Plazma nitrürleme ve indüksiyonla sertleştirilmiş GGG60 malzemenin aşınma davranışının incelenmesi
Investigation of wear behaviour of plasma nitriding and induction hardened GGG60 material
Yazar: İSMAİL AYKUT KARAMANLI
Danışman: DOÇ. DR. OKAN ÜNAL
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, bir sfero dökme demir çeşidi olan GGG60'a plazma nitrürleme ve indüksiyonla sertleştirme yüzey modifikasyon işlemleri uygulanmıştır. Plazma nitrürleme için 400 ℃, 450 ℃ ve 500 ℃ olmak üzere 3 farklı sıcaklık; 0.5 saat, 2 saat ve 4 saat olmak üzere üç farklı nitrürleme süresi uygulanmıştır. İndüksiyonla sertleştirme ise 15 kW, 17 kW, 19 kW ve 21 kW olmak üzere 4 farklı indüksiyon gücü; 9 ve 11 saniye olmak üzere iki farklı indüksiyon süresi için uygulanmıştır. Numuneler kuru aşınma testlerine tabii tutulmuştur. Aşınma testleri ball-on-disk yöntemiyle, 40 Hz frekansta, 10N, 20N ve 30N olmak üzere 3 farklı yükte, 1 saat boyunca yapılmıştır. Aşınma testleri sırasında anlık olarak sürtünme katsayılarındaki değişimler de incelenmiştir. Numunelerin mikroyapıları SEM ve EDS ile araştırılmıştır. Aşınma izlerinin incelemesi ise SEM ve 3D yüzey profilometresi ile yapılmıştır. Ayrıca tüm numunelerden kesit alınıp sertlik ölçümleri yapılmıştır. Aşınma sonuçları hacim kaybı ve spesifik aşınma oranı açısından değerlendirilmiştir. Ardından bu parametreler için 
optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon yöntemi olarak yüzey yanıt yöntemi (RSM) kullanılmıştır.

Sonuçlar, her iki yüzey modifikasyon işleminin de yüzey kalitesini olumsuz etkilediğini ve sürtünme katsayısını arttırdığını göstermiştir. Plazma nitrürleme sonrası yüzeyde bileşik tabaka, altında difüzyon bölgesi, en iç bölgede ise azot atomlarının ulaşamadığı çekirdek bölgesi olduğu görülmüştür. Bileşik tabaka ve difüzyon bölgesi kalınlıkları nitrasyon sıcaklığının ve süresindeki artışla birlikte artmıştır. İndüksiyonla sertleştirme sonrası yüzey ve yüzeye yakın bölgelerdeki grafit nodüllerinde çözünme olduğu bulunmuştur. İndüksiyon gücü ve süresindeki artışla çözünme de artmıştır. 

Numunelerin sertlik sonuçları her iki yüzey sertleştirme işleminin de yüzey sertliklerini arttırdığını göstermiştir. Nitrürleme sıcaklığı ve süresindeki artış sertlikleri de arttırmıştır. İndüksiyon gücündeki ve süresindeki artış sertlikleri arttırmıştır. İndüksiyonla sertleştirme ile plazma nitrürlemeden daha yüksek sertliklere ulaşılmıştır. Tüm işlemler değerlendirildiğinde fazla aşınan numunelerin işlem görmeyen numuneler olduğu görülmüştür. Yüzey modifikasyon işlemleri hacim kaybını azaltmış, aşınma performansını arttırmıştır. Aşınma yükündeki artış ise hacim kaybını arttırmıştır. Spesifik aşınma oranı sonuçları incelendiğinde ise; en yüksek aşınma oranının işlem görmeyen numunede olduğu bulunmuştur. Plazma nitrürleme uygulanan numuneler için işlem süresi ve sıcaklığındaki artış aşınma oranını azaltmıştır. İndüksiyonla sertleştirme uygulanan numuneler için de indüksiyon gücü ve süresindeki artışın aşınma oranını azalttığı bulunmuştur. İndüksiyonla sertleştirme uygulanan numuneler, plazma nitrürleme uygulanan numunelerden daha düşük spesifik aşınma oranlarına sahiptir. Ayrıca aşınma yükü artışı spesifik aşınma oranını da arttırmıştır.

Abstract:
In this study, plasma nitriding and induction hardening surface modification processes were applied to GGG60, a variety of ductile cast iron. Plasma nitriding was applied for 3 different temperatures (400℃, 450℃ and 500℃) and 3 different nitriding times (half an hour, 2 hours and 4 hours). Induction hardening was applied for 4 different induction powers (15 kW, 17 kW, 19 kW and 21 kW) and 2 different induction times (9 and 11 seconds). The samples were subjected to dry wear tests. Abrasion tests were carried out with the ball-on-disc method, at a frequency of 40 Hz, at 3 different loads (10N, 20N and 30N) for 1 hour. Changes in the coefficient of friction were also analyzed instantaneously during the wear tests. The microstructures of the samples were investigated by SEM and EDS. The wear scars were analyzed by SEM and 3D surface profilometer. In addition, cross-sections were taken from all samples and hardness measurements were made. The wear results were evaluated regarding Volume loss and specific wear rate. Optimizations were then performed for these  
parameters. Optimizations were performed using the surface response method (RSM).

The results showed that both surface modification processes negatively affected the surface quality and increased the friction coefficient. After plasma nitriding, it was observed that there was a compound layer on the surface, a diffusion zone below it, and a core zone in the innermost region where nitrogen atoms could not reach. The thickness of the compound layer and diffusion zone increased with the increase in nitriding temperature and time. After induction hardening, dissolution of graphite nodules on the surface and near the surface was found. Dissolution increased with the increase in induction power and duration. 

The hardness results of the samples showed that both surface hardening processes increased the surface hardness. The increase in nitriding temperature and time also increased the hardness. The increase in induction power and duration increased the hardness. Higher hardnesses were achieved with induction hardening than plasma nitriding. When all the processes were evaluated, it was observed that the samples with excessive wear were the untreated samples. Surface modification processes reduced the volume loss and increased the wear performance. The increase in wear load increased the volume loss. When the specific wear rate results were analysed; it was found that the highest wear rate was in the untreated sample. For the plasma nitriding treated specimens, the increase in process time and temperature decreased the wear rate. For the induction hardened specimens, it was found that the increase in induction power and duration decreased the wear rate. Induction hardened specimens have lower specific wear rates than plasma nitrided specimens. In addition, the increase in wear load also increased the specific wear rate.