Fe-si ikili alaşımlarında artan silisyum miktarının borlanma özelliklerine etkisi
Effects of increasing silicon amount to boriding binary Fe-Si alloys
Yazar: UTKAN ŞAHİNTÜRK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YÜCEL GENÇER
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Demir = Iron ; Demir borür = Iron boride ; Demir esaslı alaşımlar = Iron base alloys

Özet:
Bu çalışmada demir esaslı malzemelerin borlanmasında silisyumun müstakil etkisinin belirlenmesi amacıyla; saf demir ve saf silisyum kullanılarak ark ergitme cihazında % at. 1, 2, 4, 8 ve 16 Si içeren sentetik Fe-Si ikili alaşımları hazırlanmıştır. Altlık olarak kullanılacak olan Fe-Si alaşımlar ile saf demire gerekli yüzey hazırlama işlemlerinden sonra borlama öncesi ön karakterizasyonlar yapılmıştır. Fe-Si alaşımları ile saf demir 900 °C, 1000 ºC ve 1100 °C sıcaklıklarda Ekabor-II tozu kullanılarak kutu borlama tekniğiyle 3 saat borlama işlemine tabi tutulmuştur.Borlanmış saf demir ve Fe-Si alaşımların spektrometre, profilometre, OM, SEM, Vickers mikrosertlik, XRD, SEM-EDS cihazları kullanılarak karakterize edilmiştir. Kaplanmış numunelerin kimyasal kompoziyonu, yüzey pürüzlülüğü, kaplama kalınlığı, yüzey ve kesit morfolojisi, kaplama sertliği ve kırılma tokluğu, kaplama ile oluşan fazlar ve önemli elementlerin dağılımı tespit edilmiştir.Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde; silisyumun bor tabakasında çözünmediği ancak geçiş bölgesi olarak tanımlanan kaplama ile altlık arasındaki bölgede yoğunlaştığı tespit edilmiştir. Borlanmış saf demir için iki farklı bölge mevcut olup bunlar; (i) Fe2B borür tabakası ve (ii) saf Fe altlık; borlanmış Fe-Si alaşımları için ise üç farklı bölge mevcut olup bunlar; (i) FeB ve Fe2B' den oluşan çift katlı borür tabakası, (ii) silisyumun yoğunlaştığı geçiş bölgesi ve (iii) Fe-Si altlıktır. Borlanmış saf demirde testere dişi şeklinde borür tabakası/matris arayüzeyi görülmekte olup borür tabakası porozite ve çatlak içermemektedir. Artan Si içeriğiyle birlikte borlanmış Fe-Si alaşımlarda testere dişi şeklindeki arayüzey yapısı daha düz şekildeki bir yapıya dönüşmektedir ve borür tabakasında porozite ile çatlaklar görülmeye başlanmaktadır. Aynı borlanma sıcaklığında borür tabakası kalınlığı artan Si içeriğiyle birlikte düşmektedir. Aynı kimyasal kompozisyonda ise artan borlama sıcaklığı ile birlikte borür tabakası kalınlığı artmaktadır. Borür tabakası sertlik değerleri ile Si içeriği arasında belirgin bir ilişki görülmemekle birlikte borlanmış Fe-Si alaşımlarda üç farklı bölgeye ait sertlik değerleri elde edilmiştir. Yüzey pürüzlülüğü borlama prosesi ile artmaktadır ancak Si içeriği ile yüzey pürüzlülüğü arasında belirgin bir ilişki görülmemiştir. Aynı kimyasal kompozisyonda artan borlama sıcaklığıyla birlikte ise yüzey pürüzlülüğü artmaktadır. Kırılma tokluğu değerlerinin artan Si içeriğiyle birlikte azaldığı bulunmuştur. Borlama başlangıcından itibaren borun saf demir ve Fe-Si alaşımlardaki yayınımına ait aktivasyon enerjisi Si içeriğiyle ilişkili belirgin bir değişim göstermemektedir. Ancak % at. 8 ve 16 Si içeren Fe-Si alaşımlarda reaksiyon kinetiğinin değiştiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, binary Fe-Si alloys (at. % 1, 2, 4, 8, 16 Si) were prepared by arc melting method using pure iron and silicon to determine the influence of silicon to the boronizing behavior of iron based materials. Fe-Si binary alloys and pure iron, which will be used as substrates, were prepared and characterized with the conventional metallographic methods before boronizing. Boronizing of pure iron and Fe-Si binary alloys were carried out by pack boronizing method using Ekabor-II powder at 900 °C, 1000 °C, 1100 °C for the duration of 3 h.Spectrometer, profilometer, OM, SEM, Vickers microhardness tester, XRD, SEM-EDS devices were applied to specify and characterize the chemical composition, surface roughness, coating thickness, surface and cross section morphology, coating microhardness, fracture toughness, phase content and elemental composition of boronized pure iron and Fe-Si binary alloys.The experimental results showed that, Si was not dissolved in the boride layer, however it was accumulated in the region defined as transition zone between the boride layer and the substrate. Two distinct regions were formed during the boronizing of pure iron: (i) single phase Fe2B boride layer, (ii) pure iron subsrate whereas during the boriding of Fe-Si binary alloys three regions were formed: (i) polyphase of FeB and Fe2B boride layer, (ii) Si rich transition zone, (iii) Fe-Si substrate. Tooth shaped morphology was observed at the boride layer/matrix interface on the boronized pure iron and there were no porosity and cracks at the boride layer. On the other hand with the increasing amount of silicon, tooth shaped morphology at the boride layer/ matrix interface became smoother though cracks and porosity were detected at the boride layer. At the same boronizing temperature the boride layer thickness was decreased with the increasing Si content while at the same chemical composition with the increasing temperature boride layer thickness was increased. The microhardness results revealed that there were no relationship between the increasing content and microhardness values yet at the boronized binary Fe-Si alloys there were different microhardness regions. Surface roughness was increased with the boronozing process however as in the microhardness values of boride layer, there was no clear relationship between the Si content and surface roughness whereas at the same chemical composition with the increasing temperature surface roughness was increased. Fracture toughness values were decreased with the increasing amount of Si. From the beginning of boronizing process, the activation energies, which belong to the diffusion of boron into the pure iron and binary Fe-Si alloys were not significantly changed. However, it was observed that the diffusion kinetics changed for Fe-Si alloys containing at. % 8 and % 16 Si.