Termoreaktif difüzyon tekniği ile kaplanmış nitrasyon çeliğinin mekanik özelliklerinin araştırılması

Abstract

Bu çalışmada imalat sanayinde yaygın olarak kullanılan DIN 31CrMoV9 nitrasyon çeliğinin yüzeyinde termoreaktif difüzyon (TRD) yöntemi kullanılarak TiN ve NbN kaplama tabakalarının üretilmesi araştırılmıştır. Birinci aşamada hazırlanan numuneler 450°C de ve 12 saat süre ile plazma nitrürleme işlemine tabi tutulmuşlardır. İkinci aşamada ise plazmanitrürlenmiş numuneler farklı sıcaklık (850°C, 950°C, 1050°C) ve farklı sürelerde (2, 4, 6 saat) ferro-titanyum tozu, alümina, amonyum klorür ve naftalin ile ferro-niyobyum tozu, alümina, amonyum klorür ve naftalinden oluşan ortamda TRD tekniği ile kaplanmışlardır. Mikroyapı analizleri optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM), ve enerjidağılımlı X ışını spektroskopisi (EDS) teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Faz analizlerinde X- şını difraksiyonu (XRD) tekniğinden yararlanılmıştır. Farklı sıcaklık ve sürelerde elde edilen nitrür tabakaları sayesinde nitrasyon çeliğininyüzey özellikleri geliştirilmiştir. Termoreaktif difüzyon öncesi uygulanan plazma nitrasyon sağlanmıştır. NbN ve TiN kaplamalar oluşturularak yüzey özellikleri geliştirilen numunelerde gerek altlık malzemeye gerekse sadece plazma nitrasyon uygulanmış numuneye göre daha yüksek sertlik değerleri ve daha iyi aşınma davranışları elde edilmiştir. Plazma nitrasyontekniği kullanılarak altlık malzemeye göre 2 kat daha yüksek sertlik edilmiştir. TRD işlemi ile elde edilen TiN ve NbN kaplamalar ile 4 ila 7 kata kadar daha sert yapılar elde edilmiştir. Bu numuneler arasında aşınma direnci bakımından en düşük sürtünme katsayısı (0,13) ve en düşük aşınma oranına (0,87 x 10-6 mm3/Nm) TiN kaplamalarda ulaşılmıştır.

In this study, it was examined to obtain TiN and NbN layers by using TRD method on DIN 31CrMoV9 nitriding steel material surface, which is widely used in manufacturing industry. This study includes two steps. At first step, the samples prepared were subjected to plasma nitriding at 450°C for 12 hours. At second step, pre-nitrided samples were coated byusing TRD technique in an environment consisting of ferro-titanium powders, alumina, ammonium chloride, naphthalene and in an environment consisting of ferro-niobium powders, alumina, ammonium chloride, naphthalene at different temperatures for different times respectively. The microstructures analysis were performed by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) and phase analysis were carried out by X-ray diffraction (XRD).The surface properties of nitriding steel have been improved by the way nitride layer, which were formed at different temperatures and times. By using plasma nitration applied before TRD, the hardness gradient from the substrate material to surface was created. Higher hardness values and better wear behaviors were obtained, compared with the samples, whichsurface properties improved by forming NbN and TiN coating to substrate material and material plasma nitrided. By using plasma nitration technique, it was achieved that up to 2 times higher hardness was obtained than the substrate material. With the TiN and NbN coatings formed by TRD process, 4 to 7 times harder structures were obtained. Among these samples, the lowest friction coefficient and the lowest wear rate were achieved in TiN coatings in terms of wear resistance.