Plazma nitrürleme işleminin düşük alaşımlı AISI 4140 çeliğinin yapı ve mekanik özelliklerine etkisi
Effect of plasma nitriding process on the microstructure and mechanical properties of AISI 4140 low alloy steel
Yazar: MUHAMMET ANIL KAYA
Danışman: DOÇ. DR. MURAT AYDIN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, plazma nitrürleme işleminin soğuk şekillendirilmiş (hammadde) durumdaki düşük alaşımlı AISI 4140 çeliğinin yapı ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Söz konusu çelik, öncelikle hafif silah endüstrisinde tabanca kapaklarının sertleştirilmesinde kullanılan geleneseksel su verme sertleştirmesi ve Avrupa silah endüstrisinde aynı parçanın sertleştirilmesinde bir başka yöntem olarak kullanılan ve termokimyasal bir işlem olan plazma (iyon) nitrürleme işlemlerine tabi tutuldu. Gerek hammadde gerekse geleneksel sertleştirilmiş ve plazma nitrürlenmiş durumdaki çeliğin yapı ve mekanik özellikleri ile yorulma davranışları incelendi. Yapılan incelemelerde,  hammadde durumundaki çeliğin içyapısının ferrit ve perlit fazlarından oluştuğu, uygulanan deformasyonun etkisiyle tanelerinin yönlendiği görüldü. Geleneksel sertleştirme ve menevişleme işlemlerinden sonra içyapının büyük oranda martenzit ve kalıntı osnetite dönüştüğü belirlendi. Plazma nitrürlenmiş çeliğin yüzeyinde kimyasal yapının değiştiği, yüzeyde demir nitrür bileşikleri içeren beyaz tabaka ve alaşım nitrürleri içeren difüzyon tabakasının oluştuğu gözlendi. Azot difüzyonun etkisiyle çeliğin yüzeyinde efektif sertlik derinliği 0,25-0,30 mm arasında ölçüldü.  En yüksek sertlik, çekme dayanımı ve tokluk değerleri plazma nitrürlenmiş çelikten elde edildi. Ayrıca, söz konusu çeliğin en iyi yorulma performansını yine plazma nitrürlenmiş durumda sergilediği görüldü. Yapılan korelasyonlar sonucunda, AISI 4140 çeliğinin her durumdaki yorulma davranışının Basquin bağıntısı ile ifade edilebileceği belirlendi. Yorulma örneklerinin kırılan yüzeylerinde yapılan incelemeler sonucunda hammadde ve geleneksel sertleştirilmiş numunelerde yorulma çatlağının yüzeyden başladığı, plazma nitrürlenmiş numunede ise dizfüyon tabakası ile çekirdek bölgesi arasında oluştuğu (balıkgözü çatlağı - fisheye crack)  gözlendi.

Abstract:
In this study, the effect of plasma nitriding on the structure and mechanical properties of cold drawn low alloy AISI 4140 steel has been investigated. The steel was subjected to traditional quenching process used for hardening of slide of pistol in the light weapon industry and plasma (ion) nitriding which is a thermochemical process used as an alternative method to harden the same parts in the European weapon industry. The structural and mechanical properties especially the fatigue behaviour of the raw, quenched and plasma nitrided AISI 4140 steel were examined. As a result of structural investigations, it was seen that the microstructure of raw material consisted of ferrite and perlite phases and the grains were oriented by the effect of deformation. It was also determined that microstructure was largely converted into martensite and residual austenite phases after traditional hardening and tempering treatments, It was determined that chemical composition of the surface of plasma nitrided steel was changed and  a white layer including iron nitrides and a diffusion layer including alloy nitrides are formed on the surface. The effective hardness depth of the steel surface due to the nitrogen diffusion was measured as 0.25-0.30 mm.  The highest hardness, tensile strength and impact toughness values were obtained from the plasma nitrided steel. Besides, the steel also exhibited the best fatigue performance in plasma nitriding condition. It was also found that the Basquin's equation could be used to express the fatigue behaviour of AISI 4140 steel in all states.  Examining the fractured surfaces showed that, the fatigue cracks of raw material and traditional hardened specimens initiated from the surface but, the fisheye cracks formed in a region between diffusion layer and core in plasma nitrided specimens.