Borlanmış AISI 316L paslanmaz çeliğin korozyon ve aşınma davranışlarının incelenmesi

Abstract

AISI 316 L östenitik paslanmaz çeliği, yüksek sıcaklıklarda, yüksek korozyon direncinden dolayı endüstrinin çeşitli sektörlerinde (kimya, petro-kimya endüstrisinde, kâğıt endüstrisinde, nükleer mühendislikte, süthane ekipmanlarında) geniş kullanım alanına sahiptir. Ayrıca biouyumluluk ve yüksek korozyon direncinden dolayı implant malzemesi olarak da tıp alanında kullanılmaktadır. Bu üstün özelliklerinin yanında düşük sertlik ve zayıf aşınma performansına sahip olmasından dolayı kullanım alanları kısıtlanmaktadır. Bu yüzden son yıllarda teknolojinin gelişmesi ve malzemelerden daha üstün özeliklerin beklenmesi neticesinde kullanılan malzemelerin yüzey modifikasyonu gündeme gelmiştir. Bu amaçla; borlama işlemi, termokimyasal işlemler içerisinde çok yüksek yüzey sertliği ve düşük sürtünme katsayısı, yüksek korozyon, yüksek aşınma direnci gibi üstün özelliklere sahip olması ve metalik malzemelerin çoğuna uygulanabilirliği sebebiyle ilk akla gelen yöntemdir.Bu çalışmada ticari Ekabor®-2 tozu içerisinde AISI 316 L östenitik paslanmaz çelik numuneler 800, 850 ve 900 °C'de 2, 4 ve 6 saat süreyle kutu borlama yöntemiyle borlanmıştır. Borlanan numunelerin kesiti metalografik yöntemlerle hazırlanarak mikroyapı incelemelerinde kullanılmıştır. Borlama işlemi sonrasında oluşan borür tabakalarının yüzey morfolojileri ve faz analizleri optik, taramalı elektron mikroskobu ve X-ışınları difraksiyon analizi yardımıyla yapılmıştır. Oluşan borür tabakalarının yüzey sertlikleri Knoop sertlik yöntemiyle ölçülmüştür. Borür tabakalarının büyüme kinetikleri Arrhenius denklemini kullanılarak hesaplanmıştır. Rockwell-C indentasyon yöntemiyle oluşan borür tabakalarının adhezyonu tespit edilmiştir. Borlanmış numunelerin korozyon davranışları farklı çözeltilerde (1M HCl, 1M NaOH, simulation body fluid (SBF) ve %0,9 NaCl ) ve farklı daldırma sürelerinde (1 ve 168 saat) Tafel ekstrapolasyonu ve lineer polarizasyon yöntemleriyle incelenmiştir. Ayrıca aşınma davranışları kuru ve sıvı ortamda 5 N yük altında 0,3 m/s kayma hızında ball-on-disk aşınma yöntemiyle gerçekleştirilmiştir.Metalografik çalışmalar AISI 316 L östenitik paslanmaz çelik yüzeyinde oluşan bor tabakasının düz ve pürüzsüz bir morfolojiye sahip olduğunu göstermiştir. XRD analizleri ile çelik yüzeyinde oluşan bor tabakasının FeB, Fe2B, CrB, Cr2B, NiB ve Ni2B fazlarını içerdiği tespit edilmiştir. Artan borlama sıcaklığı ve süresi ile borür tabaka kalınlığının arttığı belirlenmiştir. Aynı şekilde borlama işleminin malzeme yüzey sertliğini de arttırdığı gözlenmiştir. Korozyon deneyleri sonucunda ise borlama işleminin 1M HCl ortamında malzemenin korozyon direncini önemli oranda artırmıştır. Diğer ortamlarda kaplamanın olumlu etkisi gözlenmemekle birlikte, çözelti ortamlarında bekletme sürelerinin artması ile kaplanmış numunelerin korozyon direncinin arttığı gözlenmiştir. AISI 316 L östenitik paslanmaz çeliğin borlama işlemi ile birlikte sürtünme katsayısı düşmüştür. Borlama sıcaklığının artmasıyla aşınma hızı hem kuru hem de sıvı ortamda azalmıştır. Sonuç olarak borlama işlemi ile AISI 316 L östenitik paslanmaz çeliğin yüksek yüzey sertliği ile düşük sürtünme katsayıları elde sağlanarak aşınma ve korozyon davranışları iyileştirilmiştir.

AISI 316 L austenitic stainless steel has a wide usage area in various sectors of the industry (in chemistry, petro-chemical industry, paper industry, nuclear engineering, milking house equipments) because of its high corrosion resistance at high temperatures. Furthermore, because of biocompability and high corrosion resistance, it is also used in the field of medicine as an implant material. Besides these superior properties, the areas of usage are limited because of its low surface hardness and wear performance. Therefore, as a result of technological developments and expectation of more superior properties for the materials, the surface modification of the materials inservice are highlighted. Boronizing process is the first method that comes into mind because of being applicable for most of the metallic materials and having superior features such as high surface hardness and low friction coefficient, high corrosion and high wear resistance among the thermo chemical treatments.In this study, AISI 316 L austenitic stainless steel samples have been boronized by means of pack boronizing for 2, 4 and 6 hours at 800, 850 and 900 °C inside the commercial Ekabor®-2 powder. The sections of the boronized samples have been used in the micro-structure examinations after being prepared using metallographic methods. The surface morphology and phase analysis of the boride layers formed after the boronizing process have been performed with the techniques of optical, scanned electron microscope and X-ray diffraction analysis. The surface hardness of the formed boride layers has been measured by means of micro-knoop hardness methods. Growth kinetics of boride layers has been calculated by using equation of Arrhenius. Adhesion of the boride layers has been determined by means of Rockwell-C indentation method. Corrosion behaviors of the boronized samples have been inspected in different solutions (1M HCl, 1M NaOH, simulation body fluid (SBF) and %0.9 NaCl) for different immersion times (1 and 168 hours) using Tafel extrapolation and linear polarization methods. Furthermore, wear behaviors have been realized using ball-on-disk method under 5 N load and 0.3 m/s sliding speed in dry and liquid (SBF) medium.The metallographic studies have revealed that the boron layer formed on the AISI 316 L austenitic stainless steel has a flat and smooth morphology. Using XRD analysis, it has been determined that the boron layer formed on the steel surface comprised FeB, Fe2B, CrB, Cr2B, NiB and Ni2B phases. It has been determined that the boride layer thickness increased with increasing in both boronizing temperature and time. Similarly, it has been observed that the boronizing process also increased the surface hardness of the materials. As a result of the corrosion experiments, it is found that boronizing process significantly increased the corrosion resistance of the material in 1M HCl medium. While no positive effect of the boride layer was observed in the other mediums, the corrosion resistance of the borided samples has been observed to be increased in solution media with the increase of the waiting periods. The friction coefficient of AISI 316 L austenitic stainless steel has decreased after the boronizing process. With the increase of the boronizing temperature, the corrosion rate decreased both in dry and wet medium. In conclusion, by means of obtaining low friction coefficients with high surface hardness of AISI 316 L austenitic stainless steel using boronizing process, the wear and corrosion behaviors are improved.