بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر نیتروژن دهی پلاسمایی بر رفتار خوردگی فولاد گرم کار H13 می باشد. در این پژوهش عملیات نیتروژن دهی به مدت 12 ساعت و دمای 510 درجه سانتی گراد در محی 75 گاز نیتروژن و 25 گاز هیدروژن انجام شد. سپس ساختار این فولاد پس از انجام نیتروژن دهی پلاسمایی و آزمون خوردگی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آنالیز تفرق اشعه ایکس نشان داد که در سطح کلیه نمونه ها فازهای Fe4N و Fe2N و Fe3N تشکیل شد. در آزمون خوردگی نمونه پس از غوطه وری به مدت 30دقیقه در محلول 3/5 درصد کلرید سدیم برای رسیدن به حالت پایا، تحت آزمون پلاریزاسیون تافل و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی قرار گرفت. نتایج منحنی های پلاریزاسیون تافل نشان داد که با حذف لایه سفید از سطح نمونه نیتروژن دهی پلاسمایی شده، رفتار خوردگی چندین برابر بهبود می یابد.
کلمات کلیدی: نیتروژن دهی پلاسمایی، فولاد AISI H13 ، لایه سفید، لایه نفوذی، خوردگی.
مقدمه
نیتروژن دهی پلاسمایی یکی از فرآیندهای اصلاح ساختار سطوح فلزات می باشد که موجب بهبود مقاومت سایشی، خوردگی و خستگی قطعات صنعتی شده و در نتیجه منجر به افزایش عمر و کارایی بهتر آن ها می شود .[1] به عبارت دیگر این روش یکی از فرآیندهای مهم مهندسی سطح بوده که به کمک تخلیه تابان در دما و ترکیب مناسب از گاز نیتروژن و هیدروژن، نیتروژن جذب سطح شده و در عمق مورد نظر نفوذ می کند و بدین ترتیب موجب بهبود سختی سطح و مقاومت به سایش انواع مختلف مواد مهندسی به ویژه فولادهای ابزار می شود .[2]عملیات نیتروژن دهی فولادها به طور سنتی هنوز هم توس یکی از روش های گازی یا مایع انجام می پذیرد. اما استفاده از پلاسما در عملیات نیتروژن دهی با کنترل بهتر فازهای سطحی تشکیل شونده و کیفیت بهتر سطوح قطعات، سبب کاهش مصرف گاز، کاهش انرژی مصرفی و همین طور کاهش خطرات زیست محیطی می شود.[3]
در این فرآیند، نیتروژن های ایجاد شده به درون سطح قطعه نفوذ می کنند و در نتیجه یک لایه نازک از نیتریدهای آهن که شامل فازهای نیتریدیγ′ با فرمول Fe4N و با فرمول Fe3N و با فرمول Fe2N است، در سطح فولاد تشکیل می شود. این لایه به لایه سفید و یا لایه ترکیبی معروف است .[4, 5] بنابراین خواص قطعات فولادی نیتروژن دهی شده به وسیله خصوصیات ساختاری لایه های ترکیبی و نفوذی تعیین می شود.[6, 7]در عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی، از طریق کنترل پارامترهای نیتروژن دهی نظیر ترکیب مخلوط گازی، دما و زمان عملیات، می توان ساختار سطحی نمونه را بر اساس کاربرد مورد نیاز کنترل کرد.
در این شرای بعد از عملیات نیتروژن دهی، تشکیل سطحی که فق شامل یک ناحیه نفوذی باشد و یا سطحی که در برگیرنده یک لایه ترکیبی و یک لایه نفوذی باشد امکان پذیر خواهد بود .[8] تحقیقات نشان داده است که استحکام و مقاومت به خستگی نمونه ها پس از عملیات نیتروژن دهی عمدتا وابسته به خصوصیات ساختاری ناحیه نفوذی بوده است .[9 ,10] افزایش مقاومت به خوردگی سطوح نیتروژن دهی شده عموما ناشی از تشکیل یک لایه ترکیبی بر سطح نمونه ها می باشد که حاوی نیتریدهای فشرده Fe4N و Fe3N و Fe2N است . [8]هدف اصلی از این پژوهش مطالعه و بررسی اثر لایه سفید بر رفتار خوردگی فولاد H13 نیتروژن دهی پلاسمایی شده می باشد. لذا اثر وجود یا عدم وجود این لایه مورد تحقیق و بررسی قرار خواهد گرفت.
مواد و روش تحقیق
عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی روی نمونه های فولاد ابزار گرم کار H13 انجام پذیرفت. جدول 1 ترکیب شیمیایی فولاد مورد استفاده در این تحقیق را نشان می دهد. از فولاد مزبور نمونه ای مکعب مستطیل شکل به ابعاد4×4×1 سانتی متر تهیه شد. به منظور عملیات حرارتی قبل از نیتروژن دهی، ابتدا سطح نمونه ها توس سمباده های 120 تا 2000 اماده سازی شد و سپس سطح نمونه توس دستگاه پولیش، با پودر آلومینا با اندازه پودر 50 میکرومتر پولیش شد. مسیر عملیات حرارتی به این صورت است که قطعه در دمای 1050 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه آستنیته شده و بعد از آستنیته کردن، در روغن سریع سرد شد. بعد از سرد کردن، نمونه در دمای 550 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه جهت بازپخت شدن نگه داشته شد و در نهایت نمونه در داخل کوره به آرامی سرد شد.
عملیات نیتروژن دهی به وسیله دستگاه پالسی جریان مستقیم در مقیاس نیمه صنعتی تحت فشار 4 میلی بار، دمای 510 درجه سانتی گراد، درصد چرخه کاری 70 درصد، نسبت نرخ گاز نیتروژن به هیدروژن 75 به 25 درصد انجام شد.پس از عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی، نمونه به وسیله کاتر برش داده شد. بررسی های متالوگرافی از سطح مقطع نمونه انجام گرفت و ضخامت منطقه نفوذی از روی تصاویر میکروسکوپ نوری به دست آمده، تعیین شد. همچنین پروفیل سختی از سطح به مغز قطعه توس دستگاه میکروسختی سنج
