بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به بررسی تاثیر پارامتر هاي نیتروژن دهی پلاسمایی شامل فرکانس و چرخه کاري - Duty Cycle - بر قطعات با شیار هاي مختلف می پردازد. نمونه ها با اتصال یک بلوك فلزي داراي شیار هاي منظم با ضخامت هاي 2، 4، 6، 8 و 10 میلی متر، با پهناي 20 میلی متر و عمق 40 میلی متر به یک تسمه فولادي از جنس DIN1/2344 فولاد گرم کار به ابعاد 60x40x30 میلی متر مکعب تهیه شدند
سپس نمونه ها بعد از عملیات حرارتی تحت اتمسفر حاوي H2- N2 در دماي 500درجه سانتی گراد، فشار 4تور، در چرخه کاري هاي %40، %60 و %80 و فرکانس هاي 8 و 10 کیلوهرتز به مدت 5 ساعت نیتروژن دهی پلاسمایی شده اند.
ریز ساختار، ریز سختی و زبري سطوح شیارهاي عملیات شده توسط SEM، XRD، ریز سختی سنجی و زبري سنجی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش چرخهکاري باعث افزایش زبري سطح، افزایش لایه نفوذي و افزایش سختی می شود.
مقدمه
نیتروژن دهی پلاسمایی یکی از فرایندهاي اصلاح ساختار سطوح فلزات می باشد که موجب بهبود مقاومت سایشی، خوردگی، خستگی و شکست قطعات صنعتی شده و در نتیجه منجر به افزایش عمر و کارایی بهتر آنها می شود
نیتروژن به داخل فولاد نفوذ کرده سپس با آهن و عناصر آلیاژي تر کیب می شود و توزیع مناسبی از نیترید هاي فلزي را تشکیل می دهد. در نتیجه یک لایه ازكن از نیترید هاي آهن که شامل فازهاي بین فلزي Fe4N3Nاست در سطح فولاد تشکیل می شود. این لایه به لایه سفید و یا لایه ترکیبی معروف است .
در زیر لایه سفید، ناحیه نفوذي نسبتا محکم و ضخیمی وجود داردکه در این ناحیه نیتروژن در دماي نیتروژن دهی در فاز فریت حل می شود. در طی سرد شدن به دلیل کاهش حلالیت نیتروژن در آهن، رسوبات نیتریدي تشکیل می شود. خواص قطعات فولادي نیتروره شده به وسیله استحکام هسته، خصوصیات ساختاري لایه ترکیبی و نفوذي تعیین می شود
ترکیب لایه سفید و ضخامت لایه سفید بوسیله تغییردما، فرکانس و چرخه کاري تغییر می پذیرد .[6]با توجه به مشکلاتی که در نیتروژن دهی، قطعات با شیار هاي نازك و عمیق وجود دارد و نیاز به کیفیت سطحی بالا در قالب هاي اکستروژن و دایکست که معمولا هندسه پیچیده دارند.
کنترل عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی با تغییر پارامترهاي تاثیرگذار آن می تواند صرفه جویی اقتصادي را افزایش دهد. هدف اصلی از این ژپ وهش مطالعه و بررسی تاثیرپارامتر هاي فرکانس و چرخه کاري درروش نیتروژن پلاسمایی پالسی روي قطعات با هندسه پیچیده می باشد. این مهم است که بدانیمرفتار نیتروژن دهی پلاسمایی در صنعت با قطعات پیچیده چگونه می باشد.
مواد و روش تحقیق
ابتدا نمونه هاي شیاردار با ابعاد 60x40x30 میلی مترمکعب با استفاده از عملیات ماشین کاري از جنس فولاد گرم کار AISI H13، DIN1/2344 با تهیه شده. نمونه هاي آماده شده به شکل مکعب مستطیل شیارهایی با ضخامت هاي2، 4، 6، 8 و 10 میلی متر در آن ایجاد شد. هم چنین به منظور کنترل دقیق درجه حرارت در حین فرآیندنیتروژن دهی پلاسمایی، روي سطح نمونه ها محلی براي تعبیه ترموکوپل در نظر گرفته شد. شکل - 1 - شمایی از نمونه تهیه شده را نشان می دهد.
سطح مورد بررسی در این پژوهش سطح قسمت مشخص شده در قسمت - ب - می باشد. بعد از آماده شدن نمونه ها، آن ها را در دماي 1050°C به مدت 1 ساعت آستنیته کرده و بلافاصله در روغن کوئنچ شدند. وسپس نمونه ها دردماي 530 °C به مدت 1 ساعت تمپر شدند. سختی نمونه ها 57 راکول سی شد. سپس سطح تمامی نمونه ها با استفاده از روش هاي متالوگرافی به منظور ایجاد سطوح صاف براي عملیات نیتروژن دهی، تا سنباده 1200 سائیده و سپس پولیش شدند. بعد از آن نمونه ها توسط الکل و آب مقطر شسته شده وتوسط جریان هواي گرم به سرعت خشک شده و آماده فرآیند نیتروژن دهی شدند.
نمونه ها با دستگاه نیتروژن دهی پلاسمایی از نوع Pulsed-DC نیتروژن دهی می شوند و از طریق واکنش گرم می شوند. سپس تحت اتمسفر حاوي %75H2 -%25N2در دماي 500 درجه سانتی گراد و در فشار 4 تور براي مدت زمان 5 ساعت با فرکانس هاي 8 KHz ،10 و در چرخه کاري %80، %60 و %40 نیتروژن دهی پلاسمایی شدند. سپس خواص ساختاري و فازي شیار نیتروژن دهیشده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، ریز سختی سنجی، زبري سنجی و آنالیز تفرق ایکس - XRD - بررسی شد.
شکل ۱. شمایی از - الف - مجموعه نمونه عملیات نیتروﮊن دهی پلاسمایی شده متشکل از - ب - سطح مورد
آزمایش و - ج - سطح شیار دار که با پیچ و مهره به هم وصل شده اند.
نتایج و بحث
در شکل - 2 - مشاهده می شود که با افزایش ضخامت شیار از 4 به 10 میلی متر زبري سطح نمونه ها افزایش پیدا می کند. دلیل آن می تواند حضور بیشتر نیتروژن،در نتیجه کندوپاش بیشتر سطح نمونه ها باشد. هم چنین باحضور بیشتر نیتروژن، دانه هاي نیتروژن گل کلمی شکل بزرگتر و زبري سطح بیشتر می شود .
نکته قابل توجه، در زبري سطح نمونه با چرخه کاري %80 و ضخامت شیار 2 میلی متر دیده می شودکه مقدار زبري سطح این نمونه ماکزیمم می باشد. دلیل آن می تواند بیش گرمایش نمونه در اثر پدیده کاتد تو خالی باشد. بدلیل کوچک بودن ضخامت شیار، پلاسما در دو طرف شیار هم پوشانی کرده و باعث گیر افتادن الکترون ها و یونیزاسیون بیشتر می شود در نتیجه کندوپاش سطح بیشتر و زبري سطح افزایش می یابد.
مقدار زبري براي چرخه کاري %60 و %80 نسبتا بالا و براي %40 نسبتا پایین می باشد. از طرفی زبري سطح با افزایش چرخه کاري افزایش می یابد. همچنین با افزایش فرکانس نیززبري سطح افزایش می یابد. بر طبق گزارشات افزایش اتم هاي طبیعی و مولکول هاي پایدار اتم نیتروژن سبب تشدید بمباران یونی، نفوذ سریع نیتروژن و پاشش می شود. در نتیجه با افزایش فرکانس و چرخه کاري، زبري سطوح افزایش یابد
شکل٢.نتایج زبری سنجی نمونه ھا.
همانگونه که در شکل - 3 - مشاهده می شود با افزایش ضخامت شیار از 4 به 10 میلی متر سختی سطح شیار از 1240-1160 ویکرز به 1330-1280 ویکرز افزایش می یابد. از آنجایی که غلظت نیتروژن درون شیار با ضخامت 10 میلی متر، بیشتر است.
درصد نیترید هاي تشکیل شده در آن بیشتر می شود. این موجب افزایش سختی سطح در ضخامت 10 میلی متر می شود.با توجه به نتایج بدست آمده سختی سطح در نمونه نیتروژن دهی شده با ضخامت شیار 2 میلی متر و با چرخه کاري %80 کمترین مقدار سختی را نمایش می دهد.
علت این امر اثر پدیده کاتد توخالی بوده همانطور که گفته شد سطح این نمونه بیش گرم شده کهباعث رشد ناگهانی ذرات نیتریدي شده در نتیجه سختی کاهش می یابد .[9] هم چنین مشاهده می شود که با افزایش چرخه کاري از %40 به %80 سختی سطح می یابد. به دلیل این که با افزایش چرخه کاري انرژي یون ها و فعالیت آن ها بیشتر می شود و ضریب نفوذ نیتروژن افزایش پیدا می کند. هم چنین با افزایش ضریب نفوذ، نیتروژن تا عمق بیشتري از سطح نفوذ کرده و باعث می شودنیترید آهن و عناصر آلیاژي بیشتري تشکل شود که موجب زیاد شدن سختی می شود. لذا با افزایش فرکانس سختی سطوح به طور ناچیزي کاهش می یابد.
