Nitrasyon ve borlama yapılan yüksek manganlı çeliğin korozif ve aşınma özelliklerinin incelenmesi
The investigation of corrosive and wear properties of nitrided and borided high manganese steel
Yazar: CİHANGİR TEVFİK SEZGİN
Danışman: DOÇ. DR. FATİH HAYAT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Adezyonlar = Adhesions ; Aşınma = Wear ; Borlama = Boriding ; Korozyon = Corrosion ; Manganez = Manganese ; Nitrürleme = Nitriding ; Çelik = Steel

Özet:
Bu çalışmada, yüksek manganlı bir çelik (YMÇ) döküm yapıldıktan sonra soğuk
haddeli hali ve ısıl işlemli hali olmak üzere iki kısma ayrılmıştır. Isıl işlem, 1000 °C'de
30 dakika ısıtma ve sonrasında suda su vererek gerçekleştirilmiştir. Her iki gruptaki
YMÇ'lere, 850, 900 ve 950 °C'de 2, 4 ve 6 saat borlama işlemi; 520 ve 570 °C'de 12, 18 ve 24 saat gaz nitrasyon işlemi uygulanmıştır. Borlanmış ve nitrürlenmiş YMÇ'ler ile ana malzemelerin XRD analizleri yapılmış, SEM, EDS nokta analizi, EDS elementel haritalama ve optik mikroskopta mikroyapıları incelenmiş, oluşan tabakaların kalınlıkları ölçülmüştür. Daha sonra tabakaların mikrosertlik değerleri ölçülmüştür. VDI 3198 normuna göre adezyon testleri yapılarak tabakaların adezyon özellikleri incelenmiştir. Pürüzlülükleri incelenen numunelerin daha sonra 5, 10 ve 15 N yük altında aşınma testi ile aşınma hacim kayıpları, aşınma oranları ve sürtünme kat sayıları (COF) tespit edilmiştir. EDS elementel haritalama ve EDS çizgisel analiz ile aşınma izindeki elementel dağılımların değişimi tespit edilip, SEM görüntülerinden aşınma testi sonucu ortaya çıkan aşınma hasarları tespit edilerek analizleri yapılmıştır. Korozyon testleri %3,5 tuzlu su çözeltisinde potansiyodinamik polarizasyon ölçümü yapılarak korozyon hızları tespit edilmiştir. YMÇ alaşımlı bir çelik olmasına rağmen borlanmış numunelerde az alaşımlı ve az karbonlu çeliklerde görülen "testere diş morfolojisi" gözlemlenmiştir. Soğuk hadde sonrası gaz nitrürlenen numunelerde "genişlemiş martenzit" tabakası ile karşılaşırken ısıl işlem sonrası gaz nitrürlenmiş numunelerde "beyaz tabaka" meydana gelmiştir. Borlanmış YMÇ'lerde en yüksek sertlik 1915 HV0,05; gaz nitrürlenmiş YMÇ'lerde 1035 HV0,05 olarak tespit edilmiştir. Her iki işlem de ana malzemenin yüzey sertliklerini arttırdığı gözlemlenmiştir. Adezyon testleri yapılan borlanmış numuneler, VDI 3198 normuna göre HF1-HF3; gaz nitrürlenmiş numunelerin hepsinin HF1 kalite sınıfında oldukları tespit edilmiştir.Aşınma testinden önce yapılan pürüzlülük testlerinde en düşük pürüzlülüğe 0,267 µm ile soğuk haddeli orjinal malzeme sahipken en yüksek pürüzlülüğe 1,759 µm ile ısıl işlem ve 570 °C'de 12 saat gaz nitrasyon uygulanmış numune sahiptir. Aşınma testleri, soğuk hadde sonrası borlanmış bütün numunelerin bütün aşınma testi yüklerinde soğuk haddeli YMÇ ile mukayesesinde aşınma hacim kayıplarının düşük olduğu ve YMÇ'nin aşınma özelliklerini geliştirdiğini ortaya koymuştur. Isıl işlem sonrası borlanan numunlerin bazılarının 5 N yük altında yapılan aşınma testlerinde ısıl işlemli YMÇ'den daha yüksek; 10 ve 15 N yük altındaki testlerde daha düşük aşınma hacim kayıplarına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Nitrürlenmiş bütün numuneler hem soğuk haddeli ve hem de ısıl işlemli numunelerden daha iyi aşınma performanlarına sahip oldukları gözlemlenmiştir. Dolayısıyla gaz nitrasyon, borlamaya göre YMÇ'nin aşınma direncini daha çok geliştirmiştir. Borlama ve nitrasyon işlemlerinin soğuk haddeli ve ısıl işlemli orjinal YMÇ'nin korozyon potansiyellerini daha pozitif yöne doğru çektiklerini tespit edilmiştir. Potansiyodinamik polarizasyon testinde, borlamanın genel olarak soğuk haddeli ve ısıl
işlemli orjinal YMÇ'nin korozyon hızlarını düşürdükleri tespit edilmiştir. Gaz nitrasyon uygulanan numunelerin hepsinin korozyon hızı soğuk haddeli ve ısıl işlemli orjinal YMÇ'den daha düşük çıkmıştır. Bu da gaz nitrasyonun, borlamaya göre YMÇ'nin korozyon direncini daha iyi geliştirdiği göstermektedir.

Abstract:
In this study, after a high manganese steel (HMS) was produced, it was clasiffied two parts as cold rolled and anealled. HMS was annealed at 1000 °C for 30 minutes and cooled in water. HMSs in both groups were borided at 850, 900 and 950 °C for 2, 4 and 6 hours and nitrided for 12, 18 and 24 hours at 520 and 570 °C by using gas nitriding method. XRD analyzes of all samples were carried out, microstructures were examined in SEM, EDS point analysis, EDS elemental mapping and optical
microscope, boriding and nitriding layer thicknesses were measured with SEM. The microhardness values of the layers were measured. The adhesion properties of the borided and nitrided layers were investigated by performing adhesion tests according to the VDI 3198 norm. The roughness of sample was investigated. The wear volume losses, wear rates and coefficients of friction (COF) of the samples were determined by the wear test under 5, 10 and 15 N loads. With EDS elemental mapping and EDS linear analysis, the changes in the elemental distributions in the wear trace were determined, and the analyzes were carried out by detecting the wear damage resulting from the wear test from the SEM images. Corrosion tests were performed with potentiodynamic polarization measurement in 3.5% NaCl solution, and corrosion rates were determined. Although HMS is an alloy steel, the "saw tooth morphology" seen in low alloyed and low carbon steels was observed in boronized samples. While "expanded martensite" layers were observed at cold-rolled gas nitrided samples, "white layer" occured in annealed gas nitrided samples. While the highest hardness was determined in borided samples as 1915 HV0,05, the highest hardness was determined in gas nitrided samples as 1035 HV0,05. Both processes increased the surface hardness of the base material. Although borided samples are classified in HF1-HF3 adhesion quality, all gas nitrided samples are classified in HF1 adhesion quality according to VDI 3198 norm. The roughness tests showed that while unannealed base metal had the lowest roughness with 0.267 µm, HMS annealed and nitrided for 12 hours at 570 °C had highest roughness with 1.759 µm. Wear tests revealed that all nitrided and boronized samples had lower wear volume losses compared to unannealed base metal at all wear test loads and both of these surface treatment improved wear properties of HMS. All nitrided samples also had better wear performance than unannealed base metal and annealed base metal. Gas nitriding process improved the wear resistance of HMS more than boriding process. It has been determined that boriding and nitriding processes caused more nobler the corrosion potentials of unannealed base metal and annealed base metal. In the potentiodynamic polarization test, it was determined that boriding generally reduced the corrosion rates of unannealed base metal and annealed base metal. The corrosion rate of all nitrided samples was lower than unannealed base metal and annealed base metal. It has been observed that gas nitriding improves corrosion resistance better than boriding.