تاثير متغيرهاي فرايند نيتروژن‌دهي در دو روش نيتروژن‌دهي پلاسمايي متداول و توري فعّال بر خواص سطحي و لايه‌هاي نيتريدي در فولاد گرم‌كار AISI H13

The Effects of Nitriding Parameters in Hot Working Steel AISI H13 on its Surface Properties and Nitride Layers during Conventional and Active Screen Plasma Nitriding Treatments

هدف از انجام اين پژوهش، بررسي تاثير متغيرهاي فرايند نيتروژن‌دهي، يعني فركانس و چرخه‌ي كاري، بر نمونه‌هايي با شيارهاي مختلف در دو روش نيتروژن‌دهي پلاسمايي متداول و با توري فعّال مي‌باشد. نمونه‌هاي اتصال يافته شامل بلوك فلزي از جنس فولاد ساده‌ي كربني با شيار‌هاي مكعب مستطيلي به‌عمق 2، 4، 6، 8 و 10 ميلي‌متر، ارتفاع 40 ميلي‌متر و پهناي 20 ميلي‌متر و يك بلوك فلزي از جنس فولاد گرم‌كار AISI H13 به‌ابعاد 10? 40 ?60 ميلي‌متر تهيّه شدند. نمونه‌هاي اتصال يافته در محيط75%H2-25%N2 ، دماي °C 500، چرخه‌هاي كاري 40، 60 و 80 درصد و فركانس‌هاي 8 و 10 كيلوهرتز به‌مدّت زمان 5 ساعت با دو روش متداول و توري فعّال نيتروژن دهي پلاسمايي شدند. خواص نمونه‌هاي نيتروژن‌دهي شده با اندازه‌گيري ضخامت لايه‌ي تركيبي، عمق نفوذ نيتروژن، تعيين نوع تركيبات فازي و تغييرات ريزسختي بررسي شدند. نتايج آزمايش‌ها نشان دادند كه در روش نيتروژن‌دهي پلاسمايي متداول و با چرخه‌ي كاري 80 درصد و عمق شيار 2 ميلي‌متر، پديده‌ي كاتد توخالي اتفاق مي‌افتد، و اين منجر به گرمايش بيش‌تر نمونه مي‌شود. اين در حالي است كه پديده‌ي كاتد توخالي در روش نيتروژن‌دهي پلاسمايي به‌روش توري فعّال رخ نمي‌دهد. مورفولوژي سطح نمونه‌هاي نيتروژن‌دهي شده به‌روش متداول شامل ذرات گل كَلمي بودند، در حالي‌كه سطح نمونه‌هاي نيتروژن‌دهي شده به‌روش توري فعّال، از ذرات نيتريدي به‌شكل شش وجهي با توزيع يكنواخت پوشيده شده بود.

The main aim of this research was to investigate the effects of plasma nitriding parameters including frequency and duty cycle for a seris of test samples with different grooves during conventional plasma nitriding (CPN) and active screen plasma nitriding (ASPN) treatments. The sample assemblies were consisted of rectangular grooved steel blocks with different groove dimensions of 2, 4, 6, 8 and 10 millimeters (width), 40 millimeters (height), and 20 millimeters (length) and AISI H13 steel plates (as the substrate material) with dimensions of 10? 40? 60 mm3. The sample assemblies were processed in conventional and active screen plasma nitriding chamber at the atmosphere of 75%H2-25%N2 with the temperature of 500 °C, the duty cycles of 40, 60, 80%, and the frequencies of 8, 10 kHz for 5 hours. The properties of processed substrates were investigated through the evaluation of the compound layer thickness, case depth, phase composition as well as the hardness profile. The results showed that the hallow cathode effect occurs during CPN method for a sample with 2 mm width groove and the duty cycle of 80% leading to the overheating of the sample. The surface morphology of the CPN treated samples was consisted of cauliflower shaped surface nitrides while the surface of the ASPNed samples were covered by the hexagonal particles with a uniform distribution.