Termo-reaktif difüzyon (TRD) tekniği ile Cr-Ti-N esaslı kaplamaların gerçekleştirilmesi ve özelliklerinin incelenmesi
Investigation of Cr-Ti-N coatings on the steel surface by thermo-reactive diffusion (TRD) process
Yazar: İBRAHİM FATİH KEKİK
Danışman: PROF. DR. UĞUR ŞEN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Genel olarak çelik malzemeler; mekanik etkileşimler sonucu aşınma, kimyasal
reaksiyonlar sonucu korozyon türü hasarlarla servis dışı kalarak ülke ekonomilerinde
büyük kayıplara neden olmaktadırlar. Makinelerde çıkan arızaların ve yapı
elemanlarının kullanım dışı kalmasının en önemli sebeplerinden birisi aşınmadır.
Sürtünme nasıl bir enerji kaybı nedeni ise aşınmada tekrar geriye kazanılamayan bir
madde kaybı sebebidir. Aşınma ve korozyonun neden olduğu hasarın, ülke
ekonomilerine bu denli yük getirmesi bilimsel ve endüstriyel çevreleri harekete
geçirmiş ve daha dayanıklı malzemeler arayışına yönlendirmiştir. Bu amaçla
endüstride yoğun olarak kullanılan çelik malzemeler üzerine, difüzyon, kimyasal ve
fiziksel biriktirme ile kaplama teknikleri geliştirilerek 2-10 μm kalınlığında sert
tabakalar elde edilmiştir. Seramik karakterli olan bu tabakalar, aşınmaya, korozyona
ve yüksek sıcaklık uygulamalarına karşı oldukça dirençlidir. Bundan dolayı sert
yüzey kaplama yöntemleri hem bilimsel hem de endüstriyel çevrelerde önem
kazanmıştır.
Bu çalışmada, AISI 1020, AISI 4140 ve AISI P20+Ni çelik malzemelerin yüzeyinde
termoreaktif difüzyon yöntemi kullanılarak krom-titanyum-nitrür (Cr-Ti-N)
tabakasının elde edilmesinin mümkün olup olmadığı araştırılmıştır. Çalışma iki
aşamalı olup, birinci aşamada, metalografik olarak hazırlanan malzemeler 560oC
sıcaklıkta 24 saat süreyle gaz nitrürleme işlemine tabi tutulmuşlardır. İkinci aşamada
ise, nitrürlenmiş yüzeyler 1000oC sıcaklıkta 2 saatlik sürede ferro-krom, ferrotitanyum,
alümina, amonyum klorür ve naftalinden oluşan katı ortamda TRD tekniği
ile kromlama işlemine tabi tutulmuşlardır. Ayrıca en iyi kaplamanın hangi çelikte
oluşturulduğu belirlenerek kaplama tabakasının karakterizasyonları yapılmıştır. Çelik
yüzeyinde oluşturulan krom-titanyum-nitrür (Cr-Ti-N) tabakalarının geniş bir
spektrumda özellikleri araştırılmıştır. Bu amaçla optik mikroskop, taramalı elektron
mikroskobu (SEM), elementel yapı analizi (EDS) ve atomik kuvvet mikroskobu
(AFM) ile mikroyapı incelemeleri ve elementel analizler, x-ışınları difraksiyon
analizi ile faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Aynı şekilde tabakaların mekanik
özellikleri, mikro sertlik ölçümleri ve aşınma deneyleri ile belirlenmiştir. Ayrıca
yüzeyde oluşan kaplama tabakaların korozyon davranışları incelenmiştir.

Anahtar kelimeler: Kaplama, Krom Nitrür, Krom Titanyum Nitrür, Aşınma,
Korozyon, Termo-Reaktif Difüzyon Kaplama

Abstract:
In general steel materials cause great loss in country economy by being out of service
with damages of mechanical contact and chemical reactions caused from wear and
corrosion of steels. Corrosion is one of the most important causes of being out of
service of building element and malfunction in machines. Friction is the cause of
energy loss just as corrosion is the cause of irretrievable material loss. Wear and
corrosion is such a major problem for a country economy that it has activated
scientists and industrialists and has led them to improve more resistant materials. For
this purpose, hard coating having 2-10 μm thickness were obtained with diffusion
and physical or chemical vapor techniques on steel substrates. These coatings have
ceramic structure and they resistant to wear, corrosion or high temperature
conditions. For these good properties, hard coating techniques have gained
importance for both scientists and industrialists.
In this study, it is examined whether to obtain Cr-Ti-N layer by using TRD method
on AISI 1020, AISI 4140 and AISI P20+Ni steel material surfaces. This study
includes two steps. At first step, metallographic materials has been subject to gas
nitriding at 560°C for 24 hours. At second step, pre-nitrided steel substrate has been
subject to chromizing at 1000°C for 2 hours in the harsh mixture consisting of ferrocromium,
ferro-titanium, alumina, ammonium chloride and naphthalene with TRD
method. Also, coating layer's characterization was employed by determining the best
coated steel. Features of Cr-Ti-N layers created on steel surface were searched in a
wide spectrum. By this aim, microstructure analysis and elemental analysis, were
carried out by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy
dispersive spectroscopy (SEM-EDS) and atomic force microscopy (AFM) and phase
analysis were carried out by X-ray diffraction (XRD). At the same time mechanical
features of layers were determined by micro hardness measures and abrasions
experiments. Also the corrosion behaviors of coating layer formed on the surface
were investigated.

Keywords: Coating, Chromium Nitride, Chromium Titanium Nitride, Wear,
Corrosion, Thermo-Reactive Diffusion Coating