الملخص
يهدف هذا البحث إلى دراسة تأثير عملية النتردة باستخدام غاز الأمونيا في مدى درجة حرارة 600-400 °م ومدى زمن نتردة من 50-10 ساعة ومدى معدل تدفق غاز الأمونيا منِ 600-100 لتر/ ساعة على مقاومةَ الكللَ لمادة الحديد الأوستنيتي المقاوم للصدأ نوعِ 304. وهذا النوع من الحديد المقاوم للصدأ له تطبيقات عديدة وهامة في الصناعات الغذائية والتقنية الطبية وبالتالي فإنه دائما مجال بحث للتحسين و التطوير بالطرق المختلفة. الدراسات السابقة حول هذا الموضوعِ تمت باستعمال الطريقة الكلاسيكية للدراسة وذلك بتَغيير عامل واحد كلّ مرة وتثبيت العوامل الباقية. تَتطـلب هذه الطريقة القديمة الكثير من العينات والعملِ التجريبيِ الذي يعد عالي التكلفة علاوة على استهلاك وقت أطول. إضافة إلى أن الطريقة الكلاسيكية لَيست قادرة على اكتشاف التأثير المشترك الذي يحدث عند تغيير أكثر من عامل واحد في نفس الوقت ، كما أنها لا تستطيع أداء عملية مفاضلة للحصول على امثل شروط النتردة التي تعطي أعلى مقاومة للكلل. العوائق السابقة أمكن معالَجتها باستعمال علم ومنهجية تصميمِ التجارب بالطرق الإحصائية. وفقاً لذلك، فقد تم تصميم تجربة لدراسة تأثير عملية النتردة على مقاومة الكلل بالطرق الإحصائية. وتم القيام بالتجارب المطلوبة وفق التصميم المعد ومن خلال تحليل النتائج تم تحديد أفضل شروط للنتردة والتي تعطي أعلى مقاومة للكلل. هذه الشروط هي درجة حرارة 540 °م و 40 ساعةِ نتردة ومعدل تدفقِ غاز الأمونيا 400 لتر/ ساعة والتي أعطت مقاومة كلل قصوى مقدارها 318 ميجابسكال. هذه القيمة تمثل زيادة قدرها %27 مقارنة بالقيمة قبل النتردة وهي 250 ميجابسكال. وبناءً على ذلك فإن استخدام طريقة تصميم التجارب أثبتت فعاليتها في هذا المجال وباستخدامها تمت دراسة تأثيرات العوامل المختلفة لعملية النتردة على مقاومة الكلل بشكل مسهب وفعَّال وتم أيضا تحديد عوامل النتردة التي تعطي أقصى مقاومة للكلل لهذا المعدن الهام نسبياً.
ABSTRACT
The aim of the present work is to investigate the fatigue performance of an austenitic stainless steel material type AISI 304 after subjecting it to a conventional gas nitriding process throughout temperature range of 400 - 600 oC, nitriding time of 10 - 50 hrs and ammonia (NH3) flow rate of 100 - 600 litre/hr. Previous work on this subject was performed using the classical method of changing one factor at a time. This old method requires many specimens and extensive experimental work which is both costly and time consuming. Furthermore, the classical method is not capable of detecting the interaction effects between the factors and also can not perform experimental optimization. Previous drawbacks are tackled by using the response surface methodology (RSM) in the design of experiments using statistical methods. Accordingly, RSM design of experiment is created; samples were prepared and gas nitrided according to the design of experiment set up. Fatigue tests were performed on an Avery-Denison fatigue testing machine at a stress ratio R = -1. After analyzing the results, it is found that the fatigue strength of the tested specimens has improved to 318 MPa which represents an extent of 27% by gas nitriding as compared with un-nitrided specimens (250 MPa). Optimum settings for the gas nitriding time, flow rate and temperature factors to obtain the maximum fatigue strength were 540 oC, 40 hrs, and 400 liter/hr ammonia gas respectively. The nitrided layer depth was examined by light microscope after grinding and polishing then etching using 2% Nital agent (2 ml nitric acid + 98 ml ethanol). Furthermore, it has been shown that RSM can be applied for studying the behaviour of processes depending on several variables and for performing process optimization. This has been performed in an efficient way and without being necessary to carry out a large number of experiments.
