İyon implantasyonu yöntemiyle yüzeyi modifiye edilmiş 1.2080 soğuk iş takım çeliğinde implantasyon parametrelerinin mekanik ve tribolojik özellikler üzerine etkilerinin araştırılması

Abstract

ÖZET İyon implantasyonu malzeme boyutunda herhangi bir değişime neden olmadan malzemenin en dış tabakalarının yapı ve bileşimine değiştiren bir prosestir. İşlem görecek malzeme, genelde vakum altında iyonlarla bombardıman edilir. İyonlar kristal kafesteki atomlann yer değiştirmesine ve yapısal kusurların oluşumuna neden olarak malzeme yüzeyine girerler. Ayrıca, yeni kafes parametreli bileşikler oluşturmak üzere bazı matriks atomlanyla reaksiyona girerler. İyon implantasyonu ve diğer yüzey işlem yöntemleri arasındaki farklılık implante edilen elementlerin yüzey üzerinde değil, yüzeyden içeride olmalarıdır. İyon implantasyonunda yüzey, 1500 km/s hızlarda iyonlarla bombardıman edilir. İyonlar yüzeye nüfuz eder ve yüzeyi yeniden alaşımlandırarak yüzeyin en dış tabakasında kalırlar. İyon implantasyonu pek çok durumda ve düşük sıcaklık prosesi olması, kaplamadaki gibi soyulma probleminin olmaması, bitmiş yüzeyin bozulmaması, şekil ve boyutsal hassasiyetin değişmemesi, etkinliği ve düşük maliyeti gibi pek çok nedenle optimum bir yüzey işlemidir. Takımların aşınması genelde nispeten küçük alanlarla sınırlıdır. İyon implantasyonu yalnızca bu kritik alanlara uygulanabilir ve böylece pek düşük maliyetli bir yüzey işlemi gerçekleştirilmiş olur. Bu çalışmada amaç endüstride yaygın şekilde kalıp çeliği olarak kullanılan 1.2080 soğuk iş takım çeliğinin mekanik ve tribolojik özelliklerine implantasyon parametrelerinin etkilerini belirlemektir, implantasyon parametresi olarak Zr implantasyonunun 3-farklı dozu seçilmiştir ve farklı dozlarda implante edilen numunelerdeki aşınma ve sürtünme gelişimlerini belirlemek için çeşitli aşınma testleri ile sertlikteki değişimleri görmek üzere sertlik testleri yapılmıştır. İlk olarak, mevva implanteri ile, ayna parlaklığındaki numuneler 0.5x1 017, 1x1 017 ve 2x1 017 Zr+ /cm`2 dozlarda yaklaşık 100 keV Zr-iyonlarıyla implante edilmiştir. İkinci olarak, implante olan tabakanın kalınlığını belirlemek ve bu tabakadaki Zr element dağılımını görmek amacıyla RBS analizleri yapılmıştır. RBS testleri, implante olan tabaka kalınlığının implante edilen tüm numunelerde yaklaşık 125 nm civarında olduğunu göstermiştir. Buradaki farklılık numunelerdeki Zr konsantrasyonlarında olmuştur. Numuneler sırasıyla 3.6x1016, 5.1016 and 10.1016 Zr-at/cm2 konsantrasyonlara sahip olmuştur. Üçüncüsü, farklı dozlarda iyon implante edilmiş numunelere sertlik testi ile kuru ve alkol ortamında aşınma testleri yapılmıştır. Kuru ortamda yapılan aşınma testlerinde, implante edilen numunelerin sürtünme katsayısının implante edilmemiş numuneye yakın yada daha fazla olduğu görülmüştür. Alkol içinde yapılan testlerde, iyon implantasyonu sürtünme katsayısını azaltmıştır. Zr implantasyonunun tüm implante edilen numunelerde aşınma direncini artırdığı, 5.1 016 cm2 dozda doygunluğa ulaştığı bulunmuştur. 1N yükte yapılan aşınma testlerinde, ortadozda implante edilen numunenin en iyi aşınma direncine sahip olduğu tesbit edilmiştir. Uygulanan yük artırıldığı zaman, dozun artışının daha fazla aşınma direnci getirdiği görülmüştür. Metal mikroskobu hem implante edilmiş hem de implante edilmemiş numunelerde nano-yapılar olduğunu göstermiştir. Aşınma testlerinden sonra bile, aşınma izlerinde bu nano-yapılar hala görülmüştür. Açık ve koyu olarak görünen bu iki fazı belirlemek üzere SEM analizleri yapılmıştır. Açık renk bölgeler kromca ve karbonca zengin ve demirce fakir bölgeler olup koyu renk olarak görünen matriksten daha yüksek sertliğe sahiptir. Zirkonyum, implante edilen yüzeyde homojen bir şekilde dağılmıştır. XI

ABSTRACT Ion implantation alters the structure and composition of the outer layers of the material without causing any changes to its dimensions. The material to be treated is usually bombarded with ions under vacuum. The ions become lodged under the surface of the material caused by defects and displacing atoms from the crystal lattice. In addition, they react with some of the atoms to produce localised compounds with new lattice parameters. The difference between ion implantation and other surface treatment processes is that implanted species are not on the surface, they are in it. The surface is bombarded with ions at speeds of up to 1500 km per second. The ions penetrate the surface and stay in the outermost layer of the surface, re-alloying it. Ion implantation is in many cases and for many reasons the optimum surface treatment. Some of the benefits of ion implantation are low temperature process, no flaking / unaltered surface finish, no change of shape or dimensions, efficient and low cost. Wear of tools etc is often limited to relatively small areas. Advanced ion implantation can be applied to these critical wear areas only, and so in many cases it can be a low cost surface treatment. In this work, the aim was to determine effects of implantation parameters on mechanical and tribological properties of 1.2080 cold working tool steel which is used commonly as a mold steel in industry. Three different doses of Zr implantation were choosed as a implantation parameters and various tribological tests were done to determine wear and fictional improvements and hardness tests for hardness changes on ion implanted samples with different doses. First, MEWA implanter was used for Zr implantation. Mirror-polished samples was implanted successively with approximately 100 keV Zr-ions to fluences of 0.5x1 017, 1x1 017 and 2x1017Zr+/cm`2. Second, RBS analysis was done to determine thickness of implanted layer and to see Zr element distribution in the layer. RBS tests showed that implanted layer was aproximately 125 nm for all implanted samples. The differences were Zr concentrations. The samples had 3.6x1016, 5.1016 and 10.1016 at/cm2 Zr concentrations, respectively. Third, wear and hardness tests, in both dry air and alcohol were done to investigate the effects of the ion implanted steel surfaces with three different doses. Wear tests showed that in dry test conditions friction coeffiecient of implanted samples were near or more than unimplanted sample. In alcohol test conditions ion implantation reduced friction coefficient. It was seen that Zr implantation increased wear resistance of implanted samples. It has been found that the dose reached saturation as the fluence reached 1x1 017 cm`2. In the 1N normal load wear tests the sample which implanted with mean dose had the best wear xnresistance. When the normal load was increased, it was seen that increasing of dose brought more resistance to the wear. Metal microscope studies showed that there was a kind of nano-structure on both implanted and unimplanted samples. Even after wear tests were carried out, there were still this nano-structure on wear tracks. SEM analyses were carried out for the two phases, which showed up as bright and dark regions. The bright region was chromium- and carbon-rich and iron-poor and has a higher microharâness than matrix, which looks darker under SEM. Zr was distributed as uniform on the implanted surface. xm