AISI 304 paslanmaz çeliğinin kutu sementasyonu ile alüminizasyonu sonrası yüksek sıcaklık oksidasyon direncinin incelenmesi
Examination of high-temperature oxidation resistance after aluminizing of AISI 304 stainless steel with pack diffusion
Yazar: HÜSEYİN MERT KIZILARSLAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NEDRET AYDINBEYLİ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Paslanmaz çeliklerin ve kromun iyi oksidasyon dirençleri yüzeylerinde oluşan koruyucu Cr2O3 tabakasından kaynaklanmaktadır. Fakat bu yüzey tabakası 1000°C ve üzeri sıcaklıklarda kararsızlaşarak ana metali koruyamayacak hale gelir. Yapılan son araştırmalar, alüminyumlama işlemleri ile çeliklerin yüzeylerinde oluşturulan ve yüksek sıcaklıklarda Cr2O3'ten daha kararlı olan Al2O3 tabakasının, malzemenin oksidasyon direncini arttırdığını göstermiştir. Kutu sementasyon işlemi metal ile kaplama arasında iyi yapışma gösteren alüminid tabakasının en iyi şekilde elde edildiği yöntemdir. Ancak, alüminyumlama işleminde alüminid tabakasının kırılganlığını arttıran ve oksidasyon direncinin azalmasına sebep olan yüksek Al içeren fazların (FeAl3 ve Fe2Al5) oluşumundan kaçınılmalıdır. Alüminyumlama işlemi ile en yüksek oksidasyon direnci kaplama tabakasının yüzeyinde Fe3Al ve FeAl gibi intermetalik fazların oluşması ile elde edilebilir.

Bu çalışmada kutu semantasyon tekniği ile AISI 304 altlık malzemesine alüminyum kaplama uygulanmıştır. İşlem sıcaklığı ve süresinin alüminid kaplama tabakasının yapısı ve kalınlığına etkileri araştırılmıştır. Kaplanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri optik mikroskop, SEM ve EDS kullanılarak araştırılmış ve fazlar XRD analizleri ile tanımlanmıştır. Sonuçlar kaplamanın iki tabakadan oluştuğunu göstermiştir. Birinci tabaka Fe-Al intermetalik fazlarından, ikinci tabaka ise Cr, Ni, Al, Fe elementlerinin ikili intermetalik bileşiklerini içeren arayüzey tabakasından oluşmuştur. Oksidasyon direnci açısından en uygun fazların ve kaplama tabakası kalınlığının elde edildiği numune seçilmiş ve bu numunenin oksidasyon direnci ve kinetiği araştırılmıştır. Alüminyum kaplanmış ve kaplanmamış numunelerin oksidasyon dirençleri 700°C ve 1000°C sıcaklıklarda O2 atmosferi altında termogravimetrik analizler ile araştırılmıştır. Bu sıcaklıklarda tüm numunelerde parabolik oksidasyon davranışları gözlemlenmiştir. Oksidasyon sonuçları alüminyum kaplanmış numunenin kaplanmamışa karşı daha yüksek oksidasyon direnci gösterdiğini, alüminyum kaplama tabakasının oksidasyon direncini arttırdığını ortaya koymuştur. 

Anahtar Kelimeler: Alüminyumlama, Kutu sementasyonu, Difüzyon, Oksidasyon

Abstract:
Oxidation resistance of chromium and stainless steels is due to formation of Cr2O3 on the surface. But this surface layer will be destabilized above 1000°C and will not protect the metal. Recent investigations show that aluminizing process increases oxidation resistance of these steels by formation of Al2O3 which is more stable than Cr2O3 at high temperatures. The pack cementation process is ideally for the formation of well bonded diffusion aluminide coatings. However, formation of high Al concentration phases (FeAl3 and Fe2Al5) during aluminizing should be avoided as they tend to embrittle the aluminide layer and reduce its oxidation resistance. The optimum oxidation resistance can be achieved with substrate when the intermetallic phases Fe3Al and FeAl for the surface of the aluminide layer.

In this study, aluminum coatings were grown on AISI 304 substrates by the pack cementation method. The effect of process temperatures and time on the structure and thickness of the aluminide layer has been investigated. The microstructure of the coated samples was examined by optical microscopy, SEM, EDX and phases were identified by XRD. The results show that the coating consists of two layers. The first consists of Fe-Al intermetalik phases and the second one is an interdiffusion layer consists of Cr, Ni, Al, Fe elements binary intermetallic phases. For oxidation resistance, optimum phases and the thickness of the coating layer containing sample was chosen and then oxidation resistance and kinetic of this sample were examined. Oxidation resistances of samples with or without aluminization treatment were evaluated by conducting termal gravimetric analysis in O2 atmosphere at 700°C and 1000°C. At these temperatures, parabolic oxidation behavior was observed for all the specimens investigated. The oxidation results revealed that the application of a coating layer increased the oxidation resistance of the coated sample as opposed to the uncoated ones.

Keywords: Aluminizing, Pack cementation, Diffusion, Oxidation