بخشی از مقاله
چکیده:
تغییر شیمی سطح از جمله روش¬هایی است که جهت بهبود خواص سطحی فولاد مورد استفاده قرار می¬گیرد. در این تحقیق، تغییر شیمی سطح در حالت نفوذ بور با استفاده از روش اشباع پلاسمای الکترولیتی - PES - بر روی فولاد St12 انجام شد. تاثیر پارامترهایی از جمله غلظت ترکیب¬های تشکیل¬دهنده الکترولیت، دمای محلول، ولتاژ اعمالی و زمان فرآیند بررسی شد.
برای پایش تخلیه¬های الکتریکی از یک دوربین با سرعت بالا به منظور بررسی لایه¬های ایجادشده و بررسی مورفولوژی آن از طیف پرتو X و میکروسکوپ SEM استفاده شد. نتایج نشان داد که ایجاد پلاسما در الکترولیت در دمای زیر 45 درجه سانتیگراد قادر است دمای سطح قطعه را به بالای 800 درجه سانتیگراد برساند.
تفاوتی که در روش پلاسما با روشهای معمول دیده شد ایجاد یک لایه یکتواخت بر روی سطح بدون حالت دندان اره ای می باشد. مشخص شد که به علت دمای بالای سطح قطعه و وجود اکسیژن در محیط پلاسما علاوه بر فاز Fe2B فاز اکسیدی Fe3O4 نیز روی سطح قطعه ایجاد شده است.
.1 مقدمه
یکی از روش هایی که به کمک پلاسما الکترولیز قابل انجام است نفوذ دهی عناصر بین نشین به داخل سطح فولاد است .
بور یکی از عناصری است که خواص منحصر به فردی به سطح فولاد می دهد .[2] عملیات نفوذ دهی بور به سطح فولاد باعث ایجاد فازهای FeB و Fe2B می شود ایجاد این لایه¬ها می¬تواند به سختی سطح و مقاومت سایشی تجهیزات و اجزایی که کاربردهای تریبولوژیکی دارند کمک نماید. کنترل غلظت بور در سطح فولاد می¬تواند باعث ایجاد لایه تک فاز Fe2B و یا لایه چند فاز - Poly-Phase - FeB-Fe2B شود .
حضور FeB در لایه موجب تردی لایه و همچنین تمرکز تنش در مرز مشترک FeB-Fe2B می¬گردد . در مطالعات پلاسما الکترولیز اشباع که تاکنون انجام شده بررسی فرآیند نفوذ عناصر بین نشینی نیتروژن و کربن مورد توجه بیشتری بوده است .
در نفوذ دهی کربن و نیتروژن دمای نسبتا پایین تری نسیت به نفوذ بور نیاز است از این رو کنترل دما حین فرآیند آسانتر است. برای نفوذ بور به دمای سطحی حدود 900 درجه سانتی¬گراد نیاز است از این رو تنظیم دما در این شرایط پیچیده¬تر است. از این¬رو جنبه¬های گوناگونی از فرآیند پلاسما الکترولیز اشباع بور ناشناخته است.
هدف از این تحقیق بررسی امکان¬پذیری ایجاد لایه بورایدی با استفاده از محلول آبی بوراکس است. هم¬چنین اثر پارامترهای فرآیند پلاسما بر خواص فیزیکی لایه ایجاد شده که تاکنون ناشناخته است تبیین می¬گردد.
جهت انجام فرآیند الکترولیز پلاسما برای نفوذ بور به داخل سطح فولاد از ترکیب شیمیایی الکترولیت مندرج در جدول 1 استفاده شد. در سیستم پلاسما الکترولیز به علت چگالی جریان بالا در اطراف نمونه، گازهای شدیدی متصاعد شده که موجب میشود یک پاکت گازی اطراف نمونه به¬وجود آید. این پاکت گازی یک میدان الکتریکی شدید اطراف نمونه ایجاد میکند که موجب تخلیه الکتریکی در پاکت گازی و تشکیل پلاسما میشود.
برای اندازه-گیری دما از ترموکوپل تیپ K که داخل نمونه گذاشته شد استفاده گردید. برای عکس¬برداری از سطح نمونه¬ها از دوربین EOS 5D ساخت شرکت Canon با لنز استاندارد استفاده شد. در عکس-برداری سریع بیشینه سرعت باز و بسته شدن دریچه دوربین 1/8000 ثانیه می¬باشد. بررسی¬های لازم جهت تعیین فازهای تشکیل شده روی سطح نمونه¬ها توسط دستگاه پراش پرتو ایکسPhilips XPert Pro با تابش Cu-. انجام شد. برای مطالعه سطح مقطع، مورفولوژی سطحی و ضخامت پوشش از میکروسکوپ الکترونی روبشی مدل CamScan MV 2300 ساخت شرکت فیلیپس استفاده شد.
جدول 1غلظت مورد استفاده در الکترولیت پلاسما
.3-1 افزایش دما جهت انجام فرآیند نفوذدهی بور
جهت انجام فرآیند نفوذدهی عناصر به داخل فولاد، یکی از پارامترهای مهم و کلیدی جهت انجام صحیح فرآیند دما می¬باشد. با توجه به این¬که فرآیند پلاسمای الکترولیتی در مجاورت یک مایع انجام می¬گردد، از این¬رو تنظیم دما در این فرآیند پیچیدگی¬های خود را خواهد داشت و هرگونه به¬هم¬ریختگی در پاکت گازی که سطح نمونه را از الکترولیت جدا می¬نماید می¬تواند باعث گردد که سطح داغ نمونه در تماس با الکترولیت دمای پایین قرار گیرد. در این حالت به نظر می¬ رسد که فرآیند در حال پیشرفت می¬باشد ولیکن چنین نبوده و عملا با کاهش یافتن دما در این نقاط، نفوذ به شدت کاهش یافته و یا متوقف می¬شود .
یکی از فرق¬های اساسی بین این نوع پلاسما و پلاسمای گازی همین موضوع است. در پلاسمای گازی سطح نمونه با یک گاز در تماس است که با گرم شدن گاز و هم¬دما شدن با نمونه، عملا می-توان دمای قطعه را ثابت نگه¬داشت، در حالی¬که در روش پلاسمای الکترولیتی موضوع کاملا متفاوت است. نمونه در کنار حجم زیادی از الکترولیت قرار دارد و در صورتی¬که تماسی بین این دو برقرار شود انتقال حرارت باعث سرد شدن نمونه می¬شود. باتوجه به این¬که فرآیند تغییر شیمی سطح یک فرآیند نفوذی می¬باشد از این رو کنترل دما اهمیت می¬یابد. دمای سطح نمونه تحت تاثیر سه عامل می¬باشد :
الف - اصابت ذرات و انتقال تکانه آن¬ها به سطح که در میدان شدید الکتریکی شتاب گرفته¬ اند.
ب - واکنش¬های الکتروشیمیایی گرمازا که در محلول الکترولیت اتفاق می¬افتد.
پ - حرارت ایجاد شده در اثر مقاومت اهمی که در سطح الکترود آزاد می¬شود.
عامل سوم در بین عامل¬های دیگر غالب بوده و قسمت اصلی انرژی برای تشکیل پاکت گازی و گرم کردن سطح قطعه مصرف می¬شود .
در شکل 1 منحنی دمای قطعه در فرآیند پلاسما الکترولیز ارایه شده است . همان¬طور که روند این منحنی¬ها نشان می¬دهد با افزایش پتانسیل ابتدا دمای نمونه تقریبا به صورت خطی افزایش می¬یابد تا این¬که در ولتاژی حدود 65 ولت به دمای نقطه جوش محلول می¬رسد از این نقطه به بعد دمای سطح قطعه افزایش می یابد. یک نکته مهم این است در صورتیکه دمای الکترولیت افزایش یابد دمای سطح قطعه افزایش نمی¬یابد.
برای بررسی دقیق¬تر عمل-کرد دمای محلول و نمونه، از روش عکس¬برداری از سطح نمونه حین فرآیند استفاده شد. پس از سه دقیقه از شروع فرآیند، عکس¬برداری از سطح نمونه انجام شد . در شکل 2 این تصاویر ارایه شده است. در این شکل¬ها وقوع تخلیه در حباب¬ها و هم-چنین حرکت آب به سطح قطعه در دما¬های مختلف الکترولیت ارایه شده است.
از شکل 2 می¬توان مشاهده کرد که با افزایش دمای الکترولیت تعداد تخلیه¬ها افزایش یافته و هم¬چنین سطح نمونه که در تماس با محلول قرار می¬گیرد کاهش می¬یابد. برای حالتی که دمای الکترولیت 65 درجه سانتی¬گراد است سطح بیش-تری از نمونه با محلول در تماس قرار می¬گیرد، این باعث می¬شود که نمونه حرارت بیش¬تری را به محلول بدهد از این¬رو سطح سردتری خواهد داشت.
شکل: 1 دمای نمونه B2 بر حسب تغییرات پتانسیل اعمالی
.3-2 بررسی فازها و توزیع عناصر
با توجه به تحقیقات سابق [6] که روی نفوذدهی بور در فولاد ساده کربنی انجام شده است توقع این بود که ساختار لایه¬ها به صورت دندان اره¬ای باشد. با این¬حال نتایج به دست¬آمده، چیز دیگری ارایه می¬دهند. برای بررسی بیشتر دمای محلول در محدوده 35-45 درجه سانتی¬گراد نگه داشته شد و دمای نمونه در محدوده 940±30 درجه سانتی¬گراد ثابت شد، که این¬کار با اعمال تغییرات ولتاژ در محدوده ذکر شده صورت گرفت.
شکل 3 سطح مقطع نمونه B3 که تحت ولتاژ 200±50 ولت قرار گرفته و محلول آن بوراکس 25 درصد است را نشان می¬دهد. همان¬طور که از شکل 3 مشخص است ساختار لایه ایجاد شده به صورت دندان اره¬ ای - ساختار معمول پوشش¬های بورایدینگ - نمی¬باشد و به صورت صاف است. شکل 4 سطح مقطع نمونه B1 برای غلظت 15 درصد را نشان می¬دهد. از شکل 4 مشخص است که غلظت 15 درصد بوراکس یک لایه نازک و در برخی نقاط غیر پیوسته ایجاد می¬نماید. این موضوع به دلیل پتانسیل کم بور در این غلظت می¬باشد. افزایش غلظت بوراکس به 20 درصد و سپس 25 درصد، لایه به وجود آمده را ضخیم¬تر نموده و به حالت پیوسته¬تر سوق می¬دهد.
به دلیل این¬که جهت حل کردن بوراکس به دماهای بالا - حدود 80 تا 90 درجه سانتی¬گراد - نیاز است و با سردسازی محلول، ذرات بوراکس داخل محلول ته¬نشین می¬شود، از این¬رو غلظت بوراکس را نمی¬توان از 25 درصد فراتر برد. در شکل 5 طیف پراش پرتو X برای لایه ایجاد شده نشان داده شده است. همان¬طور که در شکل 5 دیده می¬شود تنها فاز بورایدی مشاهده شده در غلظت 25 درصد وزنی بوراکس فاز Fe2B است . سطوح رشد بر اساس مرکز داده PDF2 Powder Diffraction File ، - 110 - است. مقدار ضخامت لایه بوراید ایجاد شده و هم¬چنین سطوح رشد در این روش با مقادیر ارایه شده در [7] هم¬خوانی دارد.
نکته جالب دیگر که در شکل 5 قابل رویت است وجود پیک¬های فاز Fe3O4 در لایه پس از عملیات پلاسمای الکترولیز می¬باشد. با توجه به این¬که قطعه حین عملیات، پلاریته کاتدی دارد وجود فاز Fe3O4 در ساختار بحث برانگیز است.
در فرآیندهای الکتروشیمیایی معمول هیچ وقت فازهای اکسیدی در روی کاتد مشاهده نمی¬شوند، به¬دلیل این¬که فرآیند اکسیداسیون در این واکنش¬ها، همیشه در قطب مثبت یا آند اتفاق می¬ افتد. در مقاله [8] تولید هیدروژن با سرعت بالا، با استفاده از الکترولیز پلاسما مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق نشان داده شده است که در کاتد علاوه بر هیدروژن 86/7 - درصد حجمی - مقداری اکسیژن 13/3 - درصد حجمی -
