بخشی از مقاله
مقايسه تاثير عمليات نيتراسيون پلاسمايي بر رفتار تريبولوژيکي فولاد هاي ابزار سردکار D2 و AISI O1
چکيده
اين تحقيق به منظور مطالعـه رفتـار فولادهـاي ابـزاري سـردکار AISI D21 و AISI O12 در عمليات نيتروژن دهـي پلاسـمايي در دماهاي مختلف مي باشد. تمـامي نمونـه هـا بـه مـدت ٥ سـاعت در دماهاي ٥٥٠، ٥٠٠، ٤٥٠، ٤٠٠، ٣٥٠ درجه سلسيوس و در اتمسـفر بـا درصدهاي ٧٥ درصد نيتروژن و ٢٥ درصد هيـدروژن تحـت عمليـات نيتراسيون پلاسمايي قرار گرفتند. با بررسي تغييرات ميکـرو سـختي سطح و لايه نيتريد شده ، فازهاي سطحي تشـکيل شـده و همچنـين رفتار سايشي آنها در عمليات نيتراسيون مـورد ارزيـابي و بحـث قـرار گرفته است .
نتايج حاصل نشـان مـي دهـد تـا دمـاي ٥٥٠ درجـه سلسـيوس افزايش دما منجر به افزايش سختي و پـس از آن کـاهش سـختي در سطح مي گردد. همچنين ضخامت لايه نيتريده شده نيز افزايش مـي يابد و در دماي ٣٥٠ درجه سلسـيوس فازهـاي نيتريـدي بـه صـورت جزئي بر روي سطح تشکيل شده و با افزايش دما بر مقدار ايـن فازهـا افزوده مي گردد.
واژه هاي کليدي
نيتراسيون پلاسمايي ، ميکرو سـختي ، AISI D2 ، AISI O1، فولاد ابزاري سردکار
مقد مه
نيتراسيون پلاسمايي ، يکي از روش هاي عمليات سخت کردن سطح است که در آن نيتروژن به داخل فلز پايه نفوذ کرده و باعـث بهبـود خواص تريبولوژيکي آن مي شود. در نيتراسـيون پلاسـمايي سـختي سطح فلز پايه افزايش مي يابد و منجر به ايجاد تنش هـاي فشـاري در سطح مي شود که اين تنش هاي ايجـاد شـ تـاثير زيـادي روي ده خواص خستگي و تريبولوژيکي سطح دارد[١]. نيتراسـيون پلاسـمايي در محفظه خلا با اتمسـفري حـاوي مخلـوطي از گازهـاي نيتـروژن و هيدروژن در فشاري بين ١ تا ١٠ ميلي بار انجام مي شـود. بـا اعمـال ولتاژ بين الکترودهاي مثبت و منفي و ايجاد حالت پلاسما گـاز درون محفظه يونيزه مي شود و يونهاي ايجاد شده به سطح قطعه کار که در کاتد قرار مي گيرد برخورد مي نمايد نيتراسيون پلاسمايي ، يکي از روش هاي عمليات سخت کـردن سطح است که در آن نيتروژن به داخل فلز پايه نفوذ کـرده و باعـث بهبود خواص تريبولـوژيکي آن مـي شـود. در نيتراسـيون پلاسـمايي سختي سطح فلز پايه افزايش مي يابد و منجر به ايجاد تـنش هـاي فشاري در سطح مي شود که اين تنش هاي ايجاد شده تـاثير زيـادي روي خواص خستگي و تريبولوژيکي سطح دارد[١] . سـطوح قطعـات مهندسي معمولا امروزه به منظور بهبود خواص خستگي ، خوردگي و سايشي که بستگي به نوع کاربرد قطعه دارد تحت عمليات نيتراسيون پلاسمايي قرار مي گيرند [٢] . در حين فرايند نيتراسيون پلاسمايي نيتروژن به سطح فلز نفوذ مي کند، و با عناصر آليـاژي نظيـر کـروم و آلومينيوم ترکيب مي شود و تشکيل نيتريد مي دهد، نيتريد تشـکيل شده در بيشتر موارد باعث بهبود خواص تريبولـوژيکي سـطح فـولاد مي گردد[٣] . به طـور کلـي رفتـار فلـز تحـت عمليـات نيتراسـيون پلاسمايي به عواملي نظير عناصر موجود در فلز پايه ، دما و مدت زمان فرايند دارد [٤] . از مهمترين امتيازات نيتراسيون پلاسمايي مي توان به انجام فرايند در دماي زير ٥٧٠ سلسيوس اشاره نمود که در نهايت باعث مي شود پيچيدگي کمتري ، نسبت به ساير فراينـدهاي مشـابه نظير نيتراسيون و يا کربوراسيون حمام نمک ، در قطعه رخ دهـد بـه علاوه از آنجايي که يک فرايند نفوذي مي باشد لذا نيـاز بـه عمليـات پرداخت نهايي جهت رسيدن به تلرانسهاي مورد نظـر را نـدارد و ايـن مساله در مورد قالبهاي با ابعاد دقيق از امتيازات بسـيار مهـم فراينـد نيتراسيون پلاسمايي در مقايسه بـا سـاير فراينـدهاي پوشـش دهـي محسوب مي شود[٥] . از ديگر امتيـازات نيتراسـيون پلاسـمايي مـي توان به کنترل دقيق ساختار نهايي ، کوتاه بودن زمان عمليات ، صـرفه جويي در مصرف انرژي ، يکنواخت بودن لايـه ترکيبـي تشـکيل شـده روي سطح قطعه ، کنترل بهتر و راحـت تـر فراينـد و عـدم مشـکلات زيست محيطي اشاره نمود[٦ و٧].
فولادهـاي ابـزاري سـردکار AISI D٢ و AISI O١ بـه علـت داشتن عناصر آلياژي نظير کروم ، کبالت و منگنز براي بررسـي رفتـار سايشي تحت عمليات نيتراسيون پلاسمايي انتخاب گرديد. پيشـتر از روشهاي نيتروکربوراسيون حمام نمک براي بهبود خواص سـطح ايـن فولاد استفاده مي شد و با توجه به بررسي هاي انجام شده از قطعـات در شرايط کار، نتيجه اين عمليات تنها باعـث مـي شـود کـه ميـزان اندکي بر مقاومت قطعه در برابر سايش افزوده شود ولي بـا توجـه بـه اينکه قطعات دائمـا در معـرض بارهـاي نوسـاني و بعضـا تـنش هـاي حرارتي هستند، فرايند هاي سنتي نتيجه خوبي نمي دهند. تحقيقات اخير نشان مي دهد با توجه به مشکلات عمده روشهاي متداول نظيـر کروم سخت و نيتراسيون حمام نمک ، فراينـد نيتراسـيون پلاسـمايي جـايگزين مناسـبي بـراي ايـن فراينـدها بـوده و بـا توجـه بـه اينکـه تکنولوژي نيتراسيون پلاسـمايي اخيـرا در داخـل کشـور در مقيـاس صنعتي قابل اجرا مي باشد لذا بر آن شديم تاثير ايـن عمليـات را بـر خواص فولاد فوق مورد بررسي قرار دهيم .
روش تحقيق
نمونه هاي تهيه شده از شمش فولادهاي ابزاري سـردکار AISI D2 و AISI O1 موجود در بازار که ترکيب شـيميايي آنهـا در جـدول ١ آورده شده است به شکل ديسک با قطر ٥٠٠ ميلي متر و ضـخامت ٥ ميلي متر که از شمش با قطـر ٧٥٠ ميلـي متـر ماشـينکاري و بـرش کاري و سنگ زني شدند.
جدول ١: ترکيب شيميايي فولادهاي مورد استفاده بر حسب درصد وزني
سپس نمونه ها در دماي ٥٥٠سلسيوس به مدت دو ساعت به منظور همگن شدن ريز ساختار پس از عمليات ماشينکاري ، تمپر شدند. نمونه ها قبل از عمليات نيتراسيون پلاسمايي در استون غوطه ور شده و سپس خشک شدند. عمليات نيتراسيون پلاسمايي در کوره صنعتي که با جريان مستقيم کار مي کند انجام شد و در هر سيکل نيتراسيون ، قطعات به مدت ١ ساعت در اتمسفر هيدروژن و آرگون با نسبت يک به يک تميز کاري پراکنشي شدند تا سطح قطعه عاري از هرگونه آلودگي هاي خارجي و خصوصا لايه اکسيدي گردد. در پايان هر سيکل نيتراسيون پلاسمايي قطعات در درون محفظه نيتراسيون تا دماي ١٥٠ سرد شدند.پس از عمليات نيتراسيون پلاسمايي قطعات براي بررسي هاي متالوگرافي برش زده شدند و مانت گرديدند و تا کيفيت سطح آئينه پوليش زده شدند. قطعات براي بررسي متالوگرافي در محلول اچ نايتال ، اچ شدند. ميکرو سختي سنجي با اعمال نيروي ٠.٥ نيوتن (٥٠ گرم نيرو) انجام گرديد و براي شناسايي لايه ترکيبي تشکيل شده بر روي سطح از پراش 3 پرتو ايکس استفاده گرديد. آزمون سايش بر اساس استاندارد انجام گرفت .اين آزمون با اعمال دو نيروي ١٥ و ٢١ کيلوگرم بر روي ديسک چرخان با سرعت خطي ٠.٠٨ متر بر مجذور ثانيه و اندازه گيري ميزان کاهش وزن با ترازوي دقيق با دقت ٠.٠٠٠١ در مسافت هاي ١٠٠ و ٣٠٠ و ٦٠٠ متر براي نمونه هاي نيتراسيون شده و مسافت ١٠٠ و ٣٠٠ متر براي نمونه هاي بدون نيتراسيون انجام شد.
علت کاهش مسافت اندازه گيري براي نمونه خام تمپر شده از ٦٠٠ متر به ٣٠٠ متر ، زياد بودن ميزان سايش و ناپايداري دستگاه تست سايش در مسافتهاي بيش از ٣٠٠ متر براي نمونه خام تمپر شده مي باشد. جنس پين از فولاد بلبرينگ ٥٢١٠٠ با سختي ٦٠ راکول c٤ مي باشد و بر اساس استاندارد ميزان سايش پين در مقابل سايش ديسک قابل صرفنظر کردن مي باشد. آزمون سايش بدون استفاده از روانساز و در دماي ٢٠ و رطوبت نسبي ٤٥% انجام شد و نتايج آن ثبت گرديد.
يافته ها و بحث
شکل هاي ١ و ٢ تصاوير ميکروسکوپي نمونه هاي خام را نشان مـي دهند. در ساختار فولاد O١ علاوه بر دانه هاي کاربيد فلزات آليـاژي رسوب کرده در مرز دانه ها ملاحظـه مـي گـردد و بـراي فـولاد D٢ کروم ديده مي شود که با توجه بـه درصـد بيشـتر کـروم ايـن فـولاد منطقي به نظر مي آيد. به علاوه تاثير عمليات حرارتي انجام شـده بـر روي نمونه هاي خام در يکنواختي ريز ساختار به خوبي ملاحظه مـي گردد.
در شکل ٣ ساختار نمونه ها پس از نيتراسيون نشان داده شـده است . همانطوري که ملاحظه مي شود و نتايج حاصل از آزمون ميکرو سختي سنجي نشان مي دهد در نمونه هايي که مدت زمان بيشـتري تحت عمليات نيتراسـيون پلاسـمايي قـرار گرفتـه انـد لايـه ترکيبـي تشکيل شده روي سطح آنها داراي ضخامت بيشتري است . سختي بـا توجه به عناصـر آليـاژي موجـود در فولادهـا و نـوع رسـوبات نيتريـد تشکيل شده تغيير مي کند و با توجه به وجود عناصـر آليـاژي نظيـر کروم و منگنز در فولاد D2 عمق نفوذ در آن در مقايسه با O1 کمتر است .
سختي با توجه به عناصر آلياژي موجود در فولاد و نـوع رسـوبات نيتريد تشکيل شده تغيير مي کند و با توجه به وجود عناصـر آليـاژي زياد نظير کروم و منگنز در اين فـولاد عمـق نفـوذ در آن نسـبتا کـم است . نتايج حاصل از ميکرو سختي سنجي و پروفيل سـختي مقطـع نمونه ها در شکل ٤ آورده شده است .
شکل ٤: پروفيل سختي نمونه ها
براي بدست آوردن عمق نفوذ بدين ترتيب عمـل مـي کنـيم کـه مقدار ١٠% بيشتر از سختي عمق را در نظر مي گيريم وبـا توجـه بـه اين پروفيل و معادله آن مي توانيم ميزان نفوذ را تخمـين بـزنيم [٨]
.بر اين اساس ميزان نفوذ براي نمونه تمپر و پلاسما نيتريده شده D2 به مدت ٥ساعت و دماي ٥٥٠ درجه سلسيوس برابـر بـا 115μm و براي نمونه تمپر و پلاسما نيتريده شده O1 به مدت ٥ سـاعت دمـاي ٥٥٠ درجه سلسيوس برابرμm ١٥٠مي باشد. ملاحظه مي شـود کـه در فولاد O1 عمق نفوذ بيشتر است ولي در فولاد D2 عمق نفوذ کم ولي سختي سطحي به نسبت O1 بيشتر مي باشد. به نظر مـي رسـد مهمترين عامل تاثير گذار بر عمق نفـوذ لايـه هـاي نيتريـدي درصـد کربن و کروم مي باشد. با توجه به تحقيقات به عمل آمده در گذشـته تاثير افزايش دماي نيتراسيون بـر عمـق نفـوذ بيشـتر از زمـان مـي باشد[ ٧] . لذا انتظار مي رود که با افزايش دماي نيتراسـيون بتـوانيم عمق نفوذ بيشتري بدست آوريم .
شکل ٥ الگوي پراش پرتو ايکس را بـراي نمونـه D٢ نشـان مـي دهد. در ايـن الگـو عـلاوه بـر فـاز CrN فازهـاي Fec, Feo٣٢٣ و FeΝ٢ و FeN٤ نيز ملاحظه مي گردد. وجـود فـازFeΝ٢ نشـان دهنده بالا بودن دماي نيتراسيون مي باشد. به علاوه عنصر کـروم کـه هم تمايل به ترکيب با نيتروژن را دارد و هم کـربن ، خـود مـي توانـد علاوه بر افزايش سختي ، به عنوان مانعي در برابر نفـوذ باشـد زيـرا در حين نيتراسيون کاربيدها بايد تجزيه شـوند تـا عناصـر نيتريـد زا بـه وجود آيند.
شکل ٥: نتيجه پراش پرتو ايکس بعد از عمليات نيتراسيون پلاسمايي
با تشکيل نيتريدها کربنهاي اضـافي حاصـل از تجزيـه کاربيـدها تمايل به نفوذ به سمت مغز نمونه دارند که به علت پر شدن مکانهاي بين نشيني توسط اتمهاي نيتروژن در ناحيه نيتريده شده مي باشـد .
نفوذ معکوس کربن به سمت مغز نمونه باعث ايجاد يک لايـه غنـي از کربن در مقابل پيشروي واکنش نيتريـدي بـه دليـل تشـکيل مجـدد رسوبات کاربيدي مي شود[١]. با توجه بـه نتـايج بدسـت آمـده از تحقيقات گذشته در اين نوع از فـولاد پـس از نيتراسـيون پلاسـمايي ساختار تک فاز نخواهيم داشت و لايه ترکيبي همواره ترکيب فازهـاي ذکر شده به خصوص FeΝ٢ وFeN٤ مـي باشـد[٩]. بايـد توجـه داشت که با افزايش دمـاي نيتراسـيون امکـان تشـکيل اکسـيد روي سطح نيز بيشتر است [ ٧] . با توجه به عمق کم نفوذ، پرتو ايکـس از لايه ترکيبي عبور کرده و لايه هاي پايين تر را نيز کـه عمـدتا حـاوي آهن مي باشد را شناسايي کرده است . نتايج آناليز پراش پرتـو ايکـس براي نمونه O١ نيز مشابه نمونه D٢ مي باشد.
با توجه به آزمون سايش ميزان کاهش وزن در نمونه هـاي تمپـر شده و نيتراسيون شده کمتر از نمونه خام مـي باشـد و ايـن افـزايش مقاومت در برابر سايش به سختي بالاي فازهـاي نيتريـد و همچنـين کم بودن ضريب اصطکاک آنها بستگي دارد. به علاوه همـانطوري کـه در نمودار مربوط به کاهش وزن - مسافت ، که در شـکل ٦ و شـکل ٧ نشان داده شده اند. از آنجايي که ميـزان سـايش نمونـه هـاي بـدون نيتراسيون اختلاف زيادي با نمونه هاي نيتراسيون شده دارد از آوردن نمودار آنها جهت مقايسه با نمودارهاي زير صرفنظر گرديده است .
