زینترینگ اتمسفری (2)

نقش اتمسفر در زينترينگ

همانگونه كه گفته شد، نقش اتمسفر در طي زينترينگ گسترده است و به طور نمونه وار به عنوان تابعي از سيكل زينرينگ، تغيير مي كند. Nayar (1981) به احتمال زياد، بهترين توصيف در مورد اين وضعيت را ارائه كرده است. او در توصيف خود بر اين نكته تأكيد كرده است كه در يك كوره ي زينترينگ ايده آل، تمام واكنش ها يا مراحل با استفاده از دماي بهينه و پروفايل هاي اتمسفريكي اتفاق مي افتد كه به طور مستقل از همديگر عمل مي كنند. اولين مرحله از سيكل زينترينگ شامل كاهش روانسازي است. اين كاهش روانسازي با سوختن مواد آلي روان ساز و خارج شده آن از كوره، همراه است. مرحله ي بعدي سيكل زينترينگ، زينترينگ خود به خودي است. در اين مرحله پيوندهاي متالورژيكي (گلويي ها) ميان ذرات همجوار تشكيل و رشد مي كنند. زينترينگ در دماي بالا رخ مي دهد تا بدين صورت، نرخ نفوذ سطحي به نفوذ حجمي افزايش يابد و بدين صورت گلويي ها رشد كرده و متراكم شوندگي ايجاد شود. در نهايت، اتمسفر همچنين يك نقش قابل توجه در طي مرحله ي سرد كردن مربوط به سيكل زينترينگ، دارد. در حقيقت، انتقال حرارت مي تواند بوسيله ي انتخاب اتمسفر، تغيير كند. اين مسئله به طور جزئي براي فولادهاي با قابليت سخت شوندگي صحت دارد. در اين فولاد ها، پروفايل سرمايش به گونه اي تنظيم مي شود كه تبديل آستنيت به فازهاي شبه پايدار مانند مارتنزيت يا بينيت، تسريع گردد. اگر چه كوره هاي زينترينگ مختص سخت كردن مواد با استفاده از زينترينگ، معمولاً مجهز به واحدهاي سركننده هستند و بدين صورت نقطه ي سرمايش داراي نقش قابل توجهي بر روي اين پروفايل هاي سرمايش مي باشد.

نقش اتمسفر كوره در طي كاهش مواد روانساز

مواد روانساز عموماً به مخلوط هاي پودري اضافه مي شوند تا بدين صورت متراكم شوندگي بدنه در قالب تسهيل شود و بدين صورت ميزان اصطكاك بين ذره اي ايجاد شده در حين پرس شوندگي، كاهش يابد. به عبارت ديگر، ايجاد روان سازي ميان ذرات و ديواره ي قالب به توليدكنندگان قطعات اجازه مي دهد تا به طور قابل توجهي مقدار مواد روان ساز مورد استفاده كاهش يابد. با وجود اين، يك كسر قابل توجه از اجزاي توليد شده با استفاده از روان سازي بين قطعه و ديواره ي قالب، نيازمند كسر حجمي اندكي از مواد روان ساز هستند. اين روان سازها با پودر مخلوط مي شوند و بدين صورت، متراكم شوندگي در حين اعمال فشار، ماكزيمم مي شود. در بين متداول ترين مواد رون ساز مورد استفاده براي متالورژي پودر و مواد ذره اي، ما اتيلن بيس (استئارآميد)(EBS) و استئارات هاي فلزي مانند روس استئاريت (ZnSt) و ليتيم استئاريت (LiSt) را پيدا كرديم. جدول 1 برخي از خواص روان سازهاي متداول مورد استفاده در PM را مشاهده مي كنيد.
وقتي بدنه هاي خام از قالب خارج مي شود، روان ساز هيچ نقش ديگري را ايفا نمي كند و بايد به طور كامل خارج شود. اخيراً بايندرها يا روان سازهاي اختصاصي نيز توسعه يافته اند. از اين مواد هم به خاطر نقش روان سازي آنها در سطح مشترك قالب/ بدنه ي خام و هم به خاطر افزايش استحكام بدنه هاي توليد شده، استفاده مي شود. با استفاده از آنها امكان ماشين كاري بدنه فراهم مي آيد. با وجود اين، به عنوان روان ساز، اين بايندرها يا روان سازها تركيبات آلي هستند كه بايد به طور مؤثر خارج شوند تا بدينوسيله نفوذ اتمي و يا ترشوندگي كمك زينترها افزايش يابد و بدين صورت خواص مكانيكي به طور مناسب افزايش يابد. خارج شدن روان سازها در طي مرحله ي اوليه ي فرايند زينترينگ، رخ مي دهد. اين فرايند شامل تخريب گرمايي روان ساز و از بين رفتن محصولات حاصل از واكنش تخريب گرمايي از تركيبات مي باشد. بنابراين، وقتي دماي اجزاي PM در شروع سيكل زينترينگ، افزايش مي يابد، روان ساز شروع به ذوب و در مواقعي تبخير مي كند. به طور ايده آل، روان سازهاي تبخير شده از بدنه خارج مي شوند و بوسيله ي اتمسفر كوره، از كوره خارج مي شوند. به عبارت ديگر، اگر دما در داخل نقطه ي خارج شدن روان ساز بالاتر از باشد، روان ساز تبخير شده به مولكول هاي هيدروكربني كوچكتر تبديل مي شود و در غياب گاز اكسيد كننده، اين مولكول ها دوده تشكيل مي دهند. اين دوده از پودر سياه يا قهوه اي تشكيل شده است از احتراق ناقص هيدروكربن ها حاصل شده است. فرايند احتراق جزئي همچنين موجب مي شود اين دوده اندكي چسبنده باشد. دوده ممكن است بر روي ديواره هاي سرد كوره ي زينترينگ و يا بر روي سطح يا داخل بدنه هاي در حال زينتر، كندانس شوند. كندانس شدن دوده در دو مورد آخر آزاردهنده تر است و مشكلات جدي تري را به همراه دارد. در حقيقت، حضور دوده در سطح يك قطعه ممكن است منجر به بد رنگ شدن موضعي در قطعه شود. به طور مشابه، دوده ي موجود در سطح كوره موجب مي شود تا هزينه هاي نگهداري و تميزكاري كوره افزايش يابد. يه عبارت ديگر، آلودگي هاي دوده اي در داخل بخش هاي PM بسيار حياتي هستند زيرا از تشكيل گلويي در طي زينترينگ، جلوگيري مي كند و منجر مي شود تا خواص مكانيكي بدنه ي نهايي افت كند.

در مورد زيرلايه هاي فلزي، محصولات حاصل از تبخير همچنين داراي اكسيدهاي فلزي مانند ZnO (براي ZnSt) و (براي LiSt) هستند. ذرات ممكن است بر روي ديواره هاي كوره رسوب كنند و منبع آلودگي شوند. در حقيقت، وقتي ذرات اكسيدي و دوده در سطح ديواره هاي سرد تر كوره ي زينترينگ رسوب كنند، ذرات ريزي از آنها ممكن است به طور مرور بر روي قطعات فرود آيند. علاوه بر اين، اين گفته شده است كه روي ايجاد شده از طريق روي استئارات، ممكن است به عنوان كاتاليست در تشكيل دوده، عمل كند. در اين مورد، تخريب هيدروكربن ها در دماهاي پايين رخ مي دهد و دوده زايي در اين دما بحراني تر است. يك رفتار كاتاليستي مشابه در زماني مشاهده شده است كه نيكل مخلوط به مخلوط پودر فلزي اضافه شود. در برخي موارد ديگر، تشكيل دوده و يا خروج نامناسب نمونه هاي گازي از داخل كوره كه از تخريب گرمايي روان ساز ايجاد مي شود، ممكن است موجب جوش دار شدن (blistering) سطح نمونه شود. جوش دار شدن بوسيله ي برهمكنش محلي در حجمي ايجاد مي شود كه دوده وجود دارد و يا نمونه هاي گازي به دام افتاده اند.
بر اساس توصيف ارائه شده در بالا، اين را مي توان مشاهده كرد كه يك پروفايل گرمايي بهينه وجود دارد كه به ما اجازه مي دهد خروج كامل روان ساز از قطعات PM را مي دهد. در حقيقت، دماي قطعه بايد سريعاً تا افزايش يابد تا بدين صورت تخريب گرمايي روان ساز شروع شود. دماي قطعه بايد سپس در يك نرخ پايين افزايش يابد تا اطمينان حاصل شود خروج روان ساز قبل از رسيدن به دماي 550℃ حاصل شود و بدين وسيله از تشكيل دوده جلوگيري شود. چند فاكتور ديگر بر روي خروج روانساز اثر مي گذارد. از جمله اين فاكتورها، بايد به فاكتورهايي همچون جريان روبه جلو در اتمسفر كوره، نحوه ي بارگيري، بهره وري كوره، اندازه و شكل نمونه، دانسيته ي خام، كيفيت روان ساز و ... اشاره كرد. جدول 2 اين فاكتورها و اثر نسبي آنها بر روي كارايي خروج روان ساز را نشان داده است.
خوشبختانه، اين استراتژي ها مي تواند براي تسهيل خروج روان ساز وهمچنين مينيمم كردن اثرات نامطلوب آنها مورد استفاده قرار گيرد. اين استراتژي ها تماماً به استفاده از نمونه هاي گازي اكسيد كننده، تكيه دارد. اين نمونه هاي گازي با مولكول هاي روان ساز واكنش مي دهد و با كاهش غلظت آنها مي تواند از شكسته شدن آنها و تشكيل دوده، جلوگيري كرد. در بين گازهاي اكسيد كننده، مي توان بخار آب، دي اكسيد كربن و اكسيژن را مثال زد. همانگونه كه مي دانيد، وقتي يك نمونه ي گازي به فرايند خروج روان ساز وارد شود، تمام محصولات واكنش به صورت گازي هستند نه دوده.
يكي از روش هاي ساده براي استفاده از گازهاي اكسيد كننده در اتمسفر كوره (كه به طور نمونه وار با استفاده از تركيبي از نيتروژن و گاز هيدروژن انجام مي شود)، ايجاد حباب هاي گاز نيتروژن در داخل يك مخزن پر از آب مي باشد. وقتي حباب هاي نيتروژن به خروجي مخزن آب مي رسد، اين گاز بخار آب جذب مي كند و به عنوان نمونه ي گازي اكسيد كننده، عمل مي كند. اين روش اغلب به عنوان اتمسفر تر ناميده مي شود. يك روش ديگر سوزاندن گاز طبيعي با هوا و ايجاد اتمسفر گرمازايي است كه داراي 1 تا 5 % حجمي آب و دي اكسيد كربن است. اين مسئله بسيار مهم است كه بدانيد، حضور نمونه هاي اكسيد كننده تنها براي مرحله ي خروج روان ساز در فرايند زينترينگ مهم مي باشد. در حقيقت، اگر اين نوع از اتمسفر در طي فرايند زينترينگ مورد استفاده قرار گيرد، منجر به اكسيداسيون شديد گونه هاي فلزي موجود در نمونه ي خام مي شود. اين لايه ي اكسيدي كه در سطح نمونه تشكيل مي شود، مي تواند به عنوان مانعي برابر نفوذ عمل كند و از تشكيل گلويي ميان ذرات مجاور، جلوگيري مي كند بنابراين، منجر به پديد آمدن خواص مكانيكي ضعيفي مي شود. بنابراين، حضور اتمسفر داراي خواص اكسيدكنندگي جزئي به منظور خروج روان ساز در بخش پيش گرم كوره انجام مي شود. شكل 1 يك بيان شماتيك از كوره ي زينترينگ را نشان مي دهد.
بعد از مطالعه ي پاراگراف قبلي، اين سوال ممكن است پديد آيد كه چرا استفاده از اتمسفر اكسيد كننده، مفيد است؟ آيا ريسك اكسيد شدن ذرات فلزي موجود در سطح به اكسيد شدن روان ساز، مي ارزد؟ جواب مثبت است. اما اين مسئله به ندرت در كل فرايند زينترينگ زيان آور است زيرا اين فرايند در دماهاي پايين (كمتر از 550) رخ مي دهد. در يك چنين دماهايي، كينتيك اكسيداسيون بيشتر نمونه هاي فلزي آهسته است و محصولات اكسيداسيون تشكيل نمي شوند. اين وضعيت دقيقاً نشاندهنده ي ضروت كنترل مناسب دما و پروفايل اتمسفري در كوره ي زينترينگ مي باشد. با انجام اين كار، اين اطمينان حاصل مي شود كه گازهاي اكسيد كننده تا حد ممكنه وارد بخش دما بالاي كوره نشود.

نقش اتمسفر كوره در بخش دما بالاي زينترينگ

اول از همه، اين مهم است كه توجه كنيد بيان دما بالا به بالاترين دمايي مربوط مي شود كه توده ي سراميكي در طي سيكل زينترينگ، با آن روبرو مي شود. نقش اتمسفر كوره در طي اين بخش از زينترينگ، عمدتاً از برهمكنش هاي ناخواسته ميان ماده ي در حال زينتر شدن و محيط اطراف آن، جلوگيري مي كند در حالي كه يك شرايط سطحي بهينه براي تشكيل گلويي ميان ذرات در حال تماس، ايجاد مي شود. اين جنبه ها در بخش هاي قبلي مورد بررسي قرار گرفته است. اين بخش نيز به ما كمك مي كند تا نقش اتمسفر زينترينگ را بهتر بفهميم. در حقيقت، چندين نويسنده بر روي اثر شيمي اتمسفر بر روي انتقال جرم ايجاد شده در طي زينترينگ كار كرده اند. به عنوان مثال، McIntire (1964) اثر اتمسفرهاي زينترينگ HCl-H_2 بر روي خواص پودر آهن زينتر شده را مورد بررسي قرار داد. اين پژوهشگر نشان داد كه افزودن HCl به اتمسفر زينترينگ داراي هيدروژن، موجب پديد آمدن سطح تميزي مي شود. به طور مشابه، انتقال جرم ميان فاز بخار ظاهراً با حضور مواد كلردار، افزايش مي يابد. مكانيزم هاي آخري در مورد بهبود خواص نمونه هاي زينتر شده در مخلوط گازي ، مشابه مشاهداتي كه در آنها، اتمسفر HCl مي تواند افزايش قابل توجهي در انتقال جرمي داشته باشد كه براي زينترينگ بوجود مي آيد. با وجود اين، مثال هاي آخر بيشتر تئوري است تا عملي زيرا استفاده از HCl در محيط هاي صنعتي مي تواند منجر به پديد آمدن مشكلاتي در زمينه ي تخريب قطعات فولادي كوره و يا مافل هاي فولادي شود.
نقش اتمسفر كوره در طي سرد كردن
بخش سرد سيكل زينترينگ بسيار مهم مي باشد زيرا علاوه بر اثر آن بر روي طراحي كوره و ميزان بهره وري، اين بخش مي تواند به طور قابل توجهي بر روي ريزساختار اجزاي PM اثر بگذارد. مثال كليدي در اين زمينه در توليد اجزاي فولادي سخت شونده در طي زينترينگ مي باشد. سخت شوندگي در طي زينترينگ، يكي از نواحي در حال رشد در زمينه ي PM مي باشد. يكي از مزيت هاي اصلي اين روش اين است كه سخت شدن مي تواند در طي مرحله ي سرد شدن زينترينگ و بدون نياز به اعمال عمليات هاي ثانويه، انجام شود. از لحاظ تاريخي، در زمان هاي قديم، پودرهاي با قابليت سخت شدن در حين زينترينگ، بر اساس نرخ هاي سرمايشي نمونه وار در صنعت فرموله مي شوند. بنابراين، غلظت هاي عناصر آلياژي مورد نياز براي توسعه ي ريزساختارهاي مورد نظر، نسبتاً بالاست. اگر چه اين خواص تا حدي بهبود يافته است، محدوديت هاي استفاده از غلظت هاي بالا از عناصر آلياژي، قابليت تراكم پذيري كمتر و هزينه هاي بالاتر پودر مورد استفاده مي باشد. قابليت تراكم پذيري پايين تر در نهايت منجر به محدود شدن تراكم نهايي مي شود. خوشبختانه، توليد كنندگان كوره ها، سيستم هاي سرمايش سريعي را توسعه داده اند كه به طور قابل توجهي نرخ سرمايش را افزايش مي دهد. در حقيقت، اين مسئله منجر به ايجاد پودرهاي ريزتر مي شود كه در فرايند سخت كردن امروزي متداول هستند.
مشابه اثر اتمسفر بر روي سخت شدن حاصله از زينترينگ، هيدروژن خالص داراي بالاترين رسانايي گرمايي در بين تمام گازهاي انتخاب شده به عنوان تابعي از دما مي باشد. از شكل 2، اين به نظر مي رسد كه رسانايي گرمايي نيتروژن خالص ( ) و آرگون (Ar) در دماي 1400 K به ترتيب برابر با 0.06 و 0.05 (W/m*K) است در حالي كه اين عدد براي هيدروژن خالص در همان دما برابر با 0.56 (W/m*K) مي باشد. در مورد مخلوط گازي، رسانايي گرمايي مي تواند با استفاده از معادله ي زير تخمين زده شود:

شكل 2 همچنين رسانايي گرمايي تئوري را براي مخلوط گازي N_2-H_2 به عنوان تابعي از افزايش كسر حجمي H_2 نشان مي دهد. شكل 3 اندازه گيري هاي عملي از اثر كسر حجم هيدروژن بر روي اتمسفر سرمايشي بخش هاي استوانه اي در حال زينتر از جنس پودر فولاد را نشان مي دهد (اين پودر به منظور سخت شدن ، زينتر شده است). افزايش كسر هيدروژن از مقدار اوليه موجب افزايش نرخ سرمايش تا مقدار 95 % مي شود. نتايج بعدي بدست آمده اثبات مي كند كه كسر حجمي بالاتر از هيدروژن موجب افزايش نرخ خروج حرارت مي شود. در حقيقت، مطالعات قبلي انجام شده در اين زمينه نشان مي دهد كه نرخ سرمايش مي تواند به طور قابل توجهي بوسيله ي استفاده از هيدروژن در طي مرحله ي سرمايش زينترينگ، افزايش يابد. اندازه گيري هاي انجام شده با استفاده از ترموكوپل هايي كه در داخل نمونه قرار داده شده است، نشان داده است كه نرخ هاي سرمايش محلي درزمان استفاده از هيدروژن تا ميزان 92 % افزايش مي يابد. بنابراين، براي سيستم هاي متالوژيكي مورد مطالعه، افزايش 31 % در ميزان مارتنزيت منجر به افزايش 17 % در سختي ظاهري مي شود.
شكل 4 سختي بدست آمده بوسيله ي افزايش ميزان هيدروژن در اتمسفر سرمايش (از 5 به 92 % حجمي) را به عنوان تابعي از عناصر آلياژي مورد استفاده در پودر در حال زينتر شده و غلظت مس را نشان مي دهد. اثر هيدروژن تا حدي براي آلياژهاي با عناصر آلياژي رقيق تر، متغير است. اين رفتار به احتمال زياد به دليل قابليت سختي پايين تر اين دو پودر مي باشد. در حقيقت، از آنجايي كه غلظت عناصر آلياژي كم است، زمان مورد نياز براي جلوگيري كردن از استحاله ي آستنيت به فازهاي پايدار مانند پرليت و فريت، كوتاه تر است. بنابراين، براي اين آلياژ، تغييرات اندك در نرخ سرمايش محلي ممكن است استحاله ي آستنيت را تسريع يا كاهش دهد و از اين رو منجر به رفتار غير منظم تر در اين حالت مي شود مخصوصاً در طي عمليات هاي سخت سازي با زينترينگ. به عبارت ديگر، پودرهاي با غلظت عناصر آلياژي بيشتر، رفتار منظم تري را از خود نشان مي دهند. اين مسئله به دليل اين است كه زمان طولاني تري براي جلوگيري كردن از استحاله ي آستنيت به فازهاي پايدار (در طي سرمايش) وجود دارد.
شكل 5 مقادير انحراف استاندارد محاسبه شده از تغيير ابعادي اندازه گيري شده به دليل تغيير در اندازه ي قالب را نشان مي دهد.
به استثناي يك سري از نمونه ها، انحراف هاي كوچكتر در زماني بدست آمده است كه هيدروژن در بالاترين مقدار ممكنه با گاز مخلوط شده است. شكل 5 همچنين نشان مي دهد كه مقادير انحراف استاندارد وقتي درصد عناصر آلياژي در ماده ي اوليه افزايش مي يابد، كاهش مي يابد. اين نتايج نشان مي دهد كه كسرهاي بالاتر از هيدروژن در اتمسفر موجب مي شود تا خروج حرارت يكنواخت تر شود و اين مسئله منجر به تغييرات متغير در ابعاد نمونه هاي مختلف مي شود.
در نهايت، اگر چه استفاده از هيدروژن داراي مزيت هايي است، استفاده از آن داراي محدوديت هايي است كه بايد آدرس دهي شود. اول از همه، هزينه هاي بالاي استفاده از هيدروژن است. همچنين آنالي هزينه اي بايد انجام شود تا بدين صورت تعيين شود مقدار بهينه ي استفاده از هيدروژن چه مقدار است. مشكل دوم اين است كه استفاده از غلظت هاي بالا از هيدروژن در داخل كوره مي تواند منجر به ايجاد انفجار شود. اين مشكل بوسيله ي اين حقيقت تشديد مي شود كه واحدهاي سرمايش كنوكسيوني عمدتاً جريان هاي توربولانت ايجاد مي كنند. بنابراين، اين ممكن است كه هوا از داخل كوره به خارج هدايت شود و انفجار ايجاد شود.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.