AISI 4340 çeliğinin plazma nitrürlenmesi, mikroyapısal ve mekanik özelliklerinin karakterizasyonu

Abstract

ÖZETDoktora TeziAISI 4340 ÇELİĞİNİN PLAZMA NİTRÜRLENMESİ, MİKROYAPISAL VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN KARAKTERİZASYONUMohammad BAFANDEGANAtatürk ÜniversitesiFen Bilimleri EnstitüsüMakine Mühendisliği Anabilim DalıKonstrüksiyon ve İmalat Bilim DalıDanışman: Prof. Dr. Ayhan ÇELİKOrtak Danışman: Prof. Dr. Alireza AKBARİNormalleştirilmiş AISI 4340 çelik numuneleri, 1, 4 ve 8 saat boyunca 470°C, 520°C ve 570°C farklı nitrürleme sıcaklıklarında %50 N2-%50 H2 işlem gazı karışımında plazma nitrürlenmiştir. Bileşik ve difüzyon tabakaları, optik ve elektron mikroskopi gözlemleri, X-Işını difraksiyon analizi ve mikro sertlik testi kullanılarak tanımlandı. Plazma nitrürlemeye bağlı olarak oluşan artık gerilme, XRD g-sin^2 ψ metodu ile ölçülmüştür. Sabit gerilmeli genlik ters eğilme yorulma testleri (R=−1) yapıldı. Sonuçlar, nitrürlenmiş numunelerde bileşik ve difüzyon tabakalarından oluştuğunu göstermiştir. Nitrürleme sıcaklığının arttırılması azot alımını arttırır ancak dekarburizasyonunu yoğunlaştırır. Dekarbürizasyon, bileşik tabakası kompozisyonunu, kalınlığını, kesitsel sertlik profilini ve yüzey sertliği değerlerini güçlü bir şekilde etkiler. Buna bağlı olarak, daha yüksek nitrit sıcaklıklarında, γ-Fe4N ve ε-Fe2-3N bileşik katmanı, Fe-Fe4N'ye dönüşür ve 570°C'de nitrürlenme süresi yükseldikçe bileşik tabaka kalınlığı azalır. 8 saat boyunca 470°C'de nitrürlenen numuneler için 7 µm'lik en kalın bileşik tabaka elde edilmektedir. Difüzyon tabakası kalınlığı, nitrürleme sıcaklığı ve süresinin artmasıyla artar ve 8 saat boyunca 570°C'de nitrürlenen numuneler için 350 µm'lik en kalın difüzyon tabakası elde edilmektedir. En yüksek 750 HV yüzey sertliği, 8 saat boyunca 470°C'de nitrülenen numune için elde edilmektedir. Yüksek nitrürleme sıcaklıklarında (570°C) nitrürlenme süresi yüzey sertliğini olumsuz etkilenmektedir. S-N eğrileri, plazma nitrürlenen numunelerin yorulma dayanımı maks. %52 Nitrürlenmamış numuneler göre artmasını gösterdi ve maksimum yorulma mukavemeti, 470°C'de 8 saat boyunca plazma nitrürlenmesinden sonra 550 MPa'ya ulaştı. Plazma nitrürleme nedenile oluşan yüzey sertliği, nitrid tabakası kalınlığı ve bası artık gerilmeler, yorulma dayanımının iyileştirilmesinde ana rol oynadığı gösterilmiştir.2019, 91 sayfaAnahtar Kelimeler: Plazma Nitrürleme, AISI 4340 çelik, Mikroyapı, Artık gerilme, Yorulma dayanımı

ABSTRACTPh.D. ThesisMİCROSTRUCTURAL AND MECHANİCAL CHARACTERİZATİON OF PLASMA NİTRİDED AISI 4340 STEELMohammad BAFANDEGAAtatürk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical EngineeringConstruction and ManufacturingSupervisor: Prof. Dr. Ayhan ÇELİKCo-supervisor: Prof. Dr. Alireza AKBARİNormalized AISI 4340 steel samples were plasma nitrided in a mixture of 50%N2-50%H2 process gas at different nitriding temperatures of 470°C, 520°C and 570°C for 1, 4 and 8 h. The compound and diffusion layers were characterized using optical and electron microscopy observations, X-Ray diffraction analysis and microhardness testing. The residual stress created due to plasma nitriding was measured by XRD g-〖sin〗^2 ψ method. Constant stress amplitude plane reversed bending fatigue tests (R=−1) were conducted. The results indicated that nitrided case consists of compound and diffusion layers. Increasing the nitriding temperature enhances nitrogen uptake but intensifies substrate decarburization. Substrate decarburization strongly affects the compound layer composition, thickness, cross-sectional hardness profile and surface hardness values. Accordingly, at higher nitriding temperatures, ployphase γ-Fe4N and ε-Fe2-3N compound layer evolves to monophase γ-Fe4N, and at 570°C compound layer thickness decreases with increasing nitriding time. The thickest compound layer of 7 µm is obtained for samples nitrided at 470°C for 8 h. The diffusion layer thickness increases with increasing the nitriding temperature and time and the thickest diffusion layer of 350 µm is obtained for samples nitrided at 570°C for 8 h. The highest surface hardness of 750 HV was obtained for sample nitrided at 470°C for 8 h. At the high nitriding temperatures, (570°C) nitriding time adversely affects the surface hardness. S-N curves show that plasma nitriding improves the fatigue limit by max. 52% of un-nitrided specimens and maximum fatigue limit was attained 550 MPa after plasma nitriding at 470°C for 8 h. It is shown that surface hardness, nitrided layer thickness and compressive residual stresses created by plasma nitriding have the principal effect on improvement of fatigue strength.2019, 91 pagesKeywords: Plasma Nitriding, AISI 4340 steel, Microstructure, Residual stress, Fatigue strength