ارزیابی اثر اندازه دانه بر نفوذ نیتروژن در فرایند نیتروژن دهی پلاسمایی فولاد زنگ نزن آستنیتی aisi 304l فوق ریزدانه/ نانوساختار

فرایند نیتروژن دهی پلاسمایی فولاد زنگ نزن آستنیتی aisi 304l با اندازه دانه های میکرومتری و فوق ریزدانه انجام و اثر اندازه دانه بر نفوذ نیتروژن و ضخامت لایه نیتریدی بررسی شد. نیتروژن دهی پلاسمایی فرایندی حرارتی- شیمیایی است که برای افزایش سختی سطح قطعات از جمله فولادهای زنگ نزن مورد استفاده قرار می گیرد. محدودیت استفاده از این فرایند برای این دسته از مواد، دمای انجام عملیات است؛ به طوری که در دماهای بالاتر از 480 درجه سانتی گراد با تشکیل رسوبات نیترید کروم (crn) مقاومت به خوردگی قطعات کاهش می یابد. برای ریزدانه کردن از فرایند پیشرفته حرارتی- مکانیکی نورد سرد و آنیل بازگشتی مارتنزیت ناشی از کرنش استفاده شد. در این پژوهش با استفاده از این فرایند پنج نمونه از فولاد زنگ¬نزن آستنیتی aisi 304l با اندازه دانه های نانومتری، فوق ریزدانه و میکرومتری ساخته شد و پس از آن تحت عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی در شرایط یکسان قرارگرفت. برای این کار دمای فرایند 450 درجه سانتی گراد، مدت عملیات 5 ساعت و ترکیب گاز مورد استفاده، نیتروژن و هیدروژن با نسبت حجمی 1 به 3 انتخاب شد. برای محاسبه اندازه دانه، مشاهده ریزساختار و اندازه گیری ضخامت لایه نیتریدی از میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) و میکروسکوپ نوری (om) استفاده شد. مورفولوژی سطح نمونه ها پس از فرایند نیتروژن دهی پلاسمایی و نیز بررسی توزیع رسوبات در ساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (fesem) انجام شد. از روش طیف سنجی با توزیع انرژی (eds) برای به دست آوردن پروفیل غلظتی نیتروژن و توزیع عناصر در لایه نیتریدی استفاده شد. برای محاسبه درصد فازها قبل از عملیات نیتروژن دهی از دستگاه فریتوسکوپ استفاده شد و بررسی فازهای ایجادشده در ساختار، قبل و بعد از فرایند نیتروژن دهی با استفاده از روش پراش سنجی پرتو ایکس (xrd) انجام شد. پروفیل سختی ایجادشده درساختار نیز با استفاده از دستگاه ریزسختی سنج بررسی شد. نتایج به دست آمده نشان داد با کاهش اندازه دانه از حدود 11میکرومتر تا حدود 135 نانومتر ، ضخامت لایه نیتریدی از 8/4 تا 6/10 میکرومتر افزایش می یابد. این نتایج با مقایسه پروفیل غلظتی نیتروژن در نمونه های مختلف تطابق داشت به گونه ای که با کاهش اندازه دانه عمق نفوذ نیتروژن و نیز مقدار نیتروژن نفوذ کرده در ساختار افزایش یافت. محاسبه اختلاف سختی قبل و بعد از فرایند نیتروژن دهی و رسم منحنی های آن برحسب فاصله از سطح نشان داد این منحنی ها مشابه منحنی های غلظتی نیتروژن است و افزایش نفوذ نیتروژن با افزایش سختی متناسب است. با بررسی الگوهای پراش پرتو ایکس مشخص شد ریزدانه شدن علی رغم مزیت های فوق، موجب افزایش تشکیل رسوبات crn در ساختار می شود زیرا با افزایش مقدار مرزدانه و افزایش چگالی عیوب ساختاری، مکان های مناسب بیشتری برای جوانه زنی رسوبات در ساختار فراهم می شود. این مکان ها از سد انرژی کم تری نسبت به شبکه بلوری برای جوانه زنی برخوردار هستند و موجب تسهیل جوانه زنی می شوند. نتایج به دست آمده از fesem نیز نشان داد درصد حجمی این رسوبات در نمونه های با ساختار فوق ریزدانه نسبت به نمونه هایی که اندازه دانه در آن ها میکرومتری است بیشتر است. علاوه بر اندازه دانه، نوع فازها و درصد آن ها نیز بر تشکیل فازهای به دست آمده پس از فرایند نیتروژن دهی فولادهای زنگ نزن آستنیتی موثر است. مشاهده شد وجود مارتنزیت باقی مانده در ساختار پس از عملیات آنیل بازگشتی موجب تشکیل رسوبات نیترید آهن (fe4n-?) در نمونه های فوق ریزدانه می شود.