چکیده

نیتروژن‌دهی پلاسما یکی از فرآیند­های سخت کردن سطحی است که با استفاده از نفوذ نیتروژن به داخل فلز به طور گسترده برای بهبود سختی سطح، خواص مکانیکی از جمله مقاومت سایشی و خوردگی فولادها و آلیاژها به علت ویژگی‌های مفید آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پژوهش تأثیر پارامترهای دما و زمان در فرآیند نیتروژن‌دهی پلاسما بر سختی سطح، ریز ساختار و ضخامت لایه نیتروره و مقاومت به سایش و خوردگی فولادDIN 1.5622 کوئنچ و تمپر شده مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور نمونه‌ها با استفاده از دستگاه نیتروژن‌دهی پلاسما در دماهای ºC450 و 550ºC به مدت 6h و در دمای ºC500 به مدت 3، 6 و 9h نیتروره شدند. نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی (SEM)، دستگاه‌های میکرو سختی، سایش، خوردگی و آنالیز تفرق اشعه ایکس مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند. آزمايش میکرو سختی نشان داد که با افزایش دما و زمان نیتروژن‌دهی، سختی سطح و عمق لایه نفوذی افزایش می‌یابد. همچنین با توجه به نتایج آنالیز تفرق اشعه ایکس می‌توان نتیجه گرفت که در سطح نمونه‌های نیتروره شده فازهایFe₄N :׳γو Fe₃N:ε تشکیل می‌شودکه با افزایش دمای نیتروژن‌دهی مقدار فاز ε کاهش و γ افزایش می‌یابد. به علاوه نتایج آزمایش سایش و خوردگی نشان می­دهد که با انجام فرآیند نیتروژن دهی پلاسما مقاومت به سایش و خوردگی افزایش یافته است. افزایش مقاومت سایشی و خوردگی به طور مستقیم به افزایش مقدار فاز ε در سطح وابسته است.

واژه­هاي کليدي: نیتروژن‌دهی پلاسما، فولاد DIN 1.5622، لایه نیتریدی، مقاومت سایشی و خوردگی.

فهرست مطالب

عنوانصفحه

فصل اول: مقدمه

1-1) مقدمه2

فصل دوم: مروری بر منابع

2-1) فرسایش6

2-1-1) انواع فرسایش7

2-1-2) انواع مکانیزم‌های سایش9

2-1-2-1) سایش خراشان9

2-1-2-2) سایش چسبان9

2-1-2-3) سایش خستگی سطحی10

2-1-3) مقاومت به سایش12

2-1-4) مراحل سایش12

2-2) خوردگی13

2-2-1) انواعخوردگی14

2-2-2) روئینهشدن19

2-2-3) فاکتورهایمؤثردرخوردگی (سرعتتخریبفلز)19

2-3) مهندسی سطح20

2-3-1) نیتروژن‌دهی21

فصل سوم: مواد و روش تحقیق

3-1) مقدمه54

3-2) مشخصات فلز پایه54

3-3) عملیات حرارتی نمونه‌ها55

3-4) فرآیند نیتروژن‌دهی پلاسما55

3-5) بررسی‌های ریز ساختاری56

3-6) تفرق سنجی اشعه ایکس56

3-7) آزمون میکرو سختی56

3-8) آزمون سایش57

3-9) آزمون خوردگی57

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1) مقدمه60

4-2) بررسی‌های ریز ساختاری60

4-3) آنالیز تفرق اشعه ایکس65

4-4) توزیع سختی68

4-5) مقاومت به سایش73

4-6) مقاومت به خوردگی81

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1) نتیجه گیری84

5-2) پیشنهادات85

فهرستشکل‌ها

عنوانصفحه

شکل 2-1) مراحل سایش ]1[13

شکل 2-2) خوردگیگالوانیکی ]2[15

شکل 2-3) خوردگییکنواختسطحلوله‌هایحفاری ]2[15

شکل 2-4) خوردگیشیاریلوله‌هایحفاری ]2[16

شکل 2-5) خوردگیبیندانه‌اییکقطعهآلومینیم ]2[17

شکل 2-6) اثرهمزمانتنشکششیوخوردگیدریکترک ]2[17

شکل 2-7) مقطعشکستخوردگیتحتتنشی(خوردگیتحتتنشیمعمولاً بهصورتشاخه‌ایمی‌باشد) ]2[17

شکل 2-8) خوردگیسایشیلوله‌هایحفاری ]2[18

شکل 2-9) خوردگیسایشیدرسیتپمپگل ]2[18

شکل 2-10) رویینهشدنیکقطعهفلزآلومینیم ]2[19

شکل 2-11) نمودار تعادلی آهن-نیتروژن ]3[22

شکل 2-12) میکرو ساختار لایه‌ی نیتروژن داده شده آهن پس از نیتروژن‌دهی در 500ºC]3[23

شکل 2-13) احتمال برخورد مولکول‌ها به یکدیگر در فشارهای مختلف ]3[29

شکل 2-14) منحنی پاشن ]3[31

شکل 2-15) ارتباط بین ضخامت لایه ترکیبی و زمان نیتروژن‌دهی در دماهای مختلف برای فولاد ابزار گرم کار H11]4[34

شکل 2-16) عمق لایه نفوذی به عنوان تابعی از ریشه دوم زمان نیتروژن‌دهی در دمای 380ºC]6[35

شکل 2-17) تغییرات ضخامت لایه بر حسب زمان برای فولاد ضد زنگ 304L نیتروژن‌دهی پلاسما شده ]7[36

شکل 2-18) ضخامت لایه ترکیبی برحب دمای نیتروژن‌دهی پلاسما برای فولاد کم آلیاژ DIN 1.6959]8[36

شکل 2-19) ضخامت لایه نفوذی بر حسب دمای نیتروژن‌دهی پلاسما برای فولاد کم آلیاژ DIN 1.6959]8[37

شکل 2-20) الگوی پراش اشعه ایکس از سطح نمونه‌های فولادی نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دما و زمان‌های مختلف ]9[38

شکل 2-21) تغییرات درصد حجمی نیترید با توجه به تغییرات دما و زمان ]9[39

شکل 2-23) تصاویر الکترونی روبشی از لایه‌های سطحی نمونه‌های فولادی نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دماهای مختلف ]11[40

شکل 2-24) (الف) سطح مقطع نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای 500ºC به مدت 10h (ب) توزیع سختی نمونه‌ها در دمای ثابت 500ºC در زمان‌های مختلف ]14[42

شکل 2-25) (الف) سطح مقطع نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای 460ºC به مدت 10h (ب) توزیع سختی نمونه‌ها در دماهای مختلف در زمان ثابت 10h]14[43

شکل 2-26) توزیع تنش باقی مانده در لایه نیتروره شده ]15[44

شکل 2-27) تغییرات تنش باقی مانده بر حسب زمان و دمای عملیات نیتروژن‌دهی ]16[44

شکل 2-28) نرخ سایش خشک نمونه‌ها با توجه به دما در یک زمان (4 ساعت) ]7[45

شکل 2-29) تصاویر SEM الف) نمونه بدون پوشش ب) بزرگنمایی بیشتر ج) نمونه پلاسما نیترید شده با ترکیب گازی N250%+ H250% د) بزرگنمایی بیشتر ه) نمونه پلاسما نیترید شده با ترکیب گازی N275% + H225% و) بزرگنمایی بیشتر ]19[47

شکل 2-30) مقاومت سایش نمونه‌های پلاسما نیترید شده، نیترید گازی، عمق سخت شده ]20[48

شکل 2-31) منحنی پلاریزاسیون ]21[50

شکل 2-32) تغییرات پتانسیل خوردگی و نرخ خوردگی در زمان و دماهای مختلف نیتروژن‌دهی پلاسما ]21[50

شکل 2-33) مورفولوژی سطوح بعد از خوردگی الف) غیر عملیاتی ب) پلاسما نیترید شده در دمای ºC470 به مدت 12 ساعت ج) پلاسما نیترید شده در دمای ºC500 به مدت 12 ساعت د) پلاسما نیترید شده در دمای ºC530 به مدت 12 ساعت ه) غیر عملیاتی با بزرگنمایی بیشتر و) پلاسما نیترید شده در دمای ºC530 به مدت 12 ساعت با بزرگنمایی بیشتر ]21[51

شکل 2-34) الف) منحنی پلاریزاسیون ب) تغییرات پتانسیل خوردگی و نرخ خوردگی در زمان و دماهای مختلف نیتروژن‌دهی پلاسما ]22[52

شکل 4-1) ریز ساختار نوری از نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دماهای (الف) ºC450 به مدت 6h و ºC500 به مدت (ب) 3h، (ج) 6h و (د) 9h61

شکل 4-2) تصویر SEM از نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC450 به مدت 6h62

شکل 4-3) تصویر SEM از نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC550 به مدت 6h62

شکل 4-4) تصویر SEM از نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC500 به مدت 3h63

شکل 4-5) تصویر SEM از نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC500 به مدت 6h63

شکل 4-6) تصویر SEM از نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC500 به مدت 9h64

شکل 4-3) اثر پارامترهای (الف) دما و (ب) زمان نیتروژن‌دهی پلاسما بر ضخامت لایه سفید65

شکل 4-4) الگوی تفرق اشعه ایکس از نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC450 به مدت 6h66

شکل 4-5) الگوی تفرق اشعه ایکس از نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC500 به مدت 3h66

شکل 4-6) الگوی تفرق اشعه ایکس از نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC500 به مدت 6h67

شکل 4-8) توزیع سختی نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در شرایط مختلف68

شکل 4-10) اثر پارامترهای (الف) دما و (ب) زمان نیتروژن‌دهی پلاسما بر عمق لایه نیتروژن‌دهی پلاسما شده70

شکل 4-11) عمق لایه نفوذی (Ln X2) بر حسب معکوس دما (1000/T)71

شکل 4-12) منحنی تغییرات عمق لایه نفوذی نیتروژن بر حسب ریشه دوم زمان در فولاد مورد نظر73

شکل 4-13) جرم کاهش یافته در طول سایش بر حسب مسافت برای نمونه‌های نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دماهای مختلف76

شکل 4-14) تغییرات ضریب اصطکاک با توجه به مسافت لغزش در نمونه خام78

شکل 4-15) تغییرات ضریب اصطکاک با توجه به مسافت لغزش در نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC450 به مدت 6h78

شکل 4-16) تغییرات ضریب اصطکاک با توجه به مسافت لغزش در نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC500 به مدت 6h78

شکل 4-17) تغییرات ضریب اصطکاک با توجه به مسافت لغزش در نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای ºC550 به مدت 6h79

شکل 4-18) میانگین نرخ سایش نمونه‌ها بر حسب دمای نیتروژن‌دهی پلاسما80

شکل 4-19) توپوگرافی سطح بعد از آزمایش سایش. الف) نمونه خام ب) نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای 500ºC به مدت 6h80

شکل 4-20) منحنی پلاریزاسیون نمونه‌های خام و نیتروژن‌دهی پلاسما شده در محلول الکترولیت NaCL3.5%81

فهرست جدول‌ها

عنوان صفحه

جدول 3-1) ترکیب شیمیایی فولاد DIN 1.5622 مورد استفاده در این تحقیق بر حسب درصد وزنی55

جدول 4-1) جزئیات عملیات حرارتی و مقادیر ضخامت لایه سفید64

جدول 4-2) اثر دما زمان نیتروژن‌دهی پلاسما بر سختی سطح و عمق لایه نیتروژن‌دهی پلاسما شده69

جدول 4-3) ثابت‌های رابطه آرنیوسی نفوذ نیتروژن در فولاد DIN 1.5622 در ناحیه فریتی به دست آمده در طی فرآیند نیتروژن‌دهی پلاسما73

جدول 4-4) نتایج حاصل از انجام آزمون‌های سایش بر روی نمونه کوئنچ – تمپر شده74

جدول 4-5) نتایج حاصل از انجام آزمون‌های سایش بر روی نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای 450 ºC به مدت 6h74

جدول 4-6) نتایج حاصل از انجام آزمون‌های سایش بر روی نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای 500 ºC به مدت 6h75

جدول 4-7) نتایج حاصل از انجام آزمون‌های سایش بر روی نمونه نیتروژن‌دهی پلاسما شده در دمای 550 ºC به مدت 6h75

جدول 4-8) اثر دمای نیتروژن‌دهی پلاسما بر ضریب اصطکاک79

جدول 4-9) خواص خوردگی نمونه‌های مورد مطالعه82

 

فصل اول:   مقدمه

فصل اول: مقدمه

1-1) مقدمه

سطح قطعات صنعتی، مهم‌ترین بخش آن است، زیرا بسیاری از شکست‌ها، از سطح شروع می‌شود. لذا، حفاظت و مقاوم‌سازی سطح از مسائل بسیار حساس و تعیین‌کننده کیفیت و عمر قطعات و در نهایت، کارایی یک واحد تولیدی و بهای تمام شده محصول می‌باشد.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و در عین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه خوبی برخوردار باشند. از جمله قطعات یاد شده در این رابطه به عنوان مثال می‌توان به میل لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و غیره اشاره نمود. قطعات مشابه این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌های وارده در حین کار باشند

بسیاری از قطعات فولادی را می‌توان به نحوی عملیات حرارتی نمود که در پایان دارای مجموعه خواص مورد نظر باشند، یعنی در حالیکه از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحاً به سخت کردن سطحی موسوماند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله پایانی ساخت قطعه و پس از انجام تمام مراحل مربوط به شکل دهی نظیر ماشینکاری و غیره انجام شود.

عملیات حرارتی سطحی،فرآیندی شامل دامنه وسیعی از روش‌ها است که برای افزایش سختی،بهبود مقاومت به سایش،افزایش استحکام خستگی و حتی افزایش مقاومت در برابر خوردگی استفاده می‌شود. بهبود مقاومت به سایش و خوردگی با تغییرات سطح توسط فرآیندهای عملیات حرارتی مانند نیتروژن‌دهی پلاسما، پوشش‌دهی ، سخت گردانی،کربن‌دهی انجام می‌شود که اغلب برای طولانی‌تر کردن عمر ابزار یا اجزاء استفاده می‌شود.

در روش‌های نفوذی اتم‌های عناصر بین نشینی، جانشینی و یا ترکیبی از آن‌ها وارد سطح قطعه شده، و به این ترتیب ترکیب شیمیایی سطح را اصلاح می‌کنند. می‌توان تمام و یا بخشی از سطح را به طور موضعی به وسیله عملیات نفوذی سخت کرد. نیتروژن‌دهی یک عملیات حرارتی نفوذی می‌باشد که برای افزایش سختی، بهبود مقاومت سایشی و خوردگی قطعات صنعتی استفاده می‌شود. علاوه بر نیتروژن‌دهی از عملیات سطحی دیگری مثل کربن‌دهی و کربن نیتروژن‌دهی نیز می‌توان استفاده کرد، اما فاکتورهای مختلفی نظیر دمای پایین نیتروژن‌دهی ، کنترل آسان‌تر پارامترهای فرآیند، عدم کاهش سختی مغز، عدم ایجاد اعوجاج در طی فرآیند موجب انتخاب نیتروژن‌دهی به ویژه نیتروژن‌دهی پلاسما می‌شود

نیتروژن‌دهی پلاسما یکی از فرآیند سخت کردن سطحی است که به طور گسترده برای بهبود خواص سایشی و خوردگی فولادها و آلیاژها به علت ویژگی‌های مفید آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. نیتروژن‌دهی پلاسما فرآیند عملیات حرارتی ترموشیمیایی به کمک پلاسما است که نیتروژن در سطح مورد نظر برای تشکیل فاز غنی نیتروژن، نفوذ کرده و نیترید لایه رویی تشکیل می‌شودویک روش موثر برای افزایش مقاومت سایش، استحکام خستگی، سختی سطح و حفاظت سطح مواد از خوردگی است. نیتروژن‌دهی پلاسمایی از جمله فرآیند‌های عملیات حرارتی ترموشیمیایی می‌باشد که در دمای پایین بر روی قطعات انجام شده و موجب بهبود خواص سطحی قطعات نظیر مقاومت به سایش، کاهش ضریب اصطکاک، مقاومت به خستگی و ایجاد سختی سطحی بالا می‌گردد.

در ادامه و در فصل‌های بعدی به طور مختصر در مورد سایش و خوردگی فلزات، نیتروژن‌دهی پلاسما و اثرات فرآیند نیتروژن‌دهی پلاسما بر خواص سطحی قطعات فولادی بحث خواهد شد.