Skip to main content
SUPERVISOR
Fakhreddin Ashrafizadeh,Ahmad KermanPour
سیدفخرالدین اشرفی زاده (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد مشاور)
 
STUDENT
Saied Rahman Hosseini
سیدرحمان حسینی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1383

TITLE

Calculation, Measurement and Evaluation of the Nitrogen Diffusion in Plasma Nitriding Process
Calculation, measurement and evaluation of nitrogen diffusion in plasma nitriding process were carried out. Analytical models for ‘nitrogen concentration distribution’ and ‘compound layer growth’ were derived by applications of calculations on the diffusion laws. The compound region was considered as two separated layers including epsilon (?) and gamma prime (?') nitrides as well as a diffusion zone (?). The analytical models were constructed based on the binary Fe-N phase diagram below 592oC and up to 11wt% nitrogen. Considering relevant initial and boundary conditions, the Fick's second diffusion law was used for three separated ?, ?' and ? zones in a semi-infinite domain. Three nitrogen concentration equations in ?, ?' and ? phases were obtained versus nitriding temperature, time and diffusion distance. Using the Fick's first diffusion law and mass conservation rule, two equations were developed for predicting thickness of the ? and ?' layers versus nitriding temperature and time. Plasma nitriding was carried out on pure iron substrate at 550oC in an H2-N2 atmosphere for various nitriding periods. Optical microscopy and SEM for structural evaluation, microhardness for hardness profiling, profilometer for roughness measurements, XRD for phase analysis, EDS for semi-quantitative elemental analysis, GDOES for quantitative elemental depth profiling and SIMS for detection of nitrogen within the diffusion zone were employed to characterize nitrided samples. The calculated results were compared with the experimental data and a good agreement was achieved. The results showed that slope of the equations which represents growth rate of the compound layer, is different for ? and ?' nitrides at each nitriding temperature. In plasma nitriding process, opposite to gaseous nitriding, thickness of ? is much lower than that of ?' nitride. Using correction factors, the equations were modified for application in various nitriding conditions. It was found that the growth rate of both layers is high and increased at the primary stages of nitriding process, but gradually decreased and reached to the steady state condition. Increasing nitriding temperature leads to increasing the maximum nitrogen concentration at the ?'/? interface, Analytical calculation; Plasma nitriding; Nitrogen diffusion; Nitrogen depth profile; Compound layer thickne Diffusion zone; GDOES; SIMS.
هدف از این پژوهش، محاسبه، اندازه گیری و تحلیل نفوذ نیتروژن در فرایند نیتروژن دهی پلاسمایی است. به این منظور ابتدا با استفاده از قوانین نفوذ و انجام محاسبات لازم، معادله ها و مدل های تحلیلی مناسب برای توزیع غلظت نیتروژن و رشد لای ههای ترکیبی استخراج شد. در سطح آهن و یک ناحیه نفوذی، و از طرفی، معتبر بودن (?´) و گاماپرایم (?) امکان تشکیل دو لایه ترکیبی شامل نیتریدهای اپسیلن شرایط تعادلی بر اساس نمودار دوتایی آهن- نیتروژن (از حدود 11 درصد وزنی نیتروژن در سطح تا 100 درصد آهن در عمق زیرلایه) در 592 به عنوان شرایط مهم حاکم بر مسأله در نظر گرفته شد. توزیع غلظت نیتروژن در فرایند نیتروژن دهی آهن oC محدوده دمای کم تر از خالص با حل نمودن معادله های حاکم بر شرایط مسأله و تحلیل آن ها محاسبه شد. از حل قانون دوم فیک در هر یک از فازهای نیترید استفاده شد و با در نظر گرفتن شرایط مرزی در یک سامانه نیمه بی نهایت، معادله های (?) اپسیلن، نیترید گاماپرایم و ناحیه نفوذی آلفا توزیع غلظت نیتروژن بر حسب دما، زمان و مسافت نفوذ (از خارج یترین لایه سطحی تا عمق زیرلایه) به دست آمد. با بکارگیری قانون اول فیک و قانون بقای جرم، ضخامت لایه های ترکیبی اپسیلن و گاماپرایم به صورت توابعی بر حسب ضرایب نفوذ، دما و زمان نیتروژن دهی 550 و در بازه زمانی 1 تا 10 ساعت با ترکیب گاز oC محاسبه شد. در بخش تجربی، آزمایش های نیتروژن دهی پلاسمایی در دمای 25 درصد حجمی نیتروژن و 75 درصد حجمی هیدروژن روی زیرلایه آهن آرمکو انجام شد. آزمون های مشخصه یابی شامل بررسی ریزسختی سنجی، زبری سنجی، آنالیز فازی با دستگاه پراش سنج پرتو ،(SEM) ساختاری با میکروسکپ های نوری و الکترونی روبشی و همچنین اندازه گیری نیم رخ غلظت عناصر از سطح به سمت (EDS) آنالیز عنصری با روش طیف سنجی توزیع انرژی ،(XRD) ایکس انجام گرفت. نتایج (SIMS) و طیف سنجی جرمی یون ثانویه (GDOES) زیرلایه با استفاده از طیف سنجی نشر نوری با منبع پلاسمایی حاصل از محاسبه ها با یافت ههای تجربی (این پژوهش و برخی از کارهای دیگران) مقایسه شد و با ارایه تحلی لهای جامع، صحت مدل های پیشنهادی به اثبات رسید. نتایج بدست آمده از محاسبه ضخامت لایه های ترکیبی نشان می دهد که شیب معادله های سهمی شکل و به عبارت دیگر نرخ رشد لایه های ترکیبی در هر دمای ثابت برای نیتریدهای اپسیلن و گاماپرایم متفاوت است. با وجود آن که بر اساس معادله های اولیه (بدون ضریب تصحیح)، سرعت رشد لایه اپسیلن از گاماپرایم بیش تر است ولی در نیتروژن دهی پلاسمایی (برعکس نیتروژن دهی گازی) به دلیل اثرات پلاسما بر سطح، همواره ضخامت لایه اپسیلن از گاماپرایم کم تر است. بنابراین، با بکارگیری ضرایب تصحیح . واژه های کلیدی: محاسبه تحلیلی، نیتروژن دهی پلاسمایی، نفوذ نیتروژن، آهن خالص، نیم رخ توزیع غلظت نیتروژن، ضخامت لایه های ترکیبی، .(SIMS) طیف سنجی جرمی یو نثانویه ،(GDOES) ناحیه نفوذی، طیف سنجی نشر نوری با منبع پلاسمایی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی