فایل مارکت

تحقیق در مورد متالورژي فيزيكي

سختي بسيار بالاي فولاد آلياژي پايين طي فرآيند پيوند و قرارگيري يون نيتروژن

خلاصه مطلب : تركيب سطح فولاد آلياژي پايين بعد از قرار گيري يون نيتروژن با روش طيف نمايي فوتوالكترون پرتوايكس (XPS) مورد بررسي و مطالعه قرار گرفت.

تأثير آن پيوند بر روي سختي مكانيكي از طريق ميزان سختي دندانه اي كه بيش از مقياس ميكرو بود مورد ارزيابي قرار گرفت. ويژگي شيميايي سطح نمايانگر شكل گيري لايه نازك غني از نيتروژن و كربن و سيليسيم بود. بر طبق مشاهدات ، آهن نقش كمي در تركيب شيمايي و ساختار سطح اصلاح شده ايفا نمود. در مقايسه با سختي نمونه اوليه كه معادل GPa 10 بود.

سختي مكانيكي سطح داراي پيوند يون نيتروژن GPa35 تا GPa50 بود.

تصور مي شود كه سختي بيش از اندازه بالاي مشاهده شده بر روي سطح و در سطح زيرين (لايه فرعي) نتيجه اصلاح و تغيير شيميايي جهت شكل گيري لايه اصلاح شده از نيتريد كربن محتوي عنصر تقويتي سيليسيم بود. شواهد حاصل از شيوه طيف نمايي فوتوالكتروني پرتوايكس (XPS) و فرورفتگي نانو نشان مي دهند كه اتصالات و پيوندهاي C-N در سطحي نزديك به احتمال فراوان از انواع SP³ مي باشد كه در يك تركيبي مشابه در ساختار متبلور Bc₃N₄ قابل انتظار مي باشد.

1- مقدمه

نيتروژن دهي و كربن دهي به خوبي در فرآيندهاي صنعتي به منظور ايجاد سختي براي سطوح فولادي استفاده مي شوند. فرآيندهاي نيتروژن دهي و كربن دهي، به ويژه ايجاد سختي براي سطوح فولادي استفاده مي شوند. فرايندهاي نيتروژن دهي و كربن دهي، به ويژه در كاربردهاي صنعتي نيازمند مقاومت در برابر فرآيند سايش استفاده مي شوند.

درچنين مواردي ، سختي از طريق شكل گيري كربيدها يا نيتريدهاي نيمه پايدار و يا ساختار مارتنزيتي بر روي سطح فولاد، به وجود مي آيد.

حداكثر سختي چنين تغييرات سطحي معمولاً كمتر از GPa15 مي باشد.

گسترش زمينه هاي تحقيقاتي به ويژه از طريق تكنولوژيهاي جديدتر تغيير سطح و رسوب لايه هاي نازك شامل توسعه سطوح سخت تر مي شود. جهت اصلاح ويژگي هاي مقاومت سايشي موادي كه به طور معمول استفاده مي شوند سختي و مدول هاي بالاتري نياز مي باشد.

ايجاد اصلاح و تغيير بيشتر در سطح نيازمند كاربرد ديگر مواد ضروري مانند زنگ زدگي و مقاومت فرسودگي مي باشد. فرآيندها ، هم اكنون جهت رسوب لايه هاي با سختي بسيار بالا بر روي لايه هاي زيرين نسبتاً گزم موجود مي باشند.

اين موارد شامل تكنيكهاي پوششي لايه الماس و شماري از فرآيندهاي جديد مي شود.

اين فرايندهاي جديد به منظور رسوب گذاري گرم يا سرد لايه هاي شبه الماس توسعه مي يابند.

اگرچه رسوب مستقيم لايه بر طبق نتايج مورد نظر مي باشد با اين حال در شماري از فرآيندها حدود ومرز فيزيكي و طبيعي كه همچنان بين لايه پوششي سخت و لايه زيرين وجود دارد.

به عنوان يك چالش تكنيكي باقي مي ماند و مانع استفاده از چنين فرآيندهايي و كاربرد آنها در زمينه مقاومت سايش مي شود. پيوند و قرار گرفتن يون تواناييهايي در زمينه توليد تركيبات جديد و ساختارهايي دارد كه از طريق وسايل معمولي قابل دسترسي نمي باشند.

از آنجايي كه اين فرآيند، فرآيندي نامتعادل مي باشد ، امكان اين كه شكل گيري حالتهاي نيمه پايدار جديد باقي بماند، وجود دارد. در واقع ، اين فرآيند مسير مورد نظر جهت تركيب فاز پيش بيني شده ساختار متبلور Bc₃N₄ را از لحاظ تئوري نشان مي دهد.

پيوند و قرارگيري يون گزينه اي جهت رشد لايه اي سخت و لايه اصلاح شده از لحاظ شيميايي است. اين فرآيند (قرارگيري يون)  انتقال تدريجي از لايه اي بسيار سخت را به سمت لايه زيرين بزرگ و نسبتاً نرم فراهم مي كند. اين عمل از لحاظ شيميايي به وسيله لايه اي اصلاح شده با سختي متوسط صورت مي گيرد.

محققان بسياري، تغييرات لايه هاي زيرين آهني را با قراردادن يونهاي داراي انرژي بالا و پايين مورد بررسي قرار داده اند. شواهد فراواني وجود دارند كه نشان مي دهند پيوند يون (به خصوص يونهاي نيتروژن و بور) سختي سطح را افزايش مي دهد كه در اصل سختي سطح افزايش يافته و مقاومت در برابر فرآيند سايش نيز بيشتر مي شود.

با اين وجود، موارد زيادي درباره تركيبات شيميايي كه از طريق فرايند املاح يوني تشكيل شده اند و نيز تأثيرات تركيب اساسي و شرايط پيوند بر روي ويژگي هاي مكانيكي و شيميايي لايه اصلاح شده يوني وجود دارند كه لازم است مورد توجه قرار گيرند. بيشترين درك از اين مفاهيم موجود اصلاحات در سختي سطح و ويژگي هاي سايش شناسي پيوند يون نيتروژن را پيشنهاد مي كند.

اين خصوصيات سايشي پيوند يون نيتروژن ناشي از اثرات ايجاد محلولي جامد يا شكل گيري نيتريدهاي آهن نيمه پايدار به شكل فرمولي Fe_xN_y است. در اين فرمول، ساختار Fe₁₆N₂ به طرز وسيعي به عنوان گونه هاي عمده و برتر مورد قبول قرار گرفته است. بر طبق شواهد جديد، تغيير و اصلاح از طريق پيوند يون مي تواند باعث ايجاد تركيبي در سطح شود كه اين تركيب لايه اي را به وجود مي آورد كه در ان گونه هاي آهن دار نقش كمي ايفا مي كنند و حضور Si (سيليسيم) در لايه زيرين فولادي به نظر مي رسد كه رشد نتيريد كربن را به عنوان تقويت كننده افزايش مي دهد.

ما از مشاهداتي تركيبي ناشي از تجربيات فرورفتگي نانو و شيوه طيف نمايي فوتوالكتروني پرتو ايكس استفاده كرده ايم تا اصلاح سطحي را كه ناشي از قرار گرفتن يون داراي انرژي متوسط از فولاد آلياژي پايين است مورد تغيير قرار دهيم. به طور معمول سختي چنين سطحي با استفاده از فرآيند نيتروژن دهي قابل تشديد است.

2- مرحله آزمايش

قرار گيري و پيوند يون نيتروژن، بر روي يك ترزيق كننده يوني 50 Ke V هدايت شد. اين ترزيق كننده عبارت است از : يك منبع يوني آزاد، يك تميز كننده الكترونيكي، يك شاب دهنده داراي ولتاژ بالا، يك آهن رباي انتخاب بزرگ و اتاقكي با فضاي خلأ بسيار بالا.

شكل شماره (1) طرحي شماتيك از اين ترزيق كننده يوني را نشان مي دهد.

شكل (1) طرحي شماتيك از ترزيق كننده يوني KV50

براي پيوند و قرارگيري يون، آن اتاقك در ابتدا از لحاظ فشار تا Torr^7-10 تخليه مي شود و با نيتروژن داراي خلوص بالا با فشاري معادل Torr ^5-10  مجدداً پرمي شود.

كه اين امر در جهت توليد يونهاي نيتروژن صورت مي گيرد.

انواع يونهاي نيتروژن به صورت انبوه به كمك آهن رباهاي الكتريكي انتخاب مي شوند. اين آهنرباهاي الكتريكي به كمك يك منبع قدرت خارجي كنترل مي شوند.

در اين آزمايش ولتاژهاي شتاب از KeV20 تا KeV30 بودند. آهن رباهاي تنقيلمي كمكي مورد استفاده قرار گرفتند تا عبور باريكه يون از ميان روزنه اي در يك صفحه گرافيتي بر روي ظرف فاراده را تنظيم كنند. وقتي تنظيم تكميل مي شود نمونه آزمايش جايگزين صفحه گرافيتي باريكه از لحلاظ كامپيوتري مورد بررسي دقيق و اكسن در موقعيت 50 هرتز عمودي قرار مي گيرد و آن نمونه آزمايش به طور مكانيكي ، توسط موتور تنظيم شده كامپيوتر بيروني در حركت افقي نوساني در عرض آن باريكه يوني حركت مي كند. اين امر امكان تأثير متقابل باريكه يكنواخت را با نمونه آزمايش فراهم مي كند. جريان باريكه يوني در طول قرارگيري يون، جهت تعيين و ارزيابي مجموع بارالكتريكي يون نيتروژن تنظيم و كنترل مي شود. جاي گيري يون متفاوت از 1 تا 10³mc×2 بود و حد متوسط ناحيه اي كه در آن يون قرار گرفت بيش از ناحيه 4mc²×4 بود. محدوده ناحيه اي كه يون در آن قرار داشت 4 تا 10¹⁷cm²×8 است.