بخشی از مقاله
برخی از منابع:
[١]- بابا شاهي .م ، نوري .ز، صالحي .م ،١٣٨٤, "تاثير عمليات نيتراسيون پلاسمايي بر خواص تريبولوژيکي فولاد سمانتاسيون "، مجموعه مقالات ششمين همايش ملي مهندسي سطح ، دانشگاه صنعتي اصفهان .
[2] L.Bourithis, 2006 "comparison of wear properties of tool steels AISI D2 and O1 with the
same hardness", Tribology International, 39, pp 479-489.
[٣]- ميرجاني .م ، اشرفي زاده .ف ، شفيعي .ع ، ١٣٨٢ ،"تاثير پارامتر هاي عمليات نيترو کربوره گازي بر خواص تريبولوژيکي فولاد ابزار کربني ١.١٧٤٠"، مجموعه مقالات پنجمين همايش ملي مهندسي سطح ، ص ص ١٧٤-١٨٣ ، دانشگاه صنعتي امير کبير.
[4] B.Podgornik, J.Vizintin, V.Leskovesk, 1997, "Tribological Properties of plasma and pulse
plasma nitrided AISI 4140 steel", surface and coating Technology, 108-109, pp 454-460.
[5] P.K.Datta, J.S.Burnell Gray, 2000, "surface engineering casebook solution to corrosion and
wear related failures", Wood Head Publishing provided by www.googlebook.com.
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 .
