Termokimyasal borlama işlemiyle AISI 5140, AISI 4140 ve AISI 4340 çeliklerinin yüzey performanslarının geliştirilmesi

Abstract

ÖZET Anahtar Kelimeler : Borlama, Termokimyasal İşlem, Çelik, Demir Borür, Sertlik, KırılmaTokluğu, Darbe Enerjisi, Yorulma, Aşınma, Yağlama, Kısa Süreli Tavlama Ülkemizin dünyada en fazla bor rezervine sahip ülkeler arasında yer alması ve bor bileşiklerinin üstün özelliklere sahip olması sebebiyle, birçok araştırmacı için bu bileşikler cazip bir duruma gelmiştir. Özellikle son yıllarda metalik malzemelerin termokimyasal yöntemlerle kaplanması araştırmacıların ilgi odağı olmuştur. Borlama işlemi bu yöntemlerden biri olup, diğer yüzey işlemlerine kıyasla yüksek sertlik, aşınma direnci, korozyon ve oksidasyon direnci gibi üstün özelliklere sahiptir. Bu çalışmada, 850°C ve 950°C sıcaklıklarda 2, 4, 6 ve 8 saat süre ile borlama işlemine tabi tutulan üç farklı alaşım çeliğinin (AISI 5140, AISI 4140 ve AISI 4340) yüzey performansları incelenmiştir. Borlama işlemi, boraks, borik asit ve ferro silisyum esaslı sıvı banyoda gerçekleştirilmiştir. Borlama işlemi sonrasında oluşan borür tabakasının yüzey morfolojileri ve faz analizleri, optik, taramalı elektron mikroskobu ve x-ışınla rı difraksiyon analizi yardımıyla yapılmıştır. Aynı şekilde borür tabakasının sertliği, kırılma tokluğu, darbe dayanımı, yorulma dayanımı ve aşınma direnci gibi mekanik özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca elde edilen borür tabakasının oluşum termodinamiği ve büyüme kinetiği de incelenmiştir. Metalografik incelemelerde, kaplama-matris arayüzey morfolojisi kolonsal bir yapı sergilemekte ve borür tabakası, difüzyon (geçiş) zonu ve matristen oluşan üç farklı bölge belirgin bir şekilde birbirinden ayrılmaktadır. Borür tabakası (MXB) (M: Fe, Cr, x:l,2) borürlerinden oluşmaktadır. Ancak düşük süre ve sıcaklıklarda tek fazlı (Fe2B) borür tabakası teşekkül etmektedir. Borür tabaka kalınlıkları, borlama süresi ve sıcaklığına bağlı olarak asimtotik bir artış sergilemekte ve çeliklerin bünyesinde bulunan alaşım elementinin etkili olduğu görülmektedir. Elde edilen en yüksek sertlik değerleri seramik kompozit karaktere sahip borür tabakasına tekabül etmektedir. Borür tabakasının kırılma tokluğu değerleri malzeme bileşimi, borlama süresi ve sıcaklığına bağlı olarak değişiklik arzetmektedir. Lineer elementer analiz incelemelerinde, borür tabakası boyunca demir konsantrasyonu matristen yüzeye doğru kademeli olarak azalma göstermektedir. Borlama süresi ve sıcaklığına bağlı olarak borür tabakasının büyüme kinetiğinde, difüzyon katsayısı ve aktivasyon enerjisinin sırasıyla malzeme bileşimi, borlama sıcaklığı ve malzeme bileşimine bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Aynı şekilde borlama süresinin artmasına bağlı olarak muhtemelen ostenit tane büyümesi ve oluşan FeB borürünün miktarının artması sebebiyle borür tabakasının darbe enerjisi düşmektedir. Aşınma deneylerinde horlanmış malzemelerdeki aşınma miktarı horlanmamış malzemelere kıyasla yedi kat daha azdır. Aşınma sırasında ölçülen sürtünme katsayısı değerleri 0.40-0.66 arasında değişirken, borlama sonrasında kısa süreli tavlama ısıl işlemi ile bu değerler 0.096-0.16 'ya düşmektedir. XVIII

SUMMARY THE IMPROVEMENT OF SURFACE PERFORMANCE OF AISI 5140, AISI 4140 AND AISI 4340 STEELS BY TERMOCHEMICAL BORONIZING TREATMENT Keywords: Boronizing, Termochemical Treatment, Steels, Iron Boride, Hardness, Fracture Toughness, Impact Energy, Fatigue, Wear, Lubrication, Flash Annealing Surface diffusion treatments (i.e. nitriding, carburizing and boronizing) are prominent choices for a wide range of tribological applications where the control of friction and wear are of primary concern. These treatments can dramatically develop the surface mechanical properties of steel components. Nitriding; mainly because of its cost effective, easy and non-toxic nature, has been of particular importance for various industrial applications, including bearings, gears and tooling. In addition to conventional methods, there are now low pressure, high energy plasma-based process for use in nitriding, carburizing and carbonitriding. Apparently, these more advanced processes yield much better control over surface metallurgical properties providing superior tribological performance in the finished products. Recent studies indicate that boronizing can also be used to obtain very high hardness and wear resistance on steel surfaces. Both conventional (i.e. salt bath) and advanced (i.e. plasma-based) boronizing techniques are now available. Boronizing is a thermo-diffusion surface hardening process in which boron atoms are diffused into the surface of a work-piece to form borides with the base materials. The boronizing process involves heating of well-cleaned material at 700°C to 1000°C, preferably for lh. to 12h. in contact with boronaceous solid powder or boronizing compounds, paste, liquid or gaseous medium. A broad range of metals can be borided including, steel, nickel, cobalt base alloys and ductile irons. Boron atoms, due to their relatively small size and very mobile nature can diffuse into ferrous alloys. The single phase layer consists of Fe2B, while the double phase layer consists of an darker region near the surface phase of FeB. Homogenity point of view, single type layer is generally is desirable for industrial applications owing to difference being between specific volume and coefficient of thermal expansion of borides and substrates. The strong covalent bonding of most of non-oxide ceramic borides is responsible for their high melting point, moduli and hardness values. Borides, in general, have high free energies of formation which gives them excellent chemical and thermal stability under many conditions. Borides are expected to be very brittle and are considered as non-oxide ceramics. XIX