Elektrokimyasal yöntemle borlanan DIN 1.3343 yüksek hız çeliğinin tribolojisi
Tribology of DIN 1.3343 high speed steel boronized by electrochemical method
Yazar: FATİH SANLI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANAN GAMZE GÜLERYÜZ PARASIZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sanayileşmede üst düzey kalite ve verimliliğe yönelik artan talepler nedeniyle, imalat 
makinelerinin ve ekipmanlarının performansında, kullanım ömrünün arttırılmasında
ve maliyetlerin düşürülmesine yönelik çalışmaların yoğunluk kazandığı 
gözlemlenmektedir. Kullanım ömrü ve hasar oluşum kriterleri dikkate alındığında 
takım tezgahları ve alt parçaları bu bakış açısının önem taşıdığı temel alanlardandır.
CNC torna ve frezelerde yüksek hızlarda çalışan kesici takımların mekanik ve termal 
özellikleri özellikle önemlidir. Sonuç olarak, bu takımların mekanik, termal ve 
korozyon özelliklerini geliştirmek için alternatif yaklaşımlar arayışı ortaya çıkmıştır.
Zorlu koşullar altında çalışan kesici takımlar, iş parçasıyla temas sırasında yüksek 
sıcaklıklara ve gerilmelere maruz kalır. Bundan dolayı, kesici takımların tokluğu, 
sertliği, işlenen ürünün kalitesi ve takım ömrü için en önemli belirleyici parametreler
konumundadır. İyi kalitede bir kesici takımın yüksek maliyeti olduğu gibi istenilen 
seviyede sertliği olan ve aşınma direnci yüksek malzemelerin çeşitliliği de sınırlıdır. 
Bu sorunları aşmak için kesici takım malzemelerinin ömürlerini uzatmak amacıyla
yüzeylerine kaplama uygulanması yaygın hale gelmiştir. Termal bariyer kaplamalar 
gibi farklı özelliklere sahip çeşitli kaplamaların geliştirilmesi de aralıksız devam 
etmektedir. Bu çalışmalar içerisinde borlama olarak da bilinen borürleme işlemi,
borca zengin bir ortam içerisinde, termal yollarla borca fakir parçaya difüze etme 
işlemi, olağanüstü mekanik performans sağlama yeteneği nedeniyle takım tezgahları 
alanında da dikkat çekmiştir. Borürleme çalışmalarının artmasıyla birlikte özellikle 
Türkiye gibi dünyanın en büyük bor rezervine sahip ülkemizde borun yüzey 
modifikasyonları için de kullanımı ve uygulaması yaygınlaşmıştır. Bununla birlikte, 
arzu edilen performans seviyelerine ulaşmak uzun ısıl işlem süreleri gerektirmiştir. 
Son zamanlarda, ısıl işlemleri elektrik akımı uygulamasıyla birleştiren 
elektrokimyasal borlama, ısıl işlem süresini önemli ölçüde azaltan bir yöntem olarak 
öne çıkmıştır.
Elektrokimyasal borlama, yüksek sertlik değerleri sağlama kapasitesi, elde edilen 
tabakaların gösterdiği mükemmel korozyon direnci, işlemin çelik malzemelere 
uygulanabilir olması ve yüzey etkileşimleri sırasında yağlama ihtiyacını azaltması 
gibi çeşitli avantajlar sunar. Bununla birlikte, elektrokimyasal borlamanın da bazı 
dezavantajları olduğunu eklemek gereklidir. Bunlar arasında nitrürlemeye kıyasla 
daha yüksek maliyetlere sahiptir. Demir esaslı metallerin borlama işlemi sırasında 
matris malzemesinde borür tabakalarının oluşumu başlar. Bu katmanlar Fe2B ve FeB 
fazlarından oluşur ve tipik olarak sütunsal bir morfoloji sergiler. Borür tabakalarının 
sütun yapısı, geometrik yapısından dolayı tipik olarak minimum 15-20 μm kalınlık 
sağlar. Tabaka kalınlığı 100 μm'yi geçtiğinde hem Fe2B hem de FeB fazlarından 
oluşan iki fazlı borür tabakalarının oluşmasına neden olur. Matris yüzeyinde daha sonra oluşan FeB fazının, ilk Fe2B fazıyla karşılatırıldığında sertliği daha yüksek 
fakat gevrekliği de daha fazladır. İki fazlı bir yapının oluşmasını önlemek için, 
tabaka kalınlığının 100 μm veya altında sınırlandırılması çok önemlidir.
Bu tez çalışmasında, talaşlı imalatta yaygın olarak kullanılan DIN 1.3343 (M2)
yüksek hız çeliğine, boraks ve sodyum karbonat tuzlarının karışımı kullanılarak, 
1050°C'de 2 saat süreyle grafit pota üzerinden 0,3 A/cm2
akım geçecek şekilde tuz 
banyosunda elektrokimyasal borlama uygulanmıştır. Elektrokimyasal borlama için 
tuz banyosunu da içine alan bir elektrik devresi oluşturulur, burada katot olarak DIN 
1.3343 çelik numuneler kullanılır ve grafit pota anottur. Borürleme ve temizleme 
işlemleri sonrası elde edilen numunenin sertlik ölçümü yapıldığında 1900-2100 HV 
aralığında sertlik değeri elde edilmiştir.
Yüzey sertliğini artırdığımız numunelerin aşınma özelliklerini gözlemleyebilmek 
adına dört farklı bilye malzemesi kullanılarak pin on disk deneyi gerçekleştirilmiştir.
Bu bilyelerin malzeme kodları sementasyon ile yüzeyi sertleştirilmiş AISI 1010, 
AISI 52100, alümina (Al2O3) ve AISI 316' dır. Karşı malzemelerin farklılık gösteren 
kimyasal yapısı ve yüzey sertliğine bağlı olarak farklı sürtünme katsayıları elde 
edilmiştir. Daha sonra M2 yüksek hız çeliğinden üç farklı numune hazırlanmıştır. Bu 
numulelerin durumları şu şekildedir: Isıl işlemsiz numume, su verme-temperleme 
(ıslah) işlemi görmüş numune ve sadece borürleme işlemi yapılmış numune. Bu 
numunelere, yine alümina bilye ile ancak daha uzun süre ve yüklerle yapılan pin-ondisk aşınma deneyleri uygulanarak numunelerin aşınma dirençleri gözlemlenmiştir.
Bu deneylerin sonucunda elde edilen aşınma izleri profilometre ile incelenmiş ve 
farklı bölgelerden alınan derinlik ve genişlik ölçümleri kullanılarak hacim kayıpları 
hesaplanmıştır. 
Ayrıca borürleme işlemi yapılan numune tel erezyonla kesilerek bakalite gömülmüş 
ve yüzey parlatma işlemi yapılmıştır. Yapılan yüzey parlatma işleminden sonra nitrat
5 ayracı ile dağlama yapılarak optik mikroskopta borür tabakaları incelenmiştir. 
Borür tabakası sertlik dağılımı mikro Vickers ölçümleri ile elde edilmiştir.
Bu çalışmanın sonucunda elektrokimyasal borürlemenin M2 çeliğinin aşınma 
direncini, hem hiç ısıl işlem görmemiş duruma göre, hem de su verme ve temperleme 
işlemi sonrası duruma göre önemli ölçüde arttırdığı sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Due to the increasing demands for high-level quality and efficiency in 
industrialization, it is observed that efforts to improve performance of manufacturing 
machines and equipment by elongating their lifetime and by reducing costs gained 
importance. Machine tools and their parts are one of the fundamental areas where 
this point of view is important, considering service life and damage occurance 
criteria. Mechanical and thermal properties of cutting tools operating at high speeds 
in CNC turning and milling machines are particularly important. As a result, the 
search for alternative approaches has emerged to improve the mechanical, thermal 
and corrosion properties of machining tools. Cutting tools operating under harsh 
conditions are exposed to high temperatures and stresses during contact with the 
workpiece. Therefore, the toughness and hardness of cutting tools are the most 
important determinant parameters for quality of products and tool life. Variety of
materials with good wear resistance at the desired level are limited and high quality 
tools are also expensive.
To overcome these problems, it has become common to apply coating onto surfaces 
of cutting tool steels to extend their life, and the development of various coatings 
with different properties, as in the case of thermal barrier coatings, continues to be
promising. Boriding, also known as boronizing, the process of diffusing boron 
element into the part by thermal means in a boron-rich environment, has attracted 
attention in the field of machine tools due to its ability to provide extraordinary 
mechanical performance. Boron applications in the surface modification area has 
been researched more widespread, especially in countries with large boron reserves 
in the world, such as Turkey. However, achieving these desired performance levels 
has required long heat treatment times. Recently, electrochemical boronizing, which 
combines heat treatment with the application of electric current, has emerged as a 
method that significantly reduces the heat treatment time.
Electrochemical boronizing offers several advantages such as the ability to achieve 
high hardness values, excellent resistance to corrosive environments, applicability to 
various steels, and reduced need for lubrication during surface interactions. However, 
it is important to note that electrochemical boronizing also has some disadvantages. 
Among them, it has higher costs compared to nitriding. During boriding of ferrous 
metals, formation of boride layers begins in the matrix material. These layers consist 
of Fe2B and FeB phases and typically exhibit a columnar morphology. The columnar 
nature of the boride layers generally provides a minimum thickness of 15-20 μm due 
to its geometric nature. When the layer thickness exceeds 100 μm, biphasic boride 
layers including both Fe2B and FeB phases start to emerge. The FeB phase formed 
later in the matrix surface has also a hard but more brittle structure than the initial 
Fe2B phase. Therefore, the layer thickness should be carefully controlled to be up to 
100 μm or less to prevent the formation of a biphasic structure.
In this thesis, electrochemical boronizing was applied to DIN 1.3343 high speed 
steel, which is widely used in machining, using a mixture of borax and sodium 
carbonate powder, in a salt bath at 1050°C for 2 hours with a current of 0.3 A/cm2
passing over the crucible. For electrochemical boriding, an electrical current is 
passed through the DIN 1.3343 samples, where they are used as cathode and the 
graphite crucible was used as anode. After boronizing, remnants of the salt on the 
specimens were cleaned by keeping them in boiling water for a period of time, then 
by ultrasonic cleaning in alcohol. Then, specimen surfaces were prepared to 
examine; light grinding and polishing steps were applied. Vickers hardness values in 
the range of 1900-2100 HV were obtained. Vickers hardness values are similar to the 
literature.
Later, the friction and wear characteristics of the sample with increased surface 
hardness was examined by pin-on-disc tests by running against counterfaces of four 
different materials for a short distance. The material codes of these balls are 
carburized AISI 1010, AISI 52100, alumina (Al2O3) and AISI 316. After initial 
friction tests, various friction coeficients were obtained against applied ball 
materials. These results were presented in this thesis.
Another issue that was wanted to be observed in this thesis study was carried out 
with samples with three different hardnesses and in three different conditions with a 
fixed abrasive ball (Al2O3) under long distances and heavier loads. In this study, the 
pin-on-disc mechanism was again used. One of the samples was in the condition as 
received, the second was quenched and tempered, and the third was boronized under 
previously described conditions. As a result of this test, the wear resistance and 
friction coefficients on the surface were examined in comparative detail.
As the following evaluations pin-on-disk tests were carried out for a much longer 
wear distance against Al2O3 ball using higher dead weight on three different samples
of M2 steel; i.e. one was in as-received condition (non-heat treated case), second one 
was in quenched and tempered condition and the third one was boronized in 
previously defined conditions. Wear tracks on these three samples were examined 
using profilometry and depth and width measurements of the wear tracks were 
collected at various sections. Later, volume losses were calculated using these depth 
and width measurements. It was observed that boronizing substantially improved 
wear resistance of M2 steel with respect to two non-boronized cases. Example depth 
profiles together with volume losses of different heat treatment cases were presented.
Friction coefficients were also gathered throughout these tests and results were 
provided. Lower friction coefficients were observed for the boronized case with 
respect to two non-boronized steel samples.
In order to further study electrochemically boronized M2 steel, another specimen 
prepared at the same conditions with boronized wear test sample was cut by wireEDM process and molded to be inspected. Surface of the specimen was prepared by 
grinding and polishing and etched by Nital 5 to observe boride layers. Example 
photograph of microscopically observed boronized layers were presented in the 
thesis. After microscopic inspections, hardness profile of the boronized surface was 
obtained using micro Vickers measurements. 
In this thesis, performance of electrochemically boronized M2 high speed steel under 
friction and wear conditions was investigated. Friction coefficient decrease together 
with substantially lower wear losses were recorded with respect to both non-heat 
treated and quench-and-temper-heat treated M2 steel cases.