Navigation



ترجمه صفحه 88 کتاب ASM Metal Handbook vol4 heat treating of iron and steel

ساختار نیتراسیون (نیتراته ، نیتروره ، نایترایدینگ ) و خواص لایه های نیتریدی

Nitriding Structure and Properties of Nitrided Layers

نیتراسیون یک عنوان کلی برای همه فرایندهای بر پایه افزودن نیتروژن به سطح فولاد می باشد. چه بخواهیم و چه نخواهیم دیگر اجزای شبکه اتمی از قبیل کربن ،اکسیژن و سولفور همزمان درون فولاد نفوذ میکنند. وقتی کربن در میان نیتروژن نفوذ می کند ، فرایند نیتروکربوراسیون نامیده می شود. بر خلاف نام آن این فرایند نوعی از نیتراسیون است نه کربوراسیون و نباید با کربونیتراسیون اشتباه گرفته شود. هدف اولیه هر کدام از این فرایندها بهبود خواص سایشی فولاد است . البته فاکتورهای دیگری نیز مد نظر هست ، مانند مقاومت به خستگی ، رفتار خوردگی و ظاهر سطح.

لایه نیتریدی


در آنالیز ساختار و خواص لایه های نیتریدی دو دسته از خواص می بایست مد نظر قرار گرفته شود
1-خواص کاربردی و ساختاری
در هر یک از انواع فولاد این خواص ممکن است وابستگی های پیچیده ای داشته باشند.. اما اینکه آنها میتوانند جداگانه تعریف شوند و مورد بررسی قرار بگیرند قابل درک است
در بیشتر تعاریف کلی خواص کاربردی شامل
-خواص فیزیکی(حرارتی ،الکتریکی ، نوری/نوری الکتریکی،رفتاری)
-خواص بیومدیکال (سازگاری با محیط زیست، مقاومت به سایش،تثبیت)
-ظرائف ظاهری
خواص ساختاری معمولا برای کاربردهای صنعتی آشنا تر هستند . که شامل
-خواص تریبولوژیکی (سایش،اصطحکاک)
-خواص شیمیایی( خوردگی،اکسیداسیون،رفتار در مخیط های فعال شیمیایی گوناگون)
-خواص مکانیکی(سختی، استحکام،خستگی)
نیتراسیون(شامل نیتروکربوراسیون نیز می شود)تاثیر بسیاری بر روی خواص سطحی فولاد دارد ، با مشخص کردن پارامترهای فرایند، امکان استفاده از این خواص به منظور رفع نیاز در کاربردهای خاص فراهم می شود.
نیتراسیون( مجددا باید اشاره کنیم شامل نیتروکربوراسیون نیز می شود) در یک بررسی دقیق از کربوراسیون و دیگر فرایند های بر پایه نفوذ عملیات های سطحی متفاوت است. یک لایه نیتریدی شامل دو جزء متفاوت می باشد. (شکل1)

یک لایه نیتریدی شامل دو جزء متفاوت می باشد.( شکل 1)

لایه نفوذی:


که یک لایه سطحی نیتریدی مستحکم درست در سطح فولاد و شامل ترکیبات رسوبی نیترید آهن و عناصر آلیاژی دیگر است. نیترید ها کم اهمیت تر هستند و به صورت یکنواخت در فولاد محو می شوند . مسئله مهم سختی و استحکام مکانیکی مواد عملیات شده زیر لایه می باشد. تنش فشاری تولید شده در زیر لایه ی لایه سطحی ، به دلیل تشکیل نیترید ها و همچنین افزایش حد خستگی متریال می باشد.

لایه سطحی ترکیبی:

که لایه سفید هم نامیده می شود ،به این دلیل که ظاهر سفید رنگی زیر میکروسکوپ در سطح اچ شده در متابوگرافی دیده می شود. این لایه شامل مونوفازهایی است یا به صورت ترکیبی از نیتریدها ،کربونیتریدها ، کاربید ها و اکسید هاست که در طول عملیات حرارتی تشکیل می شوند . لایه سفید دلیل اصلی خواص تریبولوژیکی و رفتار خوردگی عالی نمونه های عملیات شده است. این حضور نیترید ها در لایه سفید بستگی به پتانسیل نیتروژن دارد

شکل2: عملکرد فاز نیتریدی با توجه به پتانسیل کربن و نیتروژن
فولاد های مختلف واکنش های مختلفی نسبت به افزایش درصد نیتروژن سطحی از خودشون نشان می دهند و همچنین ساختار متفاوتی نیز دارند. حلالیت بسیار پایین فریت در رنج دمایی 0 تا 591 درجه سانتیگراد ( 32 تا 1095 درجه فارنهایت) بر طبق دیاگرام لرر (1-3) به تشکیل نیترید قالب Fe4N معروف به ΄γ منتهی می شود. دیگر عناصر آلیاژی در فولاد رنج وسیعی از نیترید را تشکیل می دهند که وابسته به میل ترکیبی انها با نیتروژن دارد . مهمترین عناصری که در فولاد تشکیل نیترید می دهند آلومینیوم ، زیرکونیوم ، نیوبیوم ،کروم ، مولیبدن و واندیوم هستند.
دو جزء لایه نیتراته لزوما همیشه در نتیجه عملیات حضور نخواهند داشت: به وجود آمدن آنها به ترکیب شیمیایی فولاد و پارامترهای فرایند بستگی دارد. ماهیت تکنولوژی های گوناگون نیتراسیون در گرو تعادل بین دو جزء در سطح عملیات شده بر طبق نیازهای یک کاربرد مشخص می باشد. زمانی که فقط خواص تریبولوژیکی باید غالب باشد ،لایه سفید با خواص شبه سرامیکی (که تشکیل شده از ترکیبات بین فلزی)نقش اصلی رو ایفا می کنند. و همچنین این در مورد مقاومت به خوردگی نیز ویژگی اصلی است. از طرف دیگر برای توانایی بار برداری(load-bearing) و مقاومت به سایش و خستگی ،لایه نفوذی مشخصه اصلی است . بهترین نتایج همیشه با ترکیبی از لایه سفید و لایه نفوذی بدست می آید.
انواع فولادها برای نیترایدینگ:
بر اساس تغییرات ساختاری در سطح فولاد و خواص نهایی ، گروه های مختلفی از فولاد ها ممکن است جهت نیتراسیون مطرح شوند. سه گروه زیر بیش از بقیه نیتراته می شوند:
فولاد های کربنی: شامل مقادیر کم عناصر آلیاژی غیر از کربن .در این فولاد ها در نتیجه نفوذ نیتروژن میل بیشتر به تشکیل رسوبات ضخیم نیترید نزدیک به سطح است.(شکل 3) بدون بهبود مشخصی در خواص مکانیکی(رفرنس 4و 5). در سطح ممکن است لایه سفید نیز تشکیل شود، از جمله انها می توان به نیترید های Fe4N(γ΄) و Fe(2,3)N ε اشاره کرد. در نتیجه حلالیت بالای کربن در نیتریدهای ε ،کربن نیز ممکن است در لایه نیتریدی وجود داشته باشد ، که وابسته است به درصد کربن فولاد .این نفوذ یکپارچه کربن به لایه سطحی منجر به این می شود که در بعضی کربونیترید ها حتی یک کلنی کربنی نیز حضور نداشته باشد.
فولادهای آلیاژی : شامل عناصر تشکیل دهنده نیترید . در نتیجه نفوذ نیتروژن ، نیترید های عناصر آلیاژی در زیر لایه پراکنده می شوند. سایز نیترید ها بستگی به میزان الیاژی بودن و پارامتهای عملیات دارد. هر چه نیترید ها دقیق تر و یکنواخت تر پراکنده شوند تاثیر بهتری بر خواص فولاد دارد. لایه سفید نیز با خواص مفید تریبولوژیکی در سطح فولاد تشکیل می شود. لایه سفید تشکیل شده با لایه سفید تشکیل شده در فولاد کربنی تفاوتی ندارد. اساسا همین ساختار نیز در فولادهای ابزار آلیاژی نیز ظاهر می شود(شکل4).
فولاد های زنگ نزن آستنیتی: که ساختار متفاوتی بسته به دمای عملیات از خود نشان می دهند(رفرنس 6-8). در دماهای پایین ،زیر 430 درجه سانتیگراد(805 درجه فارنهایت) ، ممکن است آستنیت فوق اشباع پر نیتروژن تشکیل شود(شکل5)،که از تخریب کروم در سطح جلوگیری می کند. این لایه پوشش و رفتار خوردگی عالی دارد اما پایداری آن در دماهای گوناگون محدودیت دارد.
این سه گروه از فولاد ها خواص ساختاری / عملکردی گوناگونی بعد از نیتراسیون از خود نشان میدهند. این خواص در عملکردهای میکروساختار در سطح فولاد مورد بحث هستند.
در حقیقت ، نایترایدینگ به ندرت فقط نیتریت تولید میکند. یک ساختار کاملا نیتریدی فقط در صورتی تشکیل می شود که عملیات سطحی با یک پلاسمای کنترل شده موجود باشد که در این صورت نیتربد ها در بستر تشکیل می شوند، علی الخصوص لایه نفوذی. هر زمان که ی لایه سفید تشکیل شود ، شامل کربن و یا کربونیترید است درست به خوبی نیترید ها. این پدیده بوسیله حلالیت بالای کربن در نیترید ها و مخصوصا در نیترید نوعε (Fe2-3N) توضیح داده می شود. مرسوم است که تمایز قائل شویم بین نیتراسیون و نیتروکربوراسیون به صورت پایه ای چرا که هدف ثانویه تشکیل لایه سفید روی سطح فولاد است و فرایند می بایست توسط واکنش های سطحی همزمان با محیط حاوی نیتروژن و کربن کنترل شود . در یک عملیات گازی ممکن است از تشکیل یک ترکیب (N+H) تشکیل شده در لایه ترکیبی جلوگیری شود و برای هدفهای عملی فقط نیتروژن در لایه نفوذی حاضر خواهد بود. بر خلاف این ، ممکن است در عملیات حمام نمک کربونیتریدهای داپلکس در لایه نفوذی و ترکیبی ایجاد شود برای اینکه کربن همیشه در واکنش های سطحی حاضر است. تحقیقات بر روی ساختار سطح فولادها با لایه ترکیبی روند جالبی از تجزیه کاربید ها از دانه های پرلیت درون نیترید های ε نشان می دهد( رفرنس 9-11). بنابراین در محدوده ی دانه های پرلیت پدیده "روتینگ" در زیر لایه ظاهر میشود . (شکل 6)

شکل3: a) نیترید های سوزنی شکل ضخیم در فولاد ساده کربنی نیتراته شده b ) نیتریدهای سوزنی شکل ضخیم در بزرگنمایی بالا با میکروسکوپ TEM

شکل4: لایه های ترکیبی و نفوذی در فولاد الیاژی

شکل 5: لایه فازS ( استنیت فوق اشباع از نیتروژن) روی فولاد زنگ نزن آستنیتی

شکل 6: دانه های پرلیت تجزیه در لایه ترکیبی نزدیک خط اتصال
انالیز اکسپکتروسکوپ نوری (GDOES) همچنین نفوذ کربن در لایه ترکیبی را نشان میدهد. (شکل7 . رفرنس 11.12)

شکل 7: پروفیل متمرکز کربن و نیتروژن GDOES در لایه ترکیبی فولاد کم الیاژ بعد از نیتراسیون پلاسما . منبع رفرنس 12
به دلیل اینکه اولویت این قسمت یعنی صنعت و عمل بر بحث تئوری و اکادمیک ترجیح دارد تمرکز بر روی ساختار و خواص لایه های نیتریدی تولید شده بوسیله تکنولوژی های گوناگون و واکنش های پیچیده در تولید انها عمدتا نادیده گرفته می شوند. تعداد زیادی تحقیقات و مطالعات در رابطه با واکنش های سطحی و واکنشهای کینتیک در حمام نمک ، اتمسفر گازی و پلاسما وجود دارد.(رفرنس 7-10) نقش اکسیژن هنوز تا حدود زیادی بحث بر انگیز است. هرچند یک توافق جمعی در مورد اهمیت ان وجود دارد(رفرنس 13-15). ظاهرا سوالهای زیادی هنوز بر جای خود باقی است، در مورد واکنش سینتیک در نیتراسیون پلاسما صفحه فعال که بدون شک بسیار برای کاربردهای صنعتی مهم است. به هر حال این گفتگو مورد بحث این مقاله نیست.
این کاملا مشخص است که نیتروژن مانند کربن میتواند با سطح فولاد فقط به شکل اتمی واکنش دهد. ویژگی اصلی بحث در مورد تکنولوژی های مختلف روش بدست اوردن نیتروژن اتمی است. کربن ممکن است باشد یا نباشد در محیط در حال عملیات ، اما کربن در خود فولاد هست . به نظر می رسد که اکسیژن روی سطح فولاد و در محیط تاثیر کاتالیزوری بر روی جذب فولاد بر روی سطح داشته باشد اما همچنین تشکیل و تثبیت فاز ε را تشدید می کند. ( رفرنس 12-14 و 16)
کاربید تجزیه شده بر روی رفتار خستگی سطحی نمونه های عملیات شده موثر است. در طول فرایند پیچیده تجزیه بعضی عیوب جزئی در سطح( در اصل در عملیات ماشینکاری و فینیشینگ) عملا در محل شروع میکرو ترک ها نابود می شوند. بنالبراین حد خستگی در بارگزاری های داینامیک افزایش می یابد. بلکه تنشهای فشاری پسماند زیاد در لایه ترکیبی نیز همچنین کمک میکند به افزایش حد خستگی(رفرنس 14).

اطلاعات تماس

اراک - کیلومتر 30 جاده تهران - شهرک صنعتی خیرآباد - فاز 2- خیابان 302
شماره های تماس: 33553560-086
همراه: 09183613805 و شماره فکس: 33553559-086

تهران - بزرگراه فتح - بین فتح 9 و 11 مجتمع تجاری پارس حمید - واحد 14
شماره های تماس: 66394033-021
و همراه: 09184030702

کانال رسمی سایا در تلگرام

واحد مشاوره شرکت همه روزه از ساعت 8 الی 16 و پنجشنبه ها از ساعت 8 الی 13 به صورت آنلاین پاسخگوی شما می باشند.

سایا در شبکه های اجتماعی

مزیت رقابتی

زمان بندی دقیق

مطابقت با نمودار عملیات حرارتی

تنوع در ارائه خدمات

امکان آنالیز قبل از تحویل

Top of Page