فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد

فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه متالورژی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

نفوذ پذیری و تغییر فاز در طی فرآوری حرارتی پوشش‌های نیکل- بور (Ni-B) بر روی فولاد

چکیده

پوشش‌های نیکل – بور جهت ارتقای خواص اصطکاکی و فرسایشی (و در برخی از موارد ارتقای مقاومت در برابر خوردگی) مورد استفاده قرار می گیرند. پوشش نیکل- بور که در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد دارای درصد وزنی ۵-۶ می باشد و به وسیله فرآوری آبکاری شیمیایی بر روی سوبسترا یا زیر لایه  فولاد ۱۰۱۸ ته نشست گردیده است. این پوشش بصورت بی‌ریخت بوده و از فرآوری حرارتی جهت متبلور نمودن پوشش به منظور ارتقای سختی استفاده می‌شود.

به منظور درک بهتر و پیش بینی تاثیرات فرآوری حرارتی، نمونه ها به صورت هم دما و در دماهای مختلفی از ۵۰۰-۸۰۰ درجه سانتی گراد برای ۲ یا ۵ ساعت تحت فرآیند حرارتی قرار گرفته و با استفاده از روش‌های مختلفی به منظور تعیین تاثیرات نفوذ پذیری در طی فرآیند آنیلینگ یا ترمیم حرارتی مورد آزمایش قرار گرفتند. پس از آن نمونه ها به وسیله XRD، هم بر روی سطح پوشش و هم در عمق‌های متعدد در داخل پوشش، مورد بررسی قرار گرفتند. از این طریق از میکروسکوپ نوری و SEM جهت بررسی ساختار این پوشش در سطح مقطع استفاده شد. سطوح مقطع حکاکی شده بوسیله میکروسکوپ نوری و SEM و همچنین EDS مورد بررسی قرار گرفتند، که خود جهت تشکیل یک پروفیل ترکیب Ni-Fe در سطح مشترک پوشش _– زیر لایه به کار گرفته می‌شود. اندازه‌گیرهای ریزسختی نیز اعمال گردیده و جهت توسعه پروفیل‌های ریز سختی بکار گرفته شدند. نمونه‌های دیگر نیز تحت فرآیند ترمیم حرارتی قرار گرفته تا آنکه قابلیت بررسی رویه اکسیداسیون بور در سطح پوشش بوجود آید.

…

فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد

۲- بررسی مبحث

۱-۲٫ پوشش‌های Ni-B الکترولس

پوشش‌های الکترولس نیکل- بور دارای مطالعه زیادی به عنوان روشی جهت ارتقای خواص اصطکاکی و فرسایشی زیر لایه‌های مختلف می باشند. یکی از پیشرفت‌های اخیر در این زمینه، UltraCem ( که به وسیله شرکت UCT Coatings تولید می گردد)، دارای مقادیر سختی بیش از پوشش‌های نیکل- فسفری میباشد و قابل قیاس با پوشش‌های دارای کروم سخت است. UltraCem که از نظر وزنی حاوی ۵-۶ درصد بور می‌باشد، غالبا در شرایط بین آبکاری بصورت بی ریخت،  دارای یک سختی  H_v100 650-700 خواهد بود. با این وجود، با توجه به فرآوری مناسب حرارتی، این سختی می تواند به زیادی  H_V100 2000 افزایش یابد، البته تحصیل این ویژگی بیش از ۳۰ هفته وقت را تلف خواهد نمود. [۴] به طور خلاصه‌تر، فرآوری‌های حرارتی عملی تر، قابلیت فراهم آوردن ارزش‌های سختی متناسب در حول و حوش H_V100 1200 را خواهند داشت که خود اجازه حاصل آوردن سختی متناسب از طریق تولید صنعتی را خواهند داد.

۲-۲٫ تحقیقات قبلی در زمینه فرآوری حرارتی پوشش‌های نیکل- بور

از آنجایی که UltraCem یک تکنولوژی نسبتا جدید می باشد، جزئیات رویه های تبدیلی که در طی فرآوری حرارتی تحقق می یابند هنوز به طور کامل درک نگردیده اند. به همین دلیل Longabucco و Nowill [2] اقدام به حرارت دادن نمونه‌های فرآوری شده  UltraCem بر روی فولاد ۱۰۱۸ در دماها و مدت زمان‌های مختلف نمودند.

برآوردهای ریز سختی از این پوشش جمع آوری گردیده و همچنین اطلاعات تصاویر نوری و اسکن الکترون پویشی در زمینه سطح مقطع پوشش، طیف EDS از عمق‌های مختلف در این پوشش و اسکن‌های XRD از سطح پوشش نیز جمع آوری شد.

…

۳-۲٫ نفوذ پذیری آهن ـ نیکل

 تحقیق در زمینه میان نفوذ پذیری آهن و نیکل به میزان زیادی بر روی دماهایی تمرکز دارد که فراتر از آنها نمونه‌های این مطالعه آنیل شده اند. با این وجود، اطلاعاتی در این زمینه موجود می‌باشد، این اطلاعات در مبحث محدوده دمایی است که در آن نمونه‌های این مطالعه تحت فرآیند آنیلینگ قرار می گیرند.

Ustad و Sørum [6] ضرایب نفوذ پذیری بین آهن ـ نیکل در دماهای مختلف، درمحدوده  از ۶۳۵ درجه سانتیگراد الی ۱۳۲۵ درجه سانتیگراد را مشخص نمودند. بر مبنای این داده‌ها، آنها انرژی فعال‌سازی و مقادیر ضریب فرکانس به میزان ۱۰ درصد تا فاصله ترکیب در سیستم آهن ـ نیکل را تعیین کردند. آنها مقادیر انرژی فعال‌سازی را از ۶۴/۲ الی ۷۴/۲ (تقریباُ ۲۵۵ الی ۲۶۴kJ/mol) و مقادیر ضریب فرکانس را از ۱۵/۰ الی ۷۱/۰ cm²/s تعیین نمودند.

۴-۲ . اکسیداسیون بور

Wang و همکاران [۸] دریافتند که بور جامد خالص، چه بصورت بی‌ریخت یا چه بصورت بلورین، به هنگامی که در معرض اکسیژن در دماهای بالاتر از حدودا ۱۱۰۰ K قرار می‌گیرد   را تشکیل می دهد. فراتر از ۱۱۰۰ K، آنها مشخص نمودند که این اکسید تمایل به جداشدگی ازسطح به عنوان B₂O₂(g) اولیه را خواهد داشت، که خود در طی اکسیداسیون دمای پایین تشکیل نشده و همراه با یک مقدار اندکB₂O₃(g)    با این ویژگی نیز می باشد. آنها همچنین مشخص نمودند که تشکیل B₂O₃ که نتیجه پوشش زیر تک لایه می‌باشد، که خود معرف آن است که اکسید بسیار اندکی، حتی بر روی بور خالص، تشکیل می گردد. بعلاوه، B₂O₃ بصورت محلول در آب بوده و بنابراین اکسید اندک تشکیلی را احتمالا می توان به وسیله سفیدگری / شستشو در آب وجود حل کرد.

فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد

۳- برنامه تجربی

۴- رویه تجربی

۱-۴٫ انتخاب نمونه

 به منظور حاصل آوردن آنکه نمونه‌های قابل مقایسه هم برای بررسی بوسیله سیستم پراش/انکساری و هم نمونه برداری میکروسکوپی مورد استفاده قرار گیرند، چندین نمونه تحت فرآوری حرارتی به ۲ قسمت بریده شدند. نمونه‌های حرارت دیده، همراه با نمونه‌های خام ، برمبنای مشخصه‌های نشان داده در جدول ۱-۳ مشخص گردیدند. این نمونه با ویژگی ۱۰ درجه سانتیگراد به عنوان کناره معکوس نمونه  B10 به شمار می‌آید، و کاربرد آن بدین علت خواهد بود که فایل‌هایی که شامل داده‌های انکساری/ پراش برای نمونه B10 است تخریب گردیده و بنابر این می‌بایست رویه‌های برآورد را تکرار نمود.

۲-۴٫ بررسی ‌های میکروسکوپی و ریز سختی

 مقاطع عرضی با استفاده از نوعی چسب اپوکسی در جای خود نگه داشته شدند. سطوح مورد آزمایش با استفاده از کاغذ سنباده نازک به صورت مسطح قرار گرفتند. پس از آن آنها با استفاده از رویه تعلیق الماسی ۳ میکرومتری با بکار گیری روغن  در یک سیستم پولیش دهنده ارتعاشی صیقل داده شده و سپس رویه پولیش صیقل دستی با استفاده از سیلیکای کلوئیدی انجام شد .

۳-۴٫ پراش پرتوی ایکس

 پراش پرتو ایکس (XRP) در سطح پوششی انجام شد. پس از آن نمونه مربوطه به دقت به صورت موازی با سطح سنباده شد تا آنکه حدودا ۳-۱۰ میکرومتر از پوشش آن حذف شود و سپس پروسه XRP در هر عمق اعمال گردید. نتایج پس از کاهش سطح زمینه به وسیله روش مقایسه مستقیم مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت تا آنکه کسر حجم نسبی کلیه فازهای بلورین موجود مشخص گردند. این داده‌ها همراه با برآوردهای عمق مرتبط، جهت ایجاد یک پروفیل ترکیب فاز برای هر نمونه به کار گرفته شدند.

۴-۴٫ فرآوری حرارتی و اکسایش

 به منظور بررسی آنکه آیا بور در پوشش مربوطه تشکیل دهنده یک اکسید جامد در طی فرآوری حرارتی می‌باشد، چهار نمونه فرآوری نشده به عنوان نمونه‌های پراش نصب گردیده و با استفاده از سنباده  SiC شماره ۶۰۰ نرم صیقل داده شد. پس از آن آنها برداشت شده و نمونه‌ها تمیز گردیده و عکس‌برداری و در نهایت وزن شدند. برای طراحی این نمونه‌ها و شرایط خاص فرآوری‌های حرارتی آنها، به جدول ۲-۳ رجوع کنید. کلیه فرآوری‌های حرارتی در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد برای دو ساعت انجام شدند.

۵-۴٫ حکاکی و EDS

نمونه فرآوری حرارتی ۱۲ (۸۰۰ درجه سانتیگراد، ۲ ساعت، خنک شده بوسیله هوا) بریده شد. هر دو نیمه پس از آن در سطح مقطع عرضی نصب و تحت پولیش کاری (همانگونه که قبلا تشریح شد) قرار گرفتند.

هر نیمه از نمونه ۱۲ به صورت متفاوتی تحت حکاکی قرار گرفت. نمونه ۱۲ الف با استفاده از نیتال حکاکی شد تا آنکه به صورت آشکارتری ریز ساختار زیر لایه فولادی آن آشکار گردد. این امر بدین منظور انجام شد تا قابلیت بررسی آنکه آیا ریز ساختار سوبسترا نشان دهنده هیچگونه تاثیراتی از طریق فرآوری حرارتی و فعل و انفعالات با توجه بدین پوشش خواهد بود یا خیر. نواحی انتخابی این نمونه سپس با استفاده از میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار گرفتند. این نمونه همچنین به وسیله SEM و طیف EDS در موقعیت‌های متعدد در امتداد سطح مشترک پوشش ـ سوبسترا مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آن جهت ایجاد پروفیل‌های تراکمی برای آهن و نیکل در ناحیه سطح مشترک نمونه به کار گرفته شد.

فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد

۵- نتایج و مباحث

۱-۵٫ میکروسکوپی

۲-۵٫ فوتو میکروسکوپی

برای مشاهده مجموعه کاملی از فوتومیکروگرافهای مرتبط به ضمیمه A1  رجوع شود.

ساختار ستونی پوشش‌های در حال آبکاری در ذیل در شکل ۱-۵ ، همراه با تعداد منافذ در امتداد سطح میانجی زیر لایه – پوششی، نشان داده شده است.

لایه شدگی پوششی که نتیجه فرآوری‌های حرارتی با دمای بالاتر می‌باشد قبلا به عنوان یک پدیده مستند شده مشخص گردیده و این مشخصه مجزا را میتوان به طور آشکار در شکل ۲-۵ مشاهده نمود. علاوه بر این در شکل ۲-۵ توسعه لایه‌های سبکتر بصری در سطح پوشش و سطح میانجی پوشش ـ زیر لایه و برخی از نواحی لک‌دار مشخص می‌باشد. این نواحی لک‌دار / خالدار به ظاهر بزرگتر بوده و به طور شایع نزدیک‌تر به سطح پوشش می‌باشند، که به هنگام حرکت به داخل عمق بسیار کوچکتر شده و تقلیل می‌یابند. ریز سختی، EDS ، تحلیل پراش پرتو ایکس (که در بخش‌های بعدی تشریح می شوند) معرف این موضوع هستند که نواحی سبکتر به طور اولیه متشکل از فازهای FCC مبتنی بر نیکل می‌باشند. ترک‌های عمود بر سطح پوشش، نظیر ترکی که در این ریز تصویر نشان داده شده است نیز قابل مشاهده می‌باشند. منافذ مشابه با موارد مشاهده شده در سطح میانجی زیر لایه ـ پوشش را نیز می‌توان در داخل لایه میان نفوذی سبکتر مشاهده نمود.

۲-۱-۵٫ پویش میکروسکوپ الکترونی و EDS

برای مجموعه کاملی از پویش تصاویر ریز الکترونی و طیف EDS به ضمیمه A2. رجوع شود.

تصویر نزدیکتری از منافذ در سطح مشترک پوشش  ـ زیر لایه در یک نمونه در دست آبکاری در شکل ۵٫۵ ذیل نشان داده شده است. این تصویر همچنین نشان دهنده ساختار در حال انجام پروسه پوششی با جزییات بیشتر می باشد.

۲-۵ . پروفیل‌های ریز سختی

برآوردهای ریز سختی نمونه‌ها نشان ‌دهنده تفاوت‌های مهمی بین نواحی مشخص بصری این نمونه می‌باشد. همانگونه که در شکل ۱۰-۵ نشان داده شده است، هر دو سطح و لایه‌های میان انتشاری این پوشش به طور قابل توجهی نرم‌تر از حجم پوشش می‌باشند، نواحی تیره‌تر به نظر کلا متشکل از Ni₃B است. حجم پوشش، که همانگونه که انتظار می‌رود معرف هدف پوشش می باشد، در مقایسه با زیر لایه فولادی بسیار سخت است.

۳-۵٫ پراش پرتوی X

آنالیز پراش سطوح نمونه معرف حضور کسرهای قابل توجه  γ-Ni علاوه بر  Ni₃B می‌باشد که می‌توان آن را از ترکیب این فرآیند انتظار داشت. کسر γ-Ni  با توجه به افزایش عمق در نمونه معرف افت های سریعی است، که با توجه به حجم پوشش که در ابتدا ترکیب شده است ( یا برای برخی از مثالها، به طور کلی) در زمینه N_i3B مشخص می گردد. تفاوتها در کسر γ-Ni در حجم پوشش را می‌توان به تغییرپذیری ترکیب اولیه پوشش در حال آبکاری نسبت داد.

 ۴-۵٫ فرآوری حرارتی و اکسیداسیون

وزن قبل و بعد فرآوری حرارتی برای هر نمونه ذیلا در جدول ۳-۵ نشان داده شده است. هر دوی نمونه‌های آبدیده معرف یک اتلاف وزن خالص می‌باشند، در حالیکه هر دوی نمونه‌های خنک شده هوایی نشان‌دهنده یک بهره حتصله مرتبط با وزن خالص هستند. این امر سازگار با این فرضیه است که یک لایه  B₂O₃  جامد در طی پدیده آنیلینگ یا ترمیم حرارتی بر روی سطح نمونه تشکیل می‌شود و سپس در طی رویه آبدیدگی انحلال یافته و جدا می‌گردد.

فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد

۶- نتیجه گیری

در طی فرآیند آنیلینگ، بور نزدیک سطح پوشش، جهت تشکیل B₂O₃(s) تحت فرآیند ترکیب با اکسیژن قرار می گیرد. این امر منجر به تشکیل یک لایه نرم  γ-Ni در سطح نمونه خواهد شد.

حجم این پوشش پس از فرآوری حرارتی متشکل از عمدتا Ni₃B، منوط به ترکیب دقیق نمونه در حال آبکاری می باشد. توزیع غیر یکنواخت بور در پوشش در حال آبکاری ممکن است منجر به نواحی دوفازه γ-Ni و Ni₃Fe پس از آنیلینگ شود.

نفوذ آهن – نیکل بین این پوشش و سوبسترا در طی آنیلینگ منجر به رشد یک لایه میان نفوذی Fe₃ Ni و α-Fe  می شود. تخلخل در این عمق در تحقیق قبلی مشاهده شده است و در ارتباط با تخلخل Kirkendall می‌باشد که حداقل به صورت جزئی ناشی از تماس ناکامل بین پوشش و سطح زیر لایه یا سوبسترا قبل از فرآوری حرارتی می‌باشد.

خنک سازی سریع نمونه‌های آنیلینگ شده در دماهای بالاتر (۸۰۰ درجه سانتیگراد و بالاتر) عامل مهمی در ترک‌ خوردگی و شکست متعاقب پوشش به شمار می‌آید که در این تحقیق مشاهده شده است و علاوه بر این، چنین پدیده ای سبب شکست در عملیات پوشش دهی، گزارش شده در تحقیق قبلی، نیز می‌باشد.

فرآوری حرارتی نیکل بور فولاد

۷- پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده

زبری سطوح نمونه در حال آبکاری یا پوشش دهی (و زبری حاصله پس از فرآوری حرارتی) به هنگام مقایسه داده‌های پراش با ریز نگارها، بواسطه ابهام در تعیین محل دقیق نمونه، معرف وجود یک مشکل می باشد. به همین دلیل، این امر توصیه می‌شود که مطالعات آتی قبل از اعمال فرآوری حرارتی، پوشش مد نظر را تحت فرآیند آسیاب نرم قرار دهند تا آنکه زبری نمونه‌های فرآوری شده کاهش یابد. به علاوه،‌ لازم است تا دقت کافی، جهت حذف هرگونه حالت برآمدگی یا دندانه ‌شدگی و دیگر تغییر شکلهای موضعی که بواسطه برش نمونه‌ها بوجود می‌آیند، را بکار برد، چرا که این مورد می‌تواند بر روی رویه سنجش و برآورد اطلاعات دخالت داشته و از قرارگیری و تثبیت نمونه به صورت صاف ممانعت نماید.

در صورت امکان،‌ کاربرد روش برش و صیقل دادن سطح مقطع نمونه‌های خنک شده بوسیله هوا بدون استفاده از آب قابل توجه است، بگونه ای که بتوان لایه B₂O₃ را  بوسیله میکروسکوپ مورد بررسی قرار داد.

…