3 +2%BaF 2 σε Αrmco iron. [2] 27

28 2.9)Επίδραση των κραματικών στοιχείων. [2] Η επίδραση των κραματικών στοιχείων στο πάχος της επικάλυψης μελετήθηκε από τους Blanter και Besed. Οι συγκεκριμένοι ερευνητές χρησιμοποίησαν ειδικά τηγμένους χάλυβες που είχαν σταθερό ποσοστό σε άνθρακα και ένα από τα κραματικά στοιχεία που φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα. Η βορίωση έγινε με ένα μίγμα 60%βόρακα και 40%καρβίδιο του βορίου στους Τ = 1100 ο C. Η μείωση του πάχους της επικάλυψης παρατηρήθηκε με την αύξηση όλων των κραματικών στοιχείων. Σχήμα 2.4:Διάγραμμα του πάχους της επικάλυψης βορίου συναρτήσει της περιεκτικότητας σε κραματικά στοιχεία. [2] Άνθρακας. [2] Όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα σε άνθρακα τόσο μειώνεται το πάχος της επικάλυψης. Κάτω από την ζώνη βορίωσης παρατηρείται η ζώνη διάχυσης η οποία είναι πλούσια σε άνθρακα επειδή το συγκεκριμένο στοιχείο δεν είναι διαλυτό στα σχηματιζόμενα βορίδια. Η ενανθράκωση στην περίπτωση αυτή δεν αυξάνει την περιεκτικότητα σε άνθρακα στην ζώνη βορίωσης. Στο σχήμα 2.5 φαίνεται η επίδραση της βορίωσης στην περιεκτικότητα σε άνθρακα κάτω από την ζώνη βορίωσης. Το ποσοστό σε C έχει αυξηθεί από 1% σε 2.3% αμέσως κάτω από την ζώνη βορίωσης. Το συγκεκριμένο φαινόμενο εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα του χάλυβα, τον χρόνο και την θερμοκρασία στην όποια γίνεται η θερμική κατεργασία. 28

29 Σχήμα 2.5) Διάγραμμα στο οποίο φαίνεται η περιεκτικότητα σε άνθρακα συναρτήσει της απόσταση από την επιφάνεια. Βορίωση με άμορφο βόριο στους Τ = 1000 ο C για t = 25h. [2] Όταν η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι μεγάλη έτσι ώστε όλος ο άνθρακας να μην είναι διαλυτός στον ωστενίτη το πάχος της επικάλυψης μειώνεται σε μεγάλο βαθμό. Στην περίπτωση αυτή σχηματίζεται ο σεμεντίτης στον οποίο είναι διαλυτό το βόριο σχηματίζοντας την ένωση Fe 3 B 0.8 C 0.2 (boron cementite). Xρώμιο. [2] Αύξηση της περιεκτικότητας του χρωμίου έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση του πάχους της επικάλυψης και της οδοντωτής μορφολογίας.από 6% κ.β. και άνω το στρώμα βοριούχου σιδήρου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο πάνω στο υπόστρωμα. Βολφράμιο, Μολυβδαίνιο, Βανάδιο. [2] Η αύξηση της περιεκτικότητας στα παραπάνω στοιχεία οδηγεί στην μείωση του πάχους της επικάλυψης και στην εξάλειψη της χαρακτηριστικής οδοντωτής μορφής. Πρόσφατη έρευνα στην επίδραση του βαναδίου στην πορεία της βορίωσης έδειξε ότι χάλυβες οι οποίοι υποβάλλονται σε βορίωση δεν πρέπει να περιέχουν βανάδιο άνω του 0,15%. Πυρίτιο. [2] Το συγκεκριμένο κραματικό στοιχείο κατά την βορίωση εκτοπίζεται επιφανειακά από το βόριο που διαχέεται με αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε πυρίτιο στην ζώνη διάχυσης να είναι πολύ υψηλή. Στην περίπτωση του χάλυβα X38CrMoV51 με 0,9%Si κατά την βορίωση του στους 1000 ο C για μερικές ώρες παρατηρήθηκε περιεκτικότητα 4% Si στην ζώνη διάχυσης με αποτέλεσμα τον σχηματισμό του φερρίτη. Το συγκεκριμένο φαινόμενο παρατηρείτε ιδιαίτερα σε χάλυβες με υψηλό ποσοστό σε α- 29

30 φερρογόνα στοιχεία. Για αυτό τον λόγο χάλυβες με υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο δεν πρέπει να υποβάλλονται σε ακραίες συνθήκες βορίωσης (υψηλή θερμοκρασία και μεγάλος χρόνος κατεργασίας). Στην περίπτωση λεπτών επικαλύψεων (πάχος = 50μm) που σχετίζονται με λιγότερο ακραίες συνθήκες βορίωσης ο χάλυβας X40CrMoV51 με περιεκτικότητα σε Si 0.9%/1.2% αποδείχθηκε επαρκής για την προστασία έναντι τηγμένων μη σιδηρούχων κραμάτων λόγω της μονοφασικής επικάλυψης FeB που σχηματίζεται. Μαγγάνιο, Νικέλιο. [2] Τα συγκεκριμένα στοιχεία ελάχιστα μεταβάλλουν το πάχος της σχηματιζόμενης επικάλυψης. Επίσης η παρουσία τους οδηγεί σε μεταβολές της χαρακτηριστικής οδοντωτής μορφής της επικάλυψης. 2.10)Βορίωση σε χάλυβες. [2] Πολλά από τα κραματικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στους χάλυβες είναι διαλυτά τουλάχιστον μέχρι κάποιο ποσοστό στα βορίδια. Στην συνέχεια εξετάζονται οι χάλυβες 45CrSiV και 100WCr6 οι οποίοι υποβάλλονται σε βορίωση και προσβάλλονται με διάλυμα νιτρικού οξέος. Η χημική ανάλυση έδειξε την παρουσία όλων των κραματικών στοιχείων στο υπόστρωμα. Η διαλυτότητα των επιμέρους κραματικών στοιχείων στα βορίδια του σιδήρου Fe 2 και FeB διέφερε. Οι Hutterer και Krainer μελέτησαν το πάχος της επικάλυψης σε διάφορους χάλυβες κατά την βορίωση σε θερμοκρασίες 900 ο C 1050 o C για t = 8h. Tα υλικά που χρησιμοποίησαν φαίνονται στον πίνακα 2.3. Πίνακας 2.3: Σύσταση υλικών [2] C Cr W Mo V % X210Cr C70W X20Cr S Η βορίωση έγινε σε μίγμα καρβιδίου του βορίου, βόρακα και KBF 4. Ο χάλυβας με την λεδεμβουριτική μορφή X210Cr12 παρουσίασε μια γραμμική σχέση μεταξύ του πάχους της επικάλυψης και της θερμοκρασίας (140μm στους Τ = 1050 ο C). Ο χάλυβας C70W2 παρουσίαζε στις ίδιες συνθήκες βορίωσης πάχος 250μm το οποίο είναι μεγαλύτερο σε σχέση με αυτό του X210Cr12 ο οποίος περιέχει πολύ περισσότερο άνθρακα. Οι χάλυβες X20Cr13 και S παρουσίασαν μεγαλύτερο πάχος επικάλυψης συγκριτικά με τον X210Cr12 αλλά μικρότερο από τον C70W2 στις ίδιες συνθήκες. Η μελέτη της βορίωσης στον χάλυβα ενανθράκωσης Ck45 έδειξε μια αύξηση του πάχους της επικάλυψης όσο αυξανόταν η θερμοκρασία της βορίωσης. Επίσης πειράματα για την μελέτη της βορίωσης σε χάλυβες με χαμηλή,μεσαία και υψηλή κραμάτωση έδειξε ότι τα υλικά που δεν περιέχουν μεγάλο ποσοστό σε κραματικά εμφάνιζαν μεγαλύτερο πάχος επικάλυψης για τις ίδιες συνθήκες βορίωσης. Επομένως οι δομικοί χάλυβες εμφανίζουν μεγαλύτερο πάχος επικάλυψης από ότι οι εργαλειοχάλυβες. 30

31 Τα συγκεκριμένα παραδείγματα υποδηλώνουν ότι όλοι οι χάλυβες μπορούν να υποβληθούν σε βορίωση. Όλα τα σιδηρούχα υλικά όπως δομικοί χάλυβες, χάλυβες σκλήρυνσης, επαναφερμένοι χάλυβες, εργαλειοχάλυβες, χυτοσίδηροι, χάλυβες κονιομεταλλουργίας μπορούν να υποβληθούν σε βορίωση. Η επιλογή του κατάλληλου υλικού εξαρτάται άμεσα από το περιβάλλον (φορτία, θερμοκρασία κτλ) στο οποίο θα λειτουργήσει. 2.11) Πακετάρισμα των εξαρτημάτων που θα βοριωθούν (διαδικασία pack cementation). [10[ H βορίωση με τη χρήση στερεών κόνεων είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος βορίωσης λόγω της σχετικά εύκολης πραγματοποίησής της,της ασφαλούς χρήσης της και της δυνατότητας αλλαγής της σύνθεση του μίγματος της σκόνης που χρησιμοποιείται. Επίσης σημαντικά πλεονεκτήματα είναι οι περιορισμένες ανάγκες που έχει η μέθοδος σε υλικά και το ότι είναι μια αποτελεσματικά οικονομική διαδικασία. O J.Subrahmanyam πραγματοποίησε μελέτες στη βορίωση μαλακών χαλύβων. Χρησιμοποίησε τη μέθοδο pack cementation, όπου μια πηγή Βορίου και ένας ενεργοποιητής αναμειγνύονται στις απαιτούμενες ποσότητες και συσκευάζονται με τα δοκίμιο υποστρώματα σε χωνευτήρι από ανοξείδωτο χάλυβα. Ο ενεργοποιητής που χρησιμοποιήθηκε ήταν διφθορίδιο του αμμωνίου και η πηγή Βορίου ήταν 99% καθαρό καρβίδιο του Βορίου. Αφού τα δοκίμια από μαλακό χάλυβα λειάνθηκαν με λειαντικό χαρτί και καθαρίστηκαν με διάλυμα υδροξειδίου του Καλίου,μπήκαν στο χωνευτήρι. Το χωνευτήρι γεμίστηκε με τα συσκευάσματα με τρόπο ώστε τουλάχιστον ένα εκατοστό πάχους των ουσιών να βρίσκεται γύρω από κάθε δοκίμιο. Το χωνευτήρι σφραγίστηκε με μια χάλκινη φλάντζα και μπήκε στον αντιδραστήρα,όπου ελεγχόμενα εφαρμόστηκε η απαιτούμενη θερμοκρασία. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων επικαλύψεις Βορίου μπορούν να δημιουργηθούν σε επιφάνειες μαλακών χαλύβων με τη χρήση της μεθόδου pack cementation. Ανάλογα με τις παραμέτρους εναπόθεσης οι ενώσεις FeB,Fe 2 B ή και οι δύο ταυτόχρονα μπορούν να σχηματιστούν στην επιφάνεια των δοκιμίων,όπως φαίνεται στον σχήμα 2,2. 31

32 3) Φθορά λόγω στερεών σωματιδίων (solid particle erosion, SPE). [3] Η φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης αναφέρεται στην απώλεια υλικού που οφείλεται στην επαναλαμβανόμενη κρούση στερεών σωματιδίων. Σε μερικές περιπτώσεις η SPE αποτελεί χρήσιμο φαινόμενο όπως για παράδειγμα στην αμμοβολή. Από την άλλη πλευρά μπορεί να αποτελεί την βασική αιτία για αστοχίες σε διάφορα συστήματα όπως στους κινητήρες jet και τα δίκτυα σωληνώσεων. H μηχανική διάβρωση εντοπίζεται στην περίπτωση όπου σκληρά σωματίδια παρασύρονται από κάποιο ρευστό και προσπίπτουν επάνω σε μια στερεή επιφάνεια με ταχύτητα άνω του 1m/s. Η εκδήλωση της SPE στην πράξη αναφέρεται στην λέπτυνση των στοιχείων που φθείρονται, στον σχηματισμό ενός αποτυπώματος μακροσκοπικά ορατό που διαμορφώνεται ανάλογα με το ροϊκό πεδίο του μέσου που φέρει τα σωματίδια. Επίσης οδηγεί σε μεταβολή της τραχύτητας της επιφάνειας που εξαρτάται από το μέγεθος των σωματιδίων και την ταχύτητα πρόσπτωσης τους ενώ παρατηρείται η απουσία κάποιας προτιμητέας κατεύθυνσης όσων αφορά τα ίχνη της κατεργασίας κάτι το οποίο αποτελεί χαρακτηριστικό της φθοράς λόγω εκτριβής (abrasion). Όπως αναφέρθηκε προηγούμενος τα στερεά σωματίδια μπορεί να περιέχονται σε κάποιο αέριο ή υγρό και να επιταχύνονται ή να επιβραδύνονται ανάλογα με το ροϊκό πεδίο που διαμορφώνεται από τις δυνάμεις αδράνειας, πιέσεως, ιξώδους κλπ. Στην περίπτωση που τα σωματίδια κινούνται υπό την επίδραση κάποιου αερίου, αποκλίσεις των σωματιδίων από την ροή μπορούν να παραβλεφθούν στις δοκιμασίες μηχανικής διάβρωσης για σωματίδια μεγαλύτερα των 50μm. Θα πρέπει όμως να γίνει σαφές ότι στην πράξη τέτοιου είδους αποκλίσεις μπορεί να παίζουν σημαντικό ρόλο. Παράδειγμα αποτελεί η έρευνα του Tabakoff για την έκταση της μηχανικής διάβρωσης λόγω στερεών σωματιδίων σε τουρμπίνες όπου λαμβάνεται υπόψη το μέγεθος των σωματιδίων και η μεταβολή στην διεύθυνση και την ταχύτητα τους κατά την αναπήδηση τους στην εξεταζόμενη επιφάνεια. Ο διαχωρισμός μεταξύ της φθοράς λόγω μηχανικής διάβρωσης (erosion) και της φθοράς λόγω εκτριβής (abrasion) μπορεί να γίνει με τον εξής τρόπο. Στην πρώτη περίπτωση τα σωματίδια προσπίπτουν και αναπηδούν στην εξεταζόμενη επιφάνεια ενώ στην δεύτερη περίπτωση τα σωματίδια ολισθαίνουν κατά μήκος της εξεταζόμενης επιφάνειας υπό την επίδραση μιας εξωτερικής δύναμης. Για να γίνει πιο σαφής ο παραπάνω διαχωρισμός αναφέρεται ότι η δύναμη που ασκείται στην εξεταζόμενη επιφάνεια στην πρώτη περίπτωση οφείλονται μόνο στην επιβράδυνση των σωματιδίων ενώ στην δεύτερη περίπτωση είναι εξωτερικά επιβαλλόμενη. Σε μερικές περιπτώσεις όμως ο διαχωρισμός μεταξύ φθοράς λόγω στερεών σωματιδίων και της φθοράς λόγω εκτριβής μπορεί να μην είναι ξεκάθαρος. Παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση ροής υγρού ή αερίου κατά την οποία η πυκνότητα σε στερεά σωματίδια είναι μεγάλη. Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται ένα πακέτο από στερεά σωματίδια τα οποία ολισθαίνουν κατά μήκος της επιφάνειας έτσι ώστε να προκαλείται φθορά λόγω εκτριβής. Στην συνέχεια της ενότητας αυτής θα γίνει αναφορά μόνο στην περίπτωση της μηχανικής διάβρωσης με μικρή περιεκτικότητα σε στερεά σωματίδια (dilute particle flows). Στην πράξη η μηχανική φθορά σπάνια διεξάγεται σε αδρανή ατμόσφαιρα ή στο κενό. Όταν διεξάγεται στην θερμοκρασία περιβάλλοντος η επίδραση της οξείδωσης μπορεί γενικά να παραληφθεί οπότε η φθορά που προκαλείται χαρακτηρίζεται σαν γνήσια (pure). Σύμφωνα με τον Finnie οι παράμετροι που επηρεάζουν την έκταση της φθοράς λόγω στερών σωματιδίων μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: 1) παράμετροι που αφορούν της ροή των σωματιδίων όπως η ταχύτητα τους v, η γωνία πρόσπτωσης α και η πυκνότητα της δέσμης σε σωματίδια (flux). Σαν 32

33 γωνία πρόσπτωσης α θεωρείται η γωνία που σχηματίζει η διεύθυνση του σωματιδίου πριν την πρόσκρουση με την εξεταζόμενη επιφάνεια. Η ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται το σωματίδιο αποτελεί ακόμα μια παράμετρο που αφορά την ροή των σωματιδίων η οποία όμως είναι δύσκολο να μετρηθεί 2) παράμετροι που αφορούν το σχήμα, το μέγεθος, την σκληρότητα και την ευθραυστότητα των σωματιδίων. 3) παράμετροι που αφορούν την μικροδομή και τις ιδιότητες του υλικού που εξετάζεται όπως η σκληρότητα και ό συντελεστής ενδοτράχυνσης. Στην βιβλιογραφία που αφορά την φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης τα υλικά κατηγοριοποιούνται σε όλκιμα και ψαθυρά με βάση την συμπεριφορά που εμφανίζει ο ρυθμός φθοράς Ε. Στην περίπτωση όλκιμων υλικών όπως τα καθαρά μέταλλα ο μέγιστος ρυθμός φθοράς εμφανίζεται για γωνίες πρόσπτωσης μεταξύ 15 ο -30 ο ενώ για τα ψαθυρά υλικά όπως τα κεραμικά σε γωνίες 90 ο. Ο δύο αυτές περιπτώσεις αποτελούν τις πιο ακραίες καταστάσεις (σχήμα 3.1). Φυσικά υπάρχουν καμπύλες που περιγράφουν περιπτώσεις ενδιάμεσων καταστάσεων. Επίσης υπάρχουν περιπτώσεις όπου το ίδιο το υλικό μπορεί να αλλάξει την συμπεριφορά του, κάτω από τις απαραίτητες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης και να μεταβεί από την μια ακραία κατάσταση στην άλλη. Σχήμα 3.1: Φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης σε κράμα αλουμινίου Αl και σε αλούμινα Al 2 O 3 για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης. Τα στερεά σωματίδια μεγέθους 127μm προσπίπτουν στην επιφάνεια με ταχύτητα 152m/s. [3]. 33

34 3.1)Μηχανική διάβρωση (erosion). [3] Ο ρυθμός φθοράς Ε εκφράζεται σαν απώλεια μάζας ή όγκου του εξεταζόμενου υλικού ανά μονάδα μάζας του υλικού που προσπίπτει. Η χρήση του όγκου και όχι της μάζας επιτρέπει για υλικά με διαφορετική πυκνότητα την σύγκριση τους όσον αφορά την μείωση του πάχους. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, τα μεταλλικά και τα κεραμικά υλικά παρουσιάζουν μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά όσον αφορά τον ρυθμό φθοράς Ε ενώ επίσης η εξάρτηση του ρυθμού φθοράς από το μέγεθος, το σχήμα και την ταχύτητα των στερεών σωματιδίων διαφέρει επίσης. Γενικά ο ρυθμός φθοράς Ε συνδέεται με την ταχύτητα των στερεών σωματιδίων μέσω μιας δυναμοσυνάρτησης (power law). n E kv (1) Όπου k σταθερά, και n o εκθέτης της ταχύτητας που εξαρτάται από το υλικό και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται η μηχανική διάβρωση. Η τιμή του εκθέτη n παίρνει τιμές μεταξύ για μέταλλα και τιμές από για κεραμικά παρόλο που υπάρχουν και εξαιρέσεις. Η αφαίρεση υλικού σε όλκιμα υλικά περιλαμβάνει την πλαστική παραμόρφωση σε αντίθεση με τα ψαθυρά υλικά όπου ο σχηματισμός ρωγμών και η αποκόλληση πλεγματικών επιπέδων (ψαθυρή θραύση) αποτελεί την βασική αιτία αφαίρεσης υλικού τουλάχιστον για μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης. Επομένως η δυσθραυστότητα στην περίπτωση των ψαθυρών υλικών αποτελεί την βασική ιδιότητα που λαμβάνεται υπόψη για την φθορά. Βάση της θεωρίας προβλέπεται ότι ο ρυθμός φθοράς Ε είναι αντιστρόφως ανάλογος της σκληρότητας Η για τα μεταλλικά υλικά. Στην περίπτωση των κεραμικών υλικών η εξάρτηση αυτή είναι μικρότερης σημασίας συγκριτικά με αυτήν που αφορά την δυσθραυστότητα του υλικού. Οι περισσότερες θεωρίες δεν προβλέπουν κάποια επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων στον ρυθμό φθοράς ενός μεταλλικού υλικού παρόλο που στην πράξη παρατηρείται ότι ο Ε αυξάνει αρκετά γρήγορα για σωματίδια μέχρι τα 100μm. Για τα κεραμικά υλικά η επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων λαμβάνεται υπόψη με την χρήση ενός εκθέτη κάτι το οποίο παρατηρείται και στην πράξη. Συνολικά πλέον είναι ξεκάθαρο ότι ο μηχανισμός με τον οποίο γίνεται η αφαίρεση του υλικού στα μεταλλικά υλικά και στα κεραμικά υλικά διαφέρει. Κράματα που περιέχουν ευμεγέθη και σκληρά σωματίδια δεύτερης φάσης όπως οι στελλίτες και οι λευκοί χυτοσίδηροι υψηλού Cr παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση στην φθορά λόγω εκτριβής αλλά υπό την επίδραση μηχανικής φθοράς λόγω στερεών σωματιδίων δεν υπερτερούν σχεδόν καθόλου έναντι των απλών ανθρακοχαλύβων ή ακόμα και των καθαρών μετάλλων. Ο Hansen σε μια από τις έρευνες του σύγκρινε τον ρυθμό φθοράς Ε για έναν μεγάλο αριθμό κραμάτων, κεραμικών και cermets. Παρόλο που οι συνθήκες του πειράματος για κάθε υλικό ήταν σταθερές η μελέτη αυτή αποτελεί μια πολύ καλή σύγκριση του ρυθμού φθοράς ενός μεγάλου συνόλου υλικών. Πρέπει να σημειωθεί ότι η κατάταξη των υλικών ανάλογα με τον ρυθμό φθοράς τους μπορεί να αλλάξει εάν παράμετροι όπως η γωνία πρόσπτωσης, ταχύτητα, το μέγεθος και το σχήμα των στερεών σωματιδίων μεταβληθεί. Οι δοκιμασίες εκτελέστηκαν για θερμοκρασίες 20 ο C και 700 ο C χρησιμοποιώντας σωματίδια Αl 2 O 3 μεγέθους 27μm τα οποία προσπίπτουν επάνω στην εξεταζόμενη επιφάνεια με ταχύτητα 170m/s υπό γωνία 90 ο για 3min. Για την μελέτη τον αποτελεσμάτων χρησιμοποιείται ο σχετικός δείκτης μηχανικής φθοράς του κάθε υλικού REF που ορίζεται σαν ο όγκος του υλικού που αφαιρέθηκε από κάθε υλικού ως προς αυτόν που απομακρύνθηκε από τον στελλίτη 6Β (standard material). 34

35 Πίνακας 3.1:Πειράματα μηχανικής διάβρωσης για διάφορα μεταλλικά και κεραμικά υλικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε υψηλή θερμοκρασία. [3] Στα σχήματα 3.2 και 3.3 παρατίθενται γραφήματα με τα αποτελέσματα για μερικά μεταλλικά και κεραμικά υλικά. Στα cermets WC Co o δείκτης REF έδωσε τιμές μεταξύ 0,1 1,6. Στα περισσότερα μεταλλικά υλικά ο δείκτης REF ήταν παραπλήσιος για τους 20 ο C και τους 700 ο C με μια διαφορά της τάξης του 20%. Οι τρεις χαμηλότερη δείκτες REF ήταν για το βολφράμιο W (=0,48),το μολυβδαίνιο Μο (=0,52) και τον χάλυβα 1015 (=0,76).Την υψηλότερη τιμή παρουσίαζε το κράμα τιτανίου Ti 6Al-4V (=1,26). 35

36 Σχήμα 3.2: Σχετικός δείκτης μηχανικής διάβρωσης REF για διάφορα εμπορικά διαθέσιμα μεταλλικά υλικά. Γωνία προσβολής α = 90 ο και υλικό αναφοράς στελλίτης 6Β. [3] Σχήμα 3.3: Σχετικός δείκτης μηχανικής διάβρωσης REF για διάφορα κεραμικά υλικά. Γωνία προσβολής α = 90 ο και υλικό αναφοράς στελλίτης 6Β. [3] Τα παραπάνω αποτελέσματα τεκμηριώνουν το γεγονός ότι οι μηχανισμοί σκλήρυνσης όπως ο σχηματισμός στερεού διαλύματος ή η κατακρίμνηση μια δεύτερης φάσης που αυξάνουν κατά κανόνα την σκληρότητα Η δεν οδηγούν σε μείωση του ρυθμού 36

37 φθοράς Ε. Σύμφωνα με τον Hansen εάν στην πράξη παρατηρηθεί ένα πρόβλημα μηχανικής διάβρωσης σε ένα μεταλλικό υλικό αντικατάσταση του με ένα άλλο μεταλλικό υλικό στην γενική περίπτωση δεν θα οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση της κατάστασης. Τα περισσότερα κεραμικά υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα του Hansen είχαν REF μεταξύ 0,3 0,6 παρόλο που μερικά είχαν πολύ μεγαλύτερο και κάποια άλλα σχεδόν μηδενικό REF. Επίσης πρέπει να σημειωθεί ότι η χρήση σωματιδίων με σκληρότητα μικρότερη από αυτήν της αλούμινας μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της αντίστασης στην μηχανική φθορά. Αυτό συμβαίνει όταν ο λόγος της σκληρότητας των σωματιδίων προς της σκληρότητα της εξεταζόμενης επιφάνειας είναι μικρότερος της μονάδας Hp/Ht < )Μηχανική διάβρωση των μετάλλων. [3] Στα πλαίσια της θεωρίας που αφορούν την μηχανική διάβρωση, βρίσκουν εφαρμογή και οι βασικές αρχές που διέπουν την αφαίρεση υλικού μέσω της κοπής ή της αλληλεπίδρασης με σκληρά σωματίδια (direct material removal by cutting or micromachining) και αυτή της επαναλαμβανόμενης παραμόρφωσης της εξεταζόμενης επιφάνειας που οδηγεί τελικά στην απομάκρυνση υλικού με την μορφή νιφάδας ή επιμηκών θραυσμάτων (flake or platelet). Το πιο πιθανό είναι ότι τα δύο παραπάνω φαινόμενα δρουν ταυτόχρονα σε διάφορες αναλογίες που εξαρτάται από την εκάστοτε περίπτωση. Από σχεδιαστικής άποψης ένας διαχωρισμός των δύο φαινόμενων είναι επιτακτική ανάγκη επειδή τα μοντέλα κοπής προβλέπουν μια αντιστρόφως ανάλογη σχέση μεταξύ σκληρότητας Η και Ε ενώ η ολκιμότητα φαίνεται να κυριαρχεί στην περίπτωση του μηχανισμού που οδηγεί σε επιμήκη θραύσματα. Η ανάλυση που ακολουθεί αφορά μεταλλικά υλικά μιας φάσης ή μεταλλικά υλικά στα οποία το αποτύπωμα από τα σωματίδια που προσπίπτουν είναι μεγαλύτερο από τα σωματίδια της δεύτερης φάσης. Η πρώτη θεωρία που διατυπώθηκε για τα όλκιμα υλικά αναπτύχθηκε από τον Finnie η οποία βρίσκει εφαρμογή ακόμα και σήμερα. Συγκεκριμένα η τροχιά του σωματιδίου προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας μια σειρά από παραδοχές και ο όγκος του υλικού που απομακρύνεται από την εξεταζόμενη επιφάνεια εξισώθηκε με αυτόν που απομακρύνεται από την πρόσπτωση ενός σωματιδίου. Το χρησιμοποιούμενο μοντέλο προβλέπει ότι ο εκθέτης της ταχύτητας παίρνει την τιμή n = 2 και τα αποτελέσματα του έρχονται σε συμφωνία με την πράξη όπως για το αλουμίνιο (σχήμα 3.1). Μια από τις βασικές αδυναμίες αυτού του μοντέλου ήταν η μηδενική φθορά που προέβλεπε για γωνία α = 90 ο. Λαμβάνοντας υπόψη την υπόθεση ότι τα σωματίδια δεν περιστρέφονται σημαντικά κατά την πρόσπτωση προκύπτει μια αντιστρόφως ανάλογη σχέση μεταξύ του ρυθμού φθοράς Ε και της δυναμικής σκληρότητας P (ορίζεται σαν η μέση πίεση επαφής κατά την διάρκεια ενός impact test με υψηλή ταχύτητα). Στην μελέτη του Finnie αναφέρεται ότι η Ρ δεν αναμένεται να είναι ίση με την σκληρότητα Η που προκύπτει από στατικές μεθόδους μέτρησης λόγω των υψηλότερων ρυθμών παραμόρφωσης που επικρατούν κατά την δυναμική μέτρηση τη σκληρότητας. Πάρα όλα αυτά ένα από τα αποτελέσματα της εν λόγω θεωρίας ήταν η απόδειξη ότι μεταξύ της φθοράς Ε και της σκληρότητας Η υπάρχει μια αντιστρόφως ανάλογη σχέση. Στο σχήμα 3.4 παρατίθενται η εξάρτηση της αντίστασης στην φθορά 1/Ε από την σκληρότητα Η για διάφορα μεταλλικά υλικά της FCC δομής και αντίστοιχα και για την ΒCC. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται επίσης ότι η ενδοτράχυνση των μετάλλων που οδηγεί σε αύξηση της σκληρότητας τους Η δεν οδήγησε σε αύξηση της αντίστασης στην φθορά 1/Ε. Ο πιθανότερος λόγος για αυτήν την συμπεριφορά είναι ότι το κατά την φθορά λόγω στερεών σωματιδίων η επιφάνεια 37

38 του μετάλλου ενδοτραχύνεται με αποτέλεσμα μια κατεργασία ψυχρής διαμόρφωσης να μην έχει κάποια σημαντική επίδραση στο ρυθμό φθοράς Ε. Μια πιο πρόσφατη μελέτη του Goretta στην επίδραση της ψυχρής έλασης σε καθαρό νικέλιο Ni, χαλκό Cu και στον ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα 304 έδειξε ότι μια μεταβολή του ρυθμού φθοράς κατά 10% - 30% συνοδευόταν από μια μεταβολή της σκληρότητας Η που ήταν τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν της Ε. Ανάλογα με το μεταλλικό υλικό, την γωνία α και την ενδοτράχυνση που έχει υποστεί το υλικό ο ρυθμός φθοράς Ε αυξανόταν ή μειωνόταν. Από καθαρά πρακτική σκοπιά φαίνεται ότι η εν ψυχρώ παραμόρφωση του μετάλλου δεν οδηγεί σε βελτίωση της αντίστασης στην φθορά. Σχήμα 3.4: Εξάρτηση της αντίστασης στην φθορά 1/Ε από την σκληρότητα Η για διάφορα υλικά. Τα στερεά σωματίδια SiC είχαν μέγεθος 250μm, ταχύτητα 76m/s και προσπίπτουν στις εξεταζόμενες επιφάνειες υπό γωνία α = 20 ο. [3] 3.2.1)Μηχανισμός μηχανικής φθοράς σε μεταλλικά υλικά. Στην περίπτωση των μεταλλικών υλικών διακρίνονται δύο μηχανισμοί αφαίρεσης υλικού χωρίς όμως να είναι βέβαιο το ποιος από αυτούς είναι επικρατέστερος διότι κάτι τέτοιο εξαρτάται άμεσα από τις συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται η μηχανική φθορά.. Ο πρώτος μηχανισμός εκφράζει την άμεση αφαίρεση υλικού λόγω της αλληλεπίδρασης της εξεταζόμενης επιφάνειας με σκληρά και κοφτερά σωματίδια (micromachining) και αποτελεί τη βάση για ένα μοντέλο που ανέπτυξε ο Finnie. Υποθέτοντας ότι τα υλικά θεωρούνται απολύτως όλκιμα καθώς και ότι η περιστροφή των κόκκων είναι αμελητέα και ότι μόνο μία επιφάνεια του κόκκου προσκρούει στην στερεά επιφάνεια, ο Finnie παρουσίασε ένα θεωρητικό μοντέλο, (σχήμα 3.5) όπου δίνεται η σχετική απώλεια όγκου του υλικού λόγω φθοράς μηχανικής διάβρωσης σε 38

39 σχέση με τη γωνία πρόσκρουσης α για διάφορα όλκιμα υλικά. Μέχρι την γωνία των 30 οι θεωρητικές και οι πειραματικές τιμές συμπίπτουν. Πάνω από 30 αρχίζει η απόκλιση αυτών των τιμών. Το θεωρητικό μοντέλο απέτυχε να προβλέψει την φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης που παρατηρείται για μεγάλες τιμές της γωνίας α. Σχήμα 3.5: Σχετική απώλεια όγκου για διάφορα υλικά συναρτήσει της γωνίας α για πρόσπτωση ενός κόκκου του διαβρωτικού υλικού. [3] Οι αποκλίσεις του συγκεκριμένου μοντέλου οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι ο εν λόγω μηχανισμός προϋποθέτει πάντα επαφή των σωματιδίων με λεία επιφάνεια χωρίς να λαμβάνει υπόψη τη σταδιακή αύξηση της τραχύτητας και την σκληρότητα που αποκτά αυτή. Στην πραγματικότητα μόνο οι πρώτες προσκρούσεις γίνονται σε λεία επιφάνεια. Ο δεύτερος μηχανισμός αφαίρεσης υλικού στα όλκιμα υλικά αναφέρεται στην βιβλιογραφία σαν platelet-mechanism. Στις περισσότερες περιπτώσεις η πρόσπτωση ενός σωματιδίου δεν οδηγεί σε άμεση αφαίρεση του υλικού αλλά στον σχηματισμό ενός χείλους παραμορφωμένου υλικού το οποίο παραμένει προσκολλημένο στο τέλος του κρατήρα που δημιουργείται από την πρόσκρουση των στερεών σωματιδίων. Στο σχήμα 3.6 δίνονται τυπικά παραδείγματα της επιφάνειας που προκύπτει μετά από μηχανική διάβρωση με στερεά σωματίδια σε μέταλλα. Σύμφωνα με τον Hutchings, Finnie και άλλους ερευνητές τα χείλη που σχηματίζονται γύρω από τον κρατήρα λόγω της παραμόρφωση του υλικού είναι πολύ ευάλωτα στην μετέπειτα απομάκρυνση τους μέσω της πρόσπτωσης νέων σωματιδίων. Κάτι τέτοιο δίνει έμφαση στο γεγονός ότι ο συγκεκριμένος μηχανισμός απαιτεί την πρόσπτωση περισσότερων του ενός σωματιδίου για την αφαίρεση υλικού. Σε σχετική έρευνα ο Finnie μελέτησε την επιφάνεια που προκύπτει μετά την πρόσπτωση σωματιδίων SiC υπό γωνία 90 ο στον χαλκό και το αλουμίνιο. Ο μηχανισμός απομάκρυνσης υλικού περιλαμβάνει την ισοπέδωση οποιασδήποτε προεξοχής και την μετατροπή της σε ένα πλακοειδές σωματίδιο το οποίο στην συνέχεια θα απομακρυνθεί με την πρόσπτωση άλλων σωματιδίων. 39

40 . Σχήμα 3.6: Δοκίμιο από καθαρό Νi που έχει υποστεί φθορά λόγω στερεών σωματιδίων Al 2 O 3 μεγέθους 130μm που προσπίπτουν στην εξεταζόμενη επιφάνεια με ταχύτητα 53,8m/s για γωνίες α = 20 ο (αριστερά) και α=90 ο (δεξιά). [3] Ο μηχανισμός platelet δεν έχει ακόμα μοντελοποιηθεί ποσοτικά με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατών να προβλέπεται με βάση αυτόν ο εκθέτης n της ταχύτητας ή οι αποκλίσεις του ρυθμού φθοράς Ε συναρτήσει της σκληρότητας Η. Το απλό μοντέλο του Finnie από την άλλη δεν μπορούσε να εξηγήσει την ύπαρξη φθοράς σε μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης ούτε τις παρατηρήσεις ότι πολλές φορές η φθορά δεν ήταν αντιστρόφως ανάλογη της σκληρότητας Η. Ο Bitter έφτιαξε ένα μοντέλο που χρησιμοποιούσε σαν μεταβλητή την ενέργεια που απαιτείται ανά μονάδα όγκου του υλικού για την αφαίρεση του. Το μοντέλο αυτό διαχώριζε την φθορά λόγω μηχανικής διάβρωση στην φθορά λόγω κοπής (cutting) και στην φθορά λόγω παραμόρφωσης. Η μορφή των καμπύλων που αφορούν την φθορά λόγω κοπής και λόγω παραμόρφωσης σαν συνάρτηση της γωνίας α έχουν την ίδια μορφή με αυτήν που παρουσιάζουν τα όλκιμα και τα ψαθυρά υλικά του σχήματος 3.1 με μέγιστο στις 20 ο και στις 90 ο αντίστοιχα. Τέλος αναφέρεται, σύμφωνα και με την βιβλιογραφία, ότι πιθανότατα ο βασικός μηχανισμός αφαίρεσης υλικού στους 90 ο είναι ο platelet mechanism και στους 20 ο ο μηχανισμός άμεσης απομάκρυνσης του υλικού (micromachining) χωρίς όμως να υπάρχει πλήρης συμφωνία επί του θέματος. 3.3)Παράμετροι που επηρεάζουν την μηχανική φθορά. [3] Παράμετροι που επηρεάζουν τον ρυθμό φθοράς Ε εκτός της γωνίας πρόσπτωσης και της ταχύτητας των στερεών σωματιδίων που αναπτύχθηκαν παραπάνω είναι: Mέγεθος σωματιδίων: Το μέγεθος των σωματιδίων φαίνεται να έχει μικρή η καμία επίδραση στον ρυθμό φθοράς Ε των όλκιμων υλικών όταν το μέγεθος τους είναι μεγαλύτερο από τα 100μm. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων κάτω από τα 100μm οδηγεί σε μια ραγδαία μείωση του ρυθμού φθοράς. Σε άλλες περιπτώσεις όπως για παράδειγμα στην έρευνα των Liebhard και Levy στον χάλυβα 1018 o 40

41 ρυθμός φθοράς Ε δεν παρέμεινε σταθερός για σωματίδια μεγαλύτερα των 100μm. Συγκεκριμένα ο ρυθμός φθοράς Ε για ταχύτητες 20m/s και 60m/s.σταθεροποιήθηκε για μέγεθος σωματιδίων 200μm και 850μm αντίστοιχα. Σκληρότητα σωματιδίων: Η σκληρότητα των στερεών σωματιδίων συγκριτικά με την σκληρότητα της εξεταζόμενης επιφάνειας παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της φθοράς. Όπως και στην περίπτωση της φθοράς λόγω εκτριβής έτσι και στην περίπτωση της φθοράς λόγω στερών σωματιδίων ο ρυθμός φθοράς Ε μειώνεται δραματικά όταν χρησιμοποιηθούν σωματίδια με σκληρότητα μικρότερη από αυτήν της εξεταζόμενης επιφάνειας. Σύμφωνα με τους Misra και Finnie πιθανότατα οι θερμικές κατεργασίες που γίνονται σε χάλυβες και δεν οδηγούν σε μείωση του ρυθμού φθοράς Ε μπορεί να οφείλεται στην χρήση πολύ σκληρών σωματιδίων όπως SiC και Al 2 O 3. Πυκνότητα ροής σωματιδίων: Ο Αnald σε σχετική έρευνα απέδειξε ότι η αλληλεπίδραση των σωματιδίων που ανακλώνται στην εξεταζόμενη επιφάνεια με αυτά που προσπίπτουν σε αυτήν επιφάνεια έχει σαν αποτέλεσμα την προστασία της επιφάνειας με αποτέλεσμα την εκθετική μείωση του ρυθμού φθοράς Ε με την αύξηση της πυκνότητας ροής των σωματιδίων. Παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση του χάλυβα 1018 που υποβάλλεται σε μηχανική διάβρωση με σωματίδια Αl 2 O 3 μεγέθους 63μm. Τα σωματίδια προσπίπτουν στην εξεταζόμενη επιφάνεια με ταχύτητα 50m/s υπό γωνία 90 ο διοχετευόμενα με ρυθμό 5g/min διαμέσου ακροφυσίου με διάμετρο 3,2mm. Η χρήση ακροφυσίου τόσο μικρής διαμέτρου είχε σαν αποτέλεσμα να παρατηρείτε μείωση κατά 10% στον ρυθμό φθοράς Ε. Η επίδραση της πυκνότητας ροής των σωματιδίων στον ρυθμό φθοράς αυξάνει όσο μειώνεται η ταχύτητα ή το μέγεθος των σωματιδίων. Επίσης εξαρτάται και από το ίδιο το εξεταζόμενο υλικό μέσω της δυνατότητας που προσφέρει στα σωματίδια να αναπηδούν για μεγάλο χρονικό διάστημα στην εξεταζόμενη επιφάνεια προστατεύοντας την. 3.4)Μηχανική διάβρωση χαλύβων. [3] Η μηχανική διάβρωση των χαλύβων περιγράφεται σε ξεχωριστή ενότητα επειδή παρόλο που η σκληρότητα αυτών των υλικών μπορεί να μεταβληθεί σε μεγάλο βαθμό μέσω θερμικών κατεργασιών δεν υπάρχει ακόμα κάποιο στοιχείο το οποίο να υποδεικνύει ότι οδηγεί επίσης σε μια αύξηση στην αντίσταση στην φθορά λόγω στερών σωματιδίων. Επιπρόσθετα η σχετική μείωση στην ολκιμότητα του υλικού μέσω των θερμικών κατεργασιών ενδεχομένως θα μπορούσε να οδηγήσει στην μετάβαση της συμπεριφοράς του υλικού από όλκιμη σε ψαθυρή. Ο Finnie σε σχετικά πειράματα έδειξε ότι η φθορά Ε του χάλυβα 1055 από σωματίδια SiC μεγέθους 250μm εμφανίζει μέγιστο στις 25 ο για μια φερριτοπερλιτική μικροδομή και στις 90 ο για μια μαρτενσιτική μικροδομή. Άλλοι ερευνητές δεν βρήκαν καμία επίδραση των θερμικών κατεργασιών στην μορφή της καμπύλης Ε α όταν χρησιμοποίησαν Αl 2 O 3 μεγέθους 36μm. Aυτό ενδεχομένως να οφείλεται στο γεγονός ότι ο Finnie στην συγκεκριμένη έρευνα χρησιμοποίησε μεγάλα σωματίδια εφόσον σε άλλο πείραμα που έγινε από τους Sheldon και Finnie τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μορφή της καμπύλης Ε α ενός χάλυβα εργαλείων μεταβλήθηκε από την αρχική ενδιάμεση μορφή (μεταξύ ψαθυρής και όλκιμης) με σωματίδια SiC μεγέθους 125μm σε μια καθαρά όλκιμη (μέγιστο στις 20 ο ) με σωματίδια SiC μεγέθους 9μm. 41

42 Χαρακτηριστικά όλκιμης συμπεριφορά παρατηρήθηκαν επίσης και σε υλικά όπως η μαγνησία ΜgO και σε πλάκες γυαλιού όταν αυτά προσβάλλονταν από σωματίδια μεγέθους 9μm. Η όλκιμη συμπεριφορά σε ψαθυρά υλικά με την χρήση μικρών σωματιδίων συνδέεται άμεσα με την υπόθεση ότι κάτω από ένα κρίσιμό φορτίο και βάθος διείσδυσης σε μικροσκληρομετρήσεις κατά Vickers σε κεραμικά υλικά δεν σχηματίζονται ρωγμές. Το ίδιο παρατηρείται και κατά την φθορά λόγω εκτριβής. Με βάση πειραματικά αποτελέσματα διαφόρων ερευνητών το πιο σημαντικό στοιχείο από θεωρητικής και τεχνολογικής άποψης είναι ότι ο ρυθμός φθοράς για δεδομένη γωνία α είναι σχεδόν ανεξάρτητος από την σκληρότητα του κάθε χαλύβδινου υλικού (σχήμα 3.4). Άλλοι ερευνητές έδειξαν ότι η σκληρότητα έχει μικρή επίδραση στην αντίσταση στην φθορά 1/Ε σε έναν δεδομένο χάλυβα και ότι η φθορά Ε μερικές φορές αυξανόταν λίγο συναρτήσει της σκληρότητας Η. Οι Salik και Buckley έδειξαν με βάση πειραματικά δεδομένα ότι η σκληρότητα είχε πολύ μικρή επίδραση στην φθορά του χάλυβα 1045 με γυάλινα θραύσματα μεγέθους 100μm υπό γωνία 90 ο. Οι Levy και Jahanmir βρήκαν ότι στον χάλυβα 1075 μετά από θερμική κατεργασία για σχηματισμό λεπτομερή (fine) περλίτη, τραχύ περλίτη (coarse) και καρβίδια σε σφαιροποιημένη μορφή το υλικό εμφάνιζε όλκιμη συμπεριφορά και ότι η φθορά αυξανόταν ελάχιστα όσο αυξανόταν η σκληρότητα. Οι Zhu και Mao μελέτησαν την μηχανική διάβρωση των χαλύβων χρησιμοποιώντας έναν χάλυβα παραπλήσιο με τον Το υλικό χρησιμοποιήθηκε τόσο σε ανοπτημένη κατάσταση (254ΗV) όσο και μετά από βαφή και επαναφορά (464 και 642ΗV). Επίσης χρησιμοποίησαν και έναν ταχυχάλυβα τόσο σε ανοπτημένη κατάσταση (289ΗV) όσο και μετά από βαφή (983HV). Τα συμπεράσματα που προέκυψαν ήταν ότι η χρήση σχετικά μαλακών σωματιδίων οδηγούσε σε αυξημένους ρυθμούς φθοράς κοντά σε γωνίες των 90 ο ενώ για σχετικά σκληρά σωματίδια ο μέγιστος ρυθμός φθοράς εμφανιζόταν σε μικρές γωνίες α. Η φθορά Ε στον χάλυβα 4140 όσο και στον ταχυχάλυβα μεταβλήθηκε κατά 10% συναρτήσει της σκληρότητας για σωματίδια SiC (2500HV) Al 2 O 3 και SiO 2 (1350HV). Τα σκληρά σωματίδια δημιούργησαν στις εξεταζόμενες επιφάνειες χαρακτηριστικά που υποδηλώνουν τον μηχανισμό της άμεσης κοπής υλικού (micromachining) σε χαμηλές γωνίες α ενώ τα μαλακά σωματίδια οδήγησαν στην παραμόρφωση της επιφάνειας. O Peterson μελέτησε την φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης στον χάλυβα 1078 και στον χάλυβα μετά από διάφορες θερμικές κατεργασίες που οδήγησαν σε διάφορες μικροδομές με σκληρότητες Η από 163ΗV μέχρι 775ΗV. (σφαιροποιημένα καρβίδια, περλιτης, μαρτενσίτης και επαναφερμένος μαρτενσίτης). Χρησιμοποιήθηκαν σωματίδια Αl 2 Ο 3 μεγέθους 36μm, ταχύτητες από 40m/s 100m/s και γωνίες α από 15 ο 90 ο. Το μέγιστο του ρυθμού φθοράς ήταν στις 40 ο για ταχύτητα 40m/s και αυξήθηκε κοντά στις 90 ο για ταχύτητες κοντά στα 100m/s. Ο ρυθμός φθοράς Ε ήταν ουσιαστικά ανεξάρτητος από την σκληρότητα Η για δεδομένη γωνία α = 40 ο και αυξήθηκε σε μικρό βαθμό με την σκληρότητα Η για γωνία α = 90 ο. Τα χαρακτηριστικά της εξεταζόμενης επιφάνειας παραπέμπουν σε αφαίρεση υλικού με όλκιμο τρόπο για όλες τις μικροδομές ακόμα και για το μαρτενσίτη ενώ επίσης δεν παρατηρήθηκαν ρωγμές κάτω από την εξεταζόμενη επιφάνεια σε εγκάρσιες τομές που έγιναν. Μεταξύ της μαρτενσιτικής μικροδομής και της μικροδομής με σφαιροποιημένα καρβίδια στον χάλυβα στις 90 ο δεν παρατηρήθηκαν διαφοροποιήσεις στην εξεταζόμενη επιφάνεια και κυρίως στις διαστάσεις του σχηματιζόμενου κρατήρα. Παρόμοιοι ρυθμοί φθοράς (0.14mg/g και 0,24mg/g αντίστοιχα) έχουν παρατηρηθεί και σε άλλες έρευνες. Αυτό όμως έρχεται σε αντίθεση με τα αποτελέσματα που προκύπτουν από θεωρητικές μελέτες (impact theory) στις 42

43 οποίες αναμενόταν οι διαστάσεις του κρατήρα στην μαρτενσιτική μικροδομή να είναι μικρότερες εφόσον είναι περίπου 4,4 φορές σκληρότερος. Η παραπάνω αντίφαση δικαιολογήθηκε με βάση την υπόθεση ότι η αύξηση της σκληρότητας Η δεν οδηγεί σε βελτίωση του ρυθμού φθοράς στα χαλύβδινα υλικά. Τέλος μέρος της έρευνας των Liang και Κosel έδειξε ότι η δυναμική σκληρότητα του χάλυβα 1080 δεν αυξάνεται τόσο γρήγορα όσο η στατική σκληρότητα (μέσω θερμικών κατεργασιών). Η διαφοροποίηση αυτή όμως δεν είναι αρκετή για να δικαιολογήσει την σταθερή τιμή που παρουσίαζε ο ρυθμός φθοράς Ε. 43

44 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 44

45 1)Πειραματικά υλικά. Στην παράγραφο αυτή γίνεται μια αναφορά στα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα πειράματα μηχανικής διάβρωσης. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν 4 εργαλειοχάλυβες τους οποίους η κατασκευάστρια εταιρία τους παραδίδει σε ανοπτημένη κατάσταση (soft annealed). 1.1)Εργαλειοχάλυβας QRO 90. [6[ Ο συγκεκριμένος εργαλειοχάλυβας χρησιμοποιείται για εφαρμογές εν θερμώ και περιέχει σαν κύριες κραματικές προσθήκες χρώμιο μολυβδαίνιο-βανάδιο και χαρακτηρίζεται από: Υψηλή μηχανική αντοχή και σκληρότητα σε υψηλές θερμοκρασίες Αντίσταση στην επαναφορά Αντοχή στην θερμική κόπωση Υψηλή θερμική αγωγιμότητα Σχετικά υψηλές τιμές δυσθραυστότητας και ολκιμότητας προς όλες τις διευθύνσεις Πίνακας 1.1:Χημική σύσταση εργαλειοχάλυβα QRO 90. [6] Xημική σύσταση C Si Mn Cr Mo V %κ.β Ο εργαλειοχάλυβας QRO χρησιμοποιείται σε μήτρες (dies) για εξώθηση και χύτευση μη σιδηρούχων κραμάτων καθώς επίσης και σε μήτρες για την σφυρηλασία και την εξώθηση χαλύβων. 1.2)Εργαλειοχάλυβας Οrvar. [7] Ο συγκεκριμένος εργαλειοχάλυβας χρησιμοποιείται για κατεργασίες εν θερμώ και περιέχει σαν κύριες κραματικές προσθήκες χρώμιο μολυβδαίνιο-βανάδιο και χαρακτηρίζεται από: Υψηλή μηχανική αντοχή στην εκτριβή σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες Υψηλή δυσθραυστότητα και ολκιμότητα Υψηλή μηχανουργική κατεργασιμότητα Υψηλή μηχανική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στην θερμική κόπωση Μικρή παραμόρφωση (distortion) κατά την σκλήρυνση Πίνακας 1.2:Χημική σύσταση του εργαλειοχάλυβα Orvar. [7] Xημική σύσταση C Si Mn Cr Mo V %κ.β Ο εργαλειοχάλυβας ORVAR χρησιμοποιείται για την κατασκευή καλουπιών για χύτευση καθώς επίσης και σε μήτρες για σφυρηλασία και την εξώθηση αλουμινίου. 45

46 Στο παράρτημα παρατίθεται το διάγραμμα δευτερογενούς σκλήρωσης του συγκεκριμένου χάλυβα με βάση τα οποία σχεδιάστηκε η κατεργασία της επαναφοράς του (σχήμα 1.3). 1.3)Εργαλειοχάλυβας Sleipner. [8] Ο συγκεκριμένος εργαλειοχάλυβας χρησιμοποιείται για κατεργασίες εν ψυχρώ και περιέχει σαν κύριες κραματικές προσθήκες χρώμιο μολυβδαίνιο-βανάδιο και χαρακτηρίζεται από: Υψηλή αντοχή στην φθορά. Καλή αντίσταση στην απολέπιση. (chipping resistance) Yψηλή αντοχή στην θλίψη. Υψηλή σκληρότητα >60 HRC μετά από επαναφορά σε υψηλές θερμοκρασίες. Καλή μηχανουργική κατεργασιμότητα. Πίνακας 1.3:Χημική σύσταση του εργαλειοχάλυβα Sleipner. [8] Xημική σύσταση C Si Mn Cr Mo V %κ.β Ο χάλυβας Sleipner είναι ένας χάλυβας γενικής χρήσης με κύριο χαρακτηριστικό του την υψηλή αντοχή στην εκτριβή και την αντοχή στην απολέπιση. Επιπλέον επιτυγχάνονται υψηλές τιμές σκληρότητας άνω των 60HRC μετά από επαναφορά σε υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα οι επιφανειακές κατεργασίες όπως η δημιουργία επιστρωμάτων με PVD ή η εναζάτωση να γίνονται σε ένα υπόστρωμα με υψηλή μηχανική αντοχή. Ο συγκεκριμένος χάλυβας χρησιμοποιείται για κατεργασίες εκτύπωσης, κοπής με διάτμηση, σφυρηλασία εν ψυχρώ, εξώθηση εν ψυχρώ, βαθεία κοίλανση και στην συμπίεση κόνεων. 1.4)Εργαλειοχάλυβας Vanadis. [9] Ο εργαλειοχάλυβας Vanadis 10 είναι ένα προϊόν κονιομεταλλουργίας για κατεργασίες εν ψυχρώ και περιέχει σαν κύριες κραματικές προσθήκες χρώμιο μολυβδαίνιο-βανάδιο και εμφανίζει έναν συνδυασμό εξαιρετικά υψηλής αντοχής στην φθορά και καλής δυσθραυστότητας.. Γενικά χαρακτηρίζεται από: Εξαιρετικά υψηλή αντοχή στην φθορά εκτριβής. Yψηλή αντοχή στην θλίψη. Καλή δυσθραυστότητα Ένα μεγάλο πλεονέκτημα του συγκεκριμένου εργαλειοχάλυβα είναι η διαστασιακή σταθερότητα που τον διέπει μετά από την σκλήρυνση και την επαναφορά του συγκριτικά με άλλους εργαλειοχάλυβες για εν ψυχρώ κατεργασίες. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο συγκεκριμένος εργαλειοχάλυβας να είναι κατάλληλος για επιστρώματα μέσω της τεχνικής CVD. 46

47 Πίνακας 1.4:Χημική σύσταση του εργαλειοχάλυβα Vanadis. [9] Xημική σύσταση C Si Mn Cr Mo V %κ.β Ο εργαλειοχάλυβας Vanadis χρησιμοποιείται σε κατεργασίες μεγάλης διάρκειας όπου η φθορά λόγω εκτριβής αποτελεί το βασικό πρόβλημα. Ο εξαιρετικός συνδυασμός της καλής δυσθραυστότητας και της εξαιρετικά υψηλής αντοχής στην φθορά λόγω εκτριβής τον καθιστούν μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση σε εφαρμογές όπου εργαλεία από υλικά που περιέχουν καρβίδια του σεμεντίτη αστοχούν λόγω απολέπισης ή ρωγμάτωσης. Στo παράρτημα παρατίθεται τα διάγραμμα συνεχούς απόψυξης CCT και δευτερογενούς σκλήρωσης των πειραματικών υλικών με βάση τα οποία σχεδιάστηκε η κατεργασία της επαναφοράς τους.(σελ 90 ) 2)Διαστάσεις δοκιμίων. Στην παράγραφο αυτή γίνεται μια αναφορά στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων και στον τρόπο με τον οποίο κατασκευάστηκαν. Όλα τα πειραματικά υλικά διατίθενται στο εμπόριο με την μορφή ράβδων (bars) σε διάφορες διαμέτρους. Για τους σκοπούς του πειράματος επιλέχθηκαν ράβδοι διαμέτρου 38mm οι οποίες κόπηκαν με χρήση πριονοκορδέλας ανά 10mm. Το καθένα από αυτά τα κυκλικά τεμάχια πλάτους 10mm που προέκυψαν κόπηκε στον δισκοτόμο σε τέσσερα τεμάχια (δηλαδή σε 4 τεταρτοκύκλια). Κάθε ένα από αυτά τα τεταρτοκύκλια αποτελεί ένα δοκίμιο μηχανικής διάβρωσης πλάτους 10mm.. Σχήμα 2.1: Διαστάσεις δοκιμίων μηχανικής διάβρωσης. (πρόοψη και πλάγια όψη). Συνολικά κατασκευάστηκαν 8 δοκίμια από τον κάθε τύπο εργαλειοχάλυβα με τις διαστάσεις που φαίνονται στο σχήμα 2.1 (συνολικά 32). Στα πειράματα μηχανικής διάβρωσης η πρόσπτωση των στερεών σωματιδίων γίνεται στο κέντρο της επιφάνεια του δοκιμίου που φαίνεται στην πρόοψη και ισούται πr 2 = mm 2.Οι διαστάσεις των δοκιμίων πρέπει να είναι ίδιες διότι η διαθέσιμη επιφάνεια για φθορά πρέπει να είναι ίδια. 47

48 3)Θερμικές & Θερμοχημικές κατεργασίες. Στην παράγραφο αυτή περιγράφονται οι διάφορες θερμικές και θερμοχημικές κατεργασίες που έγιναν σε κάθε δοκίμιο. Σκοπός των κατεργασιών αυτών είναι η δημιουργία μικροδομών με ιδιότητες που να απέχουν σε μεγάλο βαθμό από την αρχική ανοπτημένη μικροδομή στην οποία παραδόθηκαν τα υλικά (ράβδοι) από την κατασκευάστρια εταιρία. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως για κάθε τύπο εργαλειοχάλυβα υπάρχουν συνολικά 8 διαθέσιμα δοκίμια. 3.1)Εργαλειοχάλυβας QRO 90: Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία η θερμική κατεργασία που έχει υποστεί η ράβδος αρχικά είναι μια θέρμανση μέχρι τους 820 ο C η οποία ακολουθείται από μια απόψυξη μέχρι τους 650 ο C μέσα στον φούρνο με ρυθμό 10 ο C/h και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα μέχρι την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επομένως και τα 8 δοκίμια αρχικά βρίσκονται σε ανοπτημένη κατάσταση. Δοκίμιο αναφοράς Το δοκίμιο 1 διατηρείται ως έχει δηλαδή σε ανοπτημένη κατάσταση και χαρακτηρίζεται σαν το υλικό αναφοράς για τον συγκεκριμένο εργαλειοχάλυβα με κωδικό Q-1 (standard material). Δοκίμια επαναφοράς Στo δοκίμιo 2 εκτελείται η θερμική κατεργασία της επαναφοράς. Το δοκίμιο 2 έχει κωδικό Q-2. Αρχικά γίνεται μια προθέρμανση του κράματος στους 650 ο C για 30min και στην συνέχεια στους 850 ο C για 30min. Στην συνέχεια ακολουθεί η ωστενιτοποίηση του υλικού στους 1050 ο C για 40min και η ταχύτατη απόψυξη του στο νερό (βαφή). Έπειτα ακολουθεί η επαναφορά του υλικού. Η επαναφορά γίνεται σε 3 στάδια: Τ=580 ο C για t=120min,t=650 ο C για t=120min και T=610 ο C για t=120min.τέλος ακολουθεί απόψυξη στον αέρα ως την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η διαδικασία που μόλις περιγράφθηκε παρατίθενται επιγραμματικά στον πίνακα 3.1 και γραφικά στο σχήμα 3.1. Πίνακας 3.1: Επαναφορά του δοκιμίου 2 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Kωδικός Q-2 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά

49 Επαναφορά του εργαλειοχάλυβα QRO Θερμοκρασία C x Δοκίμιο 2: Q Χρόνος (min) Σχήμα 3.1: Επαναφορά του δοκιμίου 2 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Αντίστοιχοι πίνακες και διαγράμματα καταρτίζονται και για τα δοκίμια 3 και 4 με κωδικούς Q-3 και Q-4 αντίστοιχα τα οποία υποβάλλονται σε επαναφορά. Πίνακας 3.2:Επαναφορά του δοκιμίου 3 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-3 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά του εργαλειοχάλυβα QRO Θερμοκρασία C x Δοκίμιο 3: Q Χρόνος (min) Σχήμα 3.2: Επαναφορά του δοκιμίου 3 για τον εργαλειοχάλυβα QRO

50 Πίνακας 3.3: Επαναφορά του δοκιμίου 4 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-4 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά του εργαλειοχάλυβα QRO Θερμοκρασία C x Δοκίμιο 4: Q Χρόνος (min) Σχήμα 3.3: Επαναφορά του δοκιμίου 4 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Δοκίμια βορίωσης: Η βορίωση διεξάγεται με την τεχνική pack cementation και την χρήση εμπορικής σκόνης Durborid. Το δοκίμιο 5 έχει υποστεί την επιφανειακή κατεργασία της βορίωσης. Συγκεκριμένα το δοκίμιο 5 παραμένει στην αρχική ανοπτημένη κατάσταση όπως το δοκίμιο 1 και υποβάλλεται απλά σε βορίωση. Ο κωδικός του συγκεκριμένου δοκιμίου είναι Q-1B επειδή το υπόστρωμα είναι ίδιο με το δοκίμιο 1 (με κωδικό Q-1) ενώ ο χαρακτήρας B υποδηλώνει την κατεργασία της βορίωσης. Η κατεργασία της βορίωσης παρατίθεται επιγραμματικά στον πίνακα 3.4 και γραφικά στο σχήμα 3.4. Πίνακας 3.4: Βορίωση του δοκιμίου 5 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-1B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση

51 Bορίωση του εργαλειοχάλυβα QRO 90 Θερμοκρασία (C) Χρόνος (min) Δοκί μι ο 5: Q-1B Σχήμα 3.4: Βορίωση του δοκιμίου 5 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Το δοκίμιο 6 έχει υποστεί την επιφανειακή κατεργασία της βορίωσης. Συγκεκριμένα το δοκίμιο 6 υποβάλλεται στην ίδια θερμική κατεργασία επαναφοράς όπως το δοκίμιο 2 (πίνακας 3.1) και στην συνέχεια ακολουθεί η βορίωση του. Ο κωδικός του δοκιμίου 6 είναι Q-2B επειδή το υπόστρωμα είναι ίδιο με το δοκίμιο 2 (με κωδικό Q-2) ενώ ο χαρακτήρας B υποδηλώνει την κατεργασία της βορίωσης που ακολουθεί. Η κατεργασία της βορίωσης παρατίθεται επιγραμματικά στον πίνακα 3.5 και γραφικά στο σχήμα 3.5. Πίνακας 3.5: Βορίωση του δοκιμίου 6 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-2B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Bορίωση του εργαλειοχάλυβα QRO Θερμοκρασία (C) Χρόνος (min) Δοκί μι ο 6: Q-2B Σχήμα 3.5: Βορίωση του δοκιμίου 6 για τον εργαλειοχάλυβα QRO

52 Το δοκίμιο 7 έχει υποστεί την επιφανειακή κατεργασία της βορίωσης. Συγκεκριμένα το δοκίμιο 7 υποβάλλεται αρχικά στην ίδια θερμική κατεργασία επαναφοράς όπως το δοκίμιο 3 (πίνακας 3.2) και στην συνέχεια ακολουθεί η βορίωση του. Ο κωδικός του δοκιμίου 7 είναι Q-3B επειδή το υπόστρωμα είναι ίδιο με το δοκίμιο 3 (με κωδικό Q- 3) ενώ ο χαρακτήρας B υποδηλώνει την κατεργασία της βορίωσης. Η κατεργασία της βορίωσης παρατίθεται επιγραμματικά στον πίνακα 3.6 και γραφικά στο σχήμα 3.6. Πίνακας 3.6: Βορίωση του δοκιμίου 7 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-3B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Bορίωση του εργαλειοχάλυβα QRO Θερμοκρασία (C) Χρόνος (min) Δοκί μι ο 7: Q-3B Σχήμα 3.6: Βορίωση του δοκιμίου 7 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Το δοκίμιο 8 έχει υποστεί την επιφανειακή κατεργασία της βορίωσης. Συγκεκριμένα το δοκίμιο 8 υποβάλλεται αρχικά στην ίδια θερμική κατεργασία επαναφοράς όπως το δοκίμιο 4 (πίνακας 3.3) και στην συνέχεια ακολουθεί η βορίωση του. Ο κωδικός του δοκιμίου 8 είναι Q-4B επειδή το υπόστρωμα είναι ίδιο με το δοκίμιο 4 (με κωδικό Q- 4) ενώ ο χαρακτήρας B υποδηλώνει την κατεργασία της βορίωσης. Η κατεργασία της βορίωσης παρατίθεται επιγραμματικά στον πίνακα 3.7 και γραφικά στο σχήμα 3.7. Πίνακας 3.7: Βορίωση του δοκιμίου 8 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-4B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση

53 Bορίωση του εργαλειοχάλ υβα QRO 90 Θερμοκρασία (C) Χρόνος (min) Δοκί μι ο 8: Q-4B Σχήμα 3.7: Βορίωση του δοκιμίου 8 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Τέλος παρατίθεται ένας συνοπτικός πίνακας με τις κατεργασίες και τους κωδικούς των δοκιμίων για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Πίνακας 3.8: Συνοπτικός πίνακας δοκιμίων του εργαλειοχάλυβα QRO 90 Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - Q-1 2 Επαναφορά Q-2 3 Επαναφορά Q-3 4 Επαναφορά Q-4 5 Βορίωση Q-1B 6 Επαναφορά+Βορίωση Q-2B 7 Επαναφορά+Βορίωση Q-3B 8 Επαναφορά+Βορίωση Q-4B Αντίστοιχη μεθοδολογία και κωδικοποίηση χρησιμοποιήθηκε για τα δοκίμια των υπόλοιπων εργαλειοχαλύβων. Η μοναδική διαφοροποίηση έγκειται στις επιλεγμένες θερμοκρασίες για την επαναφορά και την βορίωση. Οι πίνακες αυτοί παρατίθενται στο παράρτημα (σελ 94 ). 53

54 4)Πείραμα μηχανικής διάβρωσης. Το πείραμα μηχανικής διάβρωσης εκτελέστηκε για όλα τα δοκίμια που παρατίθενται ανά εργαλειοχάλυβα στους συνοπτικούς πίνακες. Σκοπός των πειραμάτων αυτών ήταν να αποκαλυφθεί υπό δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης ποια είναι η επίδραση της επαναφοράς και της βορίωσης στον ρυθμό φθοράς του κάθε εργαλειοχάλυβα. Στην συνέχεια γίνεται μια περιγραφή της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε καθώς και του τρόπου με τον οποίο έγινε η συλλογή των δεδομένων από τα πειράματα μηχανικής διάβρωσης. 4.1)Πειραματική διάταξη μηχανικής διάβρωσης Η διάταξη πρέπει να τηρεί κάποιες προδιαγραφές οι οποίες απαιτούνται έτσι ώστε να υπάρχει ελεγχόμενη φθορά. Ελεγχόμενη φθορά εμφανίζεται όταν υπάρχει η δυνατότητα να καθορίζονται και να μεταβάλλονται οι συνθήκες φθοράς από τον χειριστή της διάταξης. Συνθήκες ελεγχόμενης φθοράς επιτυγχάνονται όταν ελέγχονται οι παρακάτω παράμετροι: 1. Η γωνία τοποθέτησης (θ) των δοκιμίων (γωνία πρόσκρουσης των σωματιδίων στην επιφάνεια των δοκιμίων). 2. Η παροχή του αέρα (Q) που μεταφέρει τα σωματίδια που φθείρουν το εξεταζόμενο υλικό. 3. Η απόσταση (L) μεταξύ της επιφάνειας του δοκιμίου και του σημείου εκτόξευσης των σωματιδίων. 4. Η παροχή των σωματιδίων (Q σωμ ) που φτάνει στην επιφάνεια του δοκιμίου. 5. Ο χρόνος παραμονής (t) του δοκιμίου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες φθοράς. 6. Η θερμοκρασία του δοκιμίου (Τ). 7. Ο έλεγχος και η ρύθμιση διαβρωτικού υλικού. Οδηγίες για την κατασκευή πειραματικών διατάξεων που θα ελέγχουν τη φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης που προκαλείται από την πρόσκρουση στερεών σωματιδίων στην επιφάνεια του εξεταζόμενου υλικού δίνονται από το πρότυπο της ASTM G Στο σχήμα 4.1 φαίνεται η πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε για το εργαστήριο Μεταλλογνωσίας. Αυτή αποτελείται από τα παρακάτω μέρη: 1. Σύστημα παροχής. 2. Χώρος αναρρόφησης σωματιδίων. 3. Πιστολάκι αναρρόφησης. 4. Αντιδραστήρας. 5. Σύστημα συγκράτησης, περιστροφής και θέρμανσης του δοκιμίου. 6. Χοάνη σωματιδίων. 7. Κυκλώνας. 8. Σύστημα εισαγωγής διαβρωτικού υλικού. 9. Κύρια παροχή αέρα. 54

55 10. Παροχή αέρα συστήματος εισαγωγής διαβρωτικού μέσου. Σχήμα 4.1: Πειραματική διάταξη για ελεγχόμενη φθορά λόγω μηχανικής διάβρωσης με εκτόξευση στερεών σωματιδίων. Στην συνέχεια γίνεται μια αναφορά στα κυριότερα μέρη της διάταξης όπως το σύστημα παροχής στερεών σωματιδίων το σύστημα αναρρόφησης και το σύστημα εκτόξευσης σωματιδίων Σύστημα παροχής σωματιδίων Το βασικό μέρος της μηχανικής διάταξης για τη φθορά μηχανικής διάβρωσης είναι το σύστημα παροχής των σωματιδίων (σχήμα 4.2). Το σύστημα παροχής συνδέεται με τη χοάνη των σωματιδίων και το σύστημα αναρρόφησης με τις φλάντζες 6 και 7 αντίστοιχα. Η μετακίνηση της πλάκας 2, η οποία ολισθαίνει πάνω στην ακίνητη πλάκα 1, γίνεται με την βοήθεια του μικρομέτρου. Το μικρόμετρο εδράζεται με την 55

56 βοήθεια ενός εδράνου κύλισης και περιστρέφεται ως προς τον διαμήκη άξονα του μετατοπίζοντας αξονικά την πλάκα 8 η οποία και συνδέεται σταθερά με την πλάκα 2. Μέσω της ολίσθησης της η πλάκα 2 μπορεί να κλείσει στεγανά τις οπές του στοιχείου 3 όταν δεν θέλουμε εκροή των σωματιδίων προς το σύστημα αναρρόφησης. Σχήμα 4.2: Σύστημα παροχής σωματιδίων 4.1.2Σύστημα αναρρόφησης και εκτόξευσης στερεών σωματιδίων Το σύστημα αυτό αποτελείται από δύο επιμέρους τμήματα: το πιστολάκι αναρρόφησης και τον χώρο από τον οποίο γίνεται η αναρρόφηση των στερεών σωματιδίων. Το πιστολάκι αναρρόφησης φαίνεται στο σχήμα 4.2α και λειτουργεί ως εξής: αέρας εισέρχεται στο πιστολάκι αναρρόφησης με την βοήθεια ενός αεροσυμπιεστή που αποτελεί το σύστημα παροχής αέρα. Ο αεροσυμπιεστής και το πιστολάκι αναρρόφησης συνδέονται μέσω ελαστικού σωλήνα. Ο αέρας στην συνέχεια επιταχύνεται στο ακροφύσιο 1 και το μέγεθος της υποπίεσης που επιτυγχάνεται γύρω από αυτό είναι ανάλογη των διαστάσεων του ακροφυσίου 1 και της παροχής αέρα Q αερα που επιλέγεται. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ροή στερεών σωματιδίων από τον χώρο αναρρόφησης προς το ακροφύσιο 2. Το βιδωτό καπάκι 6 πιέζει μέσω ενός ελατηρίου το ακροφύσιο 1 έτσι ώστε όλος ο αέρας να περνάει μέσα από αυτό. Το στεγανοποιητικό 5 έχει τον εξής ρόλο: πρώτον να συγκρατεί το ακροφύσιο 2 και δεύτερον να επιτρέπει τη ροή του μίγματος αέρα-στερεών σωματιδίων μόνο μέσα από το ακροφύσιο 2. Η σύνδεση μεταξύ του χώρου από τον οποίο γίνεται η αναρρόφηση με το πιστολάκι αναρρόφησης γίνεται μέσω ελαστικού σωλήνα. Ολόκληρο το σύστημα συνδέεται με τον αντιδραστήρα μέσω της φλάντζας 3. Το δεύτερο τμήμα του συστήματος αναρρόφησης είναι ο χώρος από τον οποίο γίνεται η αναρρόφηση των στερεών σωματιδίων (σχήμα 4.2.β). Το τμήμα αυτό συνδέεται με το σύστημα παροχής στερεών σωματιδίων μέσω της φλάντζα 3. Τα στερεά σωματίδια καταλήγουν μέσω του σωλήνα 1 στο κυλινδρικό δοχείο 2 και αναρροφώνται από το πιστολάκι αναρρόφησης μέσω ενός ελαστικού σωλήνα. Με αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια διοχετεύονται μέσω του ακροφυσίου 2 στο δοκίμιο. 56

57 Σχήμα 4.2:α)Πιστολάκι αναρρόφησης.β)χώρος αναρρόφησης στερεών σωματιδίων. 4.2)Παράμετροι μηχανικής διάβρωσης Στην παράγραφο αυτή προσδιορίζονται οι συνθήκες κάτω από τις οποίες διεξάγονται τα πειράματα μηχανικής διάβρωσης )Στερεά σωματίδια Στα πειράματα μηχανικής διάβρωσης χρησιμοποιήθηκαν στερεά σωματίδια αλούμινας Al 2 O 3 μεγέθους μm και γωνιώδους σχήματος. Η κοκκομετρία διαπιστώνεται με την χρήση κόσκινων από τα οποία διέρχονται τα στερεά σωματίδια. Σε κάθε πείραμα μηχανικής διάβρωσης χρησιμοποιούνται 150g από μίγμα στερεών σωματιδίων όπου είναι δεδομένη η συγκέντρωση κατά βάρος των διαφόρων κλασμάτων (μεγέθους σωματιδίων). Στην συνέχεια τα σωματίδια θερμαίνονται για 15min στους 100 ο C ώστε να απομακρυνθεί η υγρασία και διοχετεύονται στην χοάνη σωματιδίων. 57

58 4.2.2)Παροχή στερεών σωματιδίων Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο σύστημα παροχής σωματιδίων. Πίνακας 4.1: Πειράματα μέτρησης της παροχής σωματιδίων Q σωματιδίων συναρτήσει του αριθμού των ανοιχτών οπών. Ανοικτές οπές Μέτρηση Παροχή (gr/sec) Μέσος όρος παροχής (gr/sec) 1 η 1,04 2 η 1, η 1,03 1,036 4 η 1,03 5 η 1,04 1 η 1,85 2 η 1, η 1,81 1,838 4 η 1,84 5 η 1,84 1 η 2,77 2 η 2, η 2,80 2,792 4 η 2,85 5 η 2,77 1 η 3,44 2 η 3, η 3,57 3,504 4 η 3,50 5 η 3,44 Στα πειράματα μηχανικής διάβρωσης των δοκιμίων επιλέχθηκε μόνο μια οπή να είναι ανοιχτή. Επομένως η παροχή σωματιδίων είναι Q σωματιδίων = 1,036gr/sec 4.2.3)Παροχή αέρα Η παροχή αέρα επιλέγεται με βάση δύο κριτήρια. Το πρώτο κριτήριο σχετίζεται με την δυνατότητα του αεροσυμπιεστή να διατηρεί την παροχή αέρα όσο το δυνατόν σταθερότερη κατά την διάρκεια της εκτόνωσης του. Το δεύτερο κριτήριο σχετίζεται με την συσσώρευση στερεών σωματιδίων στον χώρο αναρρόφησης. Συγκεκριμένα όταν δεν υπάρχει συσσώρευση στερεών σωματιδίων στον χώρο αναρρόφησης η παροχή σωματιδίων στο δοκίμιο ισούται με την παροχή στερεών σωματιδίων του συστήματος παροχής Q σωματιδίων. Η υπόθεση αυτή εξετάζεται στην συνέχεια. Στο σχήμα 4.3 απεικονίζεται ο χώρος αναρρόφησης όπου φαίνεται πως τα στερεά σωματίδια εισέρχονται μέσω του σωλήνα 1 στο κυλινδρικό δοχείο 2 (όγκος ελέγχου) και εξέρχονται από αυτό μέσω του ελαστικού σωλήνα. Η παροχή στερεών σωματιδίων μετά τον χώρο αναρρόφησης Q αναρρόφησης εξαρτάται τόσο από το σύστημα παροχής στερεών σωματιδίων Q σωματιδίων όσο και από το σύστημα παροχής αέρα 58

59 Q αέρα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η συσσώρευση μάζας στον όγκο ελέγχου είναι συνάρτηση τόσο της παροχής στερεών σωματιδίων όσο και της παροχής αέρα. Εξετάζοντας το ισοζύγιο μάζας για το συγκεκριμένο σύστημα προκύπτουν τα εξής: 1. Όταν η συσσώρευση μάζας στον όγκο ελέγχου είναι μηδενική τότε η παροχή στερεών σωματιδίων μετά τον χώρο αναρρόφησης Q αναρρόφησης ισούται με την παροχή στερεών σωματιδίων του συστήματος παροχής Q σωματιδίων. 2. Όταν υπάρχει συσσώρευση μάζας στον όγκο ελέγχου τότε η παροχή στερεών σωματιδίων μετά τον χώρο αναρρόφησης Q αναρρόφησης είναι μικρότερη από την παροχή στερεών σωματιδίων του συστήματος παροχής Q σωματιδίων. Σχήμα 4.3:Χώρος αναρρόφησης σωματιδίων Παρατηρώντας την συναρμολογημένη διάταξη του σχήματος 4.1 είναι εμφανές ότι η Q αναρρόφησης ισούται με την παροχή σωματιδίων που παρατηρείται στο δοκίμιο. Με βάση τα παραπάνω η επιλογή της παροχής αέρα έγινε μέσω της εξής διαδικασίας: 1. Αρχικά επιλέγεται η παροχή σωματιδίων Q σωματιδίων με βάση τον πίνακα 1. Στα πειράματα όλων των δοκιμίων η Q σωματιδίων = 1.036gr/sec. 2. Η παροχή αέρα Q αέρα επιλέγεται σε πρώτη φάση αυθαίρετα. 3. Η διάταξη αρχίζει και λειτουργεί. Μετά από ένα μεγάλο χρονικό διάστημα παρατηρείται αν υπάρχει συσσώρευση μάζας στον όγκο ελέγχου. Αν η συσσώρευση μάζας στον όγκο ελέγχου είναι μηδενική τότε η παροχή σωματιδίων στο δοκίμιο ισούται με την Q σωματιδίων. Αν υπάρχει συσσώρευση μάζας στον όγκο ελέγχου τότε η παροχή σωματιδίων στο δοκίμιο είναι μικρότερη από την Q σωματιδίων. Επομένως για κάθε Q σωματιδίων υπάρχει μια κρίσιμη παροχή αέρα Q κρ.αέρα για την οποία η συσσώρευση μάζας είναι ο οριακά μηδενική. Στα πειράματα που έγιναν η παροχή αέρα επιλέχθηκε Q αέρα = 183,3L/min. Η συγκεκριμένη παροχή είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη παροχή αέρα που παρατηρείται για την επιλεγμένη Q σωματιδίων = 1.036gr/sec. Με αυτό τον τρόπο και η παροχή σωματιδίων στο δοκίμιο είναι 1.036gr/sec αφού δεν υπάρχει συσσώρευση μάζας στον χώρο αναρρόφησης. 59

60 4.2.4)Ταχύτητα & Πυκνότητα ροής στερεών σωματιδίων Η πυκνότητα ροής (flux) εκφράζει πόσο πλούσιο ή φτωχό είναι το μίγμα αέρα στερεά σωματίδια που προσπίπτει στο δοκίμιο. Τόσο η πυκνότητα ροής όσο και η ταχύτητα των στερεών σωματιδίων εξαρτώνται από την παροχή αέρα. Σύμφωνα με τα παραπάνω λειτουργώντας την διάταξη σε Q αέρα > Q κρ.αέρα η παροχή στερεών σωματιδίων στο δοκίμιο είναι πάντα σταθερή και ισούται με την Q σωματιδίων. Επομένως με δεδομένη Q σωματιδίων και αυξάνοντας την παροχή αέρα Q αέρα αυξάνεται η ταχύτητα των σωματιδίων ενώ παράλληλα το μίγμα αέρα στερεών σωματιδίων γίνεται φτωχότερο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην επιφάνεια του δοκιμίου ανά μονάδα χρόνου πρέπει να προσπίπτει ο ίδιος αριθμός σωματιδίων (σταθερή παροχή σωματιδίων). Εφόσον η παροχή αέρα σε όλα τα πειράματα ήταν σταθερή τόσο η πυκνότητα ροής όσο και η ταχύτητα των στερεών σωματιδίων ήταν σταθερές χωρίς όμως να υπολογισθούν θεωρητικά ή πειραματικά. Στον πίνακα 4.2. συνοψίζονται οι πειραματικές συνθήκες αλλά και ορισμένα χαρακτηριστικά της διάταξης που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια διεξαγωγής των πειραμάτων. Επίσης γίνεται και η σύγκρισή τους με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά που παραθέτει το πρότυπο της ASTM G Πίνακας 4.2. Συγκριτική παρουσίαση των διαφόρων πειραματικών συνθηκών μεταξύ της πρότυπης διάταξης και της διάταξης του εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας. Παράμετροι ASTM standard G Διάταξη εργαστηρίου Πειραματικές ελεγχόμενης φθοράς Εσωτερική διάμετρος ακροφυσίου Μεταλλογνωσίας συνθήκες πειράματος 1.5mm±0.075mm 7mm 7mm Μήκος ακροφυσίου 50mm 100mm 7mm Φέρον Ρευστό Ξηρός αέρας Πεπιεσμένος αέρας Πεπιεσμένος αέρας Σωματίδια εκτριβής Αλούμινα 50μm (Al 2 O 3 ) Αλούμινα ή Χαλαζιακή άμμος συγκεκριμένης κοκκομετρίας Αλούμινα ( μm) (Al 2 O 3 ) Ταχύτητα σωματιδίων 30±2 m/s Δεν έχει υπολογισθεί Δεν έχει υπολογισθεί Παροχή ρευστού 8L/min Μεταβλητός 183,33L/min Πίεση συστήματος 1,4 bar Μεταβλητή 1 bar Χρόνος πειράματος 10min Μεταβλητός 30min Γωνία πρόσκρουσης 90±2 0 έως Θερμοκρασία C Μεταβλητή Παροχή σωματιδίων 2.0±0.5gr/min Μεταβλητός Απόσταση ακροφύσιου από επιφάνεια δοκίμιου Θερμοκρασία περιβάλλοντος 1,036gr/sec (62,16gr/min) 10±1mm Μεταβλητή 25mm 60

61 Σημειώνεται ότι με την δεδομένη Q αέρα και την διατομή του ακροφυσίου 2 η μέση ταχύτητα εξόδου του αέρα είναι u μ =79m/s. 4.3)Πειραματική διαδικασία μηχανικής διάβρωσης. Η πειραματική διαδικασία της μηχανικής διάβρωσης βασίζεται κατά κύριο λόγω στην μέτρηση της απώλειας μάζας του δοκιμίου ανά τακτά χρονικά διαστήματα κατά την διάρκεια του πειράματος μηχανικής διάβρωσης. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ο ζυγός μέτρησης μαζών Sartorius BP310P με ακρίβεια 0,001g για μάζες μέχρι τα 60g. Τo δοκίμιο ζυγίζεται πριν το πείραμα μηχανικής διάβρωσης και ανά 5min κατά την διάρκεια του. Σημειώνεται ότι πριν από κάθε μέτρηση στον ζυγό προηγείται η χρήση υπερήχων με την συσκευή STRUERS για 10min ώστε να απομακρυνθούν από την επιφάνεια του δοκιμίου πιθανά προσκολλημένα σωματίδια αλούμινας.. Πίνακας 4.3: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 1 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-1 Xρόνος t (min) Mάζα m (gr) Απώλεια μάζας Ζ (gr) 0 25, ,831 0, ,759 0, ,693 0, ,624 0, ,558 0, ,496 0,402 Στο παράρτημα παρατίθενται ο πίνακας μηχανικής διάβρωσης για όλα τα δοκίμια (σελ 100). 5)Μεταλλογραφικός έλεγχος. [1] Σκοπός του μεταλλογραφικού ελέγχου είναι ο προσδιορισμός της μικροδομής του κάθε δοκιμίου. Κατά αυτόν τον τρόπο ο μεταλλογραφικός έλεγχος σχετίζεται με τον εντοπισμό και την αναγνώριση των φάσεων που σχηματίστηκαν μετά από κάθε κατεργασία. Η διαδικασία προετοιμασίας των δοκιμίων προς μεταλλογραφικό έλεγχο απαιτεί την κοπή δοκιμίων από το κύριο σώμα του δοκιμίου μηχανικής διάβρωσης με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγετε η αλλοίωση της μικροδομής. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε δισκοτόμος και συγκεκριμένα με συσκευή της BUEHLER. Η επιφάνεια που επιλέχτηκε να εξεταστεί μεταλλογραφικά είναι η επιφάνεια που προκύπτει από την τομή Α-Α στο δοκίμιο μηχανικής διάβρωσης (σχήμα 5.1). Ο μεταλλογραφικός έλεγχος ενός δοκιμίου απαιτεί την ύπαρξη παραλληλότητας και καθετότητας μεταξύ της επιφάνειας έδρασης και της επιφάνειας ελέγχου. Επίσης η επιφάνεια ελέγχου πρέπει να είναι γυαλισμένη, ελεύθερη από οξειδώσεις και ξένα σωματίδια. Για τους παραπάνω λόγους απαιτείται η διαμόρφωση των δοκιμίων. Αυτή συνίσταται σε πρώτη φάση από τον εγκιβωτισμό την λείανση και την στίλβωση του δοκιμίου. 61

62 Σχήμα 5.1: Επιφάνεια μεταλλογραφικού ελέγχου που προκύπτει από την τομή Α- Α του δοκιμίου μηχανικής διάβρωσης. Για τους παραπάνω λόγους απαιτείται η διαμόρφωση των δοκιμίων. Αυτή συνίσταται σε πρώτη φάση από τον εγκιβωτισμό του δοκιμίου. Κατά την διαδικασία αυτή το δείγμα πακτώνετε σε ρητίνη κυλινδρικού σχήματος. Ο εγκιβωτισμός των δοκιμίων έγινε με την χρήση της συσκευής θερμού εγκιβωτισμού της STRUERS. Η ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε ήταν βακελίτης σε μορφή σκόνης. Ο εγκιβωτισμός όλων των δοκιμίων έγινε σε θερμοκρασία 180 ο C για 6 min.οι απαιτήσεις ενός δοκιμίου για μεταλλογραφικό έλεγχο απαιτούν την λείανση και την στίλβωση των δοκιμίων ώστε να επιτευχθεί επιφάνεια ελέγχου με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Η λείανση και η στίλβωση έγιναν με την συσκευή λείανσης στίλβωσης δοκιμίων IMPTECH 10X. Η λείανση των δοκιμίων περιλάμβανε διαδοχικά στάδια λείανσης σε λειαντικά χαρτιά με επικολλημένους κόκκους καρβιδίου του πυριτίου. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν διαδοχικά τα χαρτιά λείανσης 80,220,320,500 και 800. Το μέγεθος των κόκκων μειώνεται στο κάθε στάδιο ώστε να επιτυγχάνεται μικρότερη διείσδυση άρα και αφαίρεση υλικού. Αντίθετα ο αριθμός των κόκκων ανά τετραγωνική ίντσα αυξάνεται στο κάθε στάδιο με αποτέλεσμα η δομή να γίνεται πυκνότερη. Κατά αυτόν τον τρόπο στα πρώτα στάδια επιτυγχάνεται ταχεία απομάκρυνση μάζας λόγω των μεγάλων λειαντικών κόκκων που διεισδύουν βαθύτερα. Ταυτόχρονα επιτυγχάνεται και η εύκολη ροή των αποβλίττων λόγω των μεγάλων αποστάσεων μεταξύ των λειαντικών κόκκων. Στο τελικό στάδιο της λείανσης που κριτήριο δεν αποτελεί η απομάκρυνση μάζας και η ροή των αποβλίττων αλλά η τραχύτητα της επιφάνειας το μέγεθος των κόκκων μειώνεται ώστε να υπάρχει μικρότερη διείσδυση. Κατά την λείανση υπήρχε παροχή νερού για ψύξη του δοκιμίου και απομάκρυνση των αποβλίττων και των αποσπώμενων κόκκων. Η στίλβωση είναι το τελικό στάδιο της λείανσης. Έγινε στην ίδια συσκευή με τη λείανση με τη διαφορά ότι αντί για λειαντικό χαρτί χρησιμοποιήθηκε ένα ειδικό βελούδο πανί, εμποτισμένο με διάλυμα σκόνης αλουμίνας (Al 2 O 3 ) με διάμετρο κόκκων 10μm.Τα δοκίμια για να γυαλιστούν έρχονταν σε επαφή με το πανί, που περιστρεφόταν με μικρή ταχύτητα. Για την επίτευξη καλύτερων αποτελεσμάτων αυξήθηκε η διάρκεια της στίλβωσης, τα δοκίμια κρατήθηκαν σχεδόν ακίνητα και αποφεύχθηκε η υπερβολική πίεση των δοκιμίων στο πανί και η χρήση υψηλών ταχυτήτων περιστροφής του τροχού. Μετά το τέλος του κάθε σταδίου απαιτείται ο καθαρισμός της επιφάνειας ελέγχου πρώτα με νερό και ύστερα με αιθυλική αλκοόλη. 62

63 Μετά την διαμόρφωση των δοκιμίων για μεταλλογραφικό έλεγχο ακολουθεί η χημική προσβολή της επιφάνειας ελέγχου με σκοπό την λήψη πληροφοριών για την μικροδομή του υλικού. Η χημική προσβολή με κατάλληλο χημικό αντιδραστήριο γίνεται με σκοπό να αποκαλυφθεί η δομή του υλικού και να καταστεί δυνατή η παρατήρηση της με το οπτικό μικροσκόπιο μέσω της οπτικής αντίθεσης που δημιουργείται μεταξύ των φάσεων και των ορίων των κρυστάλλων του κράματος. Επομένως η χημική προσβολή είναι μια διεργασία που συνίσταται στην εκλεκτική διάβρωση των διαφορετικών συστατικών μερών (φάσεις, όρια κρυστάλλων) τα οποία αντιδρώντας διαφορετικά δημιουργούν την επιθυμητή οπτική αντίθεση. Το χημικό αντιδραστήριο που χρησιμοποιήθηκε για την προσβολή όλων των δοκιμίων είναι το Nital 2% HNO 3. Το συγκεκριμένο χημικό αντιδραστήριο οδηγεί σε εξαιρετική αντίθεση μεταξύ του φερρίτη και του περλίτη και σε ικανοποιητική αντίθεση μεταξύ του φερρίτη και του μαρτενσίτη. Ο φερρίτης δεν προσβάλλεται από το συγκεκριμένο αντιδραστήριο σε αντίθεση με τον σεμεντίτη και τον μαρτενσίτη με αποτέλεσμα την επιθυμητή οπτική αντίθεση. Επιπλέον αποκαλύπτει τα όρια των κρυστάλλων του φερρίτη. Η χημική προσβολή των δοκιμίων έγινε με την χρήση μεταλλικής λαβίδας στην άκρη της οποίας τυλίγεται σταθερά ένα κομμάτι βαμβάκι το οποίο διαβρέχεται με το αντιδραστήριο και στην συνέχεια τρίβεται στην επιφάνεια ελέγχου. Μετά την χημική προσβολή ακολουθεί η έκπλυση των δοκιμίων πρώτα με νερό ώστε να απομακρυνθεί η πλεονάζουσα ποσότητα του αντιδραστηρίου και ύστερα με αιθυλική αλκοόλη για να απομακρυνθεί κάθε ίχνος του. Τέλος τα δοκίμια στεγνώνονται αμέσως με την βοήθεια ρεύματος θερμού αέρα. Στην συνέχεια παρατίθενται πίνακες με τα δοκίμια μηχανικής διάβρωσης στα οποία εκτελέστηκε ο μεταλλογραφία έλεγχος. Πίνακας 5.1:Δοκίμια μεταλλογραφικού ελέγχου για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - Q-1 2 Επαναφορά Q-2 3 Επαναφορά Q-3 4 Επαναφορά Q-4 5 Βορίωση Q-1B 7 Επαναφορά+Βορίωση Q-3B Πίνακας 5.2:Δοκίμια μεταλλογραφικού ελέγχου για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - O-1 2 Επαναφορά O-2 3 Επαναφορά O-3 4 Επαναφορά O-4 5 Βορίωση O-1B 7 Επαναφορά+Βορίωση O-3B 63

64 Πίνακας 5.3:Δοκίμια μεταλλογραφικού ελέγχου για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - S-1 2 Επαναφορά S-2 3 Επαναφορά S-3 4 Επαναφορά S-4 5 Βορίωση S-1B 7 Επαναφορά+Βορίωση S-3B Πίνακας 5.4:Δοκίμια μεταλλογραφικού ελέγχου για τον εργαλειοχάλυβαvanadis. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - V-1 2 Επαναφορά V-2 3 Επαναφορά V-3 4 Επαναφορά V-4 5 Βορίωση V-1B 7 Επαναφορά+Βορίωση V-3B Μετά την διαμόρφωση και την χημική προσβολή των δοκιμίων αυτά μεταφέρθηκαν στην αίθουσα των Μεταλλογραφικών Μικροσκοπίων όπου διενεργήθηκε ο μεταλλογραφικός έλεγχος στο οπτικό μικροσκόπιο OLYMPUS BX60. Αφού εξετάστηκε ολόκληρη η διατομή επιλέχθηκαν μερικές αντιπροσωπευτικές περιοχές της οι οποίες φωτογραφήθηκαν με την ψηφιακή κάμερα Leica DFC290 που συνοδεύει το μικροσκόπιο. Οι μικροδομές των δοκιμίων μεταλλογραφίας σχολιάζονται στην ενότητα των αποτελεσμάτων. 6) Σκληρότητα. [5] Η σκληρότητα ενός μεταλλικού υλικού είναι η αντίσταση που παρουσιάζει κατά την διείσδυση ενός άλλου σώματος σε αυτό. Οι τρεις κυριότεροι τύποι μέτρησης της σκληρότητας είναι η σκληρότητα Brinell, η σκληρότητα Rockwell και η σκληρότητα Vickers. Στην συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε η σκληρότητα Rockwell. Η δοκιμή της σκληρομέτρησης αποτελεί μια μη καταστρεπτική μέθοδος και έχει ως στόχο τον προσδιορισμό της επιφανειακής σκληρότητας και κατ επέκταση τον ποιοτικό έλεγχο των μεταλλικών υλικών. Η σκληρότητα ενός μετάλλου μετριέται μετά την διείσδυση ενός σκληρού εκτυπωτικού εργαλείου στην μάζα του υλικού. 6.1)Σκληρομέτρηση κατά Rockwell. [5] Είναι η περισσότερη διαδεδομένη δοκιμή σκληρότητας για τους κύριους λόγους ότι είναι απλή στην εφαρμογή της δεν απαιτεί τεχνολογικά εκπαιδευμένο προσωπικό για 64

65 την εκτέλεση της και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σκληρομέτρηση ευρέως φάσματος υλικών (από μαλακά μέταλλα μέχρι πολύ σκληρά) χρησιμοποιώντας διαφορετικά φορτία και διεισδυτές. Η αρχή λειτουργίας βασίζεται στην διείσδυση ενός αδαμάντινου σφαιρο-κωνικού διεισδυτή γωνίας 120 ο στην επιφάνεια του δοκιμίου με εφαρμογή ενός αρχικού ελαφριού φορτίου (minor load) και διεισδύει σε κάποιο βάθος. Αυτή αντιστοιχεί στην θέση μηδέν για την μέτρηση. Αμέσως μετά εφαρμόζεται το κύριο φορτίο (major load) το οποίο προκαλεί νέα διείσδυση στο δοκίμιο. Η σκληρότητα Rockwell είναι η διαφορά στο βάθος διείσδυσης μεταξύ των δύο βημάτων διείσδυσης. Η αρχική διείσδυση είναι ιδιαιτέρα σημαντική διότι απομακρύνει την επίδραση επιφανειακών ατελειών στην τελική αποτίμηση της σκληρότητας του καθαρού υλικού. Η σκληρότητα αποδίδεται με την τιμή της (ένας αριθμός) ο οποίος συνοδεύεται από τα κεφαλαία γράμματα ΗR (Hardness Rockwell) και τέλος από ένα λατινικό γράμμα χαρακτηριστικό της κλίμακας που χρησιμοποιήθηκε. Σημειώνεται ότι ο αδαμάντινος σφαιρο-κωνικός διεισδυτής μπορεί να αντικατασταθεί με χαλύβδινο σφαιρικό διεισδυτη σε διάφορες κλίμακες. 6.2)Κλίμακες σκληρότητας Rockwell. [5] Υπάρχουν 15 κλίμακες κανονικής σκληρομέτρησης (standard hardness) και 15 κλίμακες για επιφανειακή σκληρoμέτρηση (superficial hardness). H διαφοροποίηση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι η εξέλιξη της τεχνολογίας οδηγεί προοδευτικά στη χρήση λεπτών υλικών η σκληρομέτρηση των οποίων απαιτεί εφαρμογή δεδομένης τιμής μέγιστου φορτίου και διεισδυτή συγκεκριμένων γεωμετρικών χαρακτηριστικών. Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την επιλογή της κλίμακας είναι ο τύπος του υλικού, το πάχος του δοκιμίου η θέση σκληρομέτρησης και οι περιορισμοί κάθε κλίμακας. Πίνακας 6.1: Κλίμακες σκληρότητας Rockwell. [5] Κανονικές Επιφανειακές Κλίμακα Διεισδυτής Φορτίο (kgf) Kλίμακα Διεισδυτής Φορτίο (kgf) Α Diamond 60 15N Diamond 15 Β 1/16in.ball N Diamond 30 C Diamond N Diamond 45 D Diamond T 1/16in.ball 15 E 1/8in.ball T 1/16in.ball 30 F 1/16in.ball 60 45T 1/16in.ball 45 G 1/16in.ball W 1/8in.ball 15 H 1/8in.ball 60 30W 1/8in.ball 30 K 1/8in.ball W 1/8in.ball 45 L 1/4in.ball 60 15X 1/4in.ball 15 M 1/4in.ball X 1/4in.ball 30 P 1in.ball X 1/4in.ball 45 R 1/2in.ball 60 15Y 1/2in.ball 15 S 1/2in.ball Y 1/2in.ball 30 V 1/2in.ball Y 1/2in.ball 45 65

66 Όλα τα δοκίμια του μεταλλογραφικού ελέγχου σκληρομετρήθηκαν με την κλίμακα C. Τα αποτελέσματα των σκληρομετρήσεων παρουσιάζονται στην ενότητα των αποτελεσμάτων. 6.3)Μικροσκληρότητα. [5] Όταν οι μετρήσεις σκληρότητας γίνονται με την εφαρμογή πολύ μικρών φορτίων της τάξης των μερικών δεκάδων γραμμαρίων (5-1000g) τότε αυτές καλούνται μικροσκληρομετρήσεις. Πρόκειται για μετρήσεις Vickers (ΗV) ή Knoop (ΗΚ). Η μικροσκληρομέτρηση επιτρέπει τη μελέτη της σκληρότητας σε μια πολύ μικρή περιοχή του υλικού. Επιτρέπει για παράδειγμα των προσδιορισμό της σκληρότητας ενός κόκκου ή της σκληρότητας μιας επικάλυψης. Τα μετρούμενα δοκίμια υποβάλλονται σε κατάλληλη μεταλλογραφική προετοιμασία (λείανση στίλβωση) ώστε να αποκτήσουν εξαιρετικά λεία επιφάνεια. Ο προσδιορισμός της περιοχής μικροσκληρομέτρησης γίνεται με την χρήση οπτικού μικροσκοπίου. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η μικροσκληρομέτρηση κατά Vickers. Τα δοκίμια που σκληρομετρήθηκαν με αυτήν την τεχνική είναι τα δοκίμια που έχουν υποστεί βορίωση σε θερμοκρασία Τ=900 o C για t = 6h (ένα δοκίμιο για τον κάθε εργαλειοχάλυβα). Τα αποτελέσματα των μικροσκληρομετρήσεων σχολιάζονται στην ενότητα των αποτελεσμάτων. 66

67 ΕΝΟΤΗΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 67

68 1)Αποτελέσματα σκληρομέτρησης & μικροσκληρομέτρησης Στην συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα των σκληρομετρήσεων Rockwell C και των μικροσκληρομετρήσεων κατά Vickers. Εργαλειοχάλυβας QRO 90. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός Σκληρότητα HRC 1 - Q Επαναφορά Q Επαναφορά Q Επαναφορά Q Βορίωση Q-1B 4(υπόστρωμα) 7 Επαναφορά+Βορίωση Q-3B 45(υπόστρωμα) Εργαλειοχάλυβας Οrvar. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός Σκληρότητα HRC 1 - O Επαναφορά O Επαναφορά O Επαναφορά O Βορίωση O-1B 4 (υπόστρωμα) 7 Επαναφορά+Βορίωση O-3B 45 (υπόστρωμα) Εργαλειοχάλυβας Sleipner. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός Σκληρότητα HRC 1 - S Επαναφορά S Επαναφορά S Επαναφορά S Βορίωση S-1B 18 (υπόστρωμα) 7 Επαναφορά+Βορίωση S-3B 45 (υπόστρωμα) Εργαλειοχάλυβας Vanadis. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός Σκληρότητα HRC 1 - V Επαναφορά V Επαναφορά V Επαναφορά V Βορίωση V-1B 28 (υπόστρωμα) 7 Επαναφορά+Βορίωση V-3B 45 (υπόστρωμα) 68

69 Στην συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την μικροσκληρομέτρηση των δοκιμίων στα οποία η βορίωση έγινε σε θερμοκρασία Τ = 900 ο C για t = 6h (ένα για το κάθε είδος εργαλειοχάλυβα). Μικροσκληρότητα κατά Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον εργαλειοχάλυβα QRO HV Βορίωση Τ =900C (Q-1B) Απόσταση από την επιφάνεια (μm) Σχήμα 1.1: Κωδικός δοκιμίου Q-1B. Μικροσκληρότητα κατά Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον χάλυβα QRO 90 μετά από βορίωση σε θερμοκρασία Τ= 900 o C για t = 6h. Σχήμα 1.2: Κωδικός δοκιμίου Q-1B Φωτογραφία από το οπτικό μικροσκόπιο στο οποίο μετά την διείσδυση του εκτυπωτικού εργαλείου φαίνονται τα αποτυπώματα τόσο στο υπόστρωμα όσο και στην ζώνη βορίωσης για τον εργαλειοχάλυβα QRO x 69

70 Mικροσκληρότητα κατα Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον εργαλειοχάλυβα Orvar Βορίωση Τ =900C (O-1B) HV Απόσταση από την επιφάνεια (μm) Σχήμα 1.3: Κωδικός δοκιμίου O-1B Μικροσκληρότητα κατά Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον χάλυβα ΟRVAR μετά από βορίωση σε θερμοκρασία Τ= 900 o C για t = 6h. Σχήμα 1.4: Κωδικός δοκιμίου O-1B Φωτογραφία από το οπτικό μικροσκόπιο στο οποίο μετά την διείσδυση του εκτυπωτικού εργαλείου φαίνονται τα αποτυπώματα τόσο στο υπόστρωμα όσο και στην ζώνη βορίωσης για τον εργαλειοχάλυβα ORVAR. 200x 70

71 Mικροσκληρότητα κατά Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner Βορίωση Τ=900C (S-1B) HV Απόστασης από την επιφάνεια (μm) Σχήμα 1.5: Κωδικός δοκιμίου S-1B Μικροσκληρότητα κατά Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον χάλυβα Sleipner μετά από βορίωση σε θερμοκρασία Τ= 900 o C για t = 6h. Σχήμα 1.6: Κωδικός δοκιμίου S-1B Φωτογραφία από το οπτικό μικροσκόπιο στο οποίο μετά την διείσδυση του εκτυπωτικού εργαλείου φαίνονται τα αποτυπώματα τόσο στο υπόστρωμα όσο και στην ζώνη βορίωσης για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. 200x 71

72 Mικροσκληρότητα κατα Vickers συναρτήση της απόστασης από την επιφάνεια στον εργαλειοχάλυβα Vanadis Βορίωση Τ =900C (V-1B) ΗV Απόσταση από την επιφάνεια Σχήμα 1.7: Κωδικός δοκιμίου V-1B Μικροσκληρότητα κατά Vickers συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια για τον χάλυβα Vanadis μετά από βορίωση σε θερμοκρασία Τ= 900 o C για t = 6h. Σχήμα 1.8: Κωδικός δοκιμίου V-1B. Φωτογραφία από το οπτικό μικροσκόπιο στο οποίο μετά την διείσδυση του εκτυπωτικού εργαλείου φαίνονται τα αποτυπώματα τόσο στο υπόστρωμα όσο και στην ζώνη βορίωσης για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis.200x 72

73 2)Αποτελέσματα μεταλλογραφίας Στην συνέχεια παρατίθενται ενδεικτικά οι τυπικές μικροδομές που προέκυψαν μετά από τις θερμικές και θερμοχημικές κατεργασίες σε ορισμένα από τα δοκίμια μεταλλογραφίας. Συγκεκριμένα εξετάζονται οι μικροδομές του δοκιμίου αναφοράς του κάθε εργαλειοχάλυβα, ένα δοκίμιο επαναφοράς για κάθε εργαλειοχάλυβα και δύο δοκίμια βορίωσης για κάθε εργαλειοχάλυβα. 2.1)Δοκίμια αναφοράς: Σχήμα 2.1: Χάλυβας QRO 90. Κωδικός δοκιμίου Q-1. Θέρμανση στους T=820 o C και απόψυξη στον φούρνο με 10 ο C/h μέχρι τους 650 ο C και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα. Παρατηρείται φερριτική μήτρα μέσα στην οποία βρίσκονται μικρά σφαιροειδή διασκορπισμένα καρβίδια. 8HRC. Nital 2%

74 Σχήμα 2.2: Χάλυβας Οrvar. Κωδικός δοκιμίου Ο-1. Θέρμανση στους T=820oC και απόψυξη στον φούρνο με 10οC/h μέχρι τους 650οC και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα. Παρατηρείται φερριτική μήτρα μέσα στην οποία βρίσκονται μικρά σφαιροειδή διασκορπισμένα καρβίδια. 8HRC. Nital 2% Σχήμα 2.3: Χάλυβας Sleipner. Κωδικός δοκιμίου S-1. Θέρμανση στους T=820oC και απόψυξη στον φούρνο με 10οC/h μέχρι τους 650οC και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα. Παρατηρείται φερριτική μήτρα μέσα στην οποία 74

75 βρίσκονται μεγάλα-πλακοειδή και μικρά διασκορπισμένα καρβίδια. Tα πλακοειδή καρβίδια είναι καρβίδια του Cr. Τα συγκεκριμένα καρβίδια προκύπτουν λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του συγκεκριμένου χάλυβα σε χρώμιο και της πολύ αργής διαλυτοποίησης του κατά την ωστενιτοποίηση με αποτέλεσμα να μην διαλυτοποιούνται πλήρως κατά την ωστενιτοποίηση. 22HRC. Nital 2% Σχήμα 2.4: Χάλυβας Vanadis. Kωδικός δοκιμίου V-1. Θέρμανση στους T=900 o C και απόψυξη στον φούρνο με 10 ο C/h μέχρι τους 750 ο C και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα. Παρατηρείται φερριτική μήτρα μέσα στην οποία βρίσκονται διασκορπισμένα καρβίδια. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του συγκεκριμένου χάλυβα σε βανάδιο, της μεγάλης καρβιδιογόνου δύναμης του V αλλά και του γεγονότος ότι το καρβίδιο V του δεν διαλυτοποιείται κατά την ωστενιτοποίηση συμπεραίνεται ότι τα διασκορπισμένα καρβίδια είναι αδιάλυτα καρβίδια του βαναδίου. 30 HRC. Nital 2%. 500x 75

76 2.2)Δοκίμια επαναφοράς: Εξετάζονται τα δοκίμια επαναφοράς με τελική σκληρότητα 45ΗRC (ένα από τον κάθε εργαλειοχάλυβα). Tα υπόλοιπα δοκίμια της επαναφοράς είναι στο παράρτημα (σελ 108). Σχήμα 2.5: Χάλυβας QRO 90. Kωδικός δοκιμίου Q-3. Προθέρμανση στους Τ=650 o C για t=30min και μετά στους Τ=850 o C για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050 o C για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550 o C για t = 120min, T= 640 o C για t = 120min και T= 610 o C για t = 120min. Παρατηρείται μήτρα επαναφερμένου μαρτενσίτη μέσα στην οποία βρίσκονται μικρά σφαιροειδή καρβίδια που προέκυψαν κατά την επαναφορά. 45HRC. Nital 2% Σχήμα 2.6: Χάλυβας Οrvar. Kωδικός δοκιμίου O-3. Προθέρμανση στους Τ=650 o C για t=30min και μετά στους Τ=850 o C για t=30min. Ωστενιτοποίηση 76

77 στους T=1030 o C για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550 o C για t = 120min, T= 630 o C για t = 120min και T= 590 o C για t = 120min. Παρατηρείται μήτρα επαναφερμένου μαρτενσίτη μέσα στην οποία βρίσκονται μικρά διασκορπισμένα καρβίδια που προέκυψαν κατά την επαναφορά. 45HRC. Σχήμα 2.7: Χάλυβας Sleipner Kωδικός δοκιμίου S-3. Προθέρμανση στους Τ=650 o C για t=30min και μετά στους Τ=850 o C για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1030 o C για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550 o C για t = 120min, T= 600 o C για t = 120min και T= 550 o C για t = 120min. Παρατηρείται μήτρα επαναφερμένου μαρτενσίτη μέσα στην οποία βρίσκονται διασκορπισμένα μερικά μεγάλα-πλακοειδή και μικρά αδιάλυτα καρβίδια. Tα πλακοειδή καρβίδια είναι καρβίδια του Cr λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του συγκεκριμένου χάλυβα σε χρώμιο και της πολύ αργής διαλυτοποίησης του συγκεκριμένου καρβιδίου κατά την ωστενιτοποίηση. 45HRC. Nital 2%

78 Σχήμα 2.8: Χάλυβας Vanadis. Kωδικός δοκιμίου V-3.Προθέρμανση στους Τ=650 o C για t=30min και μετά στους Τ=850 o C για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050 o C για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550 o C για t = 120min, T= 640 o C για t = 120min και T= 610 o C για t = 120min. Παρατηρούνται μήτρα επαναφερμένου μαρτενσίτη και διασκορπισμένα μικρά και μεγάλα κραματωμένα καρβίδια. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του συγκεκριμένου χάλυβα σε άνθρακα και βανάδιο, της μεγάλης καρβιδιογόνου δύναμης του V αλλά και του γεγονότος ότι το καρβίδιο του V δεν διαλυτοποιείται κατά την ωστενιτοποίηση συμπεραίνεται ότι τα αδιάλυτα καρβίδια είναι καρβίδια του βαναδίου (λευκές περιοχές). 45HRC. Nital 2%

79 2.3)Δοκίμια βορίωσης Σχήμα 2.16: Εργαλειοχάλυβας QRO 90. Κωδικός δοκιμίου Q-1Β. Βορίωση Τ= 900 o C για t = 6h. Η λευκή περιοχή αντιστοιχεί στην φάση Fe 2 B και η σκουρότερη στην φάση FeB. Το πάχος της επικάλυψης είναι 40μm Νital 2%.1000x Σχήμα 2.17:Eργαλειοχάλυβας Orvar. Κωδικός δοκιμίου O-1Β. Βορίωση Τ= 900 o C για t = 6h. Παρατηρείτε η διφασική επικάλυψη βορίου. Η λευκή περιοχή αντιστοιχεί στην φάση Fe 2 B και η σκουρότερη στην φάση FeB. Το πάχος της επικάλυψης είναι 40μm. Νital 2%.1000x 79

80 Σχήμα 2.18:Eργαλειοχάλυβας Sleipner. Κωδικός δοκιμίου S-1Β. Βορίωση Τ= 900 o C για t = 6h. Παρατηρείτε η διφασική επικάλυψη βορίου. Η λευκή περιοχή αντιστοιχεί στην φάση Fe 2 B και η σκουρότερη στην φάση FeB. Το πάχος της επικάλυψης είναι 40μm. Νital 2%.1000x Σχήμα 2.19:Eργαλειοχάλυβας Vanadis. Κωδικός δοκιμίου V-1Β. Βορίωση Τ= 900 o C για t = 6h. Παρατηρείτε η διφασική επικάλυψη βορίου. Η λευκή περιοχή αντιστοιχεί στην φάση Fe 2 B και η σκουρότερη στην φάση FeB. Το πάχος της επικάλυψης είναι 40μm. Παρατηρείτε επίσης η παρουσία καρβιδίων του βαναδίου εντός της επικάλυψης Νital 2%.1000x 80

81 Σχήμα 2.20:Eργαλειοχάλυβας QRO 90. Κωδικός δοκιμίου Q-3Β. Βορίωση Τ= 640 o C για t = 6h και στους 610 ο C για t = 2h. Η ζώνη βορίωσης φαίνεται ότι έχει αστοχήσει κατά την κοπή στον δισκοτόμο. Νital 2%.1000x Σχήμα 2.21:Eργαλειοχάλυβας Orvar. Κωδικός δοκιμίου O-3Β. Βορίωση Τ= 630 o C για t = 6h και στους 590 ο C για t = 2h. Η ζώνη βορίωσης φαίνεται ότι έχει αστοχήσει κατά την κοπή στον δισκοτόμο. Νital 2%.1000x 81

82 Σχήμα 2.22:Eργαλειοχάλυβας Sleipner. Κωδικός δοκιμίου S-3Β. Βορίωση Τ= 600 o C για t = 6h και στους 550 ο C για t = 2h. Η ζώνη βορίωσης φαίνεται ότι έχει αστοχήσει κατά την κοπή στον δισκοτόμο. Νital 2%.500x Σχήμα 2.23:Eργαλειοχάλυβας Vanadis. Κωδικός δοκιμίου V-3Β. Βορίωση Τ= 640 o C για t = 6h και στους 610 ο C για t = 2h. Η ζώνη βορίωσης φαίνεται ότι έχει αστοχήσει κατά την κοπή στον δισκοτόμο. Νital 2%.500x 82

83 3)Αποτελέσματα μηχανικής διάβρωσης. 3.1)Διαγράμματα μηχανικής διάβρωσης Στο σχήμα 3.1 παρατίθεται. το διάγραμμα μηχανικής διάβρωσης του δοκιμίου 1 (Q-1) για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Στον άξονα x είναι ο χρόνος t και στον άξονα y η απώλεια μάζας Ζ. Τα δεδομένα του διαγράμματος προκύπτουν από τους πίνακες μηχανικής διάβρωσης των δοκιμίων (βλ πειραματικό μέρος σελ 61 ). Η σχέση μεταξύ της απώλειας μάζας Ζ και του χρόνου t προσομοιώνεται με την βοήθεια της ευθείας ελαχίστων τετραγώνων. Η κλίση της ευθεία εκφράζει το ρυθμό αφαίρεσης υλικού Z = 0,0135 gr/min. Λαμβάνοντας υπόψη την παροχή στερεών σωματιδίων Q σωματιδίων = 1.036gr/min ο ρυθμός φθοράς Ε του δοκιμίου είναι: Ε = Z Q ί = 0,013gr.υλικού/gr.σωματιδίων. Διάγραμμα μηχανικής διάβρωσης στον εργαλειοχάλυβα QRO 0,45 0,4 0,35 y = 0,0135x + 0,0017 R 2 = 0,9997 Απώλεια βάρους [gr] 0,3 0,25 0,2 0,15 Δοκίμιο 1 : Q-1 0,1 0, Χρόνος [min] Σχήμα 3.1:Διάγραμμα μηχανικής διάβρωσης του δοκιμιού 1 για τον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Ε = gr.υλικού/gr.σωματιδίων. Τα διαγράμματα μηχανικής διάβρωσης όλων των δοκιμίων με τον ρυθμό φθοράς τους Ε βρίσκονται στο παράρτημα (σελ 112). 3.2)Διαγράμματα σχετικού δείκτη φθοράς REF Για να προσδιοριστεί ποια είναι η επίδραση των θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών στον ρυθμό φθοράς Ε χρησιμοποιήθηκε ο σχετικός δείκτης φθοράς REF. Ο σχετικός δείκτης φθοράς εκφράζει τον λόγω μεταξύ του ρυθμού φθορά ενός δοκιμίου προς τον ρυθμό φθορά ενός δοκιμίου αναφοράς. 83

84 Συνολικά σχεδιάστηκαν 4 διαγράμματα όπου φαίνεται η επίδραση των θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών ξεχωριστά για τον κάθε χάλυβα. Σαν υλικά αναφοράς χρησιμοποιήθηκαν τα δοκίμια που βρίσκονται σε ανοπτημένη κατάσταση (ένα από κάθε είδος εργαλειοχάλυβα). Στον άξονα x βρίσκεται ο σχετικός δείκτης φθοράς REF και στον άξονα y αναγράφονται τα δοκίμια ενός συγκεκριμένου εργαλειοχάλυβα με τους κωδικούς τους. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο σχετικός δείκτη φθοράς REF των δοκιμίων μπορεί να μεταβληθεί εάν παράμετροι όπως η γωνία πρόσπτωσης α, η ταχύτητα, η παροχή, το μέγεθος και το σχήμα των στερεών σωματιδίων μεταβληθεί. Σχετικός δείκτης φθοράς REF για τον χάλυβα QRO 90 (8)Επαναφορά+Βορίωση: Q-4B (7)Επαναφορά+Βορίωση: Q-3B (6)Επαναφορά+Βορίωση: Q-2B (5)Βορίωση:Q-1B (4)Επαναφορά: Q-4 (3)Επαναφορά: Q-3 (2)Επαναφορά: Q-2 (1)Δοκίμιο αναφοράς: Q-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Σχήμα 3.32: Επίδραση των θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών στον χάλυβα QRO 90. REF Σχετικός δείκτης φθοράς REF στον εργαλειοχάλυβα Orvar (8)Επαναφορά+Βορίωση: Ο-4Β (7)Επαναφορά+Βορίωση: Ο-3Β (6)Επαναφορά+Βορίωση: Ο-2Β (5)Βορίωση: Ο-1Β (4)Επαναφορά: Ο-4 (3)Επαναφορά: Ο-3 (2)Επαναφορά: Ο-2 (1)Δοκιμιο αναφοράς: Ο-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Σχήμα 3.33: Επίδραση των θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών στον χάλυβα Οrvar. REF 84

85 Σχετικός δείκτης φθοράς REF στον χάλυβα Sleipner (8)Επαναφορά+Βορίωση: S-4B (7)Επαναφορά+Βορίωση: S-3B (6)Επαναφορά+Βορίωση: S-2B (5)Βορίωση: S-1B (4)Επαναφορά: S-4 (3)Επαναφορά: S-3 (2)Επαναφορά: S-2 (1)Δοκίμιο αναφοράς: S-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Σχήμα 3.34: Επίδραση των θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών στον εργαλειοχάλυβα Sleipner. REF Σχετικός δείκτης φθοράς REF στον χάλυβα Vanadis (8)Επανφορά+Βορίωση: V-4B (7)Eπαναφορά+Βορίωση: V-3B (6)Επαναφορά+Βορίωση: V-2B (5)Βορίωση: V-1B (4)Επαναφορά: V-4 (3)Επαναφορά: V-3 (2)Επαναφορά: V-2 (1)Δοκίμιο αναφοράς:v-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Σχήμα 3.35: Επίδραση των θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών στον εργαλειοχάλυβα Vanadis Επίσης γίνεται χρήση του REF για την σύγκριση του ρυθμού φθοράς Ε των δοκιμίων αναφοράς του κάθε εργαλειοχάλυβα. Σαν τιμή αναφοράς χρησιμοποιήθηκε ο ρυθμός φθοράς Ε του εργαλειοχάλυβα QRO 90. REF Σχετικός δείκτης φθοράς REF για τα δοκίμια αναφοράς των εργαλειοχαλύβων Vanadis: V-1 Sleipner: S-1 Orvar: O-1 QRO 90: Q-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Σχήμα 3.36: Συγκριτικό διάγραμμα του ρυθμού φθοράς Ε των δοκιμίων αναφοράς. REF 85

86 ΕΝΟΤΗΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ 86

87 Συμπεράσματα -Συζήτηση 1.Η σχέση μεταξύ της απώλειας μάζας Ζ και του χρόνου t σε όλα τα δοκίμια μηχανικής διάβρωσης περιγράφεται από ένα γραμμικό πρότυπο. Επομένως ό ρυθμός αφαίρεσης υλικού Z και ο ρυθμός φθοράς Ε των δοκιμίων υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης είναι σταθερά. 2.Σε κάθε τύπο εργαλειοχάλυβα υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης η θερμική κατεργασία της επαναφοράς οδήγησε σε μια μείωση του ρυθμού φθοράς Ε συγκριτικά με αυτήν του δοκιμίου αναφοράς (ανοπτημένο υλικό) κατά 10% - 20%. Ταυτόχρονα παρατηρείται μια αύξηση της σκληρότητας Η συγκριτικά με αυτήν του δοκιμίου αναφοράς. 3.Σε κάθε τύπο εργαλειοχάλυβα υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης η θερμοχημική κατεργασία της βορίωσης οδήγησε σε μια μείωση του ρυθμού φθοράς Ε κατά 40% - 60% συγκριτικά με αυτήν του δοκιμίου αναφοράς (ανοπτημένο υλικό) ενώ υπήρχαν και μερικές εξαιρέσεις. Ταυτόχρονα παρατηρείται μια πολύ μεγάλη αύξηση της σκληρότητας Η συγκριτικά με αυτήν του δοκιμίου αναφοράς (μικροσκληρομετρήση Vickers). 4.Σε κάθε τύπο εργαλειοχάλυβα υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης η θερμοχημική κατεργασία της βορίωσης οδήγησε σε μεγαλύτερη μείωση του ρυθμού φθοράς Ε συγκριτικά με την μείωση που επιτυγχάνεται μέσω της επαναφοράς. Η δυσθραυστότητα που σχετίζεται με την ενέργεια ανά μονάδα όγκου που απαιτείται για την διάδοση μιας ρωγμής σε ένα υλικό φαίνεται να μην αποτελεί κριτήριο για τον ρυθμό φθοράς Ε εφόσον οι φάσεις που σχηματίζονται εντός της ζώνης βορίωσης είναι ιδιαίτερα εύθραυστες. Αντίθετα η ολκιμότητα που προσφέρουν τα δοκίμια της επαναφοράς συγκριτικά με τα δοκίμια της βορίωσης αποτελεί την αιτία για την οποία ο ρυθμός φθοράς Ε των δοκιμίων επαναφοράς είναι μεγαλύτερος. Επομένως υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης ο κύριος μηχανισμός αφαίρεσης υλικού είναι μέσω της πλαστικής παραμόρφωσης-κοπή που προκαλούν τα αιχμηρά σωματίδια (micromachining). 5.Υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης το δοκίμιο αναφοράς του εργαλειοχάλυβα Vanadis παρουσιάζει τον μικρότερο ρυθμό φθοράς Ε συγκριτικά με τα δοκίμια αναφοράς των υπόλοιπων εργαλειοχαλύβων. Αυτό οφείλεται στην χημική σύστασή του συγκεκριμένου υλικού (υψηλό ποσοστό C και υψηλό ποσοστό V) με αποτέλεσμα το καρβίδιο του βαναδίου να βρίσκεται σε μεγάλο ποσοστό στην μικροδομή του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Το συγκεκριμένο καρβίδιο αποτελεί σκληρότερη φάση σε σχέση με τα καρβίδια που εμφανίζονται στους υπόλοιπους εργαλειοχάλυβες. (καρβίδιο του χρωμίου, κραματωμένος σεμεντίτης κλπ) 6.Η βορίωση σε θερμοκρασία Τ = 900 ο C για t =6h με την τεχνική pack cementation και την χρήση της εμπορικής σκόνη Durborid οδήγησε σε πάχη επικάλυψης που δεν 87

88 υπερβαίνουν τα 40μm σε όλους τους εργαλειοχάλυβες που χρησιμοποιήθηκαν. Aυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι συγκεκριμένοι χάλυβες περιέχουν κραματικά στοιχεία σε τέτοια ποσοστά που δεν επιτρέπουν την δημιουργία επικαλύψεων με μεγαλύτερα πάχη. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την συγκεκριμένη πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε ισχύουν μόνο για τις δεδομένες συνθήκες με τις οποίες έγινε η μηχανική διάβρωση και η βορίωση των δοκιμίων. Εάν παράμετροι όπως η γωνία πρόσπτωσης α, η ταχύτητα, η παροχή, το μέγεθος και το σχήμα των στερεών σωματιδίων μεταβληθούν τότε και τα αποτελέσματα της μηχανικής διάβρωσης θα είναι διαφορετικά. Επίσης εάν μεταβληθούν παράμετροι όπως η θερμοκρασία και ο χρόνος της βορίωσης τα αποτελέσματα της βορίωσης ως προς το πάχος της επικάλυψης επίσης θα μεταβληθούν. Το ίδιο ισχύει και για την σύσταση της σκόνης που χρησιμοποιήθηκε για την βορίωση των δοκιμίων με την τεχνική pack cementation. Με βάση την μελέτη που έγινε μέχρι τώρα σαν μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να εξεταστεί ποια είναι η επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης των στερεών σωματιδίων στον ρυθμό φθοράς Ε διατηρώντας όλες τις υπόλοιπες παραμέτρους της μηχανικής διάβρωσης και της βορίωσης σταθερές. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να εξακριβωθεί ο κυρίαρχος μηχανισμός αφαίρεσης υλικού που επικρατεί για τις διάφορες γωνίες πρόσπτωσης των σωματιδίων. Επίσης θα μπορούσε να αυξηθεί η θερμοκρασία και ο χρόνος βορίωσης και να εξεταστεί η επίδραση που έχει στο πάχος της επικάλυψης και στον ρυθμό φθοράς Ε των δοκιμίων υπό τις δεδομένες συνθήκες μηχανικής διάβρωσης. 88

89 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 89

90 1)Διαγράμματα συνεχούς απόψυξης CCT και δευτερογενούς σκλήρωσης των πειραματικών υλικών. Eργαλειοχάλυβας QRO 90. Σχήμα 1.1:Διάγραμμα συνεχούς απόψυξης CCT του χάλυβα QRO 90. Το συγκεκριμένο διάγραμμα ισχύει για ωστενιτοποίηση στους T= 1020 ο C για t = 30min. [6] Σχήμα 1.2:Δίαγραμμα δευτερογενούς σκλήρωσης του εργαλειοχάλυβα QRO 90. [6] 90

91 Εργαλειοχάλυβας Orvar Σχήμα 1.3:Διάγραμμα συνεχούς απόψυξης CCT του εργαλειοχάλυβα Orvar. Το συγκεκριμένο διάγραμμα ισχύει για ωστενιτοποίηση στους T= 1020 ο C για t = 30min. [7] Σχήμα 1.4:Δίαγραμμα δευτερογενούς σκλήρωσης του εργαλειοχάλυβα Orvar. [7] 91

92 Eργαλειοχάλυβας Sleipner Σχήμα 1.5:Διάγραμμα συνεχούς απόψυξης CCT του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Το συγκεκριμένο διάγραμμα ισχύει για ωστενιτοποίηση στους T= 1030 ο C για t = 30min. [8] Σχήμα 1.6:Δίαγραμμα δευτερογενούς σκλήρωσης του εργαλειοχάλυβα Sleipner. [8] 92

93 Eργαλειοχάλυβας Vanadis Σχήμα 1.7:Διάγραμμα συνεχούς απόψυξης CCT του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Το συγκεκριμένο διάγραμμα ισχύει για ωστενιτοποίηση στους T= 1020 o C ο C για t = 30min. [9] Σχήμα 1.8:Δίαγραμμα δευτερογενούς σκλήρωσης του εργαλειοχάλυβα Vanadis. [9] 93

94 2)Πίνακες θερμικών και θερμοχημικών κατεργασιών Εργαλειοχάλυβας Οrvar: Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία η θερμική κατεργασία που έχει υποστεί η ράβδος είναι μια θέρμανση μέχρι τους 850 ο C η οποία ακολουθείται από μια απόψυξη μέχρι τους 650 ο C μέσα στον φούρνο με ρυθμό 10 ο C/h και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα μέχρι την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επομένως αρχικά υπάρχουν συνολικά 8 δοκίμια σε ανοπτημένη κατάσταση. Το δοκίμιο 1 διατηρείται ως έχει δηλαδή σε ανοπτημένη κατάσταση και χαρακτηρίζεται σαν το υλικό αναφοράς για τον συγκεκριμένο εργαλειοχάλυβα με κωδικό Ο-1 (standard material). Πίνακας 3.9: Επαναφορά του δοκιμίου 2 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-2. Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Πίνακας 3.10: Επαναφορά του δοκιμίου 3 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-3 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Πίνακας 3.11: Επαναφορά του δοκιμίου 4 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-4 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά

95 Πίνακας 3.12: Βορίωση του δοκιμίου 5 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-1Β Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Σημειώνεται ότι για τα δοκίμια 6,7,8 προηγείται η επαναφορά τους κατά αντιστοιχία με όσα αναφέρθηκαν στο πειραματικό μέρος στον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Πίνακας 3.13: Βορίωση του δοκιμίου 6 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-2Β Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.14: Βορίωση του δοκιμίου 7 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-3Β Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.15: Βορίωση του δοκιμίου 8 για τον εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός Ο-4Β Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min). Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.16: Συνοπτικός πίνακας δοκιμίων του εργαλειοχάλυβα Orvar. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - O-1 2 Επαναφορά O-2 3 Επαναφορά O-3 4 Επαναφορά O-4 5 Βορίωση O-1B 6 Επαναφορά+Βορίωση O-2B 7 Επαναφορά+Βορίωση O-3B 8 Επαναφορά+Βορίωση O-4B 95

96 Εργαλειοχάλυβας Sleipner: Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία η θερμική κατεργασία που έχει υποστεί η ράβδος είναι μια θέρμανση μέχρι τους 850 ο C η οποία ακολουθείται από μια απόψυξη μέχρι τους 650 ο C μέσα στον φούρνο με ρυθμό 10 ο C/h και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα μέχρι την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επομένως αρχικά υπάρχουν συνολικά 8 δοκίμια σε ανοπτημένη κατάσταση. Το δοκίμιο 1 διατηρείται ως έχει δηλαδή σε ανοπτημένη κατάσταση και χαρακτηρίζεται σαν το υλικό αναφοράς για τον συγκεκριμένο εργαλειοχάλυβα με κωδικό S-1 (standard material). Πίνακας 3.17: Επαναφορά του δοκιμίου 2 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-2. Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Πίνακας 3.18: Επαναφορά του δοκιμίου 3 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-3. Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Πίνακας 3.19: Επαναφορά του δοκιμίου 4 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-4. Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά

97 Πίνακας 3.20: Βορίωση του δοκιμίου 5 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-1B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Σημειώνεται ότι για τα δοκίμια 6,7,8 προηγείται η επαναφορά τους κατά αντιστοιχία με όσα αναφέρθηκαν στο πειραματικό μέρος στον εργαλειοχάλυβα QRO 90. Πίνακας 3.21: Βορίωση του δοκιμίου 6 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-2B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.22: Βορίωση του δοκιμίου 7 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-3B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.23: Βορίωση του δοκιμίου 8 για τον εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-4B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.24: Συνοπτικός πίνακας δοκιμίων του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - S-1 2 Επαναφορά S-2 3 Επαναφορά S-3 4 Επαναφορά S-4 5 Βορίωση S-1B 6 Επαναφορά+Βορίωση S-2B 7 Επαναφορά+Βορίωση S-3B 8 Επαναφορά+Βορίωση S-4B 97

98 Εργαλειοχάλυβας Vanadis: Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία η θερμική κατεργασία που έχει υποστεί η ράβδος είναι μια θέρμανση μέχρι τους 900 ο C η οποία ακολουθείται από μια απόψυξη μέχρι τους 750 ο C μέσα στον φούρνο με ρυθμό 10 ο C/h και στην συνέχεια απόψυξη στον αέρα μέχρι την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επομένως αρχικά υπάρχουν συνολικά 8 δοκίμια σε ανοπτημένη κατάσταση. Το δοκίμιο 1 διατηρείται ως έχει δηλαδή σε ανοπτημένη κατάσταση και χαρακτηρίζεται σαν το υλικό αναφοράς για τον συγκεκριμένο εργαλειοχάλυβα με κωδικό V-1 (standard material). Πίνακας 3.25: Επαναφορά του δοκιμίου 2 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-2. Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Πίνακας 3.26: Επαναφορά του δοκιμίου 3 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-3 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά Πίνακας 3.27: Επαναφορά του δοκιμίου 4 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-4 Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Προθέρμανση Προθέρμανση Ωστενιτοποίηση-Βαφή Επαναφορά Επαναφορά Επαναφορά

99 Πίνακας 3.28: Βορίωση του δοκιμίου 5 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Kωδικός V-1B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Πίνακας 3.29: Βορίωση του δοκιμίου 6 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-2B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.30: Βορίωση του δοκιμίου 7 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-3B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.31: Βορίωση του δοκιμίου 8 για τον εργαλειοχάλυβα Vanadis. Kωδικός V-4B Επεξεργασία Θερμοκρασία ( o C) Χρόνος (min) Βορίωση Βορίωση Πίνακας 3.32: Συνοπτικός πίνακας δοκιμίων του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Δοκίμιο Kατεργασία Κωδικός 1 - V-1 2 Επαναφορά V-2 3 Επαναφορά V-3 4 Επαναφορά V-4 5 Βορίωση V-1B 6 Επαναφορά+Βορίωση V-2B 7 Επαναφορά+Βορίωση V-3B 8 Επαναφορά+Βορίωση V-4B 99

100 3)Πίνακες μηχανικής διάβρωσης Εργαλειοχάλυβας QRO 90 Πίνακας 4.4: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 2 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-2 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 29, ,997 0, ,948 0, ,855 0, ,824 0, ,761 0, ,709 0,353 Πίνακας 4.5: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 3 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-3 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 31, ,784 0, ,728 0, ,666 0, ,616 0, ,567 0, ,526 0,321 Πίνακας 4.6: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 4 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-4 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 29, ,799 0, ,72 0, ,671 0, ,623 0, ,579 0, ,536 0,298 Πίνακας 4.7: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 5 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-1B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 27, ,023 0, ,991 0, ,964 0, ,936 0, ,913 0, ,885 0,

101 Πίνακας 4.8: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 6 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-2B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 28, ,519 0, ,481 0, ,44 0, ,402 0, ,355 0, ,317 0,24 Πίνακας 4.9: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 7 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-3B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 25, ,801 0, ,737 0, ,681 0, ,639 0, ,603 0, ,563 0,336 Πίνακας 4.10: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 8 του εργαλειοχάλυβα QRO 90. Κωδικός Q-4B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 28, ,121 0, ,082 0, ,043 0, ,0045 0, ,955 0, ,9165 0,

102 Εργαλειοχάλυβας Orvar Πίνακας 4.11: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 1 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-1 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 28, ,04 0, ,975 0, ,9 0, ,85 0, ,8 0, ,699 0,405 Πίνακας 4.12: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 2 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-2 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 27, ,638 0, ,592 0, ,543 0, ,491 0, ,431 0, ,367 0,33 Πίνακας 4.13: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 3 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-3 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 29, ,203 0, ,11 0, ,077 0, ,024 0, ,948 0, ,891 0,393 Πίνακας 4.14: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 4 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-4 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 28, ,038 0, ,98 0, ,94 0, ,88 0, ,802 0, ,77 0,

103 Πίνακας 4.15: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 5 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-1B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 28, ,245 0, ,224 0, ,173 0, ,147 0, ,113 0, ,085 0,165 Πίνακας 4.16: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 6 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-2B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 26, ,856 0, ,821 0, ,791 0, ,753 0, ,73 0, ,707 0,202 Πίνακας 4.17: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 7 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-3B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 29, ,032 0, ,976 0, ,929 0, ,869 0, ,81 0, ,756 0,337 Πίνακας 4.18: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 8 του εργαλειοχάλυβα Orvar. Κωδικός O-4B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 24, ,22 0, ,179 0, ,1465 0, ,114 0, ,0815 0, ,049 0,

104 Εργαλειοχάλυβας Sleipner Πίνακας 4.19: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 1 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-1 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 18, ,563 0, ,488 0, ,445 0, ,403 0, ,344 0, ,291 0,353 Πίνακας 4.20: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 2 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-2 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 33, ,267 0, ,2 0, ,138 0, ,085 0, ,032 0, ,987 0,337 Πίνακας 4.21: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 3 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-3 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 33, ,985 0, ,928 0, ,88 0, ,823 0, ,769 0, ,74 0,309 Πίνακας 4.22: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 4 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-4 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 33, ,714 0, ,658 0, ,618 0, ,558 0, ,505 0, ,465 0,

105 Πίνακας 4.23: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 5 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-1B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 31, ,368 0, ,33 0, ,3 0, ,281 0, ,267 0, ,243 0,155 Πίνακας 4.24: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 6 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-2B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 27, ,597 0, ,569 0, ,549 0, ,519 0, ,5 0, ,458 0,166 Πίνακας 4.25: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 7 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-3B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 34, ,635 0, ,59 0, ,545 0, ,52 0, ,49 0, ,455 0,26 Πίνακας 4.26: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 8 του εργαλειοχάλυβα Sleipner. Κωδικός S-4B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 26, ,015 0, ,969 0, ,941 0, ,914 0, ,884 0, ,856 0,

106 Εργαλειοχάλυβας Vanadis Πίνακας 4.27: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 1 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-1 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 23, ,788 0, ,744 0, ,705 0, ,663 0, ,621 0, ,571 0,263 Πίνακας 4.28: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 2 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-2 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 19, ,315 0, ,275 0, ,244 0, ,225 0, ,161 0, ,123 0,228 Πίνακας 4.29: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 3 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-3 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 22, ,772 0, ,723 0, ,688 0, ,653 0, ,618 0, ,575 0,259 Πίνακας 4.30: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 4 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-4 Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 24, ,71 0, ,655 0, ,644 0, ,601 0, ,565 0, ,532 0,

107 Πίνακας 4.31: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 5 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-1B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 25, ,467 0, ,46 0, ,451 0, ,432 0, ,412 0, ,391 0,08 Πίνακας 4.32: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 6 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-2B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 22, ,28 0, ,256 0, ,235 0, ,212 0, ,193 0, ,168 0,161 Πίνακας 4.33: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 7 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-3B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 24, ,288 0, ,257 0, ,218 0, ,191 0, ,167 0, ,14 0,185 Πίνακας 4.34: Πίνακας μηχανικής διάβρωση στο δοκίμιο 8 του εργαλειοχάλυβα Vanadis. Κωδικός V-4B Xρόνος t (min) Μάζα m (gr) Απώλεια μάζας Z (gr) 0 18, ,871 0, ,841 0, ,818 0, ,797 0, ,78 0, ,764 0,

108 4)Μικροδομές δοκιμίων Μεταλλογραφίας Εργαλειοχάλυβας QRO 90. Σχήμα 2.9: Χάλυβας QRO 90. Kωδικός δοκιμίου Q-2. Προθέρμανση στους Τ=650oC για t=30min και μετά στους Τ=850oC για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050oC για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 580oC για t = 120min, T= 650oC για t = 120min και T= 610oC για t = 120min. 40HRC. Nital 2% Σχήμα 2.10: Χάλυβας QRO 90. Kωδικός δοκιμίου Q-4. Προθέρμανση στους Τ=650oC για t=30min και μετά στους Τ=850oC για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050oC για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550oC για t = 120min, T= 610oC για t = 120min και T= 580oC για t = 120min. 50HRC. Nital 2%

109 Eργαλειοχάλυβας Οrvar Σχήμα 2.11: Χάλυβας Οrvar. Kωδικός δοκιμίου O-2. Προθέρμανση στους Τ=650 o C για t=30min και μετά στους Τ=850 o C για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1030 o C για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550 o C για t = 120min, T= 640 o C για t = 120min και T= 590 o C για t = 120min. 40HRC. Σχήμα 2.12: Χάλυβας Οrvar. Kωδικός δοκιμίου O-4. Προθέρμανση στους Τ=650 o C για t=30min και μετά στους Τ=850 o C για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050 o C για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550 o C για t = 120min, T= 610 o C για t = 120min και T= 580 o C για t = 120min. 50HRC. 109

110 Εργαλειοχάλυβας Sleipner Σχήμα 2.13: Χάλυβας Sleipner Kωδικός δοκιμίου S-2. Προθέρμανση στους Τ=650oC για t=30min και μετά στους Τ=850oC για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1030oC για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550oC για t = 120min, T= 640oC για t = 120min και T= 590oC για t = 120min. 40HRC. Nital 2% Σχήμα 2.14: Χάλυβας Sleipner Kωδικός δοκιμίου S-4. Προθέρμανση στους Τ=650oC για t=30min και μετά στους Τ=850oC για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1030oC για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 500oC για t = 120min, T= 590oC για t = 120min και T= 530oC για t = 120min. 50HRC. Nital 2%

111 Εργαλειοχάλυβας Vanadis Σχήμα 2.15: Χάλυβας Vanadis. Kωδικός δοκιμίου V-2.Προθέρμανση στους Τ=650oC για t=30min και μετά στους Τ=850oC για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050oC για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 550oC για t = 120min, T= 650oC για t = 120min και T= 610oC για t = 120min. 40HRC. Nital 2% Σχήμα 2.16: Χάλυβας Vanadis. Kωδικός δοκιμίου V-4.Προθέρμανση στους Τ=650oC για t=30min και μετά στους Τ=850oC για t=30min. Ωστενιτοποίηση στους T=1050oC για t =40min και τριπλή επαναφορά: στους T= 500oC για t = 120min, T= 550oC για t = 120min και T= 500oC για t = 120min. 50HRC. Nital 2%