Nitrasyon parametrelerinin sıcak iş takım çeliği darbeli kayma aşınma davranışına etkisi
The effect of nitration parameters on hot work tool steels impact sliding wear behaviour
Yazar: BELDA AYDIN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Sıcak iş takım çelikleri sıcak şekillendirmede kullanılan takım çelikleridir. Yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerini korurlar. Aşınma dayanımları ve toklukları sıcaklık artışlarından etkilenmez. Sıcak iş takım çeliklerinde aşınma performası önem arz etmektedir. Takım çeliğinin aşınma dayanımını arttırmaya yönelik çalışmalar yapılmakta olup, en sık kullanılan yöntemlerin başında nitrasyon uygulaması gelmektedir. 
Bu çalışmada ticari isimleri WP5V, DM3X ve QRO90 olan sıcak iş takım çeliklerine aynı ısıl işlem parametrelerinde sertleştirme ve iki ayrı Kn değerinde nitrasyon uygulanarak darbeli kayma aşınma dayanımları incelenmiştir. WP5V ve DM3X DIN standardında sırasıyla 1.2344 ve 1.2367 olarak isimlendirilirken, QRO90 patentli özel üretim bir sıcak iş takım çeliğidir.
30 mm çapında hazırlanan numuneler, vakum sertleştirme fırınında 650°C ve 850°C sıcaklıklarda ön ısıtma yapılarak, 1040°C sıcaklıkta östenitlenmiş ve ardından soğutularak sertleştirilmiştir. Sertleştirme prosesi sonrasında 520°C sıcaklıkta 3 kademeli olarak temperlenmişlerdir. Sonrasında ilk parti numunelere Kn 2,2 değerinde kontrollü gaz nitrasyon işlemi uygulanmıştır. Fırın atmosferi olarak amonyak gazı ve karbondioksit gazı beraber kullanılmış olup, fırın 300⁰C sıcaklığa %100 NH3 ortamında ısıtılmıştır. Ardından ortama CO2 gazı verilerek fırın 580⁰C'ye ısıtılmıştır. Bu aşamada ortamda %90 NH3 ve %10 CO2 gazı bulunmaktadır. Bu ortam ve sıcaklıkta 120 dakika beklendikten sonra %100 azot ortamında soğutma gerçekleştirilmiştir. İkinci parti numunelere Kn 14,0/4,0 değerinde kontrollü gaz nitrasyon işlemi uygulanmıştır. Bu uygulamada fırın öncelikli olarak 500⁰C sıcaklığa %100 NH3 ortamında ısıtılarak 30 dakika beklenmiş ve hedef Kn 14,0 sağlanmıştır. Ardından fırın 530⁰C sıcaklığa ısıtılmış ve hedef Kn 4,0 sağlanarak 120 dakika beklenmiştir. Akabinde %100 azot ortamında soğutma gerçekleştirilmiştir.
Sertleştirilen ve nitrasyon uygulanan numuneler parlatılarak metalografik incelemeye hazırlanmışlardır. Numuneler 5x, 10x, 20x, 50x ve 100x büyütmelerde optik mikroskop ile incelenmiştir. Bu inceleme sonucunda sertleştirilen numunelerde temperlenmiş martenzit yapısı gözlenmiştir. Ardından numuneler XRD ile incelenmiş ve XRD paterni çıkarılmıştır. XRD sonrası yapıda kalıntı östenit olmadığı sonucuna varılmıştır. Nitrasyon uygulanan numunelerde yapılan optik mikroskop incelemesi sonrasında beyaz tabaka ve difüzyon derinliklerinin oluştuğu görülmüştür. Beyaz tabaka ve difüzyon derinliklerinden ölçüm alınmıştır. En derin beyaz tabaka kalınlığı ortalama 6,8 µm ile WP5V sıcak iş takım çeliğinde ölçülmüş olup, DM3X sıcak iş takım çeliğinde ise ortalama 1,45 µm ile en ince beyaz tabaka kalınlığı görülmüştür. Numuneler optik mikroskop incelemelerinin ardından beyaz tabaka ve difüzyon tabakası yapılarının daha detaylı incelenebilmesi için taramalı elektron mikroskopu ile 500x ,1000x, 2500x ve 4000x büyütmelerde görüntülenmiştir. 
Kn 2,2 ile yapılan nitrasyon işlemi sonrası WP5V çeliğinde kalın bir beyaz tabaka ve yüksek oranda nitrür fazı oluştuğu görülmüştür. Kn 14,0/4,0 nitrasyon uygulamasında ise çok ince bir beyaz tabaka oluşumu gözlemlenmiştir. Nitrasyonlu numuneler de XRD'de incelenmiş olup, Kn 14,0/4,0 ile nitrasyon uygulanan numunelerde beyaz tabakayı oluşturan γ'-Fe4N ve ε-Fe3N fazlarının oluştuğu görülmüştür. Demir nitrür fazlarına ek olarak krom elementinin de nitrür oluşturduğu sonucuna varılmıştır. Yapısal karakterizasyon incelemeleri sonrasında numunelerden sertlik ölçümü alınmıştır. Sertlik ölçümleri hem yüzeyden hem de difüzyon derinliklerinin incelenebilmesi için kesitten alınmıştır. Farklı yüklerde yüzeyden alınan sertlik ölçüm sonuçları incelendiğinde nitrasyon prosesine tabi tutulan malzemelerin nitrasyonsuz, vakum sertleştirme uygulanan malzemelere kıyasla sertliğinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Ek olarak alaşım elementi yüzdesi arttıkça sertliğin de artış gösterdiği belirlenmiştir. Kn 14,0/4,0 uygulanarak yapılan nitrasyon prosesi ile, uygulanan diğer ısıl işlem proseslerine kıyasla daha yüksek sertlik değerlerine ulaşılmıştır.
Numunelerin aşınma davranışının incelenebilmesi için darbeli kayma aşınma testi yapılmıştır. Aşınma testleri sertleştirilmiş 10 mm çapında çelik bilya ile 1000 çevrimde yapılmıştır. Aşınma izlerinin profilometre yardımı ile beş ayrı bölgesinden derinlik, genişlik ve alan ölçümleri yapılmıştır. Ek olarak profilometre ölçümleri ile iki boyutlu iz profilleri çıkarılmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda Kn 14,0/4,0 değeri ile nitrasyon uygulanan numunelerin diğer işlemlere göre aşınma direncinin daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Aşınma mekanizmalarının detay incelemesi için aşınma izleri taramalı elektron mikroskobunda 100x, 1000x ve 2500x büyütmelerde görüntülenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu görüntüleri incelendiğinde malzemelerde görülen aşınma mekanizmalarının çeşitlilik gösterdiği görülmüştür. Nitrasyonlu numuneler sertleştirilmiş numunelere göre aşınmaya karşı direnç göstermektedir. Sertleştirilmiş numunelerde plastik deformasyon kaynaklı sıvama görünümlü bir aşınma gözlemlenirken nitrasyonlu numunelerde mikro çatlaklar oluşmuştur.

Abstract:
Hot work tool steels are alloyed tool steels. They are used in appli¬cations in which the surface temperature is generally above 200°C. The most common application areas in hot work are die-casting, extrusion and forging. Hot work tool steels should include an excellent hot strength as well as a very good ductility and toughness. As the machine elements perform the functions expected from them, the surfaces of the parts are subjected to higher stress and higher abrasive forces than their internal parts. When these stresses and forces exceed the surface strength limit of the material, cracking starts on the surface of the material. If the forces are variable, fatigue occurs in the machine parts and the part is damaged by breaking after a certain load repetition. The improvement of wear resistance will help to reduce the failure risk and extend the tool life. There are different methods for increasing the wear resistance of the tool steels. Nitriding has been and continues to be one of the two main diffusion processes in the heat treating industry. The other method is carburizing. Nitriding involves enriching a ferrous part's surface with nitrogen and results in a part with increased surface hardness, wear and corrosion resistance, and fatigue strength. Nitriding is most effective when applied to the range of steels containing nitride-forming elements such as chromium, molybdenum, vanadium and aluminium. The process is applicable to tool steels such as hot-work, cold-work and mould steels. Nitriding has been accomplished using gas nitriding, salt bath nitriding, and plasma nitriding. Gas nitriding is typically used for gears, crankshafts, camshafts, cam followers, valve parts, springs, extrusion screws, die-cast tooling, forging dies, aluminium-extrusion dies, injectors and plastic-moulds.
In this work, hot work tool steels which are called as WP5V, DM3X and QRO90 are hardened at vacuum furnace and then some specimens are nitrided with two different Kn value for the examination of wear resistance. Optical microscopy, scanning electron microscopy and XRD investigations were performed within the scope of structural characterization studies. The hardness measurements were completed and the samples were subjected to abrasion test by means of impact wear device. The depth, width and areas of the wear marks were measured by means of the profilometer. 
Specimens were prepared like a disc with 30 mm diameter. Some specimens were pre-heated in vacuum furnace at 650°C and 850°C temperature, then austenied at 1040°C temperature. Then they are cooled to room temperature. After the hardening process all specimens tempered at 520°C temperature for three cycle. Part of hardened and tempered steels were nitrided in gas nitriding furnace. 
At the first nitration process the Kn value is 2,2. Ammonia and carbondioxide gas both is used to achive the prefered compound and diffusion layer thickness. Gases flowed into furnace and total gas amount in the furnace is calculated by own system. The furnace was heated to 300°C  with 100% NH3 furnace atmosphere. The furnace was then heated to 580°C with releasing CO2 . At this stage, 90% NH3 and 10% CO2 were present in the furnace. After waiting for 120 minutes at this ambient and temperature, furnace was cooled with 100% nitrogen. The remainder of the samples were subjected to controlled gas nitration with two stages and with two different Kn values, 14,0 and 4,0. In this application, the furnace was heated to 500°C in 100% NH3 atmosphere for 30 minutes. The furnace was then heated to 530°C for 120 minutes and Kn 4,0 was supplied. Cooling was then carried out in 100% nitrogen.
Hardened and nitrided samples were prepared for polishing and metallographic examination. They all were grinded by SiC abrasive papers, followed by polishing with diamond paste. After the preperation, samples were examined with optical microscope at 5x, 10x, 20x, 50x and 100x magnifications. As a result of this examination, tempered martensite structure was observed in hardened samples. After microscopic examination, the samples were examined by X-ray diffraction and the XRD pattern was plotted. During this investigation Cu-Kα radiation was used and the measured 2Ɵ range between 10o and 90o was scanned. 
After XRD examination it was concluded that there is no residual austenite in the structure of hardened specimens. With optical microscope examination it was observed that white layer and diffusion depth were formed in the samples which were subjected to nitration. White layer and diffusion depth were measured, the deepest white layer thickness was measured with an average of 6,8 µm at WP5V hot work tool steel.  The thinnest white layer thickness was measured with an average of 1,45 µm at DM3X hot work tool steel. Following the optical microscope studies samples were visualized at 500x, 1000x, 2500x and 4000x magnifications by the scanning electron microscope in order to examine the white layer and diffusion layer structures deeply. 
It was observed that, a thick white layer and a high amount of nitride phase was formed in WP5V steel after the nitration process with Kn 2,2. Nitrided samples were examined in XRD and it was seen that, γ'-Fe4N and ε-Fe3N phases which indicate the white layer were also formed in Kn 14,0/4,0 nitration process. In addition to the iron nitride phases, it was concluded that the chromium elements formed nitrite. 
After structural characterization studies, hardness measurements were taken from the samples. The hardness measurements were taken from the section and surface both, in order to examine the diffusion depth. The hardness of nitrided specimens decreased from the surface to the centre. From the surface hardness measurements which were done with different loads, it was observed that the materials subjected to nitration process had higher hardness compared to the non-nitrided, vacuum hardened materials. In addition, it was determined that the hardness increased as the percentage of alloying element increased. With the nitration process applied with Kn 14,0/4,0, higher hardness values were achieved compared to the other heat treatment processes applied.
After all of these investigations, in order to examine the wear behavior of the samples, the impact wear test was performed at room temperature. Wear tests were carried out with a hardened 10 mm diameter steel ball in 1000 cycles and the applied load is 15 kg with 3,5 kg spring load. The depth, width and area measurements were made from the five different zones of the wear mark by the use of a profilometer. In addition, two dimensional wear mark profiles were drawn with the help of the measurements of the impact zones. 
As a result of the measurements, it was concluded that the nitrided samples using Kn 14,0/4,0 value have higher wear resistance than other processes. For detailed examination of the wear mechanisms, the samples with wear marks were visualized at 100x, 1000x and 2500x magnifications in the scanning electron microscope. When the scanning electron microscope images were examined, it was seen that the wear mechanisms seen in the materials varied. Nitrided samples are resistant to wear according to heat treated samples. In heat treated samples, a wear-like wear caused by plastic deformation was observed and cracks occurred in nitrided samples.