2365 ile 2344 çeliklerinin plazma elektroliz tekniğiyle borlanması ve yüzey özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Sanayi kuruluşları kalite politikaları gereği ve üretim maliyetlerini en aza indirmek için uzunömürlü, dayanıklı ve ekonomik malzemeler kullanmak isterler. Özellikle kalıp ve metalsanayinde en çok kullanımı olan çelik malzemeler kullanıldıkları işlem sırasında, yükseksıcaklık, aşınma, metal yorgunluğu ve stresi gibi birçok tahrip edici etkilere maruz kalırlar. Buetkiler sonucu yüzeyi bozulan veya işlem göremez duruma gelen çelikler, üretim maliyetiaçısından büyük sorunlar teşkil etmektedir. Sanayi sistemlerinde iş gören bu çelik malzemelerinkullanım ömrünü artırmak için yüzey modifikasyonlarına ihtiyaç duyulur. Günümüzde malzemeyüzey modifikasyonu ile yüzey iyileştirilmesi çok ilgi çeken bir konudur. Gerek ekonomik açıdanüstünlüğü gerekse üretim kalitesine yapacağı katkılardan ötürü yüzey modifikasyonlarına büyükbütçeler ayrılmaktadır. Yüzey modifikasyon işlemlerine ilginin artması beraberinde yeni yüzeyiyileştirme tekniklerini getirmiştir. Son yıllarda yüzey iyileştirme için plazma ortamınınkullanılması yaygın bir çalışma konusudur. Plazma ortamının sağlandığı koşullara göre değişikadlandırılmaların kullanıldığı bu çalışma konusunda genel amaç, yüksek sertlikte bir yüzey eldeetmek, malzemenin aşınma ve korozyon dayanımını artırmaktır.Bu tez çalışmasında pulslu plazma elektroliz tekniği kullanılarak, sıcak takım ve kalıp çelikleriolarak yaygın kullanımı olan 2365 ile 2344 çelikleri yüzeyine borlama işlemi yapılmıştır.Çalışmada, plazma elektrolitik borlama (PEB) tekniğinin uygulandığı çelik örnekler seçilirken,PEB işlemi sonrasında geliştirilen yüzey özellikleri ile sanayi uygulamalarında kullanım ömrünüve verimini arttırmak hedeflenmiştir. Deney düzeneğine uygun olacak şekilde 15mm çapında ve5mm yüksekliğinde özel olarak hazırlanan çelik silindir örnekler PEB işlemi öncesi zımparalamave parlatma işlemlerinden geçirilmişlerdir. Pulslu plazma ortamı sağlaması için özel olarakdizayn edilmiş deney düzeneğinde, çalışma parametreleri olarak iki farklı işlem süresi ve ikifarklı elektrolit konsantrasyonu kullanılmıştır. PEB işlem sonrası malzemelerde oluşturulan borlutabakanın yapı özelliklerinin araştırılması için, taramalı elektron mikroskopisi (SEM), x- ışınlarıdifraksiyonu (XRD) ve enerji dağılımlı x-ışını spektroskopisi (EDAX) teknikleri kullanılmıştır.Çelik yüzeyinde oluşturulan borlu tabakanın tribolojik performansındaki değişimler içinmikrosertlik ölçümleri, aşınma testi, yüzey sürtünme katsayısı tayini ve yüzey pürüzlülükdeğerleri incelenmiştir.Deneysel süreç sonrasında yapılan yapı ve tribolojik analiz işlemleri sonucunda; tezçalışmasının, literatürde belirtilen çalışmalarla uyumlu olduğu görülmüştür. SEMgörüntülerinden elde edilen ortalama tabaka kalınlıkları incelendiğinde, işlem süresiuzatıldığında tabaka kalınlığının arttırıldığı ayrıca elektrolit konsantrasyonunun artırılmasının databaka kalınlığını arttırdığı sonucuna varılmıştır. XRD analiz işlemi sonucunda 44 ve 65derecelerde görülen piklerin daha önce literatürde belirtildiği gibi FeB yapıya ait olduğudüşünülmektedir. Çelik örneklerin kesitlerinden alınan mikrosertlik değerleri incelendiğinde,tabaka sertlik değerlerinin 1200 ? 1600 HV arasında olduğu görülmüştür.Aynı konsantrasyonda işlem süresinin uzatılmasının, tabaka sertliğini arttırıcı bir etki yaptığı sonucuna varılmıştır.Sanayide sıcak takım çelikleri olarak yaygın kullanılan 2365 ve 2344 çeliklerine plazmaelektrolitik borlama tekniği ile borlama işleminin yapılması sonucunda, aşınma miktarlarındaönemli bir azalma sağlanmıştır. 2365 çeliği üzerine yapılan borlama işlemi sonrasında, %10elektrolit konsantrasyonunda uzun işlem gören örneğin aşınma dayanımında ana malzemeyegöre 5-6 katlık bir iyileştirme sağlanmıştır. Plazma elektrolitik borlama tekniği ile borlamanın,yüzey pürüzlülük değerine olan etkisi önemli bir konudur. Endüstriyel kullanım olanaklarının gözönünde bulundurulduğu bu çalışmada, çelik örneklerin yüzey pürüzlülük değerlerindeki bu artışve değişken değerlerin olması istenmeyen bir durumdur. Sanayi şirketlerinin kalite politikalarıgereği, tez çalışmasında kullanılan 2365 ve 2344 çeliklerinin aşınması durumunda geridönüşüme gönderildiği göz önüne alındığında, yapılan çalışmanın ekonomik açıdan önemioldukça büyüktür.Anahtar Kelimeler: Yüzey Kaplama, Plazma Elektroliz, Borlama, Yüzey Karakterizasyon,Tribolojik Özellikler

Industrial organizations tend to use long life, durable and economical materials according totheir policies and in order to reduce their manufacturing costs. Steel, whose surface is corruptedand which become impossible to process as a result of these effects, constitutes importantproblems in terms of manufacturing costs. Surface modifications are needed in order toincrease the life of these steel materials, which are operated in industrial systems. Nowadays,material surface modification and surface treatment are very attractive subjects. People budgetsurface modifications not only because of their economic advantage, but also due to potentialcontributions they will make to the quality of manufacture. Increase in the interest to surfacemodifications has brought along new surface treatment techniques. In recent years, usage ofplasma environment for surface treatment is a common area of study. In this study, differentnomenclature are used according to different conditions, where plasma environment areprovided, and in this very study, the main target is to obtain a material of high hardness and toincrease the abrasion and corrosion resistance of the material.In this thesis study, by using pulsed plasma electrolysis technique, boriding has been carriedout on 2365 and 2344 steel surfaces, which are widely used as hot tools and mold steel. In thisstudy, steel samples which are subjected to plasma electrolytic boriding (PEB) technique, areselected, and with the help of improved surface conditions after the PEB process, increasing thelife and productivity of the sample in industrial operations is targeted. Specially prepared for thetesting apparatus, 15 mm in diameter and 5 mm high steel roller samples, are sandpapered andpolished prior to the operation. In the testing apparatus, which has been specially designed inorder to provide a pulsed plasma environment, two different processing times and two differentelectrolyte concentrations have been used as working parameters. For researching thestructural characteristics of the boron layer, which has been formed on materials after the PEBprocess, scanning electron microscopy (SEM), x-ray diffraction (XRD) and energy dispersive xrayspectroscopy (EDAX) techniques have been employed. Microhardness measurements,abrasion test, surface friction coefficient detection and surface roughness values are reviewedin order to see the changes in tribological performance of the boron layer formed in steelsurface.As a result of the structural and tribological analyses after the testing process; this thesis studyhas been found to be in conformity with the studies which are stated in the literature. Whenaverage layer thicknesses from SEM images are reviewed, it has been seen that when theprocessing time is extended, layer thicknesses are also increased; moreover, increasing theelectrolyte concentration has also increased the layer thickness. Peaks, seen as a result of theXRD analyse in 44 and 65 degrees are thought to be belonged to the FeB structure, as statedbefore in the literature. When micro hardness values from the steel sample cross sections, ithas been seen that the layer thickness values are between 1200 and 1600 HV. Extension of theprocessing time using the same concentration resulted as an increasing effect on the layerthickness. In consequence of plasma electrolytic boriding technique applied to the 2365 and2344 steels, which are widely used as hot tool steels in the industry, a significant decrease inabrasion rates has been obtained. After the boriding process on 2365 steel, 5-6 times moretreatment rate has been obtained in abrasion resistance of the long processed sample in 10 %electrolyte concentration, in comparison to the main material. The effect of plasma electrolyticboriding technique on surface roughness rate is a very significant subject. In this study, in whichthe industrial usage possibilities have been considered, increase in the surface roughness ratesof the steel samples and the existence of the variable values are actually unwished for. When itis taken into account that the 2365 and 2344 steels, used in this thesis study, have beenrecycled after they are abraded, the importance of this study is very significant for economicalreasons.Keywords: Surface Coating, Plasma Electrolysis, Boriding, Surface Characterization,Tribological Characteristics