بخشی از مقاله
بررسي سينتيک رشد لايه ي بين فلزي تشکيل شده در غوطه وري گرم فولاد کربني ساده در آلومينيم مذاب
غوطه وري گرم يکي از روش هاي پوشش دهي قطعات اتومبيل و ورق هاي فولادي است که امروزه بسيا ر مورد توجه قرار گرفته است . در اين تحقيق فو لاد ساده کربني در حمام مذاب آلومينيم خالص در دماي ٧٠٠ درجه سلسيو س در زمان هاي مختلف غوطه و ر شد. سينتيک رشد ترکيبات بين فلزي تشکيل شده بين آهن جامد و آ لومينيم مذاب مورد بررسي قرار گرفت . جهت بررسي ريز ساختار و تشخيص ترکيبا ت بين فلزي از تصاوير ميکروسکوپ نوري و آناليز هاي تابش اشعه ايکس و ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده شد. همچنين ضخامت لايه بين فلزي تشکيل شده ميان آ لومينيم و فولاد اندازه گيري شد. نتايج نشان دادند که فاز عمده تشکيل دهنده ي لايه ي بين فلزي، فاز است . اين فاز به صورت ستوني شکل به سمت فولاد رشد مي کند. با افزايش زمان غوطه وري ضخامت لايه بين فلزي افزايش مي يابد. بررسي هاي سينتيکي نشان داد رشد اين لايه به طورعمده تحت کنترل نفوذ ا ست .
وا ژه ها ي کليد ي: آ لو مينا يز ينگ ، غوطه و ر ي گرم ، تر کيب بين فلز ي ،
مقدمه
روش غوطه ور يگرم يکي از روش هاي قديمي مورد استفاده در صنعت برا ي ايجاد پوشش بر روي فو لاد است . در اين روش قطعه مو رد نظر در حمام مذاب به مدت زمان کوتاهي غوطه ور مي گردد تا بر رو ي سطح آن پوششي از فلز ايجاد شود. اين پوشش ها در برابر اکسيدا سيون در دما ي بالا مقاومت بسيا ر خوبي از خود نشان مي دهند و به علت تشکيل لايه ي در اتمسفرهاي دريايي، صنعتي، آب و هواي گرم و مرطوب ، آب دريا و بعضي از اسيدها و نمک ها در مقايسه با پوشش هاي گالوانيزه ، مقاومت به خوردگي بيشتر ي دارند [١]. اگزوزهايي که پيش از اين ساخته مي شدند به طريقه گالوانيزه محافظت مي شدند. حال آنکه اين پوشش مقاومت کافي در برابر خوردگي در دماي بالا را ندارد. بنابراين برا ي افزايش مقاومت به خوردگي و عمر مفيد آنها آلومينا يزينگ به عنوان يک روش مؤثر مي تواند مو رد استفاده قرار گيرد. اين پوشش ها در صنايع سا ختماني، گرم کننده هاي خانگي ، تجهيزات تهويه مطبوع ، مخابرات ، انتقال نيرو و غيره کاربرد دا رند. مزاياي اين فرايند نسبت به روش هاي ديگر آ لومينايزينگ سرعت بالا، دماي نسبتا پايين عمليات سادگي و اقتصادي بودن است [١و٢].
آهن و آلومينيم دا راي ٥ ترکيب بين فلزي هستند. نام ا ين ترکيبات و انرژي آزاد ا ستاندا رد تشکيل آ ن ها در جدول ١ آورده شده است . هنگامي که آهن در تماس با آلومينيم مذاب قرار ميگيرد، واکنشي بين آ ن ها صورت ميگيرد و در اثر آن لايه اي ترد متشکل از ترکيبات بين فلزي آهن و آلومينيم به وجود مي آيد. اين لايه به عنوان لايه اي آلياژي که بين فو لاد پايه و پوشش آلومينيم تشکيل ميشود نيز شنا خته ميشود و از دو فاز (فاز عمده ) تشکيل شده ا ست . اين لايه به طور همزمان هم ر شد مي کند و هم در مذاب آلومينيم حل ميشود و با عث مصرف آهن و کاهش ضخامت آن ميشود. نسبت سرعت رشد و حل شد ن لايه ي بين فلزي ضخامت آن را تحت تأثير قرار ميدهد. در واقع اين ضخامت به طور مستقيم به دما و زمان غوطه وري وابسته است . با توجه به جدول ١ فاز از نظر ترموديناميکي پايدارتر از فاز است . اما به دلايل سينتيکي بيشتر رشد کرده و ضخامت بالاتري دارد. درواقع کريستال هاي فاز با ساختار اورتورمبيک ، به د ليل وجود جاها ي خالي در طول محور C، با سرعت زيادي در اين جهت رشد ميکنند و فصل مشترک را به صورت دندانه - اي شکل ميسازند. با افزايش زمان غوطه وري اين حا لت دندانه اي شکل به صورت تکه هاي جدا از هم تبديل مي شود [٣- ٨].
در مقاله حاضر با غوطه وري فو لاد ساده کربني در مذا ب آلومينيم خا لص ، مورفولوژي و ريز ساختار فا ز- هاي به وجود آمده مو رد بررسي قرار گرفته و بر روي تغييرات ضخامت لايه ي بين فلزي با افزايش زما ن غوطه وري بحث شده ا ست . همچنين با انجام ميکروسختي سنجي، سختي فا زهاي به وجود آمده مو رد مقايسه قرار گرفته ا ست .
مواد و روش تحقيق
در اين تحقيق نمونه هايي از جنس فو لاد ساده کربني به ابعاد ٢٠×١٠×٢ ميلي متر با ترکيب شيميا يي ارائه شده در جدول ٢ تهيه شدند. در بالاي هر نمونه سوراخي به قطر ٢ ميليمتر جهت انجام آسا ن تر غوطه وري ايجاد شد. ابتدا جهت از بين بردن لايه ها ي اکسيدي نمونه ها با سنباد ه هاي ٨٠، ١٨٠، ٢٣٠،
٣٢٠، ٤٠٠، ٦٠٠، ٨٠٠ و ١٢٠٠ سنباده زني شدند. سپس نمونه ها در محلول سود ١٠% به مدت ٥ دقيقه د ر دماي محيط چربي زدايي شدند. پس از شستشو با آب گرم ٥٠ درجه سلسيو س به مدت ٥ دقيقه وا رد محلول اسيد کلريدريک ٧٠% شدند تا اکسيدها و آلودگيهاي باقيمانده بر روي آ ن ها از بين برود. د ر نهايت پس از شستشوي مجدد نمونه ها با آب گرم عمليات فلاکس زني(روانسازي) انجام شد . فلاکس زني به منظور جلوگيري از اکسيداسيون مجدد و افزايش قابليت ترشوندگي سطح فو لاد توسط مذاب آلومينيم انجام ميشود. براي تهيه محلول فلاکس از ٢٠٠ ميليليتر آب مقطر به همراه ١٠ گرم NaCl، ١٠گرم NaF و ٥ گرم KF استفاده شد .
براي انجام پو شش دهي، حمام مذاب آلومينيم خالص در دماي ٧٠٠ درجه سلسيوس آماده شد و پس ا ز نگه داري حمام در اين دما به مدت ٢٠ دقيقه غوطه وري در زمان هاي بين ٥ تا٩٠٠ ثانيه انجام شد. نمونه - ها با زاويه ٩٠ درجه وا رد حمام مذاب شدند و پس از گذشت زمان مشخص با سرعت يکسان خا رج شدند ودر هوا سرد شدند. سپس نمونه ها طوري مانت شدند که بتوان سطح مقطع آ ن ها را مورد بررسي قرار داد. جهت بررسي ريز ساختار و تشخيص ترکيبات بين فلزي از تصاوير ميکروسکوپ نوري و هاآينا لتيابزش اشعه ايکس و ميکروسکوپ الکتروني روبشي ا ستفاده شد. همچنين ضخامت لايه بين فلزي تشکيل شده ميان آ لومينيم و فو لاد توسط نرم افزا ر Clemex اندازه گيري شد.
نتايج و بحث
با انجام متا لوگرافي بر رو ي نمونه ها مشخص گرد يد در تمامي آ ن ها دو لايه بر رو ي فولاد تشکيل شد ه است .لايه ي خارجي ترکيب حمام مذاب را که همان آلومينيم خا لص است دارد و لايه ي داخلي از ترکيبات بين فلزي آهن و آلومينيم تشکيل شده است [٤- ٩]. در شکل ١ اين لايه ها مشخص شد ه اند .
شکل ٢ تصوير SEM گرفته شده از نمونه غوطه ور شده به مدت ٦٠ ثانيه و پوشش ايجاد شده در دو طرف آن را نشان ميدهد. در اينجا نيز مانند شکل ١ د يد ه ميشود که فصل مشترک لايه ي بين فلزي و فو لاد داراي مورفو لوژي دندانه اي شکل و يا به اصطلا حي ديگر زبانه اي شکل است .
جهت تشخيص فازهاي تشکيل دهنده لايه ي بين فلزي از آناليز XRD استفاده شد. ابتدا نمونه مو رد نظرمقداري سمباده زني شد تا کمي از لايه ي آلومينيم خارجي آن از بين برود و تشخيص لايه هاي بين فلزي راحت تر صورت گيرد. در نهايت با انجام آنا ليز XRD بر روي سطح نمونه ها مشخص شد که قسمت عمده ي لايه ي بين فلزي را فاز تشکيل ميدهد .
شکل ٤- الف تصوير SEM گرفته شده از نمونه ي غوطه ور شده به مدت ٤٥٠ ثانيه را نشان ميدهد. برا ي بررسي بيشتر لايه ي بين فلزي، تصويري با بزرگ نمايي با لاتر از منطقه P که فصل مشترک آلومينيم خارجي و لايه ي بين فلزي را نشان ميدهد، تهيه شد. اين تصوير در شکل ٤- ب آورده شده است . تفاو ت رنگ بين مناطق A و B نشان ميدهد که لايه ي بين فلز ي از دو فاز تشکيل شده است . فاز A که ضخامت بسيار کمي ( حداکثر ١٠ ميکرومتر) دا رد است و در مجاورت آلومينيم تشکيل ميشود. فاز B که ضخامت بسيار با لاتري دارد است و در مجاورت فولاد تشکيل ميشود. در ابتدا فاز به وسيله ي نفوذ اتم هاي آهن و آلومينيم به سمت يکديگر تشکيل ميشود و سپس فاز بين فو لاد و فاز تشکيل ميگردد. در واقع اين فاز است که دا راي رشد دندانه اي شکل به سمت فو لاد است و فصل مشترک آن با فاز تقريبأ صاف و يکنواخت است [٥ تا ١٠]. به د ليل ميزا ن بسيار کم در لايه ي بين فلزي، تشخيص آن تو سط آناليز XRD مشکل است . در نتيجه از آنا ليز EDS استفاده شده ا ست و نتايج آن در جدول ٣ آورده شده است .
در شکل ٤- ب ناحيه ي C که به رنگ طوسي تير ه است ، لايه ي آ لومينيم خارجي را نشا ن ميدهد. تيغه هايي به صورت پراکنده در اين لايه مشاهده ميشود که يکي از آ ن ها با حرف D مشخص شده است . نتا يج آنا ليز EDS اين نقاط که در جدول ٣ آو رده شده است ، نشان ميدهد که اين تيغه ها دارا ي ترکيب هستند. البته درصد اتمي آلومينيم کمي بيشتر از مقدار تعريف شده برا ي اين فاز بد ست آمد ه - است . چرا که به دليل کوچک بودن اين مناطق ، مقدا ري آلومينيم از زمينه جذب
