Mikrodalga ısıtmanın biyomedikal 316l alaşımının borlama kinetiğine etkisinin incelenmesi ve borür tabakasının karakterizasyonu

Abstract

AISI 316L paslanmaz çelik alaşımı yapısal mühendislik malzemesi ve biyomalzeme olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, AISI 316L paslanmaz çelik alaşımlarının, mikrodalga ısıtma kullanılarak kutu borlama yöntemi ile borlanması incelenmiş ve borlama sonrası yüzeyin karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, AISI 316L paslanmaz çelik alaşımı numuneler, mikrodalga fırında (2,9 kW / 2,45 GHz), Argon koruyucu gaz altında, 800, 850, 900 ve 950 oC' lerde 2, 4 ve 6 saat borlanmıştır. Borlanmış AISI 316L paslanmaz çelik alaşımının, makroyapısal, mikroyapısal, elementel, mekanik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir. Mikrodalga borlama ile 6,21-63,51 µm kalınlıkta borür tabakası elde edilmiştir. Ayrıca, mikrodalga ısıtmanın bor difüzyon kinetiğine etkisi de belirlenmiştir. Mikrodalga ısıtma ile borlanan AISI 316L paslanmaz çelik alaşımında bor aktivasyon enerjisi 244,15 kJ·mol−1 olarak tespit edildi. Mikrodalga etki sonucunda, geleneksel ısıtmaya göre, ön-üstel faktörün 4600 kata kadar arttığı belirlendi. Borlama sonucunda FeB, Fe2B, Cr5B3 ve NiB borürleri ve Fe-Ni-Si difüzyon bariyeri oluşumu tespit edildi. Daimler-Benz Adezyon testleri sonucunda 800, 850 ve 900 °C' de borlanan numuneler yeterli adhezif dayanımı gösterdi. En iyi özgül aşınma dayanımı değerleri 850 °C' de 6 saat borlanan ve 900 °C' de 4 saat borlanan numunelerde görüldü. FeB, Fe2B fazlarının ve difüzyon bölgesinin elastisite modülleri sırası ile 404,45, 367,34 ve 313,11 GPa olarak tespit edildi. Sertlikleri ise sırası ile 18,86, 11,72 ve 5,54 GPa olarak belirlendi. Akma dayanımları ise 6,28, 3,90 ve 1,84 GPa olarak hesaplandı. Kırılma tokluğu testleri sonucunda, FeB ve Fe2B fazının kırılma toklukları sırası ise 1,048 ve 4,882 MPa∙m1/2 olarak ölçüldü. Geleneksel yönteme kıyasla, Mikrodalga ısıtma ile gerçekleştirilen borlamada, borlama süresinden %50 tasarrufu sağlandı ve elde edilen borür tabakası kalınlığında ise %32 artış sağlandı.

AISI 316L stainless steel alloy is widely used as structural engineering material and biomaterial. In this study, boriding of AISI 316L stainless steel alloys by powder-pack boriding method using microwave heating was investigated and the characterization of the boronized surface was performed. For this purpose, AISI 316L stainless steel alloy samples were boronized in the microwave furnace (2.9 kW / 2.45 GHz) at 800, 850, 900 and 950 oC for 2, 4 and 6 hours under the Argon shielding gas. The macrostructural, microstructural, elemental, mechanical and tribological properties of the boronized AISI 316L stainless steel alloy were investigated. 6.21-63.51 µm thick boride layers were obtained in microwave borided in AISI 316L. The effect of microwave heating on boron diffusion kinetics has been also determined. Boron activation energy was determined as 244.15 kJ·mol−1 in boronized AISI 316L stainless steel alloy microwave heating. As a result of the microwave effect, the pre-exponential factor increased up to 4600 times compared to traditional heating. As a result of boiling, FeB, Fe2B, Cr5B3 and NiB borides and Fe-Ni-Si diffusion barrier formation were detected. As a result of Daimler-Benz Adhesion tests, samples boiled at 800, 850 and 900 °C showed enough adhesive strength. The best wear performances were seen in samples that were boronized at 850 °C for 6 hours and at 900 °C 4 hours. The elasticity modules of FeB, Fe2B phases and diffusion region were determined as 404.45, 367.34 and 313.11 GPa, respectively. Their hardnesses were determined as 18.86, 11.72 and 5.54 GPa, respectively. Yield strengths were calculated as 6.28, 3.90 and 1.84 GPa, respectively. As a result of the fracture toughness tests, the order of fracture toughness of the FeB and Fe2B phase was measured as 1.048 and 4.882 MPa∙m1/2. Compared to the traditional method, with microwave heating, 50% saving was achieved in boriding time and 32% increase in the thickness of the boride layer obtained.