نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 مربی، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد، یزد، ایران
3 دانشیار، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران
چکیده
هدف از این پژوهش، بهبود مقاومت به سایش سرامیک‌های مولایتی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین سرامیک‌های مهندسی از طریق افزودن ذرات کاربید تنگستن است. برای این منظور، کامپوزیت‌های مولایت-کاربید تنگستن بدون و با افزودن 5، 10 و 15 درصد وزنی ذرات کاربید تنگستن توسط روش تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای تولید شدند. علاوه بر این، به‌منظور بررسی اثر دمای تف‌جوشی بر مقاومت به سایش کامپوزیت‌های مولایت-کاربید تنگستن، فرایند تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای در دماهای 1300، 1350، 1400 و 1450 درجه سلسیوس به‌مدت 4 دقیقه و با اعمال فشار 30 مگاپاسکال به انجام رسید. نتایج آزمون پین روی دیسک بیانگر آن است که با افزایش درصد وزنی ذرات کاربید تنگستن و افزایش دمای تف‌جوشی تا 1400 درجه سلسیوس، مقاومت به سایش کامپوزیت‌های مولایت-کاربید تنگستن افزایش یافته است، درحالی‌که افزایش دمای سینتر تا محدوده 1450 درجه سلسیوس، به‌دلیل افت خواص مکانیکی و تشکیل فاز W2C، به کاهش مقاومت به سایش منجر شده است. نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی بیانگر ایجاد سازوکار‌های سایش خراشان و لایه‌ای شدن در سطح و مسیر سایش در نمونه‌های مولایتی با و بدون ذرات تقویت‌کننده کاربید تنگستن است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Effect of WC Addition on the Wear Resistance of Mullite-WC Composites Sintered by Spark Plasma Sintering
نویسندگان [English]
- Hosein Rajaei 1
- Milad Bahamirian 2
- Iman Mobasherpour 3
- Mohammad Zakeri 3
- Mohammad Farvizi 3
1 Instructor, Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
2 Assistant Professor, Department of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
3 Associate Professor, Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
چکیده [English]
This study aims to improve the wear resistance of mullite ceramics as one of the most critical engineering ceramics by adding tungsten carbide (WC) particles. For this purpose, mullite-WC composites without and with adding 5, 10, and 15 % by weight of WC particles produced by Spark Plasma Sintering (SPS) method. In addition, it investigates the effect of sintering temperature on the wear resistance of mullite-WC composites applied by the SPS process at 1300 °C, 1350 °C, 1400 °C, and 1450 °C for 4 minutes under the pressure of 30 MPa. The results pin on the disk testing indicates that upon increasing the weight percentage of WC particles and increasing the sintering temperature up to 1400 °C, the wear resistance of mullite-WC composites would increase. However, increasing the sintering temperature up to the range of 1450 °C led to a decrease in the wear resistance due to the poor mechanical properties and formation of the W2C phase. The results from Scanning Electron Microscopy (FESEM) analysis are indicative of the formation of abrasive wear and surface layer structure mechanisms on the surface in mullite ceramics samples with and without WC reinforcing particles.
کلیدواژه‌ها [English]
- Spark Plasma Sintering (SPS)
- Mullite
- Tungsten Carbide
- Wear
- Composite
- Rajaei, H., Mobasherpour, I., Farvizi, M., Zakeri, M., "Effect of mullite synthesis methods on the spark plasma sintering behaviour and mechanical properties", Micro & Nano Letters, Vol. 11, No. 8, (2016), 465-468. https://doi.org/10.1049/mnl.2016.0092
- Schneider, H., Schreuer, J., Hildmann, B., "Hildmann, structure and properties of mullite—A review", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 28, No. 2, (2008), 329-344. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.03.017
- Ghahremani, D., Ebadzadeh, T., Maghsodipour., A., "Densification, microstructure and mechanical properties of mullite–TiC composites prepared by spark plasma sintering", Ceramics International, Vol. 41, No. 2, (2015), 1957-1962. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.07.146
- Warrier, K. G. K., Anilkumar, G. M., "Densification of mullite–SiC nanocomposite sol–gel precursors by pressureless sintering", Materials Chemistry and Physics, Vol. 67, No. 1-3, (2001), 263-266. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00447-8
- Ando, K., Chu, M. C., Tsuji, K., Hirasawa, T., Kobayashi, Y., Sato, S., "Crack healing behaviour and high-temperature strength of mullite/SiC composite ceramics", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 22, No. 8, (2002), 1313-1319. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00431-9
- Rajaei, H., Mobasherpour, I., Farvizi, M., Zakeri, M., "Effect of composition on mechanical properties of mullite-WC nano composites prepared by spark plasma sintering", Tribology in Industry, Vol. 38, No. 4, (2016), 552-558. https://doaj.org/article/c470bcdbf6e7408e93fad5607250c7b9
- Rajaei, H., Farvizi, M., Mobasherpour, I., Zakeri, M., "Effect of spark plasma sintering temperature on microstructure and mechanical properties of mullite-WC composites", International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 70, (2018), 197-201. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2017.10.012
- Ghasali, E., Orooji, Y., Faeghinia, A., Alizadeh, M., Ebadzadeh, T., "Characterization of mullite-Nd2O3 composite prepared through spark plasma sintering", Ceramics International, Vol. 47, No. 11, (2021), 16200-16207. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.02.198
- Ghasali, E., Ghahremani, D., Orooji, Y., Faeghinia, A., Kazem-zadeh, A., Ebadzadeh, T., "Microstructure and phase formation of mullite-Pr6O11 composite prepared by spark plasma sintering", Journal of Rare Earths, Vol. 41, No. 2, (2023), 283-289. https://doi.org/10.1016/j.jre.2022.03.018
- Taimatsu, H., Sugiyama, S., Kodaira, Y., "Synthesis of W2C by reactive hot pressing and its mechanical properties", Materials Transactions, Vol. 49, (2008), 0804070390-0804070390. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2007304
- Chen, W. H., Lin, H. T., Nayak, P. K., Huang, J. L., "Material properties of tungsten carbide–alumina composites fabricated by spark plasma sintering", Ceramics International, Vol. 40, No. 9, (2014), 15007-15012. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.06.102
- Chen, C. Y., Lan, G. S., Tuan, W. H., "Preparation of mullite by the reaction sintering of kaolinite and alumina", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 20, No. 14-15, (2000), 2519-2525. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(00)00125-4
- Kanka, B., Schneider, H., "Sintering mechanisms and microstructural development of coprecipitated mullite", Journal of Materials Science, Vol. 29, No. 5, (1994), 1239-1249. https://doi.org/10.1007/BF00975071
- Ghahremani, D., Ebadzadeh, T., Maghsodipour, A. "Spark plasma sintering of mullite: relation between microstructure, properties and spark plasma sintering (SPS) parameters", Ceramics International, Vol. 41, No. 5, (2015), 6409-6416. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.01.078
- Gao, L., Jin, X., Kawaoka, H., Sekino, T., Niihara, K., "Microstructure and mechanical properties of SiC–mullite nanocomposite prepared by spark plasma sintering", Materials Science and Engineering: A, Vol. 334, No. 1-2, (2002), 262-266. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01898-6
- Orooji, Y., Ghasali, E., Moradi, M., Derakhshandeh, M. R., Alizadeh, M., Shahedi Asl, M., Ebadzadeh, T., "Preparation of mullite-TiB2-CNTs hybrid composite through spark plasma sintering", Ceramics International, Vol. 45, No. 13, (2019), 16288-16296. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.05.154
- Orooji, Y., Alizadeh, A. A., Ghasali, E., Derakhshandeh, M. R., Alizadeh, M., Shahedi Asl, M., Ebadzadeh, T., "Co-reinforcing of mullite-TiN-CNT composites with ZrB2 and TiB2 compounds", Ceramics International, Vol 45, No. 16, (2019), 20844-20854. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.072
- Standard Test Method for Pin Abrasion Testing, in ASTM G132-96, (2018). https://doi.org/10.1520/G0132-96R13
- Lancaster, J. K., "A review of the influence of environmental humidity and water on friction, lubrication and wear", Tribology International, Vol. 23, No. 6, (1990), 371-389. https://doi.org/10.1016/0301-679X(90)90053-R
)