32CrMoV çeliğinin aşınma direncini arttırmak için yeni bir ısıl işlem metodunun geliştirilmesi
Development of a novel heat treatment method for enhancing the wear resistance of 32CrMoV steel
Yazar: HANDE ÖZCAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. BENAT KOÇKAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bor = Boron ; Demir borür = Iron boride ; Isıl işlem = Heat treatment ; Mikrosertlik = Microhardness ; Mikroyapı = Microstructure

Özet:
Borlama yönteminde çelik malzemeler borca zengin bir ortamda belirli sıcaklıkta ve süre ile tutulur ve borun yüzeyden içeriye penetre ederek çelik yüzeyinde FeB ve Fe2B gibi yüksek sertliklere (1500HV-2000HV [1]) sahip ikincil fazların oluşması sağlanır [2-5]. Bu tezde borlama işlemleri olarak hem toz borlama hem de pasta borlama uygulanmıştır. Bor pastası kullanılarak ısıl işlem yapılması ile yüzeyde koruyucu bir tabaka oluşmuştur ve böylece malzeme oksitlenmeye karşı korunmuştur. Fakat toz borlama yönteminde oksitlenmeyi önlemek için, atmosfer kontrollü bir ortamda deneyler gerçekleştirilmiştir ve bu tezde atmosfer kontrolü, inert bir gaz olan argon gazı kullanılarak sağlanmıştır [6]. Her iki yöntemde de malzeme, ısıl işleme tabi tutulduktan sonra su verme ile aniden soğutulmuştur. Bunun nedeni ise oluşan mikroyapının ani soğutma ile sabitlenmesidir. Toz borlama yönteminden farklı olarak, fırının soğuk bölgesinde soğutma işlemi de denenmiştir. Su verme ile ani soğutmanın öncesinde, malzemenin saniyelerle sınırlı da olsa açık atmosferde oksitlenme riskinin olduğu düşünüldüğünden dolayı, argon atmosferinde bulunan, fırının soğuk bölgesinde soğutma işleminin yapılması gerçekleştirilmiştir. Ardından malzeme ortadan ikiye kesilerek borun yüzeydeki difüzyonu incelenmiştir. Bunun için malzeme ilk olarak kabadan inceye doğru zımparalanmış, ardından elmas süspansiyon yardımı ile parlatma işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra hacimce \%2'lik nital solüsyonu ile dağlama işlemi yapılmıştır. Dağlama işlemi, mikroyapının ortaya çıkması için uygulanan bir yöntemdir. Dağlanan malzemelerin optik mikroskop yardımı ile mikroyapıları incelenmiştir ve daha yüksek büyütmede mikroyapı incelemeleri için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) yöntemi kullanılmıştır. Yüzeyde oluşan fazların tayini için X-Işını Kırınımı Yöntemi (XRD) ile malzemeler analiz edilmiştir.Karbürleme deneyleri inert atmosfer kullanılmaksızın gerçekleştirilmiştir. Bunun nedeni karbürleme reaksiyonu için karbon içeren toz malzemede öncelikle bir reaksiyon oluşması gerekliliği ve çıkan karbonmonoksitin karbon difüzyonunu sağlamasıdır. Karbon tozu olarak, ticari olarak satılan odun kömürü kullanılmıştır. Odun kömürü agat havanda öğütülmüş ve toz haline getirilmiştir. Karbürleme işlemi için de yukarıda anlatılan bütün adımlar aynı şekilde uygulanmıştır.Bu tezde, literatürde daha önce denenmemiş yeni bir yöntem olan borokarbürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Borokarbürleme işlemi, karbon ve bor tozunun eşit oranda karıştırılması ile malzemeye uygulanan bir ısıl işlem ile yüzey sertleştirme yöntemidir. Borokarbürleme deneyleri de inert atmosfer kullanılmaksızın gerçekleştirilmiş ve borlama yönteminde anlatılan tüm adımlar sıra ile uygulanmıştır.Borlama, karbürleme ve borokarbürleme işlemleri sonrasındaki malzemedeki mikroyapı evrimi incelenmiş ve üç işlem sonrasında malzemenin sertliğindeki artış kıyaslanmıştır. Buna göre borlama yönteminde en yüksek yüzey sertliği elde edilmiştir ve yüzey sertliği 1800HV'lere kadar çıkarılmıştır [7]. Karbürizasyon ile elde edilen yüzey sertlikleri, borlama ile elde edilene göre daha düşüktür. Bazı sıcaklıklarda yüzey sertliği, ana malzemenin matris sertliğinden de düşük olmaktadır. Bunun nedeni ortamdaki karbon oranın malzemedeki karbon oranından düşük olması ve malzemeden karbon çekilerek dekarbürizasyon olmasıdır. Borokarbürleme deney sonuçlarındaki yüzey sertliğinin de borlama deneyleri kadar yüksek olmadığı gözlemlenmiştir. Öteyandan borokarbürleme deneylerindeki, yüzeyden matrise doğru olan mikrosertlik profilindeki düşüşün, borlamadaki kadar sert bir düşüş olmadığı görülmüştür.Yapılan borlama, karbürleme ve borokarbürleme deney sonuçlarına göre parametrelerin optimize edilmesinin ardınan, gerçek ölçekte namlu deneyleri yapılmıştır. Namluya uygulanabilirliği en uygun olan, yiv setlerini geometrik açıdan bozmayacak ve namlu yüzey pürüzlülük kalitesini düşürmeyecek yöntem olarak toz borlama seçilmiş ve MKE'den tedarik edilen MP5 namlu üzerinde bu yöntem uygulanmıştır. Namluya yapılan toz borlama işlemlerinden sonra, 1000'lik atış testleri MKE tarafından gerçekleştirilmiş ve atış testi sonrası namluların mikrosertlik ve mikroyapı karakterizasyonları yapılmıştır. Buna göre, atış sonrası malzemede mikroyapı ve mikrosertlik açısından herhangi bir değişim olmadığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In the boriding process, steel materials are kept in the boron-rich media during a certain period of time at a given temperature in order to form very hard second phaseses such as FeB and Fe2B (1500HV-2000HV [1]) on the surface of the steel by penetrating the boron into the material [2-5]. In this thesis, both powder boronizing and paste boronizing are applied in the boriding process. Using the boron paste, the protective layer is formed during the heat treatment, and thus the material is protected against oxidation. On the other hand, in powder boronizing, the experiments are conducted in a controlled atmospheric environment to prevent oxidation and in this thesis, atmosphere control is performed by using the inert gas argon [6]. In both methods, after the heat treatment, the material is cooled rapidly by water quenching. This is due to the stabilization of the microstructure by rapid cooling. Different from the powder boronizing, the cooling process is also carried out in the cold part of the oven. Then, the material is cut in half to analyze the diffusion of boron to the surface. The material is first grinded using rough to fine SiC papers, and then the polishing process is performed with diamond suspension. The material is further etched with \%2 nital solution in volume. Etching is a process for revealing the microstructure. The microstructures of etched materials are analyzed with optical microscope and Scanning Electron Microscope (SEM) is further utilized for observing the microstructures at higher magnification. To determine the phases formed on the surface, the materials are analyzed by X-Ray Diffraction (XRD) method.Carburizing experiments are conducted without the use of inert atmosphere. The reason is that for the carburizing reaction, the initial reaction is needed in carbon-containing power material and the resulting CO provides the diffusion of carbon atom into the material. Commercially available charcoal, is used as a carbon powder for the carburizing process, all the steps described above are applied in the same fashion.In this thesis, a new method borocarburizing is applied and to the best of our knowledge, this method is not performed in the literature before. Borocarburizing process is a surface hardening heat treatment method by mixing equal proportion of carbon and boron powder. Borocarburizing experiments are also carried out without using inert atmosphere and all steps described in boronizing process are applied in order.After boriding, carburizing and borocarburizing processes, the microstructural evolution of the material is analyzed and the increase in the surface hardness of the material after these three processes is compared. According to this comparision, the highest surface hardness is achieved in boriding process and the surface hardness increases up to 1800HV [7]. The surface hardness obtained by carburizing is less than that of obtained with boriding. In some temperatures, the surface hardness is lower than the matrix hardness of the base material. This is because the carbon content in the atmosphere. Since carbon content is less than the material carbon content, diffusion process develops from material surface through the atmosphere. This is called decarburization. The borocarburizing experiments show that the surface hardness are not as high as which is observed in boriding experiments. On the other hand, it is observed that decrease in microhardness profile from surface to the matrix in borocarburizing experiments is not as sharp as the decrease which is observed in boriding.After optimizing the process parameters according to the experimental results of boriding, carburizing and borocarburizing, the barrel experiments are carried out in real scale. Powder boronizing is chosen as the most appropriate method which is applicable to the barrel, does not change the geometry of the thread sets and does not reduce the quality of roughness of the surface. This method is applied to MP5 barrel supplied from MKE. After powder boronizing process of the barrels, fire tests of 1000 rounds are conducted by MKE and after the fire test, microhardness and microstructure characterization of the barrels are performed. Accordingly, after the fire tests, it is observed that there is no change in terms of microstructure and microhardness of the material.