Yüksek krom ve nikelli dökme çeliklerin mekanik ve korozyon özelliklerine yaşlandırma ve borlama ısıl işleminin etkisi
The effect of aging and heat treatment boriding on mechanical and corrosion properties of high chromium and nickel cast steels
Yazar: ERGUN KABADAYI
Danışman: DOÇ. DR. HAYRETTİN AHLATCI
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, döküm (orijinal) ve çözeltiye alma (1200 °C?de 6 saat) ısıl işlemi uygulanmış haldeki DIN 1.4849 (G-X40NiCrSiNb 38-18) kalite çelik, çeşitli koşullarda borlama ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Borlama ısıl işlemi ile oluşan borür tabakaları mikroyapı, korozyon gibi çeşitli yönlerden karakterize edilmiş ve özellikleri ortaya konmuştur. Çözeltiye alma ısıl işlemi uygulanmış numunelere uygulanan değişik borlama ısıl işlemi sürelerinin yaşlandırma özelliklerine etkileri belirlenmeye çalışılmıştır. Borlama işlemi, katı ortamda ticari Ekabor2 toz karışımı kullanılarak yapılmıştır. Borlama ısıl işlemi, farklı süre (3, 6, 9, 12 ve 15 saat) ve sıcaklıklarda (850, 950 ve 1050 °C) uygulanmıştır. Korozyon deneyleri, % 10 olan H2SO4 çözeltisi içerisinde taramalı potansiyostat cihazı ile yapılmıştır. Borlanan numunelerin mikroyapıları optik mikroskopta metalogtafik olarak incelenmiş, X-ışınları difraksiyon analizi ile de kaplama tabakasını oluşturan fazların cinsi tespit edilmiştir. Kaplama tabakasının sertlik ve kırılma tokluğu gibi mekanik özellikleri karakterize edilerek, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile kaplama tabakasını oluşturan fazların mikroyapıları ve korozyon yüzeyleri incelenmiştir. Elementlerin kaplama tabakası içerisindeki dağılımları,  enerji dağılımlı X-ışınları spektroskopisi (EDS) ile belirlenmiştir. 
Çözeltiye alma ısıl işlemi yapılmış numunelere uygulanan değişik borlama ısıl işlemi sürelerinde, en yüksek yaşlandırma sertliği 950 °C?de 9 saatte, en düşük yaşlandırma sertliği ise 1050 °C?de 3 saatte borlama ısıl işlemi görmüş numunelerde tespit edilmiştir. Borlama süresinin artması ile yaşlandırma sertliği artmış ve belli bir süreden sonra sabit bir seyir izlemiştir. Borür tabakası kalınlığı, işlem sıcaklığı ve suresine bağlı olarak artmaktadır. Ayrıca borlanmış numunelerin korozyon dayanımlarının da sıcaklık, süre ve yapı içerisinde çözünen element oranlarına göre değiştiği saptanmıştır. Kırılma tokluğu ölçümlerinde, sıhhatli çatlak oluşturabilmek için gerekli olan tabaka kalınlığı orijinal numunede 850 °C borlama sıcaklığında 3, 9, 12, 15 saat borlama sürelerinde, çözeltiye alınmış numunelerde ise 3 ve 9 saat borlama sürelerinde elde edilmiştir. 950 °C?de ise, orijinal ve çözeltiye alınmış numunelerde kırılma tokluğu ölçümü için gerekli olan tabaka kalınlığı 3, 12 ve 15 saat borlanmış numunelerde oluşmuştur. Bu numunelerin kırılma toklukları ölçülmüştür.
Borlanmış bazı numunelerde yüksek sertlik değerlerine sahip borür tabakasından çok daha yumuşak olan çekirdek sertliğine geçisin ani olmasından ve malzemede bulunan yüksek Si oranından dolayı borür tabakasında çatlaklar oluştuğu ve bu çatlakların yüzeyden pullanma şeklinde dökülmelere yol açtığı gözlemlenmiştir. Bazı parametrelerde yapılan borlama işleminde (950 oC?de 3 saat, 1050 oC?de 3 ve 15 saat) tokluğu yüksek koyu matris içerisinde, sertliği ortalama 1635 HV olan çubuksu bir yapı oluşmuştur. Bu tabaka perlitik görünümlü bir yapıya benzemektedir. Ayrıca yapılan XRD ve EDS analizleri sonucunda yapıda Fe2B tabakasının yanısıra Fe3B tabakasına rastlanmıştır.
Anahtar Sözcükler  : Yüksek krom ve nikelli çelik, borlama ısıl işlemi, çözeltiye      alma ısıl işlemi, korozyon ve yaşlandırma.

Abstract:
In this study, DIN 1.4849 (G-X40NiCrSiNb 38-18) quality steel in conditions of casting and solution (1200 °C for 6 hours) heat treated was boronized. Microstructure and corrosion of layers formed by Boriding heat treatment have been characterized. Aging properties of the solution heat-treated samples were investigated the duration of the boronizing heat treatment. Boronizing, commercial Ekabor2 powder mixture was used in the solid state. Boriding heat treatment was conducted in different periods of time (3, 6, 9, 12 and 15 hours) and at temperatures (850, 950, and 1050 °C). Corrosion tests were carried out by using the potentiostat in solution of % 10 H2SO4. Metallographic microstructure of the boronized samples was examined in optical microscope, the phases forming in the coating layer has been found X-ray diffraction method. Mechanical properties such as hardness and fracture toughness of the coating layer were examined. The phases that make up the coating microstructure and corrosion surfaces were characterized by scanning electron microscopy (SEM). Distributions of elements in the coating layer were determined by an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
In various boronizing times applied to the solution heat treated specimens the higher aging hardness at 950 °C in 9 hours and the low aging hardness at 1050 °C for 3 hours was determined. Hardness increased with increasing aging time boriding and remained constant after a certain period of time. Borided layer thickness increases depending on boriding heat treatment temperature and time. The surface hardness of borided specimens increases as well. Also borided corrosion resistance of the samples was changed according to the boriding temperature and time. For fracture toughness measurements, the layer thickness needed to build healthy crack were obtained in original samples at boronizing temperature of 850 °C for boronizing periods of 3, 9, 12, 15-hours and from samples of the solution at 3 and 9 hours boronizing times. A layer thickness needed for healthy crack fracture toughness measurements was obtained at 950 °C of borinizing temperature for 12 and 15 hours of boronizing periods. Fracture toughness of these samples was measured.
In boronized some samples due to having a sudden transition from boride layer with high hardness values to much softer hardness of the core and the high content of Si, it is observed the boride layer cracks caused pitting and spalling from the surface. In some boronizing conditions (such as 950 oC-3 hours, 1050 oC-3 and 15 hours) a rod-shaped structure with hardness of 1635 HV occured. This layer structure is similar to looking perlitic. Also as a result of the XRD and EDS analysis, layers consisting of Fe2B and Fe3B structures, respectively, were found.
Key Word    :   Steel with high carbon and chromium, boronizing heat treatment,    solution heat treatment of receiving, corrosion and aging