Borlama yöntemiyle yüzeyi sertleştirilmiş r260 ray çeliğinin aşınma davranışının incelenmesi
Investigation of wear behavior of r260 rail steel surface hardened by boronizing method
Yazar: ÜMİT YARDIM
Danışman: DOÇ. DR. ONUR ERTUĞRUL
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Borlama = Boriding ; Ray çelikleri = Rail steels ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Ulaşım ve taşımacılık açısından demiryolları kritik öneme sahiptir. Kesintisiz ve güvenli bir ulaşım/taşımacılık sağlaması gerekir. Güvenli ulaşım ve taşımacılığı riske atan rayların çatlaması, rayların kırılması, parça kopmaları, ezilme ve yığılmalar ile ray aşınmaları bazı üstyapısal sorunlar söz konusudur. Bu üstyapısal sorunlardan dolayı kullanım ömrü azalmakta, onarım maliyetlerini artırmakta ve zaman kayıplarına sebep olmaktadır. 
Demiryollarında en fazla kullanılan ray tipi R260 kalite ray çeliğidir. R260 kalite ray çeliğinin üretimi kolay, maliyeti düşük ve istenilen mekanik özellikleri optimum düzeyde sağlamaktadır. Özellikle karma tren işletmeciliği (yolcu ve yük taşımacılığının aynı hat üzerinden yapılması) yapılan hatlarda kaba perlitik yapılı R260 kalitedeki ray çeliklerinin yüzeylerine etki eden yükler arttıkça ray-teker arasındaki gerilim artmakta, yuvarlanma yorulması artarken aşınma direnci düşmekte ve nihayetinde ray aşınmaktadır. Ray aşınmasını azaltmak adına demiryollarında R350HT kalite ray çeliği, yani ray mantarı indüksiyonla sertleştirilmiş ray kullanılmaktadır.
Bu çalışmada; R260 kalite ray çeliğinin yüzeyi, termokimyasal ısıl işlemlerden borlama (kutu borlama) ile sertleştirilmiş, metalografik yapısı ve aşınma davranışı incelenmiştir. Yüzey sertleştirme işlemi 900 oC sıcaklıkta 2 – 4 – 6 saat bekleme süreleri ile uygulanmıştır. Numunelerin kaplama kalınlıkları ve oluşan yapılar optik mikroskop altında incelenmiştir. Aşınma testleri 50 N ve 100 N yük altında, 3 Hz frekansında ve 200 m mesafesinde gerçekleştirilmiştir. İşlem sonucunda SEM, XRD, EDX, yüzey pürüzlülüğü ve mikrosertlik analizleri yapılmıştır. Borlama ile yüzeyi sertleştirilen ray malzemesinin tekere verdiği zarar ise teker malzemesinin aşınma testi sonrasında malzeme analizi yapılarak incelenmiş, gerçek aşınma davranışı simüle edilmiştir.
Analizler ve testler sonucunda elde edilen verilere göre borür tabaka kalınlığı borlama işleminin süresi arttıkça arttığı ve tek fazlı Fe2B tabakasının yanı sıra sıcaklığın artmasıyla sert yapılarda çekirdeklenen ve daha koyu renkli FeB-Fe2B ikili faz tabakasının oluştuğu görülmüştür. Ayrıca, XRD sonuçlarına göre bor tabakasında Fe2B, FeB, MnB ve CrB yapılarından, referans malzemelerde (R260 ve R350HT) Fe ve Cr7C3 yapılarının varlığından söz edilebilir. R260 ray çeliğinin sertliği yaklaşık 290 HV iken borlama sonrasında oluşan yapının sertlik değerlerinin 1362 HV-1795 HV arasında değiştiği, bu değişime ana malzemeye yakınlığın ve Fe2B'ye kıyasla daha sert olan FeB fazlarının etkili olduğu söylenebilir. Borlama işlem süresinin artmasıyla tane büyümesine bağlı olarak yumuşadığı ve yüksek bekleme sürelerinde daha yumuşak kaplama elde edildiği tespit edilmiştir. Yüzey pürüzlülüğü Ra değerleri 900 oC sıcaklıkta 2 – 4 – 6 saat için sırasıyla   0,293 µm, 0,534 µm, 0,475 µm, Rz değerleri 2,451 µm, 4,172 µm, 3,678 µm şeklinde bulunmuştur. Aşınma deneyi verilerine göre diğer değişkenler sabit olacak şekilde 50 N ve 100 N yükler altında borlanan numunelerin referans numunelerine göre daha az aşındığı ve ER7 tren tekerinden yapılan pinleri ise daha az aşındırdığı, R260 kalite ray çeliğinin R350HT kalite ray çeliğine göre daha fazla aşındığı, buna karşın R350HT'nin ER7 tren tekeri pinini daha fazla aşındırdığı, yükün artmasının genel olarak aşınmayı arttırdığı, borlanan numunelerin yükün artmasından referans malzemelere göre daha az etkilendiği görülmüştür. Sonuç olarak; demiryollarında R260 kalite ray çeliğinin alternatifi olarak kullanılan R350HT rayın aşınmayı azaltmasına karşın tren tekerini daha fazla aşındırdığı, borlanan numunelerin yüzeyinde oluşan borür tabakasının metal-metal temasını keserek hem tren tekerinde hem de raydaki adhezif aşınmayı azalttığı görülmüştür.

Abstract:
Railways are of critical importance in terms of transportation. It must provide uninterrupted and safe transportation. There are some superstructural problems such as cracking of the rails, breaking of the rails, breaking of parts, crushing and piling up, and rail wear, which puts safe transportation at risk. Due to these superstructural problems, the service life decreases, increases the repair costs and causes time losses.
The most commonly used rail type in railways is R260 quality rail steel. R260 quality rail steel is easy to manufacture, low in cost and provides the desired mechanical properties at an optimum level. Especially in the lines where mixed train operations (passenger and freight transport are carried out on the same line), as the loads acting on the surfaces of the R260 quality rail steels with coarse pearlitic structure increase, the tension between the rail and the wheel increases, while the rolling fatigue increases, the wear resistance decreases and finally the rail wears out.  In order to reduce rail wear, R350HT quality rail steel, that is, induction hardened rail, is used in railways.
In this study; the surface of the R260 quality rail steel is hardened by boronizing (box boronizing), which is one of the thermochemical processes, and its metallographic structure and wear behavior are investigated. The surface hardening process was applied at 900 oC with waiting times of 2 – 4 – 6 hours. The coating thickness of the samples and the resulting structures are examined under an optical microscope. The wear test is carried out under 50 N and 100 N loads and at a frequency of 3 Hz at a distance of 200 m. As a result of the process, SEM, XRD, EDX, surface roughness and microhardness analyses are made. The damage of the rail material, whose surface is hardened by boronizing, to the wheel is examined by making material analysis after the wear test of the wheel material, real wear behavior simulated.
According to the data obtained as a result of the analyses and tests, it is observed that the boronized layer thicknesses increased as the duration of the treatment implementation increased, and in addition to the single-phase Fe2B layer, a darker colored FeB - Fe2B binary phase layer, which nucleated in hard structures with the increase in temperature. In addition, according to XRD results, Fe2B, FeB, MnB, and CrB structures is found in the boron layer, and Fe and Cr7C3 structures were found in the reference materials (R260 and R350HT). While the hardness of R260 rail steel is about 290 HV, the hardness values of the structure formed after boronizing vary between 1362 HV - 1795 HV, and it can be said that the proximity to the base material and FeB phases, which are harder than Fe2B, are effective on this change. It has been determined that with the increase of the boronizing treatment duration, it softens due to grain growth and a softer coating is obtained at high treatment duration. Surface roughness for 2 – 4 – 6 hours at 900 oC, Ra values respectively are found as 0.293 µm, 0.534 µm, 0.475 µm, Rz values of 2,451 µm, 4.172 µm, and 3.678 µm.  According to the wear test data, the other variables being constant, the boronized samples  under 50 N and 100 N loads are less worn than the reference samples and the pins made from ER7 train wheels are less worn, R260 quality rail steel is more worn than R350HT quality rail steel, on the other hand,  It is observed that the  ER7 train wheel pin is worn more while other sample is R350HT, the increase in the load generally increased the wear, the boronized samples are less affected by the increase in the load than the reference materials. As a result; it has been observed that the R350HT rail, which is used as an alternative to R260 quality rail steel in railways, reduces wear, but wears the train wheel more, and the boron layer formed on the surface of the boronized samples reduces the adhesive wear on both the train wheel and the rail by cutting the metal-metal contact.