AISI 1020 çeliğinin elektrokimyasal olarak borlanması ve borlama işleminin darbeli kayma aşınma davranışına etkisi
The effect of boriding process on impact sliding wear behavior of electrochemical borided 1020 steel
Yazar: RECEP GÜNER
Danışman: PROF. DR. HARUN MİNDİVAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Darbeli kayma aşınması, darbe ve kayma hareketlerinden kaynaklanan, parçaların hızlı aşınma arızasına yol açabilen ve oldukça karmaşık bir hasar sürecine sahip yaygın bir kompozit aşınma türüdür. Bu tür aşınma, yüksek hızlı demiryolu katener sistemi, nükleer enerji santralleri, rulmanlar, dişliler, vana yatakları, matkap uçları, yapay eklem, demiryolu ray sistemi yön değiştiren bileşenler gibi geniş bir endüstriyel ekipman yelpazesinde yaygındır. Yüzey hasarı olarak bilinen aşınma, parçanın hizmet ömrünü azaltır, ekipmanın işletme maliyetlerini artırır ve kritik bileşenlerin arızası nedeniyle ölümcül hasarlara yol açabilir. Temel malzemenin özelliklerini değiştirmeyen yüzey iyileştirme teknikleri, parçaların aşınma direncini artırmak için giderek daha fazla araştırılıyor ve uygulanıyor.
Borlama, çeliklerin yüzey özelliklerini iyileştirmek için genellikle iki (FeB ve Fe2B) tabakalı yapıdan oluşan sert demir borür tabakaları oluşturarak kullanılır. Ancak, özellikle FeB'nin termal genleşme katsayıları ve kırılganlığı, borlanmış çeliklerin çevrimsel yük altında temas yüzeylerinde kullanımını sınırlar. AISI 1020 çelikleri üzerinde yapılan geleneksel borlama uygulamalarıyla ilgili birçok çalışma yayınlanmış olmasına rağmen, oluşturulan kaplamalarda FeB'nin varlığı nedeniyle elde edilen sonuçlar endüstride uygulanamaz.
Bu çalışmanın amacı, AISI 1020 çeliğinin yüzey özelliklerini ergimiş tuz elektrolizi ile borlama uygulayarak iyileştirmek ve AISI 1020 çeliğinin darbeli-kayma aşınma davranışını incelemektir. Bu çalışmada, borlamanın AISI 1020 çeliğinin aşınma direnci üzerine etkisi, özel tasarlanmış bir darbeli-kayma aşınma test cihazı kullanılarak araştırılmıştır. Borlanmış ve işlem görmemiş numunelerin yapısal karakterizasyonu, X-ışını difraktometresi ve optik mikroskop kullanılarak yapılmış ve sertlikleri ölçülmüştür. Oda sıcaklığında darbeli-kayma aşınma deneyine tabi tutulan numunelerin aşınma mekanizmasını belirlemek için aşınma izleri optik mikroskop altında incelenmiştir. Aşınma kayıpları, 2-D profilometre kullanılarak ölçülmüştür. Bu incelemelerin sonuçları, borlamanın AISI 1020 çeliğinin oda sıcaklığında darbeli-kayma aşınma direncini artırdığını ortaya koymuştur. Mikroyapı ve mikrosertlik analiz sonuçlarına göre, 950 °C'de 15 dk elektrokimyasal borlama (EB) ve 45 dk bekleme koşulu sonucunda yüzeyde yaklaşık 40 μm kalınlığında ve yüzey sertliği olarak 1450±50 HV0,05 değerine sahip tek tabakalı (Fe2B) bir borür yapısı oluşmuştur. Ancak, 950 °C'de 30 dk EB ve 45 dk bekleme koşulu sonucunda yaklaşık 140 μm kalınlığında ve yüzey sertliği olarak 1900±50 HV0,05 değerine sahip iki tabakalı (FeB+Fe2B) bir borür yapısı oluşmuştur. Özetle, borür yapıların aşınma direnci, darbe ve kayma bölgelerinde farklılık göstermiştir. Tek tabakalı (Fe2B) borürlü yapı, darbe bölgesindeki tokluğu ve sünekliği nedeniyle daha iyi performans sergilemiş ve daha az aşınma derinliği elde edilmiştir. Ancak, iki tabakalı (FeB+Fe2B) borürlü yapı, daha yüksek sertliği nedeniyle kayma bölgesinde daha iyi performans göstermiştir, ancak bu durum, çelik bilyanın yüzeyinde daha fazla aşınmaya neden olmuştur.

Abstract:
Impact-sliding wear, which is caused by impact and sliding motions, is a common type of composite wear that can quickly lead to rapid wear failure of parts and has a very complex damage process. This type of wear is common in a wide range of industrial equipment, including high-speed railway catenary systems, nuclear power plants, bearings, gears, valve seats, drag bits, artificial joints, railway track system turnouts, and other components. Wear failure as a type of surface damage reduces the service life of the part, raises the running costs of the equipment, and can even lead to catastrophic accidents owing to the breakdown of crucial components. Surface strengthening techniques that do not modify the properties of the base material are increasingly being explored and implemented to improve the wear resistance of parts.
Boriding is typically used to improve the surface properties of steels by forming layers of hard iron boride composed of dual FeB and Fe2B phases. However, structural distinctions between these borides, specifically the thermal expansion coefficients and brittleness of FeB, restrict the use of borided steels on contact surfaces under cyclic loads. Even though numerous studies on conventional boriding applications on AISI 1020 steels via pack boriding or plasma paste boriding have been published, their results cannot be implemented in industry due to the presence of FeB in the grown coatings.
The purpose of this study is to improve the surface properties of AISI 1020 steel by applying cathodic reduction and thermal diffusion-based boriding by forming thick single-phase Fe2B layer and dual phase boride structures composed of Fe2B (inner) and FeB (outer) on AISI 1020 steel, and then to examine the impact sliding wear behavior of samples. In the present study, the influence of boriding on the wear resistance of AISI 1020 steel was investigated by a homemade impact-sliding wear tester. Structural characterization of borided and bare samples was conducted using an X-ray diffractometer and optical microscope, along with hardness measurements. Wear tracks of samples subjected to an impact-sliding wear test at room temperature were examined under an optical microscope in order to determine their wear mechanism. A 2-D profilometer was also used to measure the wear loss. Results of these examinations revealed that boriding leads to an increment in the impact-sliding wear resistance of AISI 1020 steel at room temperature. On the basis of the microstructure and microhardness analysis results, it has been determined that a single-layered (Fe2B) borided structure with a thickness of approximately 40 μm and a surface hardness of 1450±50 HV0.05 is formed on the surface of low carbon steel during 15 min at 950 °C with 45 min of soaking time. At EB in 30 min at 950 °C with 45 min of soaking time, however, a two-layered (FeB+Fe2B) borided structure with an approximate thickness of 140 μm and a surface hardness of 1900±50 HV0.05 is formed on the surface of the low-carbon steel. In summary, the wear resistance of the borided structures differed in the impact and sliding zones. The single-layered (Fe2B) structure showed better performance in the impact zone due to its toughness and ductility, resulting in less wear depth. Conversely, the two-layered (FeB+Fe2B) structure performed better in the sliding zone due to its higher hardness, but this led to more wear on the steel ball surface.