نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

بررسی و مقایسه تغییرات ایجاد شده در سطح فولاد ST37 به سبب برهم‏کنش با یون‏های نیتروژن با استفاده از دو چشمه متفاوت تولید پلاسما

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه امام علی، تهران
2 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، سازمان انرژی اتمی، تهران، ایران
3 دانشکده و پژوهشکده علوم پایه، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران
4 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‏ ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، سازمان انرژی اتمی، تهران
5 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته ‏ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‏ ای، سازمان انرژی اتمی، تهران
چکیده
در این پژوهش تغییرات ایجادشده در سطح آلیاژ St37 که تحت تابش دو رژیم متفاوت پلاسما واقع شده ‏است، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. در ابتدا با استفاده از دستگاه پلاسمای کانونی برهم‏کنش یون‏‎های پرانرژی نیتروژن که به‏ صورت پالسی در مقیاس زمانی نانوثانیه با نمونه‏ های فولاد St37 برخورد می‏کنند، مورد مطالعه قرار گرفت و در ادامه به بررسی تأثیر بر‏هم‏کنش پلاسمای تخلیه درخشان با نمونه ‏های مورد نظر پرداخته شد. با استفاده از روش‏های SEM، EDS و XRD تغییرات ایجادشده بر سطح نمونه مورد مطالعه قرار گرفت. تصاویر ثبت‏ شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که حباب‏های متراکم و بسیارریزی (در حدود 100 نانومتر) توسط چشمه پلاسمای پالسی در سطح نمونه به‏ وجود آمده است. این در حالی است که پلاسمای تخلیه درخشان سبب ایجاد تاول‏هایی با اندازه بین 0.5 تا 2 میکرومتر در سطح نمونه شد. نتایج آنالیز XRD نشان‏ دهنده واکنش شیمیایی یون‏های نیتروژن با آهن در رژیم پلاسمای تخلیه درخشان است. همچنین نتایج آزمون سختی‏ سنجی ویکرز نیز نشان داد که سختی نمونه‏ ها به ‏طور قابل‏ ملاحظه‏ ای افزایش یافته است.
کلیدواژه‌ها

[1]        C. Nouveau, P. Steyer, K. R. Mohan Rao, and D. Lagadrillere, "Plasma nitriding of 90CrMoV8 tool steel for the enhancement of hardness and corrosion resistance," Surface and Coatings Technology, vol. 205, no. 19, pp. 4514-4520, 2011/06/25/ 2011.
[2]        M. Naeem et al., "Wear and corrosion studies of duplex surface-treated AISI-304 steel by a combination of cathodic cage plasma nitriding and PVD-TiN coating," Ceramics International, vol. 48, no. 15, pp. 21473-21482, 2022/08/01/ 2022.
[3]        S. Yuan et al., "Recent developments in research of double glow plasma surface alloying technology: a brief review," Journal of Materials Research and Technology, vol. 9, no. 3, pp. 6859-6882, 2020/05/01/ 2020.
[4]        S. Mokhtara, M. Zidani, M. M. Alim, S. Mechachti, S. Messaoudi, and L. Mebarki, "Effect of nitriding nitrogen pressure on the structural, morphological, mechanical and tribological properties of plasma nitrided hard chromium electroplated layer," Transactions of the IMF, pp. 1-10, 2023.
[5]        M. Kopec et al., "Effect of plasma nitriding process on the fatigue and high temperature corrosion resistance of Inconel 740H nickel alloy," Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 22, no. 1, p. 57, 2022.
[6]        J. Humphreys, R. Lan, and S. Tao, "Development and recent progress on ammonia synthesis catalysts for Haber–Bosch process," Advanced Energy and Sustainability Research, vol. 2, no. 1, p. 2000043, 2021.
[7]        Y. D. Kogan, "A brief historical review," Metal Science and Heat Treatment, vol. 16, no. 3, pp. 197-199, 1974.
[8]        J. Michalski and E. Wołowiec-Korecka, "A study of parameters of nitriding processes. Part 1," Metal Science and Heat Treatment, vol. 61, pp. 183-190, 2019.
[9]        M. Berg et al., "On plasma nitriding of steels," Surface and Coatings Technology, vol. 124, no. 1, pp. 25-31, 2000/02/01/ 2000.
[10]      L. C. Gontijo, R. Machado, E. J. Miola, L. C. Casteletti, and P. A. P. Nascente, "Characterization of plasma-nitrided iron by XRD, SEM and XPS," Surface and Coatings Technology, vol. 183, no. 1, pp. 10-17, 2004/05/01/ 2004.
[11]      S. A. Al-Shelkamy et al., "Improving the properties of commercial steel alloys in the industrial/nuclear field by RF plasma carbonitriding," Applied Radiation and Isotopes, vol. 193, p. 110619, 2023.
[12]      L. Feng, J. Hu, S. Yan, Z. He, J. Shi, and J. Li, "Effect of high-speed steel surface nitriding treatment on adhesion and wear resistance properties of nitrogen-doped diamond-like carbon coatings," Diamond and Related Materials, p. 110006, 2023.
[13]      K. R. M. Rao, C. Nouveau, and K. Trinadh, "Low-temperature plasma nitriding of martensitic stainless steel," Transactions of the Indian Institute of Metals, vol. 73, pp. 1695-1699, 2020.
[14]      L. Hu, H. Peng, I. Baker, L. Li, W. Zhang, and T. Ngai, "Characterization of high-strength high‑nitrogen austenitic stainless steel synthesized from nitrided powders by spark plasma sintering," Materials Characterization, vol. 152, pp. 76-84, 2019.
[15]      A. R. Mashreghi, S. M. Y. Soleimani, and S. Saberifar, "The investigation of wear and corrosion behavior of plasma nitrided DIN 1.2210 cold work tool steel," Materials & Design (1980-2015), vol. 46, pp. 532-538, 2013/04/01/ 2013.
[16]      S. Ahangarani, F. Mahboubi, and A. R. Sabour, "Effects of various nitriding parameters on active screen plasma nitriding behavior of a low-alloy steel," Vacuum, vol. 80, no. 9, pp. 1032-1037, 2006/06/20/ 2006.
[17]      M. Naeem et al., "Improved wear resistance of AISI-1045 steel by hybrid treatment of plasma nitriding and post-oxidation," Tribology International, vol. 175, p. 107869, 2022/11/01/ 2022.
[18]      L. Gil, S. Brühl, L. Jiménez, O. Leon, R. Guevara, and M. H. Staia, "Corrosion performance of the plasma nitrided 316L stainless steel," Surface and Coatings Technology, vol. 201, no. 7, pp. 4424-4429, 2006/12/20/ 2006.
[19]      H. Forati Rad, A. Amadeh, and H. Moradi, "Wear assessment of plasma nitrided AISI H11 steel," Materials & Design, vol. 32, no. 5, pp. 2635-2643, 2011/05/01/ 2011.
[20]      M. Pellizzari, A. Molinari, and G. Straffelini, "Thermal fatigue resistance of gas and plasma nitrided 41CrAlMo7 steel," Materials Science and Engineering: A, vol. 352, no. 1, pp. 186-194, 2003/07/15/ 2003.
[21]      B. Podgornik et al., "Tribological properties of plasma nitrided and hard coated AISI 4140 steel," Wear, vol. 249, no. 3, pp. 254-259, 2001/05/01/ 2001.
[22]      D. Purwanto, "Effects Of Various Temperatures On Impact Strength, Hardness And Metallography In ST 37 Steel For Plates By Heat Treatment And Quenching Processes," International Journal of Mechanical Engineering, vol. 8, 2023.
[23]      A. K. Krella, "Degradation and protection of materials from cavitation erosion: a review," Materials, vol. 16, no. 5, p. 2058, 2023.
[24]      A. Khodayari, H. Elmkhah, M. Alizadeh, and A. Maghsoudipour, "Modified diamond-like carbon (Cr-DLC) coating applied by PACVD-CAPVD hybrid method: Characterization and evaluation of tribological and corrosion behavior," Diamond and Related Materials, vol. 136, p. 109968, 2023/06/01/ 2023.
[25]      M. Rezayat, M. S. Yazdi, M. D. Zandi, and A. Azami, "Tribological and corrosion performance of electrodeposited Ni–Fe/Al2O3 coating," Results in Surfaces and Interfaces, vol. 9, p. 100083, 2022.
[26]      A. K. Krella, D. E. Zakrzewska, and A. Marchewicz, "The resistance of S235JR steel to cavitation erosion," Wear, vol. 452-453, p. 203295, 2020/07/15/ 2020.
[27]      M. M. R. Seyedhabashi, M. A. Asgarian, C. Rasouli, and F. Sedighi, "Radiation Damage of Graphite Surface, Used in First-Wall and Divertor of Tokamaks, Irradiated by Hydrogen and Argon in Plasma Focus Device," IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 50, no. 6, pp. 1814-1822, 2022.
[28]      J. W. Mather, "15. Dense plasma focus," in Methods in Experimental Physics, vol. 9: Elsevier, 1971, pp. 187-249.
[29]      H. Jacobs, D. Rechenbach, and U. Zachwieja, "Structure determination of γ′-Fe4N and ϵ-Fe3N," Journal of Alloys and Compounds, vol. 227, no. 1, pp. 10-17, 1995/08/15/ 1995.
[30]      A. Monshi, M. R. Foroughi, and M. R. Monshi, "Modified Scherrer equation to estimate more accurately nano-crystallite size using XRD," World journal of nano science and engineering, vol. 2, no. 3, pp. 154-160, 2012.