Borlanmış Fe-Ni ikili alaşımlarının manyetik ve bazı mekanik özelliklerinin araştırılması

Abstract

Borlama yöntemi özellikle son yıllarda araştırmacıların ilgisini çekmekte ve bu konuda oldukça yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Borlama genellikle demir esaslı malzemelere uygulanan termokimyasal bir yüzey sertleştirme işlemidir. Bu yöntemin avantajları, diğer yüzey sertleştirme işlemleri ile elde edilemeyen yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci ve yüksek korozyon direncidir. Diğer taraftan, permalloys olarak isimlendirilen Fe-Ni alaşımları manyetik özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Permalloyların uygulama alanlarının genişlemesi, bu alaşımların yoğun bir şekilde çalışılmasına neden olmaktadır.Bu çalışmada, farklı Ni konsantrasyonuna sahip Fe-Ni ikili alaşımlarının manyetik ve bazı mekanik özellikleri üzerine borlamanın etkisi araştırılmıştır. Buna ek olarak borlanmış Fe-Ni alaşımlarının radyasyon zırhlama özellikleri de incelenmiştir. Bu amaç için, hazırlanan numuneler farklı sıcaklık ve sürelerde borlama işlemine tabi tutuldu. Borlanmış Fe-Ni alaşımlarının yüzeyleri, SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), XRD (X Işınları Difraktometresi), GDOES (Glow Discharge Optik Emisyon Spektrometresi) ve EDS (Enerji Dağılım Spektrometresi) kullanılarak karakterize edildi. Numunelerin mikro sertlik, manyetik saturasyon ve lineer zayıflatma katsayısı ölçümleri gerçekleştirildi.Borlanmış Fe-Ni alaşımlarının tabaka kalınlıkları; işlem süresinin, işlem sıcaklığının ve nikel içeriğinin artmasıyla artmıştır. Tabaka üzerindeki fazların nikel silisid ve boro-silisidlerin baskın olduğu çok fazlı bir yapıda oldukları görülmüştür. Borür tabakalarının yüzey sertlikleri Vickers mikro sertlik yöntemi ile 1011 ile 1350 Hv0.05 aralığında ölçülmüştür. Sonuçlar Fe-Ni alaşımlarının yüzey sertliğinin borlama ile 6-7 kata kadar iyileştiğini göstermiştir. Diğer taraftan elde edilen tabakaların kalınlıklarıyla ilişkili olarak borlama sıcaklığının ve süresinin büyüme kinetiği üzerine olan etkileri de incelenmiştir. Borlanmış Fe-Ni alaşımlarında borun aktivasyon enerjisi Ni konsantrasyonuna bağlı olarak 106,45 ile 119,94 kJ/mol aralığında tespit edilmiştir. Manyetik saturasyon (Ms) ölçümleri borlamanın manyetik saturasyon üzerine ciddi etkileri olduğunu göstermiştir. Borlama sıcaklığının ve süresinin artması Ms değerlerini azaltmıştır. Benzer şekilde artan Ni konsantrasyonu ile de manyetik saturasyon azalmıştır. Son olarak, borlanmış Fe-Ni alaşımlarının radyasyon soğurma katsayıları (µ) borlama sıcaklığına, borlama süresine ve Ni konsantrasyonuna bağlı olarak tayin edilmiştir. Elde edilen sonuçlar artan borlama sıcaklığı ve borlama süresinin µ değerlerini arttırdığını göstermiştir. Benzer durum Ni konsantrasyonunun artmasıyla da gözlemlenmiştir.

Boriding method has attracted the attention of researchers especially in the recent years and very intensive studies have been carried out in this subject. Boriding which is generally applied to iron based materials is a thermochemical surface hardening treatment. The advantages of this method are high hardness, high wear resistance, and high corrosion resistance which could not be obtained by using other surface hardening processes. On the other hand, Fe-Ni alloys called as permalloys are of great interest due to their magnetic properties. The expansion of the application areas of permalloys causes these alloys to be studied, intensively.In this study, the effect of boriding on the magnetic and some mechanical properties of Fe-Ni binary alloys with different Ni concentration have been studied. Besides this, the radiation shielding properties of borided Fe-Ni alloys have been investigated. For this purpose, the prepared samples were exposed to boriding process with different time and temperatures. The surfaces of the borided Fe-Ni alloys were characterized using SEM (Scanning Electron Microscope), XRD (X-Ray Diffraction), GDOES (Glow Discharge Optical Emission Spectrometry) and EDS (Electro Diffusion Spectrometry). The measurements of microhardness, magnetic saturation and linear attenuation coefficient were carried out. The layer thicknesses of borided Fe-Ni alloys were increased with increasing the treatment time, process temperature and nickel content. It was observed that the phases on the layer were multiphase structure with the predominance of nickel silicides and boro-silicides. The surface hardness of the boride layers was measured between 1011 and 1350 Hv0.05 by Vickers microhardness method. The results showed that the surface hardness of Fe-Ni alloys improved up to 6-7 times by boriding. On the other hand, the effects of boriding temperature and time on the growth kinetics in relation to the thickness of the obtained layers were also investigated. The activation energies of boron in borided Fe-Ni alloys were determined between 106.45 and 119.94 kJ/mol related to Ni concentration. Magnetic saturation (Ms) measurements showed that boriding had serious effects on magnetic saturation. Increasing boriding temperature and time decreased Ms values. Similarly, magnetic saturation decreased with increasing Ni concentration. Finally, the linear attenuation coefficients (µ) of borided Fe-Ni alloys were determined depending on the boriding temperature, boriding time and Ni concentration. Obtained results showed that increasing boriding temperature and boriding time increased µ values. A similar situation was observed with increasing Ni concentration.