بخشی از مقاله
چکیده
نیتروژندهی محلولی به عنوان یک روش جدید جهت اضافه کردن نیتروژن به فولادهاي زنگنزن به کار میرود. رشد دانه از معایب نیتروژندهی محلولی است که به علت دماي نسبتاً بالا و زمان نسبتاً طولانی فرآیند در قطعه اتفاق میافتد. بنابراین به نظر میرسد که ریزدانه کردن فولاد قبل از عملیات نیتروژندهی محلولی براي جلوگیري از افت خواص لازم باشد. در این تحقیق تأثیر ریزساختار اولیه فولاد زنگنزن فریتی Fe-23Cr-2.4Mo بر قابلیت نیتروژندهی محلولی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور عملیات نورد گرم در دماي 500˚C انجام شد و با انجام عملیات آنیل به مدت زمان یک ساعت در دماي 1050˚C ساختاري با اندازه دانه 150 μm بدست آمد. سپس نمونه نورد شده و نمونه آنیل شده تحت عملیات نیتروژندهی محلولی در دماي 1200˚C تحت فشار 0/25 MPa به مدت زمان 6 ساعت قرار گرفتند. نتایج نشان داد که اندازه دانه و ضخامت لایه آستنیتی به ریزساختار اولیه فولاد بستگی دارد. بیشترین ضخامت لایه آستنیتی مربوط به نمونه نورد شده با ضخامت متوسط 724 μm است. هم چنین، کوچکترین اندازه دانه آستنیت تشکیل شده مربوط به نمونه نورد شده با اندازه دانه 62 μm است.
کلمات کلیدي: فولاد زنگ نزن فریتی، نیتروژندهی محلولی، ضخامت لایه آستنیتی، اندازه دانه.
مقدمه
فولادهاي زنگنزن شامل پنج دسته آستنیتی، فریتی، دوبلکس - فریتی- آستنیتی - ، مارتنزیتی و رسوب سخت شونده است .[1] فولادهاي زنگنزن حاوي نیتروژن در مقایسه با فولادهاي زنگنزن بدون نیتروژن خواص سطحی بهتر مانند مقاومت به خوردگی - موضعی و مرزدانهاي - و مقاومت سایشی 2][6 و خواص حجمی بهتر مانند استحکام بالا 5] و[6 را نشان میدهند. روشهاي مختلفی براي افزایش مقدار نیتروژن فولادهاي زنگنزن ابداع شده است. نفوذ حالت جامد یکی از این روشها است و شامل فرایندهاي ترموشیمیایی، کاشت، پلاسما یا لیزر میباشد .[7] نیتروژندهی پلاسمایی معمولا در دماهاي بالاتر از 500˚C به منظور حصول یک لایه سخت نسبتا ضخیم انجام میشود. نیتروژندهی فولادهاي زنگنزن در محدوده دمایی مذکور باعث تشکیل رسوبهاي نیترید کروم میشود که تشکیل این رسوبها باعث کاهش مقدار کروم محلول جامد و در نتیجه کاهش مقاومت به خوردگی این فولادها میشود 8] و.[9 با کاهش دماي نیتروژندهی پلاسمایی به حدود 400˚C، نیتروژن در ساختار فولاد به صورت محلول جامد باقی میماند اما ضخامت لایه نیتریدي تشکیل شده در سطح بیشتر از 20 میکرومتر نخواهد بود .[9]
اخیرا فرایند جدیدي به نام نیتروژندهی محلولی ابداع شده است که با انجام آن یک لایه سخت نیتریدي با ضخامت زیاد روي سطح فولاد زنگنزن تشکیل میشود بدون اینکه مقاومت به خوردگی آن کاهش یابد .[10] نیتروژندهی محلولی یک نوع عملیات ترموشیمیایی است که شامل آنیل کردن یک فولاد زنگنزن در اتمسفر گازي حاوي نیتروژن در محدوده دمایی 1000 -1200˚C به مدت 5 -12 ساعت است.
در این فرایند نیتروژن اتمی در سطح فولاد جذب شده و سپس به ناحیه زیر سطح نفوذ میکند. ضخامت لایه نیتریدي به 0/5 -2 میلی متر و مقدار نیتروژن محلول جامد فولاد به 0/5 -1 درصد وزنی میرسد .[6]
رشد دانه از معایب نیتروژندهی محلولی است [11] که به علت دماي نسبتاً بالا [12] و زمان نسبتاً طولانی فرآیند [13] در مغز و سطح قطعه اتفاق میافتد و باعث افت خواص مکانیکی میشود .[14] بنابراین به نظر میرسد ریز دانه کردن قبل و یا بعد از عملیات نیتروژندهی محلولی براي جلوگیري از افت خواص لازم باشد. گزارش شده است که کاهش اندازه دانه فولاد از 1000 μm تا 13 nm منجر به افزایش نفوذ تا 1000
برابر در فرایند نیتروژندهی یونی میشود .[15] در تحقیقاتی که در مورد تأثیر عملیات حرارتی بر نفوذ نیتروژن در فولادهاي ابزار و ضد زنگ در فرایند نیتروژندهی پلاسمایی صورت گرفته، مشاهده شده است که عملیات آنیل با افزایش اندازه دانه باعث کاهش نفوذ نیتروژن و عملیات نرماله کردن با کاهش اندازه دانه باعث افزایش نفوذ نیتروژن در فولاد میشود .[17-16] بر این اساس، در این تحقیق هدف بررسی تأثیر ریزساختار اولیه فولاد Fe-23Cr-2.4Mo بر قابلیت نیتروژندهی محلولی آن است.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از فولاد زنگنزن فریتی Fe-23Cr-2.4Mo استفاده شد که ترکیب شیمیایی آن - بر حسب درصد وزنی - در جدول 1 ارایه شده است. ابتدا فولادسازي توسط ذوب القایی در اتمسفر گاز آرگون و عملیات ذوب مجدد تحت سرباره الکتریکی - ESR - به منظور حصول ترکیب شیمیایی یکنواخت و حذف ناخالصیها در آن انجام شد. سپس با انجام عملیات نورد داغ در دماي 1100˚C طی 5 پاس ضخامت شمش به 1 cm کاهش یافت .[18] در نهایت شمش تولید شده تحت عملیات همگنسازي در دماي 1100˚C به مدت زمان 48 ساعت قرار گرفت و پس از اتمام عملیات در کوره سرد شد. به منظور بررسی تأثیر ریزساختار اولیه بر قابلیت نیتروژندهی محلولی فولاد زنگنزن فریتی، ورق با ضخامت 1 cm تحت عملیات نوردگرم و آنیل قرار گرفت. عملیات نوردگرم در دماي 500˚C با استفاده از دستگاه نورد دوغلتکی - قطر غلتک: 450
میلیمتر، سرعت غلتک: 9 دور بر دقیقه - انجام شد. میزان کاهش ضخامت 70 درصد در نظر گرفته شد که طی سه پاس به قطعه اعمال شد. پس از اعمال پاس آخر نورد، تعدادي از نمونهها تحت عملیات آنیل در دماي 1050˚C به مدت زمان 1ساعت قرار گرفتند و سپس در آب کوئنچ شدند.
براي انجام عملیات نیتروژندهی نمونههایی به ابعاد 15 × 10 × 2 mm3 از ورق فولادي نورد شده و آنیل شده برش داده شدند و سطوح آنها با استفاده از کاغذ سنباده تا شماره 600 صیقلی شدند. قبل از عملیات نیتروژندهی نمونهها در اتانول به مدت 15 دقیقه با استفاده از دستگاه آلتراسونیک چربی زدایی شدند. سپس عملیات نیتروژندهی محلولی در دماي 1200˚C تحت اتمسفر گاز N2 - با خلوص بالا، - 99/9995 با فشار 2/5 بار به مدت زمان 6 ساعت انجام شد. پس از اتمام نیتروژندهی براي جلوگیري از تشکیل رسوبات نیترید کروم در حین سردکردن، نمونهها در آب کوئنچ شدند. نمونههاي نورد شده و آنیل شده قبل از عملیات نیتروژندهی به ترتیب با نماد R و A و پس از عملیات نیتروژندهی به ترتیب با SN-R و SN-A نامگذاري شدهاند.
جدول .1 ترکیب شیمیایی فولاد فریتی فرآوري شده.
بررسی ریزساختار نمونهها با استفاده از میکروسکوپ نوري مدل Olympus PMG3 انجام شد. براي این منظور پس از سنباده زنی و پولیش، با استفاده از محلول اچ 1 - baraha گرم K2S2O5، 20 میلی لیتر HCL، 100 میلی لیتر آب مقطر - اچ شدند. براي اندازه گیري اندازه دانه و ضخامت لایه نیتریدي از نرم افزار کلمکس استفاده شد. ساختار فازي نمونهها از طریق آنالیز الگوهاي پراش اشعه X ثبت شده با استفاده از دستگاه پراش سنج اشعه X مدل Bruker advanced D8 با تابش پرتو - λ=1/5406Å - Cu-Kα X تحت ولتاژ 40Kev و جریان 40mA انجام شد.
