Farklı ısıl işlemlerin AISI 8620 ve AISI 5115 çelik dişli çarkların mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada AISI 8620 (DIN 21NiCrMo2 / 1.6523) ve AISI 5115 (DIN 16MnCr5 / 1.7131) çeliklerinden yapılan, modülü 1.5 ve 2 olan helisel dişli çarklara uygulanan düşük basınçlı sementasyon, gaz sementasyon ve plazma nitrürleme yüzey sertleştirme ısıl işlemlerinin dişli çarkların mekanik özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Isıl işlem öncesi ve sonrasında dişli çark numunelerin sertlik dağılım profili, yüzey pürüzlülüğü, mikroyapılarında meydana gelen değişimler, boyutsal değişimleri ve numunelerin ömür değerleri kontrol edilmiştir. Numune mikroyapılarında meydana gelen değişimler optik mikroskop ve Clemex Vision Lite programı kullanılarak, numunelerin sertlik dağılım profili Emcotest Duroscan 20 mikrosertlik cihazı kullanılarak, yüzey profilleri ise Mitutoyo SJ-301 optik profilmetre ile incelenmiştir. Isıl işlemler sonrası dişlilerde meydana gelen boyutsal değişimlerin ölçülmesi için, 0.001 mm hassasiyetli mikrometre kullanılmıştır. Dişlilerin yorulma analizleri Solidworks Premium 2015 SP 2.0 CAD programı kullanılarak yapılmıştır.Yapılan incelemeler sonucunda, düşük basınçlı sementasyon işleminin gaz sementasyona göre istenen yüzey sertlik ve efektif sert tabaka kalınlığı değerlerini çok daha kısa işlem sürelerinde sağladığı belirlenmiştir. Uygulanan plazma nitrürleme işlem koşullarında, meydana gelen beyaz tabaka kalınlığı ve malzeme iç kısımları sertlik değerleri her iki çelik dişlide de istenen aralıklarda olmakla beraber, AISI 8620 çeliğinden yapılan ve modulü 1.5 olan dişlilerde elde edilen toplam difüzyon tabakası kalınlığı gerekli minimum değeri sağlayamamıştır. Isıl işlemler sonrası helisel dişlilerde en büyük boyutsal artışın, yüksek işlem sıcaklıklarında uzun işlem süreleri nedeniyle gaz sementasyon işlemi sonucunda meydana geldiği saptanmıştır. Isıl işlemler sonucunda dişlilerin yüzey pürüzlülük değerlerinin değişiklik gösterdiği ve iyi bir yüzey kalitesi için denenen tüm ısıl işlemler sonrasında yüzey bitirme işlemlerinin gerekli olduğu kanısına varılmıştır. Isıl işlemler sonrası meydana gelen yüzey sertliği ve sert tabaka derinliğinin yapılan ısıl işlem türlerine göre farklılık göstermesi dişlilerin ömürlerini etkilemiştir.

In this study, the mechanical impacts on helical gear wheels that are made of AISI 8620 (DIN 21NiCrMo2 / 1.6523) and AISI 5115 (DIN 16MnCr5 / 1.7131) steels with modules 1.5 and 2 have been investigated after the application of surface hardening heat treatment using several techniques including low-pressure carburizing, gas carburizing, and plasma nitriding. Hardness distribution profile, surface roughness, the alteration on microstructure, dimensional changes, and lifetime value of the gear wheel samples have been examined comparing the values from before and after the heat treatment process. The alterations on the microstructure of the samples has been examined using optical microscope and Clemex Vision Lite programs, whereas hardness distribution profile has been examined using Emcotest Duroscan 20 microhardness device, and surface profiles has been examined using Mitutoyo SJ-301 profilometer. In order to measure the dimensional changes on the gear wheels, 0.001 mm sensitive micrometer has been used. Solidworks Premium 2015 SP 2.0 CAD program has been leveraged for the fatigue analysis of the gear wheels. The detailed examination revealed that the low-pressure carburizing is more effective compared to gas carburizing in reaching the desired surface hardness and effective thickness of the hard layer values in a shorter time span of the application process. After the application process of the plasma nitriding, the thickness of the white layer and hardness value of material interior parts values has been observed to be in the desired intervals for both types of steel gear wheels, however the obtained total thickness of diffusion layer of the gear wheels made of AISI 8620 steel (module 1.5) could not reach the minimum value required. The maximum dimensional increase of the helical gear wheels after the heat treatment has been observed with the gas carburizing application, as a result of the long processing interval at high temperatures. It was concluded that heat treatment alters the surface roughness values of the gear wheels, and for the desired level of surface quality, surface-finish treatments is needed after the entire heat treatment applications have been completed. A correlation between the types of heat treatment and the resulting surface hardness and depth of hard layer values has been determined, and this differentiation is proven to have an impact on the lifetime of the gear wheels.