حسن علم خواه

پوشش دهی رسوب فیزیکی بخار و نیتروژن دهی پلاسمایی دو فناوری مهم در مهندسی سطح هستند که با هدف افزایش عمر قطعات صنعتی و بهبود مقاومت به سایش در شرایط کاری سخت به کار میروند. در این پژوهش، تأثیر پیش فرایند نیتروژن دهی پلاسمایی بر رفتار سایشی پوشش های نانولایه ای سخت CrN/TiN روی زیرلایه فولاد سردکار AISI 4140 بررسی شده است. نمونه ها قبل از انجام پژوهش تحت عملیات حرارتی سختکاری قرار گرفتند. عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی در دمای 520 درجه سلسیوس و مدت زمان 8 ساعت با ترکیب گازهای (N2+H2) در 4 مقدار مختلف گاز نیتروژن در محفظه، شامل 10%، 25%، 50% و 75% نیتروژن دهی پلاسمایی شدند. سپس پوشش نانولایه ای CrN/TiN روی تمامی نمونه ها به روش تبخیر قوس کاتدی با ضخامت تقریبی 5/2 میکرون اعمال شد. ساختار بلوری، فازهای تشکیل شده، اندازه بلورک، چسبندگی و رفتار سایشی نمونهها توسط پراش پرتوی ایکس، میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM)، سختیسنجی میکرو با بار 25 گرم، آزمون چسبندگی VDI 3198 و پروفیلومتری دو بعدی مورد ارزیابی قرار گرفتند. همچنین آزمون سایش پین روی دیسک با نیروی 5 نیوتن و مسافت 500 متر با گوی SiC انجام شد. نتایج نشان داد که پیشفرایند نیتروژندهی پلاسمایی منجر به ایجاد شیب سختی از سطح به عمق شده که باعث بهبود چسبندگی پوشش به زیرلایه شدهاست و نمونه با پوشش PVD از چسبندگی ضعیف (HF3) به چسبندگی مناسب (HF1) برای نمونه پیش‌عملیات شده با نیتروژن‌دهی پلاسمایی در 25% گاز نیتروژن رسید. نیتروژندهی پلاسمایی و پوشش CrN/TiN باعث افزایش سختی شد، اما میزان این افزایش در مقدارهای مختلف گاز نیتروژن متفاوت بود. سختی نمونهها از 488 ویکرز برای زیرلایه به 1446 ویکرز برای نمونه پوشش دوگانه با 25% گاز نیتروژن، حدود 196% افزایش یافت. این بهبود سختی بهدلیل افزایش گرادیانی سختی در لایه نیتریدی و پوشش PVD است. سختی پوشش PVD با استفاده از رابطه جانسون-هوگ مارک و حذف اثر زیرلایه 1816 ویکرز محاسبه شد. در ادامه نتایج آزمون سایش نشان داد نرخ سایش ویژه از mm3/N.m 10-6×8/1 برای نمونه PVD به mm3/N.m10-7×63/1 برای نمونه دوگانه با 25% نیتروژن 91% کاهش یافت. این کاهش نرخ سایش بهدلیل افزایش سختی، وجود شیب سختی مناسب در زیرلایه و چسبندگی مناسب پوشش به زیرلایه بود. همچنین مکانیزم سایش در این نمونهها ترکیبی از سایش خراشان و اکسیدی بود. در نمونه PVD، کندگی ذرات سخت سایشی مشاهده شد و مکانیزم غالب سایش خراشان بود، اما در نمونههای دوگانه سایش عمدتاً اکسیدی بوده و کندگی ذرات کاهش یافت. همچنین نتایج پروفیلومتری نشان داد، مسیر سایش از عرض 780 و عمق 5 میکرون برای نمونه PVD به عرض 385 و عمق 1 میکرون برای نمونه دوگانه با 25% نیتروژن رسید. نمونه بهینه از جنبه سایشی، نمونه دوگانه‌ای است که در 25% گاز نیتروژن تحت پیش‌عملیات قرار گرفته است. این نمونه کمترین نفوذ پین به زیرلایه را حین آزمون سایش تجربه کرد که نشان دهنده مقاومت به سایش مناسب آن است.