Kutu sementasyon yöntemiyle çelik yüzeylerin tic kaplanması

Abstract

ÖZET Anahtar Kelimeler: Kutu Sementasyon, Termokimyasal İşlem, Titanyum Karbür ve İnce Sert Kaplama. Aşınmaya karşı direnç, genellikle, sertlik ile doğru orantılıdır. Ancak bir malzemenin sertliği arttıkça gevrekliği de artar, buna karşılık tokluğu (kırılmadan önce absorbe ettiği enerji miktarı) azalır. Bu nedenle uygulanacak yüzey işlemi ile sertlik ve tokluk özelliklerinin tek bir parçada kombine edilmesi amaçlanır. Böylece, yüzey işlemi ile altlık malzemesi yüzeyinde aşınmaya dayanıklı-sert bir tabaka (gevrek) elde edilirken, altlığın ana kütlesi çok daha yumuşak yapısı ile (tok) gerilmelere direnç gösterir. Elde edilen sert tabakanın, malzemenin elastik deformasyonuna müsaade edecek kadar ince ve aşınmaya yeterince direnç gösterecek kadar da kalın olması gerekir. Bu amaçla çok çeşitli kaplama yöntemleri geliştirilmiştir. Plazma püskürtme prosesi, fiziksel buhar fazından çöktürme (PVD), kimyasal buhar fazından çöktürme (CVD), kutu sementasyon teknikleri, termoreaktif difüzyon prosesi (TRD), lazer işlemleri, elektro kimyasal çöktürme vb. ilk akla gelen teknikler arasında bulunmaktadır. Bu tekniklerle oluşturulan tabakaların bir kısmı altlık ile fiziksel bağ oluştururken bazı kaplamalar ise difüzyon yoluyla kuvvetli kimyasal bağ teşkil ederler. Kutu sementasyon prosesi, esas olarak geleneksel bir tekniktir. Geleneksel uygulamada, düşük karbonlu çelik yüzeylerine karbon difüze edilerek yüzey sertliği arttırılmaktadır. Kutu sementasyonunda, geleneksel uygulamadan farklı olarak, çelik yüzeyine krom, vanadyum, molibden gibi alaşım elementlerinin çöktürülmesi ile `metalizasyon` yapmak da mümkündür. Bu işlemler 800-1200°C gibi yüksek sıcaklıklarda yapılmakta ve seçilen bir altlık üzerine arzu edilen bir metalin buhar fazından çöktürülmesi sağlanmaktadır. Kutu sementasyon tekniği bu yönüyle bir in-situ kimyasal buhar çöktürme (CVD) tekniği olarak nitelendirilmektedir. Oluşturulan tabakanın niteliği, çöktürülen metale bağlı olduğu gibi, kullanılan altlık malzemesinin kimyasal bileşimine de bağlıdır, örneğin, çelik üzerinde sade krom tabakası oluşturulabildiği gibi, yüksek karbonlu bir çelik kullanılırsa krom karbür tabakası da oluşturulabilir. Kutu sementasyon tekniği uygulanması kolay ve ucuz bir tekniktir. Bu nedenle, halen hem endüstriyel olarak kullanılmakta ve hem de çeşitli araştırmaların konusu olmaktadır. Bu araştırmaların önemli bir kısmı birden fazla metal buharının birlikte veya art arda çöktürülmesi üzerinedir. Bu çalışmada, kutu sementasyon yöntemi ile çelik yüzeyinde titanyum karbür tabakasının çökeltilebilme olanakları araştırılmış ve tabaka/altlık ara yüzey olayları kaba bir yaklaşımla incelenmiştir. Titanyum (titanyum karbür) kaplama tabakası elde etmek için ferrotitanyum tozu, alumina (inert dolgu malzemesi), amonyum klorür (aktivatör) ve naftalinden (karbon verici bileşik) ibaret bir katı karışım kullanılmıştır. Bu karışım belirli bileşen oranlarında hazırlanarak bir alumina krozeye doldurulmuş ve çelik altlıklar bu karışımın içerisine gömülmüştür. Krozenin kapağı sıkıca kapatılıp açık atmosferli elektrik direnç fırınına şarj edilmiştir. İşlemler 950 ve 1050°C sıcaklıklarda 15-360 dakika sürelerle yapılmıştır. Kaplanmış malzemeler x-ismlan, optik mikroskop, SEM, EDS ile analiz edilmiş ve tabaka/altlık arayüzeyinde sertlik ölçümleri yapılmıştır. Kaplama sıcaklığı ve süresinin artması ile çökelen titanyum (titanyum karbür) tabakasının kalınlığı artmıştır. Kaplama tabakası hakim olarak TiC olmakla birlikte, kullanılan karışım nedeniyle, tabakada önemli miktarda azot ile az miktarda alüminyum ve demir bulunduğu da tespit edilmiştir. Altlık üzerine ilk mikron altı tanecikler çökelmesine karşılık, nihai yüzey kalitesini eş eksenli çökelen taneler belirlemektedir. ix

TiC COATING ON STEELS SURFACES BY PACK CEMENTATION PROCESS SUMMARY Keywords: Pack Cementation, Thermochemical Treatment, Titanium Carbide and Thin Hard Coating. In general, resistance to wear is directly proportional to hardness. However, if hardness of a material increases, its brittleness also increases, on the other hand its toughness (before fracture absorbed energy quantity) decreases. For this reason, it is aimed to combine hardness and toughness properties by the surface treatment. Thus, a layer resistance to wear and hard (brittle) is obtained on the surface of substrate material by the surface treatment, and also the core of substrate resists to stresses by its softer (tough) structure. The hard layer obtained must be thin enough to allow the elastic deformation of material and as well as must be thick enough to present wear. Various coating method are developed provide surface properties required. Plasma spray, physical vapour deposition (PVD), chemical vapour deposition (CVD), pack cementation techniques, thermoreactive diffusion process (TRD), laser operations, electrochemical deposition etc. are some of them. While some of the layers obtained by these techniques form physical bond, some others form strong chemical bond with substrate by diffusion. Pack cementation process essentially is a traditional technique. In traditional application, surface hardness of low carbon steels increased by carbon diffusion. In pack cementation different from traditional application, `metallization` is also possible by deposition of alloy elements of chromium, vanadium, molybdenum, etc. on steel surfaces. These processes are performed at temperatures of 800-1200°C and deposition from vapour phase of a metal desired on substrate selected is provided. For this reason pack cementation technique is qualified as an in-situ chemical vapour deposition (CVD) technique. The properties of the layer obtained are based on the metal deposited as well as chemical composition of substrate material used. For example, as pure chromium layer can be formed on steel, but if a high carbon steel substrate is used chromium carbide layer can also be formed. Pack cementation technique is easy and cheap. For this reason, it is used in industrial also it has been issue of various researches. The most of these researches are on deposition of more than one metal vapour together or in a series. In this study, deposition possibilities of titanium carbide layer on steel substrate by pack cementation technique is researched and events of the layers/substrate interface are examined. In order to obtain titanium (titanium carbide) coating layer, a solidmixture containing ferrotitanium powder, alumina (inert filler material), ammonium chlorine (activator), naphthalene (carbon source compound) is used. This mixture was prepared in certain components proportion and placed in alumina crucible. Then steel substrates were embedded into prepared mixture. After closing the cover of the crucible tightly, it is heated in an electric resistant furnace at atmospheric pressure. Processes are performed at temperatures of 950 and 1050°C for a period of time 15 to 360 minutes. The coated materials are analysed by X-Rays, optical microscope, SEM, EDS. To see hardness distribution of substrate and coating layer Knoop hardness technique was used. The thickness of titanium carbide deposited increased with increasing process temperature and time. Dominant component of coating layer is titanium carbide but because of the mixture used, important quantity of nitrogen and little quantity of aluminium and iron were determined in coating layer. First submicrone grains are deposited on substrate, then equiaxsed deposited grains define the final surface quality. XI