Skip to main content
SUPERVISOR
Fakhreddin Ashrafizadeh,Ahmad KermanPour
سيدفخرالدين اشرفي زاده (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد مشاور)
 
STUDENT
Saied Rahman Hosseini
سيدرحمان حسيني

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 اين پژوهش، محاسبه، اندازه گيري و تحليل نفوذ نيتروژن در فرايند نيتروژن دهي پلاسمايي است. به اين منظور ابتدا با استفاده از قوانين نفوذ و انجام محاسبات لازم، معادله ها و مدل هاي تحليلي مناسب براي توزيع غلظت نيتروژن و رشد لاي ههاي ترکيبي استخراج شد. در سطح آهن و يک ناحيه نفوذي، و از طرفي، معتبر بودن (?´) و گاماپرايم (?) امکان تشکيل دو لايه ترکيبي شامل نيتريدهاي اپسيلن شرايط تعادلي بر اساس نمودار دوتايي آهن- نيتروژن (از حدود 11 درصد وزني نيتروژن در سطح تا 100 درصد آهن در عمق زيرلايه) در 592 به عنوان شرايط مهم حاکم بر مسأله در نظر گرفته شد. توزيع غلظت نيتروژن در فرايند نيتروژن دهي آهن oC محدوده دماي کم تر از خالص با حل نمودن معادله هاي حاکم بر شرايط مسأله و تحليل آن ها محاسبه شد. از حل قانون دوم فيک در هر يک از فازهاي نيتريد استفاده شد و با در نظر گرفتن شرايط مرزي در يک سامانه نيمه بي نهايت، معادله هاي (?) اپسيلن، نيتريد گاماپرايم و ناحيه نفوذي آلفا توزيع غلظت نيتروژن بر حسب دما، زمان و مسافت نفوذ (از خارج يترين لايه سطحي تا عمق زيرلايه) به دست آمد. با بکارگيري قانون اول فيک و قانون بقاي جرم، ضخامت لايه هاي ترکيبي اپسيلن و گاماپرايم به صورت توابعي بر حسب ضرايب نفوذ، دما و زمان نيتروژن دهي 550 و در بازه زماني 1 تا 10 ساعت با ترکيب گاز oC محاسبه شد. در بخش تجربي، آزمايش هاي نيتروژن دهي پلاسمايي در دماي 25 درصد حجمي نيتروژن و 75 درصد حجمي هيدروژن روي زيرلايه آهن آرمکو انجام شد. آزمون هاي مشخصه يابي شامل بررسي ريزسختي سنجي، زبري سنجي، آناليز فازي با دستگاه پراش سنج پرتو ،(SEM) ساختاري با ميکروسکپ هاي نوري و الکتروني روبشي و همچنين اندازه گيري نيم رخ غلظت عناصر از سطح به سمت (EDS) آناليز عنصري با روش طيف سنجي توزيع انرژي ،(XRD) ايکس انجام گرفت. نتايج (SIMS) و طيف سنجي جرمي يون ثانويه (GDOES) زيرلايه با استفاده از طيف سنجي نشر نوري با منبع پلاسمايي حاصل از محاسبه ها با يافت ههاي تجربي (اين پژوهش و برخي از کارهاي ديگران) مقايسه شد و با ارايه تحلي لهاي جامع، صحت مدل هاي پيشنهادي به اثبات رسيد. نتايج بدست آمده از محاسبه ضخامت لايه هاي ترکيبي نشان مي دهد که شيب معادله هاي سهمي شکل و به عبارت ديگر نرخ رشد لايه هاي ترکيبي در هر دماي ثابت براي نيتريدهاي اپسيلن و گاماپرايم متفاوت است. با وجود آن که بر اساس معادله هاي اوليه (بدون ضريب تصحيح)، سرعت رشد لايه اپسيلن از گاماپرايم بيش تر است ولي در نيتروژن دهي پلاسمايي (برعکس نيتروژن دهي گازي) به دليل اثرات پلاسما بر سطح، همواره ضخامت لايه اپسيلن از گاماپرايم کم تر است. بنابراين، با بکارگيري ضرايب تصحيح . واژه هاي کليدي: محاسبه تحليلي، نيتروژن دهي پلاسمايي، نفوذ نيتروژن، آهن خالص، نيم رخ توزيع غلظت نيتروژن، ضخامت لايه هاي ترکيبي، .(SIMS) طيف سنجي جرمي يو نثانويه ،(GDOES) ناحيه نفوذي، طيف سنجي نشر نوري با منبع پلاسمايي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی