تحقیق مقاله متالورژی فیزیکی

سختی بسیار بالای فولاد آلیاژی پایین طی فرآیند پیوند و قرارگیری یون نیتروژن

خلاصه مطلب : ترکیب سطح فولاد آلیاژی پایین بعد از قرار گیری یون نیتروژن با روش طیف نمایی فوتوالکترون پرتوایکس (XPS) مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت.

تأثیر آن پیوند بر روی سختی مکانیکی از طریق میزان سختی دندانه ای که بیش از مقیاس میکرو بود مورد ارزیابی قرار گرفت. ویژگی شیمیایی سطح نمایانگر شکل گیری لایه نازک غنی از نیتروژن و کربن و سیلیسیم بود. بر طبق مشاهدات ، آهن نقش کمی در ترکیب شیمایی و ساختار سطح اصلاح شده ایفا نمود. در مقایسه با سختی نمونه اولیه که معادل GPa 10 بود.

سختی مکانیکی سطح دارای پیوند یون نیتروژن GPa35 تا GPa50 بود.

تصور می شود که سختی بیش از اندازه بالای مشاهده شده بر روی سطح و در سطح زیرین (لایه فرعی) نتیجه اصلاح و تغییر شیمیایی جهت شکل گیری لایه اصلاح شده از نیترید کربن محتوی عنصر تقویتی سیلیسیم بود. شواهد حاصل از شیوه طیف نمایی فوتوالکترونی پرتوایکس (XPS) و فرورفتگی نانو نشان می دهند که اتصالات و پیوندهای C-N در سطحی نزدیک به احتمال فراوان از انواع SP3 می باشد که در یک ترکیبی مشابه در ساختار متبلور Bc3N4 قابل انتظار می باشد.

1- مقدمه

نیتروژن دهی و کربن دهی به خوبی در فرآیندهای صنعتی به منظور ایجاد سختی برای سطوح فولادی استفاده می شوند. فرآیند های نیتروژن دهی و کربن دهی، به ویژه ایجاد سختی برای سطوح فولادی استفاده می شوند. فرایندهای نیتروژن دهی و کربن دهی، به ویژه در کاربردهای صنعتی نیازمند مقاومت در برابر فرآیند سایش استفاده می شوند.

درچنین مواردی ، سختی از طریق شکل گیری کربیدها یا نیتریدهای نیمه پایدار و یا ساختار مارتنزیتی بر روی سطح فولاد، به وجود می آید.

حداکثر سختی چنین تغییرات سطحی معمولاً کمتر از GPa15 می باشد.

گسترش زمینه های تحقیقاتی به ویژه از طریق تکنولوژیهای جدیدتر تغییر سطح و رسوب لایه های نازک شامل توسعه سطوح سخت تر می شود. جهت اصلاح ویژگی های مقاومت سایشی موادی که به طور معمول استفاده می شوند سختی و مدول های بالاتری نیاز می باشد.

ایجاد اصلاح و تغییر بیشتر در سطح نیازمند کاربرد دیگر مواد ضروری مانند زنگ زدگی و مقاومت فرسودگی می باشد. فرآیندها ، هم اکنون جهت رسوب لایه های با سختی بسیار بالا بر روی لایه های زیرین نسبتاً گزم موجود می باشند.

این موارد شامل تکنیکهای پوششی لایه الماس و شماری از فرآیندهای جدید می شود.

این فرایندهای جدید به منظور رسوب گذاری گرم یا سرد لایه های شبه الماس توسعه می یابند.

اگرچه رسوب مستقیم لایه بر طبق نتایج مورد نظر می باشد با این حال در شماری از فرآیندها حدود ومرز فیزیکی و طبیعی که همچنان بین لایه پوششی سخت و لایه زیرین وجود دارد.

به عنوان یک چالش تکنیکی باقی می ماند و مانع استفاده از چنین فرآیندهایی و کاربرد آنها در زمینه مقاومت سایش می شود. پیوند و قرار گرفتن یون تواناییهایی در زمینه تولید ترکیبات جدید و ساختارهایی دارد که از طریق وسایل معمولی قابل دسترسی نمی باشند.

از آنجایی که این فرآیند، فرآیندی نامتعادل می باشد ، امکان این که شکل گیری حالتهای نیمه پایدار جدید باقی بماند، وجود دارد. در واقع ، این فرآیند مسیر مورد نظر جهت ترکیب فاز پیش بینی شده ساختار متبلور Bc3N4 را از لحاظ تئوری نشان می دهد.

پیوند و قرارگیری یون گزینه ای جهت رشد لایه ای سخت و لایه اصلاح شده از لحاظ شیمیایی است. این فرآیند (قرارگیری یون)  انتقال تدریجی از لایه ای بسیار سخت را به سمت لایه زیرین بزرگ و نسبتاً نرم فراهم می کند. این عمل از لحاظ شیمیایی به وسیله لایه ای اصلاح شده با سختی متوسط صورت می گیرد.

محققان بسیاری، تغییرات لایه های زیرین آهنی را با قراردادن یونهای دارای انرژی بالا و پایین مورد بررسی قرار داده اند. شواهد فراوانی وجود دارند که نشان می دهند پیوند یون (به خصوص یونهای نیتروژن و بور) سختی سطح را افزایش می دهد که در اصل سختی سطح افزایش یافته و مقاومت در برابر فرآیند سایش نیز بیشتر می شود.

با این وجود، موارد زیادی درباره ترکیبات شیمیایی که از طریق فرایند املاح یونی تشکیل شده اند و نیز تأثیرات ترکیب اساسی و شرایط پیوند بر روی ویژگی های مکانیکی و شیمیایی لایه اصلاح شده یونی وجود دارند که لازم است مورد توجه قرار گیرند. بیشترین درک از این مفاهیم موجود اصلاحات در سختی سطح و ویژگی های سایش شناسی پیوند یون نیتروژن را پیشنهاد می کند.

این خصوصیات سایشی پیوند یون نیتروژن ناشی از اثرات ایجاد محلولی جامد یا شکل گیری نیتریدهای آهن نیمه پایدار به شکل فرمولی FexNy است. در این فرمول، ساختار Fe16N2 به طرز وسیعی به عنوان گونه های عمده و برتر مورد قبول قرار گرفته است. بر طبق شواهد جدید، تغییر و اصلاح از طریق پیوند یون می تواند باعث ایجاد ترکیبی در سطح شود که این ترکیب لایه ای را به وجود می آورد که در ان گونه های آهن دار نقش کمی ایفا می کنند و حضور Si (سیلیسیم) در لایه زیرین فولادی به نظر می رسد که رشد نتیرید کربن را به عنوان تقویت کننده افزایش می دهد.

ما از مشاهداتی ترکیبی ناشی از تجربیات فرورفتگی نانو و شیوه طیف نمایی فوتوالکترونی پرتو ایکس استفاده کرده ایم تا اصلاح سطحی را که ناشی از قرار گرفتن یون دارای انرژی متوسط از فولاد آلیاژی پایین است مورد تغییر قرار دهیم. به طور معمول سختی چنین سطحی با استفاده از فرآیند نیتروژن دهی قابل تشدید است.

2- مرحله آزمایش

قرار گیری و پیوند یون نیتروژن، بر روی یک ترزیق کننده یونی 50 Ke V هدایت شد. این ترزیق کننده عبارت است از : یک منبع یونی آزاد، یک تمیز کننده الکترونیکی، یک شاب دهنده دارای ولتاژ بالا، یک آهن ربای انتخاب بزرگ و اتاقکی با فضای خلأ بسیار بالا.

شکل شماره (1) طرحی شماتیک از این ترزیق کننده یونی را نشان می دهد.

شکل (1) طرحی شماتیک از ترزیق کننده یونی KV50

برای پیوند و قرارگیری یون، آن اتاقک در ابتدا از لحاظ فشار تا Torr7-10 تخلیه می شود و با نیتروژن دارای خلوص بالا با فشاری معادل Torr 5-10  مجدداً پرمی شود.

که این امر در جهت تولید یون های نیتروژن صورت می گیرد.

انواع یونهای نیتروژن به صورت انبوه به کمک آهن رباهای الکتریکی انتخاب می شوند. این آهنرباهای الکتریکی به کمک یک منبع قدرت خارجی کنترل می شوند.

در این آزمایش ولتاژهای شتاب از KeV20 تا KeV30 بودند. آهن رباهای تنقیلمی کمکی مورد استفاده قرار گرفتند تا عبور باریکه یون از میان روزنه ای در یک صفحه گرافیتی بر روی ظرف فاراده را تنظیم کنند. وقتی تنظیم تکمیل می شود نمونه آزمایش جایگزین صفحه گرافیتی باریکه از لحلاظ کامپیوتری مورد بررسی دقیق و اکسن در موقعیت 50 هرتز عمودی قرار می گیرد و آن نمونه آزمایش به طور مکانیکی ، توسط موتور تنظیم شده کامپیوتر بیرونی در حرکت افقی نوسانی در عرض آن باریکه یونی حرکت می کند. این امر امکان تأثیر متقابل باریکه یکنواخت را با نمونه آزمایش فراهم می کند. جریان باریکه یونی در طول قرارگیری یون، جهت تعیین و ارزیابی مجموع بارالکتریکی یون نیتروژن تنظیم و کنترل می شود. جای گیری یون متفاوت از 1 تا 103mc×2 بود و حد متوسط ناحیه ای که در آن یون قرار گرفت بیش از ناحیه 4mc2×4 بود. محدوده ناحیه ای که یون در آن قرار داشت 4 تا 1017cm2×8 است.

بررسی های سطح در روش های ترکیبی طیف نمایی فوتوالکترونی پرتو ایکس و طیف نمایی الکترونی اوژه با به کارگیری طبق سنج دارای نشانگر PH انجام شد. در این بررسی ها از تابش منیزیم با بیش از یک طول موج و  استفاده شد که شامل آنالیز و آینه ای به شکل استوانه می شود.

بررسی های کلی و دقیق در انرژی عبوری ev50 انجام شدند و بررسی های عنصری با تفکیک پذیری بالاتر در انرژی عبوری ev25 انجام گرفتند. سختی سطح توسط VMIS 2000 بررسی شد.

VMIS 2000 میله مدرجی در مقیاس میکرو و دارای عملکرد ماکنیکی است که توانایی کسب اطلاعات عمیق و جامع را با نیرو دارد و نیز قادر به کسب میزان تفکیک پذیریمای عمیق در مقیاس نانومتر می باشد. نیروی گرفته شده توسط VMIS 2000 در طول 20 مرحله متفاوت از مقدار تماس Mn1/0 تا حداکثر mN5 بود.

اطلاعات حاصل از مقادیر نیرو و عمق توسط آن وسیله نرم افزاری مورد بررسی قرار گرفتند و حداکثر سختی به عنوان سختی در نظر گرفته شد.

3- نتایج و بحث

تجربیات حامل از فرورفتگی نانو در جهت بررسی ویژگی های میکرو مکانیکی نمونه های یون قرار گرفته مورد استفاده قرار گرفتند. نمونه ای از سختی های مرتبط با سختی در مقیاس نانو به عنوان تابعی از عمق  فرورفتگی برای نمونه های فولاد اولیه و اصلاح شده در شکل 2 نشان داده شده است. از لحاظ ویژگی ، مقادیر سختی مطابق قابل پیش بینی و مورد انتظار مربوط به ماده توده ای به عنوان تداوم فرورفتگی ها می باشد. سختی GPa10 برای لایه فولادی متناسب با سختی فرورفتگی (دندانه ای) منتشر شده برای فولادهای آلیاژزی است. این تناسب و همخوانی وجود واحدهای اندازه گیری میکرومکانیکی ما را تأیید می کند. میزان سختی برای سطحی اصلاح شده یا برای محلی که در آن لایه ای رسوب کرده است. معمولاً از میزانی که متناسب با سختی لایه است و قبل از تجزیه و تلاشی سختی توده ای لایه زیرین شروع می شود (به شکل 2 رجوع شود). بالای عمق فرورفتگی که در حد ده ها نانومتر است به ویژگی های لایه بستگی دارد.

بنابراین ، میزان سختی اولیه را می توان به عنوان سختی لایه یا لایه اصلاح شده در نظر گرفت.

شکل (2) تفاوت سختی با توجه به عمق فرورفتگی در مورد نمونه های ثابت و تغییر کرده

شکل 2 سختی نمونه ای که دارای پیوند یون نیتروژن است را با سختی نمونه ای سخت تر و دارای سطح کربن دار مقایسه می کند. شکل 2 نشان می دهد که نمونه اصلاح شده از طریق یون سختی معادل GPa50 داشت. مقادیر سختی ثبت شده برای نمونه های دارای پیوند یون نیتروژن، تحت شرایط قرارگیری یون از 35 تا GPa50 در نوسان می باشد. مقادیر سختی و شرایط قرارگیری یون در جدول 1 ارائه شده اند.