بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آلومینایزینگ ورق فولادی ST37 و نیتروﮊن دهی گازی پوشش آلومینیمی در شرایط مختلف
چکیده
کاربرد فولادها در بسیاری شرایط مانند دمای کاری بالا، خستگی و خزش محدود می باشد. در بعضی موارد فولادی که خواص مورد نظر را داشته باشد بسیار گران است. بنابراین در بسیاری از موارد از یک لایه پوشش برای تأمین خواص مورد نظر استفاده میشود.آلومینیم یکی از پوششهای رایج بر روی فولاد، برای افزایش مقاومت به خوردگی واکسیداسیون است. کاربرد پوشش آلومینیم در بسیاری موارد به دلیل سختی و استحکام پایین محدود شده است. در این پروﮊه، آلومینایزینگ به روش غوطهوری گرم و سپس نیتروﮊندهی به روش گازی بر روی پوشش آلومینیمی انجام شد و اثر دما، زمان بر سختی پوشش مورد بررسی قرار گرفت. برای این امر، نیتروﮊن دهی در ۶ دمای °C۰۲۵، °C۰۴۵، °C۰۶۵، °C۰۸۵،
°C۰۰۶، °C۰۲۶ در مدت زمان های ۱، ۲ و ۳ ساعت انجام شد.برای بررسی اثر اتمسفر، نمونهها در دماهای° C۰۸۵، °C۰۰۶، °C۰۲۶ در اتمسفر نیتروﮊن‐آرگون نیتروﮊن دهی گردید. سختی سنجی نمونهها نشان داد که میزان نفوذ نیتروﮊن در پوشش آلومینیوم با افزایش دما و زمان و افزودن آرگون به اتمسفر کوره افزایش می یابد. همچنین اندازهگیری ضخامت پوشش نشان داد که با افزایش دما و زمان، ضخامت کلی پوشش و ضخامت لایه نیتروره شده، افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: متالورﮊی سطح‐ سخت کردن سطحی‐ آلومینایزینگ‐ نیتروﮊندهی‐ نیتریدآلومینیوم
۱‐ مقدمه
یکی از روشهای عملیات حرارتی سختکردن سطحی، نیتروﮊندهی است. این روش، ترکیب شیمیایی سطح را تغییر میدهد و فازهای نیتریدی به وجود میآورد که سختی بالایی دارند. از جمله فازهای نیتریدی سخت میتوان به نیتریدآلومینیم (AlN) اشاره کرد ]۱و۲.[ بنابراین درمواردی که مقاومت به خوردگی و همچنین سختی و مقاومت به سایش بالا مورد نیاز باشد، میتوان از فولادهایی با پوشش آلومینیم که نیتروﮊندهی شدهاند استفاده کرد. به عنوان مثال رینگ پیستونهای نیتروﮊندهی شده به میزان وسیعی در صنعت خودرو کاربرد دارند. علت این امر مقاومت به سایش عالی لایه نیتروﮊندهی شده و عمر خستگی بالای این رینگ پیستونها در مقایسه با سایر عملیاتهای سطحی است]۳.[
١‐١آلومینایزینگ
آلومینایزینگ به روش غوطهوری گرم به صورت موفقیت آمیز برای ایجاد یک لایه نازک آلومینیم بر روی زمینه فولادی انجام گرفته است. این پوشش، مقاومت به خوردگی فولاد را افزایش میدهد]۴.[
ترکیب فلاکس معمولا شامل کلرید ها و فلوئورید های فلزات قلیایی و قلیایی خاکی است. زمان نگهداری قطعات در فلاکس min١٥ـ٨ است و دمای آن در حدود دمای آلومینیم مذاب است]۵.[ طبق دیاگرام فازی آهن و آلومینیم، پنج نوع ترکیب بین فلزی وجود دارند که بنا به دما و زمان غوطهوری شکل خواهند گرفت. این ترکیبات عبارتند از : FeAl2 ، Fe2Al5 ، FeAl3، Fe3Al، ] FeAl۶.[ با توجه به ملاحظات ترمودینامیکی (انرﮊی آزاد منفی بزرگتر) انتظار میرود فاز (FeAl3)θ تشکیل شود، اما در بیشتر موارد به دلیل سرعت رشد بیشتر فاز (Fe2Al5)η و همچنین جهت گیری مناسب کریستالوگرافی، فاز η قسمت اعظم پوشش را تشکیل میدهد. در صورت استفاده از آلیاﮊهای آلومینیم‐سیلیسیم لایه آلیاﮊی شامل نوار ضخیمی است که حاوی فاز Fe2SiAl7 است و به رنگ روشن دیده میشود. بین این لایه و زمینه فولادی نوار نازک و تیرهتری دیده میشود که شامل فاز (Fe2Al5)η است. این لایه شامل رسوبات مجزای فاز (FeAl3)θ است. هر دو فاز η و θ در این لایه شامل مقادیر غیرمشخص سیلیسیم هستند]۳.[
۱‐۲ نیتروﮊن دهی
در نقطه ی ذوب آلومینیم، میزان حلالیت نیتروﮊن درآن cm3۶۶۰/۰ در g۰۰۱ است]۷.[ آلومینیم با نیتروﮊن ترکیب شده و تشکیل نیترید آلومینیم AlN (34.18%N) میدهد. نیترید آلومینیم در آلومینیم جامد ومذاب نامحلول است. نیترید آلومینیم ساختارکریستالی هگزاگونال دارد (۰۰۶/۱](c/a=۸.[ با توجه به امکانات موجود در این پروﮊه از روش نیتروﮊن دهی گازی استفاده شده است. فاز اصلی لایه نیتروﮊندهی شده، بلورهای هگزاگونال نیترید آلومینیم است. امکان دارد اکسیژن نیز در حد چند درصد اتمی وجود داشته باشد. بعلاوه بلورهای آلومینیم نیز از زمینه باقی خواهند ماند که میزان آنها به نوع انجام
فرآیند بستگی دارد ]۳.[ در حین نیتروﮊندهی هر چه دما بالاتر رود و یا زمان افزایش پیدا کند، میزان نفوذ افزایش پیدا میکند، و ضخامت و سختی لایه نیترید آلومینیم افزایش پیدا خواهد کرد. در مورد نیتروﮊندهی، معمولا زمان بیش از یک ساعت لازم است چون درغیر این صورت حضور لایه اکسیدی را خواهیم داشت(۰۳). حضور آرگون در اتمسفر کوره سبب بالا رفتن نسبت آلومینیم به اکسیژن وایجاد اشکال در تشکیل لایه اکسیدی می شود ]۹.[
۲‐روش تحقیق
آزمایش های انجام شده دراین پروﮊه شامل آلومینایزینگ ورق فولادی و سپس نیتروﮊندهی پوشش حاصل است. این عملیات به منظور افزایش سختی و افزایش مقاومت به خوردگی و سایش قطعات طراحی شده اند. پس از انجام عملیات مربوط به آلومینایزینگ و نیتروﮊندهی سختی سنجی، متالوگرافی و بررسی میکروسکوپی نمونه ها و همچنین اندازه گیری ضخامت پوشش برای هر نمونه انجام می شود.
۲‐۱‐ عملیات سطحی فیزیکی
نمونه ها ابتدا سنگ زده میشوند تا لایه اکسید چربی از سطح آنها برداشته شود و سپس طی ۵ مرحله توسط سنباده های ۰۴۲، ۰۶۳، ۰۰۶، ۰۰۰۱ و ۰۰۲۱ سنباده زده میشوند تا یک سطح مناسب برای
آلومینایزینگ نمونه ها به دست آید.
۲‐۲‐ عملیات سطحی شیمیایی
عملیات آماده سازی سطحی شیمیایی به شرح زیر است:
قرار دادن نمونه ها به مدت 10 دقیقه در محلول سود دردمای °C۰۶ ؛ شستشوی نمونه ها به مدت ۱ دقیقه در آب مقطر؛ قرار دادن نمونه ها به مدت ۰۱ دقیقه در محلول اسید کلریدریک ۰۲% در دمای محیط؛ شستشوی نمونه ها به مدت ۱ دقیقه در محلول اسید کلریدریک ۵% دردمای محیط؛ شستشوی نمونه ها به مدت ۱ دقیقه در آب مقطر؛ خشک کردن نمونه ها درهوای گرم.
۲‐۳‐آلومینایزینگ
ترکیب فلاکس شامل%۵۳ KCl، %۵۳ NaCl، %۰۲ ZnCl2 و %۰۱ Na3AlF6 است. فلاکس در بوته ای جداگانه قرارداده میشود. دمای فلاکس و دمای مذاب آلومینیم °C ۰۵۷ است. نمونه ها ۵۱ دقیقه در فلاکس قرار میگیرند. هنگام قراردادن نمونه ها در مذاب آلومینیم، ابتدا سرباره مذاب آلومینیم کنار زده می شود. قبل از خروج نمونه ها از مذاب نیز، سرباره مذاب آلومینیم کنارزده میشود.چسبیدن سرباره به سطح پوشش باعث کیفیت نامناسب پوشش میشود.
۲‐۴‐ اکسید زدایی
یک لایه اکسید آلومینیم در سطح پوشش وجود دارد. نمونه ها به مدت ۲ دقیقه در محلول g lit ۵۴ سود غوطهور میشوند، سپس نمونه ها با آبمقطر شستشو داده میشوند و لایه اکسیدی تقریبا حذف میشود.
۲‐۵‐ نیتروﮊن دهی
برای انجام عملیات نیتروﮊندهی از کوره تونلی استفاده میشود. دما، زمان و اتمسفر کوره متغیرهای فرآیند نیتروﮊن دهی هستند. نمونهها در دماهای °C۰۲۵، °C۰۴۵، °C۰۶۵، °C۰۸۵، °C۰۰۶، °C۰۲۶ در مدت زمانهای ۱، ۲ و۳ ساعت در اتمسفر ۰۰۱% نیتروﮊن، نیتروﮊندهی میشوند. برای بررسی اثر اتمسفر، نمونه ها در سه دمای مختلف °C۰۸۵، °C۰۰۶، °C۰۲۶ در زمان های ۱، ۲ و۳ ساعت در اتمسفر ۰۷% نیتروﮊن‐ ۰۳% آرگون نیتروﮊندهی میشوند. شایان ذکر است که امکان برقراری نسبت دقیق بین دو گاز وجود ندارد و نسبت گازها به صورت تقریبی با استفاده از میزان حباب ایجاد شده در آب در اثر جریان گاز به دست آمده است. این عامل منجر به ایجاد خطا در نتایج خواهد شد.
از نمونههای تهیه شده یک نوار کوچک به ابعاد حدود cm۲×۵۰/۰ تهیه میشود. سپس این نمونهها، از مقطع مانت میشوند. به این ترتیب، امکان مشاهده مقطع پوشش و اندازه گیری ضخامت پوشش فراهم میشود. مقطع نمونهها با سنباده های ١٨٠، ٢٤٠، ٤٠٠، ٦٠٠، ٨٠٠ و ١٠٠٠ سنباده زده میشود و سپس با محلول Al2O3، ۳,۰ و ۵۰,۰ پولیش میشوند. نتایج حاصل از سختیسنجی و اندازهگیری ضخامت پولیش و متالوگرافی در ادامه خواهد آمد. نمونههای نیتروﮊندهی شده به صورت جدول ۱ شمارهگذاری شدهاند.
۳‐ یافته ها و بحث
۳‐۱‐سختی سنجی
کلیه نمونهها با مقیاس ویکرز سختی سنجی میشوند. شایان ذکر است که چون سختی سنجی از سطح نمونهها انجام شده است، و سطح نمونه ها پس از نیتروﮊن دهی کدر هستند، سختی سنجی در مقیاس ویکرز از دقت پایینی برخوردار است. نتایج سختی سنجی در جدول ۲ آمده است.
همان طور که مشاهده میشود در نمونه های ۱ و۲ و۳ که در دمای °C۰۲۵ و به ترتیب به مدت ۱، ۲ و ۳ ساعت نیتروﮊن دهی شدهاند، سختی ثابت است و مقدار آن HV) ۴۱۱) تقریبا با مقدار سختی نمونهها قبل از نیتروﮊن دهی برابر است. بنابراین نفوذ نیتروﮊن در آلومینیم در دمای °C٥٢٠ انجام پذیر نیست یا بسیار به کندی انجام میشود به گونه ای که در مدت زمان انجام آزمایش تغییری در سختی سطح مشاهده نشده است.
در نمونههای ٤، ٥ و ٦ که در دمای °C۰۴۵ نیتروﮊن دهی شدهاند، نسبت به نمونههای ۱، ۲ و ۳، افزایش سختی به میزان جزنی دیده میشود. همان طور که عنوان شد، چون عملیات نیتروﮊندهی یک فرآیند
نفوذی است، دما تاثیر بسیار مهمی بر روی عمق نیتروﮊندهی خواهد داشت. در واقع با افزایش دما، میزان نفوذ نیتروﮊن افزایش یافته و در نتیجه مقدار فاز نیترید آلومینیم افزایش مییابد. از آن جا که نیترید آلومینیم خود سختی بالایی دارد ، و همچنین تشکیل ذرات نیترید آلومینیم باعث ایجاد اعوجاج در شبکه نیز میشود، با تشکیل این ذرات سختی زمینه افزایش خواهد یافت.
در نمونههای ۷، ۸ و ۹، نیز که در دمای °C۰۶۵ نیتروﮊن دهی شدهاند، نیز همین روند صعودی برقرار است و سختی آنها به نسبت نمونههای ۴، ۵ و ۶ افزایش یافته است.
موردی که در نمونههای ۴، ۵ و ۶ و همچنین نمونههای ۷، ۸ و ۹ دیده میشود، کاهش سختی با افزایش زمان از ۱ ساعت به ۲ ساعت است. دلیل این امر میتواند مربوط به پدیده رشد دانه باشد. افزایش زمان نیتروﮊن دهی از ۱ ساعت به ۲ ساعت باعث میشود فرصت کافی برای رشد دانهها فراهم شود، در نتیجه افت سختی در نمونهها مشاهده میشود. هر چند این افت سختی نسبتا ناچیز است و میتوان آن را به خطای آزمایش ناشی از عدم دقت در سختی سنجی نیز نسبت داد. با افزایش زمان نفود نیتروﮊن افزایش مییابد و سختی حاصل از نیتروﮊن دهی بر کاهش سختی ناشی از رشد دانه غلبه خواهد کرد.
در نمونههای ۰۱، ۱۱ و ۲۱ سری A که در °C۰۸۵ نیتروﮊن دهی شدهاند، افزایش سختی محسوسی نسبت به نمونههای قبل دیده میشود. در این نمونهها مشاهده میشود که با افزایش زمان نیتروﮊندهی، میزان نفوذ نیتروﮊن در آلومینیم و در نتیجه مقدار فاز نیترید آلومینیم افزایش یافته و سختی افزایش مییابد.
در نمونههای ۳۱، ۴۱ و ۵۱ سری A که در دمای °C۰۰۶ نیتروﮊن دهی شدهاند نیز افزایش سختی نسبت به نمونههایی که در دماهای پایین تر نیتروﮊندهی شدهاند دیده میشود. همچنین به طور کلی با افزایش زمان، سختی نمونهها افزایش مییابد.
در نمونههای ۶۱، ۷۱ و ۸۱سری A که در دمای °C۰۲۶ نیتروﮊن دهی شدهاند، به ویژه در نمونه ۸۱ افزایش سختی نسبتا زیادی در مقایسه نمونههای قبل دیده میشود. در این نمونه ها قسمتی از پوشش نازک آلومینیم که در سطح قرار دارد و درون زمینه فولادی نفوذ نکرده است و با آهن ترکیبات بین فلزی تشکیل نداده است، در این زمان به صورت سطحی ذوب میشود. نفوذ نیتروﮊن در آلومینیم که مقداری خمیری شده است بسیار راحتتر از نفوذ نیتروﮊن در آلومینیم جامد است. بنابراین میزان نفوذ نیتروﮊن در زمینه افزایش مییابد و سختی آن، به میزان قابل توجهی بالا میرود.
همان طور که ذکر شد، افزایش دما و زمان باعث می شود میزان نفوذ نیتروﮊن در زمینه افزایش پیدا کند و این امر باعث افزایش سختی می شود. نمودار مقایسه ای سختی بر حسب دما در سه زمان مختلف، به منظور بررسی اثر دما و زمان بر سختی در شکل ۱ آمده است.
مقایسه سختی نمونههای B۸۱B ‐۰۱ که با دما و زمان یکسان، اما در اتمسفر متفاوت، نیتروﮊن دهی شدهاند، نشان میدهد که سختی نمونههایی که در اتمسفر نیتروﮊن‐ آرگون نیتروﮊندهی شدهاند، بیشتر از سختی نمونههایی است که در اتمسفر نیتروﮊن خالص مورد آزمایش قرار گرفتهاند. دلیل این افزایش
