بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تعیین ضریب نفوذ مس در فولاد CK45 و بررسی اثر زمان و دما بر میزان نفوذ
چکیده
نفوذ مس در فولاد باعث بهبود بعضی از خواص فولاد می شود که از آن جمله می توان به بهبود هدایت حرارتی و مقاومت به خوردگی آن اشاره کرد. در این تحقیق به بررسی نفوذ مس در فولاد CK45 پرداخته شد و ضریب نفوذ تعیین گردید. آبکاری مس به وسیله فرایند الکترولیز بر روی ورق فولاد CK45 انجام گرفت . آنگاه نمونه هایی برای انجام عملیات حرارتی از آن برش زده شد و در زمان ها و دماهای مختلف در اتمسفر خنثی حرارت داده شدند. پس از عملیات حرارتی، نمونه ها متالوگرافی شدند و به وسیله میکروسکوپ نوری از آنها عکس تهیه گردید. برای بررسی درصد مس در عمق های مختلف فولاد، از میکروسکوپ الکترونی SEM و سیستم EDX استفاده گردید و محل صفحه ماتانو و ضریب نفوذ محاسبه گردید. نتایج حاکی از این بود که ضریب نفوذ با تغییر غلظت مس در فولاد، تغییر می کند. همچنین در یک زمان ثابت، نمونه ای که در دمای بالاتری عملیات حرارتی شده، دارای میزان نفوذ بالاتری است و تاثیر دما بر نفوذ بیشتر از تاثیر زمان است.
واژه های کلیدی: فولاد CK45، آبکاری الکتریکی، دستگاه آنالیز کننده EDX ، ضریب نفوذ، صفحه ماتانو
مقدمه
آبکاری مس هم برای تزیین و هم برای اهداف کاری دیگر انجام می گیرد. پوشش مسی به طور وسیع به عنوان زیر لایه در سیستمهای چند لایه، پوشش محافظ، پوشش مانع نفوذ کربن در عملیات کربن دهی و پوشش انتقال حرارت کاربرد دارد[۱] از جمله کاربردهای نفوذ مس در فولاد می توان به افزایش هدایت حرارتی فولاد در اثر نفوذ مس اشاره کرد که در مبدلهای حرارتی کاربرد دارد. این افزایش هدایت حرارتی در اثر تشکیل باندهای نفوذی بین مس و آهن می باشد[۲] اتصال نفوذی فلزات و آلیاژهایی که بخصوص دارای خصوصیات نفوذی متفاوت و دارای ضرایب نفوذ ذاتی متفاوت هستند بیان کننده یک اثر به نام اثر کر کندال هستند که البته به خاطر این اثر در بعضی از شرایط ریز ترکها و عیوب ریز می تواند به منطقه اتصال گسترش یابند [۳] جابجایی ماده در جامدات می تواند توسط فرایند نفوذ صورت گیرد. هنگامی که اندازه اتهمای نفوذ کننده نزدیک به اتمهای فلز زمینه باشند، فرایند نفوذ به وسیله مکانیزم جانشینی صورت می پذیرد. رابطه تغییرات غلظت با زمان توسط قانون دوم فیک تعیین می شود. این قانون برای زمانی که عمل نفوذ یک بعدی و ضریب نفوذ تابعی از ترکیب شیمیایی باشد به صورت زیر می باشد[4].
برای حل این معادله دیفرانسیل دو متغره می توان از متغیر کمکی 2 بصورت زیر استفاده کرد.
با استفاده از این متغیر و حل مشتقات جزئی C نسبت به زمان و مسافت، تغییرات ضریب نفوذD با غلظت به صورت زیر بدست می آید.
به کمک این رابطه می توان ضریب متغير D را با داشتن دیاگرام 4 بر حسب C معین ساخت. استفاده از این رابطه برای تعیین ضریب نفوذ در حالت گذرا در محلولهای دو جزئی فلزی متداول است. برای تعیین مقدار عددی عبارت انتگرال در صورت کسر لازم است که محل مبدا محور X مشخص شود. با فرض اینکه حجم مولی آلیاژ در خلال فرایند نفوذ بدون تغییر بماند، مبدا محور X را می توان با کمک رابطه زیر معین کرد[5].
شرایط حدى فوق نشان می دهد که سطح زیر نمودار فاصله بر حسب غلظت در محدوده 0< x با سطح بالای این دیاگرام در محدوده 0 > x مساوی است. این موضوع به دلیل اصل بقا جرم و به خاطر ثابت بودن حجم مولی آلیاژ می باشد. با استفاده از این شرط، محل مبدا مختصات روی محور X را می توان با مساوی قرار دادن این دو سطح معین نمود. مقدار عددی انتگرال در رابطه (۳) را می توان بوسیله تعیین مساحت بالای منحنی غلظت بر حسب فاصله در نقطه (X C) بدست آورد. بدین ترتب مقدار عددی D در نقطه ( X , C) به سهولت قابل محاسبه می باشد. بدیهی است که ضریب نفوذ متغير D در هر غلظت دیگری از آلیاژ نیز به طریق مشابه قابل تعيين است. همچنین اگر نفوذ در دو قطعه نیمه نامحدود متصل به هم یکی از جنس A و دیگری از جنس B اتفاق افتد، بر اساس معادله های فیک تنها یک ضریب نفوذ برای توصیف نحوه همگن شدن آنالیز شیمیایی دو قطعه کافی است. این ضریب نوعی میانگین از ضرایب نفوذ ذاتی دو جزء A و B می باشد، بطوریکه می توان نوشت:
دامنه نوسانات اتمی با افزایش دما افزایش می یابد و در نتیجه باعث افزایش ضریب نفوذ می گردد. رابطه ضریب نفوذ با دما توسط رابطه تجربی آرینوس بصورت زیر بیان شده است
که D0 ضريب تناسب است و به فاکتور فرکانس معروف می باشد و Q برابر با انرزی تحریک می باشد. طبق این رابطه نمودار InD بر حسب بصورت خط راست می باشد. مقدار Q را می توان از ضریب زاویه این خط و مقدار وD را بوسیله عرض از مبدا خط بدست آورد
مواد و روش تحقیق
در این تحقيق فولاد به صورت ورق به ضخامت تقریبی تهیه شد. سپس ورق های مستطیل شکل با ابعاد از آن برش زده شدند. برای این کار از تیغ اره که به وسیله آب خنک می گردید
استفاده شد. به منظور تعیین ضریب نفوذ مس در فولاد CK45، نمونه ها با مس پوشش داده شدند. برای این کار از حمام سیانوری استفاده گردید که مشخصات حمام در جدول(1) آورده شده است.
نکته قابل توجه این است که حمام اسیدی باعث پدیده نشست سست می گردد. یعنی زمانیکه نمونه فولادی در حمام اسیدی قرار گیرد حتی بدون ایجاد جریان در مدار آبکاری، پوشش سستی از مس روی فولاد ایجاد می گردد، به طوری که با تماس دست جدا می شود. بنابراین حمام آبکاری اسیدی برای پوشش دادن مس روی فولاد مناسب نمی باشد. پس از آبکاری نمونه ها به منظور عملیات حرارتی آنها در ابعاد ۱۰× 5 میلیمتر بریده شدند. و در دماهای مختلف و زمانهای متفاوت مطابق جدول شماره ۲ در اتمسفر خنثی عملیات حرارتی شدند. بعد از عملیات حرارتی، قطعات متالوگرافی شدند تا از لایه مس آبکاری شده پس از عملیات حرارتی و همچنین ساختار فولاد، از مقطع عرضی، عکسبرداری شود.
