پیش‌نویس:پوشش دهی به روش TRD

فولاد در صنعت با توجه به صرفه اقتصادی و ویژگی های مادی کاربرد زیادی دارد اما مقاومت آن در برابر سایش و خوردگی کم است به این منظور با پوشش دهی میتوان مقاومت سطح آن را تا حد زیادی افزایش داد.

پوشش‌دهی به روش نفوذ حرارتی

فرایند TRD (Thermal Reactive Diffusion) یک نوع فرایند پوشش دهی ترموشیمیایی است. طی این فرایند یک لایه متراکم و فشرده از جنس کاربید، نیترید یا کربونیترید فلزات واسطه (غالبا وانادیوم و کروم) بر روی سطح فولاد ایجاد می‌شود. پوشش‌های کاربید وانادیوم دارای سختی بیشتر و ضخامت نسبتا کمتری نسبت به پوشش‌های کاربید کروم هستند. آزمایش‌های متعدد نشانگر رابطه مستقیم زمان واکنش و ضخامت پوشش‌ها است.

شرح فرایند

در این فرایند فولادی که حاوی مقدار کافی از کربن یا نیتروژن است، در محیطی با شرایطی خاص قرار می‌گیرد که حاوی عناصر کاربیدزا یا نیتریدزا است و طی یک واکنش ترموشیمیایی در دمای بالا، سطح آن با یک لایه با سختی بسیار بالا (تا 3000 ویکرز) و ضخامت کم (در مقیاس 10 تا 30 میکرون) پوشش داده می‌شود. این فرایند به این صورت اتفاق می‌افتد که پس از نفوذ عنصر فلزی کاربیدساز یا نیتریدساز به زیرلایه، کربن یا نیتروژن از مغز فولاد به سمت سطح آن حرکت کرده و با واکنشی که با عنصر فلزی در سطح قطعه می‌دهد کریستال‌های کاربید یا نیترید فلزی شروع به جوانه زنی می‌کنند و بدین ترتیب کربن یا نیتروژن در عنصر فلزی نفوذ می‌کند. نیروی محرکه برای انجام این نفوذ حرارتی میل شیمیایی بالای عناصر کاربیدزا یا نیتریدزا برای واکنش با کربن یا نیتروژن است.

فولاد نیتریده شده

انواع روش‌ها

معمول است که تامین دمای مورد نیاز برای انجام این واکنش (۸۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) به سه روش زیر انجام گیرد:

راکتور بستر سیال

• حمام نمک مذاب

1. فلزات خالص
2. آلیاژ‌های آهنی
3. اکسیدها

• بستر سیال
• پودر فشرده

پوشش کروم کارباید

کروم کارباید

پوشش‌های کروم کارباید به طور گسترده در مواد مختلف استفاده می‌شود؛ علت، مقتومت بالای آن نسبت به سایش و خوردگی علاوه بر سختی بالای آن است. در ادامه نتایج آزمایشی را مشاهده می‌کنید که پوششی از کروم کارباید روی قطعه‌‌ای فولادی با روش TRD و با استفاده از حمام اکسید مذاب به وجود آمده.

• نمک استفاده شده در حمام اکسید مذاب NaF هست زیرا که سیالیت را در آن افزایش می‌دهد.
• آزمایش در سه دمای 800 ، 900 و 1000 درجه سلسیوس در بازه زمانی 4، 5 و6 ساعت صورت گرفته است.
• نمونه به محض خروج از حمام مذاب داخل روغن فرو نشانده شده و سپس در آب داغ قرار گرفته است
• در آخرین مرحله آماده‌سازی نمونه، هرگونه ماده اضافه چسپیده به آن پاک شده است.
• فرایند etching با استفاده از محلول نیتال صورت گرفته است.
• بررسی ریزساختار نمونه با میکروسکوپ SEM انجام گرفته است.
• ضخامت پوشش و ترکیبات موجود در آن با استفاده از اشعه ایکس بدست آمده است.

نتایج

1. در دمای 800 درجه سلسیوس پوششی متخلخل و ناهمگن شامل محلول جامد آهن_کربن به عنوان فاز اولیه بدست آمد. این دما مناسب پوشش‌دهی کامل نمونه نیست و نتها هسته‌هایی از کروم کارباید بوجود می‌آید.
2. لایه تشکیل شده از کروم کارباید در دمای 900 و 1000 درجه سلسیوس لایه‌ای یکنواخت، متراکم، بدون ترک و بدون تخلخل است.
3. لایه‌های پوشش بدست آمده در دمای 900 و 1000 درجه سلسیوس به دو بخش تقسیم می‌شود؛ لایه بیرونی کروم کارباید است که در آن سه ترکیب Cr7C3 ، Cr23C6 و Cr2C3 دیده می‌شود و لایه درونی محلول جامد آهن_کربن می‌باشد. رابط بین لایه کروم کارباید و لایه محلول جامد آهن_کربن به طرز قابل توجهی نرم و منعطف و با چسبندگی مناسب می‌باشد.
4. با افزایش زمان فرایند میزان انتشار کروم روی بستر هسته و همچنین نفوذ کربن در کروم و تشکیل کارباید افزایش می‌یابد بنابراین با افزایش دما ضخامت پوشش افزایش می‌یابد.
5. داده های بدست آمده از اشعه ایکس نشانگر این است که کروم کارباید به صورت Cr7C3 می‌تواند در حمام نمک مذاب حل شود و مجدد تشکیل شود؛ در نتیجه با افزایش دما امکان تشکیل فازهای کروم کارباید افزایش می‌یابد.
6. در تمامی نمونه‌های پوشش داده شده طی فرایند TRD مشاهده می‌شود که سختی نسبت به حالت اولیه افزایش داشته است سختی قطعات حاصل در بازه 770 الی 1600 HV می‌باشد. لایه محلول جامد آهن_کربن در نمونه‌های پوشش داده شده از انتقال سختی ناگهانی بین لایه کروم کارباید و هسته جلوگیری می‌کند.
7. مشاهده می‌شود که با افزایش دو پارامتر زمان و دما، میزان سختی پوشش افزایش می‌یابد.
8. مقاومت قطعه پس از پوشش‌دهی در برابر سایش و خوردگی نسبت به حالت اولیه خود افزایش می‌یابد.

فواید و معایب

پوشش تشکیل شده به داخل قطعه نفوذ نمی‌کند و روی سطح رشد می‌کند، بنابراین مانند روش های کربورایزینگ (سمانتاسیون) و نیتریدینگ باعث ایجاد ترک یا فرسایش سطح فولاد نمی‌شود؛ در عوض این پوشش چسبندگی بسیار بالایی دارد همچنین پوشش در سطح یکنواخت می‌باشد و به دلیل جنس سرامیکی، ضریب اصطکاک تا حد زیادی کاهش می‌یابد. از دیگر مزیت‌های این روش می‌توان به امکان پذیر بودن سخت‌کاری حجمی قطعه در طول فرایند پوشش دهی اشاره کرد.

از روش‌های دیگر پوشش‌دهی میتوان به physical vapor deposition (PVD) ، chemical vapor deposition (CVD) و thermal spraying (TS) اشاره کرد؛ مزیت روش TRD نسبت به دو روش CVD و PVD قیمت تمام شده ارزان‌تر در عین کیفیت پوشش متشابه است؛ علاوه بر آن CVD باعث تولید گاز‌های سمی می‌شود و TRD دارای سازگاری بیشتری با طبیعت می‌باشد. در برابر روش TS، با استناد بر آزمایشات متعدد سختی‌سنجی میتوان گفت که TS دارای تخلخل می‌باشد و TRD از سختی پوشش بیشتری بهره می‌برد.

از معایب آن می‌توان به این اشاره کرد که فقط برای فولادهایی که حاوی کربن با نیتروژن هستند کاربرد دارد به علاوه اینکه دمای بسیار بالای واکنش می‌تواند باعث اعوجاج و در قطعه شود زیرا که به شدت به دمای تغییر فاز آهن آلفا (BCC) به آهن گاما (FCC) (آستنیت) نزدیک می‌باشد.

کاربردها

از کاربرد‌های پوشش TRD میتوان به استفاده در قالب‌های سنبه ماتریس، فورج، دایکست، اکستروژن و ... در جهت افزایش عمر قالب‌ها تا پنج برابر عمر معمول، جلوگیری از خوردگی و سایش و استحکام بیشتر قطعه اشاره کرد.

منابع

رده:مقاله‌های ایجاد شده توسط ایجادگر