Farklı bor türevleri ile alternatif borlama bileşimlerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of alternative boriding composition by different boron derivatives
Yazar: İLYAS TÜRKMEN
Danışman: DOÇ. DR. EMRE YALAMAÇ
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Borlama; demir, demir dışı ve sermet gibi çok çeşitli malzemelere uygulanabilen difüzyon esaslı bir termokimyasal yüzey sertleştirme işlemidir. Borlama işlemi sonucunda bor elementinin malzemelere yayınması ile malzemelerin yüzeyinde çok sert borür tabakaları oluşmaktadır. Malzeme yüzeyinde oluşan bu çok sert tabakalar malzemenin aşınma dayanımını önemli ölçüde artırmaktadır. Borlanmış makine bileşenlerinin yüzeyleri yüksek sıcaklıklarda da tribolojik özelliklerini korumakta, bazı asitlere karşı da iyi korozyon direnci göstermektedir. Endüstriyel alanda, makine parçalarının ve kalıpların aşınma ve korozyon dayanımlarını artırmak amacıyla uygulanan kutu (katı) borlama işlemlerinde genellikle maliyeti yüksek olan ithal borlama ürünleri (karışımları) kullanılmaktadır. 

Tez çalışması kapsamında, kutu borlama işleminde kullanılmak üzere ithal borlama ürünlerine alternatif olabilecek borlama ürünleri geliştirmek ve bunları karakterize etmek için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Kutu borlama işleminde borlama ortamı; bor kaynağı, aktivatör ve seyreltici olmak üzere çeşitli borlama bileşenlerinden oluşmaktadır. Alternatif borlama ürünlerinde bor kaynağı olarak yerli üretim bor kimyasalları (ürünleri) borik asit, boraks pentahidrat, boraks dekahidrat, disodyum oktaborat tetrahidrat, susuz boraks ve bor oksit ETİMADEN İşletmeleri Genel Müdürlüğü'nden temin edilerek kullanılmıştır. Aktivatör ve seyreltici göreviyle borlama karışımlarında yer alan diğer kimyasallar (potasyum tetrafloroborat ve silisyum karbür) ile birlikte bor kimyasalları belirli oranlarda karıştırılarak alternatif borlama ürünleri elde etmek için çok sayıda karışım hazırlanmıştır. Alternatif borlama karışımları ve ithal borlama ürünü kullanılarak (EKABOR® II) kutu borlama yöntemiyle belirlenen sıcaklık ve sürelerde SAE 1020 çelik numuneler borlanmıştır. Borlama işleminden sonra alternatif borlama karışımıyla ve ticari (ithal) borlama ürünüyle borlanan numunelere mikroyapısal (optik mikroskop, SEM), kimyasal (XRD, EDS, WDS), mekanik (Mikrosertlik, Rockwell C adezyon testi, kalıntı gerilme ölçümü, aşınma testi, yüzey pürüzlülük ölçümleri) ve termal (TGA, DTA) karakterizasyon testleriyle birlikte difüzyon kinetiği çalışmaları da yapılarak elde edilen sonuçlar birbiriyle karşılaştırılmıştır.

Borlama işlemleri sonrasında gerçekleştirilen mikroyapısal incelemeler (OM, SEM) neticesinde tüm numunelerde testere dişi morfolojisine sahip tabakaların oluştuğu belirlenmiştir. XRD analizleri ile çelik numunelerin yüzeyinde oluşan borür tabakalarının tek fazlı (Fe2B) yapıda olduğu tespit edilmiştir. K1-D6 ve K4-D6 karışımlarıyla borlanan çelik numunelerin kesit bölgesinde yapılan EDS ve WDS analizleri sonucunda tabakadaki B elementi miktarı belirlenmiş ve elde edilen sonuçların tabakanın tek fazlı yapıda olduğunu desteklediği görülmüştür. Borlama işlemiyle numunelerin yüzey sertliklerinin 1200-2000 HV aralığında yüksek sertlik değerlerine ulaştığı belirlenmiştir. Rockwell C adezyon testiyle borür tabakalarının adezyon dayanımının yeterli olduğu görülmüştür. Seçilen numuneler için kalıntı gerilme değerleri deneysel ve teorik olarak hesaplanmış, tek fazlı tabakanın basma yönünde kalıntı gerilmeye sahip olduğu ortaya konmuştur. Disk üzerinde bilye metoduyla gerçekleştirilen aşınma testi sonucunda borlanmış numunelerin aşınma hızının borlanmamış numuneye göre yaklaşık olarak en az 46,7 kat en çok 96,8 kat daha düşük olduğu görülmüştür. Yüzey pürüzlülük ölçüm sonuçları elde edilerek farklı karışımlarla borlanmış numunelerin yüzey morfolojileri değerlendirilmiştir. Artan borlama sıcaklığı ve süresi ile numunelerin yüzey pürüzlülük değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. K1-D6, K4-D6 ve EKABOR® II borlama bileşimleri ile borlanan numunelere difüzyon kinetiği ile ilgili hesaplamalar yapılarak büyüme kinetiği parametreleri elde edilmiştir. Bu parametreler ile ilişkili ampirik denklemler elde edilerek borür tabaka kalınlığının farklı sıcaklık ve sürelere bağlı tahmin edilebilirliği incelenmiştir. Ayrıca bu prosesler için bir regresyon modeli de oluşturularak borür tabaka kalınlıklarının tahmini için alternatif denklemler elde edilmiştir. K1-D6 ve K4-D6 alternatif karışımlarıyla gerçekleştirilen borlama işlemleri ve alternatif borlama karışımlarını oluşturan kimyasal ve tozlar ayrı ayrı termal karakterizasyon yöntemleriyle (DTA ve TGA) analiz edilerek borlama işlemi esnasında meydana gelmesi muhtemel kimyasal tepkimeler ortaya konmuştur.

Abstract:
Boriding is a diffusion-based thermochemical surface hardening process that can be applied to a wide variety of materials such as ferrous, non-ferrous and cermet. As a result of the boriding process, very hard boride layers are formed on the surface of the materials by diffusion of boron into materials. These very hard layers which are formed on the material surface significantly increase the wear resistance of the material. The surfaces of the borided machine components maintain their tribological properties at high temperatures and also exhibit good corrosion resistance against some acids. Imported and costly boriding products (mixtures) are generally used in powder-pack (solid) boriding process, which is applied to increase the wear and corrosion resistance of machinery parts and molds in industrial area.

Within the scope of the thesis, various studies have been done to prepare and characterize boriding products which may be alternative to imported boriding products for using in powder-pack boriding process. In powder-pack boriding process, the boriding medium constitutes from various boriding components such as boron source, activator and diluent. Boric acid, borax pentahydrate, borax decahydrate, disodium octaborate tetrahydrate, anhydrous borax and boron oxide were provided from ETİMADEN Works General Directorate and used as boron source in alternative boriding products. A large number of mixtures have been prepared to obtain alternative boriding products by mixing the boron compounds and the other chemicals (activator: potassium tetrafluoroborate and diluent: silicon carbide) at a certain ratio. SAE 1020 steel samples are borided by powder-pack boriding method using alternative boriding mixtures and imported boriding product (EKABOR® II) at the determined temperatures and times. Microstructural (Optical Microscope, SEM), chemical (XRD, EDS, WDS), mechanical (Microhardness, Rockwell C adhesion test, Residual Stress Measurement, Wear Test, Surface Roughness Measurements), thermal (TGA, DTA) characterization tests and diffusion kinetics studies were performed on samples which are borided with alternative boriding mixture and commercial (imported) boriding product. Also the results were compared with each other.

As a result of microstructural examinations (OM, SEM) carried out after the boriding process, it was determined that all samples had saw-tooth morphology. The XRD analysis showed that the boride layers formed on the surface of the steel specimens were single phase (Fe2B). As a result of EDS and WDS analyzes performed in the cross-sectional area of steel samples borided with K1-D6 and K4-D6 mixtures, the amount of boron element in the layer was determined and the obtained results support that the layer has single-phase structure. It was determined that the surface hardness of the samples reached high hardness values in the 1200-2000 HV range by the boriding process. The Rockwell C adhesion test showed that the adhesion strength of the boride layers was sufficient. The residual stress values for the selected specimens were calculated experimentally and theoretically and it has been revealed that residual stress were found to be compressive for single phase boride layer. As a result of the wear test carried out by the ball on disk method, it was found that the wear rate of the borided samples was at least 46,7 times and at most 96,8 times lower than wear rate of the unborided samples. Surface roughness measurement results were obtained and surface morphologies of borided samples by different mixtures were evaluated. It was observed that the surface roughness values of samples increased with increasing boriding temperature and time. Diffusion kinetics of samples which is borided by K1-D6, K4-D6 and EKABOR® II boriding compounds were calculated and parameters of growth kinetics were obtained. The empirical equations related to these parameters were obtained and the predictability of boride layers thickness depending on different temperatures and times was investigated. In addition, a regression model for these processes was also constituted and alternative equations were obtained for estimating the thickness of the boride layer. The performed boriding processes by alternative boriding mixtures (K1-D6 and K4-D6) and the chemicals and powders that form alternative boriding mixtures were analyzed separately by thermal characterization methods (DTA and TGA) and possible chemical reactions that may occur during the boriding process were revealed.