Plazma iyon nitrürlenmiş 304 ve 410 paslanmaz çeliklerin aşınması

Abstract

ÖZET Geleneksel yüzey mühendisliği yöntemlerine göre çok sayıda avantajından dolayı plazma yüzey mühendisliği teknolojisi, krank mili, dişliler, yataklar, kalıplar, kesici takımlar gibi farklı malzemelerin uygulamaları için mühendislere imkan tanımıştır. Plazma nitrürleme ve seramik kaplamaların plazma destekli fiziksel buhar depozisyonlan ( PVD ) endüstride en geniş kullanılan plazma yüzey teknikleridir. Plazma nitrürleme işlemlerinde nitrürleme reaksiyonu sadece malzeme yüzeyinde gerçekleşmez, aynı zamanda azotun yüzeyden malzeme merkezine doğru uzun mesafeli difüzyonundan dolayı yüzey altında da meydana gelir. Yüzeyde oluşan bir iyon nitrürleme tabakasının yanında yüzey altında nispeten daha kalın olan ( yaklaşık 0.5mm ) ve sert ( Vickers sertliği yaklaşık 1000 HV) bir yapı meydana gelmektedir. Bu kalın tabaka numune merkezine inildikçe azotça fakirleşmekte ve sertliği düşmektedir. Bu sadece malzemenin yorulma mukavemeti ve aşınma dayanımını iyileştirmekle kalmaz aynı zamanda yük taşıma kapasitesini de artırır. Bu çalışmada iki farklı paslanmaz çelik benzer ortamlarda bir doğru akım (D.C.) plazmasında nitrürlenmişlerdir. Nitrürleme işlemi öncesi sistem 10`4 torr mertebesine ulaşıncaya kadar vakum meydana getirilmiş ve akabinde nitrürleme hücresi % 50 N2 ve % 50 H2 gaz karışımı ile doldurularak 15 Torr gaz atmosferinde işlem gerçekleştirilmiştir. 304 ostenitik ve 410 martensitik paslanmaz çelik numuneler sırasıyla 450, 500 ve 550 °C sıcaklıklarda ve 4, 8 ve 12 saat sürelerle yüzey sertleştirme işlemine maruz bırakılmışlardır. Nitrürleme işleminden sonra numuneler mikroyapısal, x-ışınları analizi ve sertlik ölçümleri için hazırlanmışlardır. Mikroyapı incelemesi ve x-ışınları analizlerinden tüm numunelerin yüzeylerinin bir bileşik tabakası (beyaz tabaka) gösterdiği ve bu beyaz tabakanın y'- (Fe,Ni,Cr)4N, 8 - (Fe2N, Fe3N) fazlarından ve ayrıca azotça zengin difüzyon tabakasından oluştuğu tespit edilmiştir. Beyaz tabaka kalınlığının artan işlem sıcaklığı ve süresi ile arttığı gözlenmiştir. 410 martensitik paslanmaz çeliğin yüzeyleri 304 ostenitik paslanmaz çeliğin yüzeylerine göre daha yüksek sertlik değerleri ortaya çıkarmıştır. Mikrosertlik değerlerindeki artışlar da, beyaz tabaka kalınlığı değerleri artışına paralel bir davranış göstermiş artan sıcaklık ve süre ile artmıştır. Her iki çelik oda sıcaklığında kuru ortamda disk ( numune ) üstünde bilye ( WC ) metodu ile aşınma testine uğratılmışlardır. Sonuçlar, 304 ostenitik paslanmaz ve 410 martensitik paslanmaz çeliklerinde artan nitrürleme sıcaklık ve süresi ile aşınma direncinin arttığını göstermiştir. Sonuçlar aynı zamanda aşınma yükünün 5 N'dan 20 N'a değişmesi aşınma ile hızının arttığını da ortaya çıkarmıştır. ıx

SUMMARY Plasma surface - engineering technologies, owing to a number of advantages over conventional surface engineering, have found increasing applications in industry to engineer the surfaces of various steel components such as crankshafts, gears, bearings, dies, cutting tools, etc. Plasma nitriding and plasma - assisted physical vapour deposition (PVD) of ceramic coatings are the most widely used plasma surface - engineering techniques in industry. During the plasma - nitriding process, the nitriding rection not only occurs at the surface but also in the subsurface owing to the long - distance diffusion of nitrogen atoms from the surface towards the core. As a result, a thin iron nitride layer is produced on the surface together with a relatively thick ( about 0.5 mm ) and strong ( Vickers hardness about 1000 HV ) diffusion zone in subsurface of a steel component, which gradually reduces the hardness and nitrogen concentration towards the core, resulting in a diffuse case - core interface. This not only enhances the fatigue strength increases load - bearing capacity of the component. In the present work two different stainless steels were plasma ion nitrided in a direct current (D.C.) plasma source at the same experimental conditions. Prior to the nitriding, the plasma chamber was evacuated to 10`4 vacuum level and consequently backfilled with a gas mixture of % 50 N2 and % 50 H2. Plasma ion nitriding was carried out under the gas pressure of 15 Torr. 304 austenitic and 410 martensitic stainless steel workpieces were plasma ion nitrided for 4, 8 and 12 hours at the temperatures of 450, 500 and 550 °C. After ion nitriding the samples were prepared for microstructural, x-ray and hardness investigations. From the microstructural and the x-ray analysis it was pointed out that all the samples showed a compound layer (white layer) that composed with y'-(Fe,Ni,Cr)4N, e-(Fe2N, Fe3N) and also nitrogen rich diffusion layer. The thickness of this compund layer was observed to increase with the increase of the process temperature and time. The hardness maeasurements have showed that the nitrided 410 surfaces produced higher hardness values when compared with 304 surfaces. The hardness values followed a parallel increment behaviour with the compound layer and increased with the increase of the processing temperatures and time. Both steels were wear tested with a ball - on disk ( WC ) apparatus, operated at dry conditions at room temperature. Results showed that the wear resistance of 304 austensitic stainless 410 martensitic stainless steels increased by increasing ion nitriding temperature and time. Results also showed that an increment at normal load from 5 N to 20 N produced an increase in the wear rate.