بررسي اثر عمليات نيتروژن‌دهي گازي بر ريخت و رفتار سايشي پوشش TiO2 ايجادشده به روش اكسايش الكتروليتي پلاسمايي

Effect of Gas Nitriding on Morphology and Wear Resistance of TiO2 Coatings Formed by Electrolytic Plasma Oxidation

در اين پژوهش دو عمليات پوشش ­دهي اكسايش الكتروليتي پلاسمايي و نيتروژن­ دهي گازي مورد بررسي قرار گرفته است. در مرحله اول از اكسيد تيتانيوم با فرايند پوشش ­دهي اكسايش الكتروليتي پلاسمايي به ­عنوان يك پوشش مياني بر سطح تيتانيوم استفاده شد؛ در اين مرحله تيتانيوم خالص تجاري با چگالي جريان mA/cm2 1000 به مدت 10 دقيقه در محلول كربناتي پوشش داده شد. در مرحله دوم، ايجاد پوشش دولايه با عمليات تكميلي نيتروژن­ دهي گازي صورت پذيرفت؛ در اين مرحله فلز تيتانيوم به همراه پوشش اكسيد تيتانيوم درون كوره لوله­اي با دماي 1000 به­مدت 6 ساعت نيتروره شدند تا خواص تريبولوژيكي پوشش ­ها با هم مقايسه شوند. از تفرق اشعه ايكس براي فازيابي، از ميكروسكوپ الكتروني روبشي براي ارزيابي ريزساختار سطحي و مقطع و از آزمون سايش پين روي ديسك براي ارزيابي مقاومت به سايش پوشش­ ها استفاده شد. نتايج حاصل از آزمون­ هاي به ­عمل آمده نشان داد كه در مرحله اول فرآيند پوشش ­دهي، فاز روتيل تشكيل شده است. بررسي ريزساختار و بافت سطحي نشان داد كه پوشش­ ها داراي ريزحفراتي مشهور به ساختار پنكيكي هستند؛ خروجي­ هاي آزمون سايش نشان داد كه عمليات اكسايش پلاسماي الكتروليتي يك رفتار سايشي ايده ­آل با ضريب اصطكاك پايين در حدود 0/2 را بوجود آورده است. در مرحله دوم فرآيند پوشش­دهي فازهاي تشكيل شده به ­صورت نيتريدي و بعضاً اكسيد تيتانيوم نيتروره ­شده مي­باشند. ريخت سطحي پوشش اكسيد تيتانيوم نيتروره شده تلفيقي از ساختار نمونه­ هاي TiO2 و TiN مي ­باشد بطوري كه در كنار حفرات موجود در ساختار نمونه TiO2، ذرات كروي شكل پديد آمده است كه دليل آن نفوذ نيتروژن در پوشش اكسيد تيتانيوم است. بررسي رفتار سايشي نشان داد كه مقاومت به سايش پوشش­هاي نيتريدي افزايش قابل­ توجهي نسبت به پوشش اكسيد تيتانيوم و نمونه بدون پوشش دارد؛ بدين معنا كه ضريب اصطكاك از 0/65 براي نمونه بدون پوشش به 0/25 براي نمونه TiO2-N كاهش يافته است.

In this study, two processes of plasma electrolytic oxidation coating and gas nitriding have been investigated. In the first step, titanium oxide was coated by plasma electrolytic oxidation method in carbonate solution with current density of 1000 mA/cm2 for 10 min to form the first layer on the titanium substrate. In the second step, the second layer was formed by gas nitriding. Nitriding carried out in a tube furnace at 1000℃ for 6 hours on TiO2 coated titanium. The wear test, X-ray diffraction and scanning electron microscopy were performed on different coatings for determination of the properties. The results showed that, the initial coating mostly contains rutile. The morphology and the structure of the coating showed the presence of micro-cavities. Based on wear test results, the electrolytic plasma oxidation process, provides an ideal annealing condition with low friction coefficient of 0.2. For the nitrided coating, some titanium oxides converted into nitrated phases. The tribological study showed that the wear resistance of nitrided titanium oxide increased significantly compared to titanium oxide coatings and uncoated samples which is, the friction coefficient from 0.65 for the uncoated sample decreased to 0.25 for the nitrided titanium oxide sample.