FeB toz boyutunun AISI 4140 çeliğinin borlama paramatrelerine etkisinin araştırılması
Effect of feb parti̇cle si̇ze on boroni̇zi̇ng parameters of AISI 4140
Yazar: SELÇUK KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. SERDAR OSMAN YILMAZ
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Borlama işlemi, termokimyasal kaplamalar arasında yüksek yüzey sertliği, düşük sürtünme katsayısı, yüksek korozyon ve oksidasyon direnci gibi üstün özelliklere sahip olması ve birçok metalik malzemeye uygulanabilmesi sebebiyle ön plana çıkmaktadır. Borlama işlemi için yeni bir borlama tekniği geliştirilmiştir. Kaplama işleminde, bor kaynağı olarak ferrobor alyajı tozu kullanılıp ferrobor ve sodyum silikat karıştırılarak jel haline getirildi. Ferrobor tozu ile sodyum silikat karışımı mekanik alaşımlamada kullanılan hızlı öğütücü (mekanik alaşımlama cihazı) vasıtasıyla öğütüldüler. Borlama karışımı Spex tipi öğütücüde (1200 dev/dak) 1, 2 ve 4 saatlik öğütmelere tabi tutuldu. Öğütülen tozların DTA'sı alaınarak tozların yüzey enerjilerindeki değişim belirlendi. İşlem AISI 4140 çeliğinin yüzeyine tatbik edildi. Borlama parametreleri olarak; sıcaklık 750-950 oC ve süre 2-8 saat aralıklarında seçildi. Borlama işlemi sonrası, demir borür tabakası ile kaplanan numunelerin mikroyapları ve aşınma karakteristikleri incelendi. Mikro yapı çalışmaları esnasında numunelerin optik ve SEM ile mikroyapı görüntüleri alınarak tabaka kalınlıkları ve tabaka morfolijisi tespit edildi. XRD işlemi ile yüzeydeki borürlerin tipleri belirlendi. DTA (diferansiyel termik analiz) ile borür tabakasındaki fazların entalpileri ve bu fazların dönüşüm sıcaklıkları tespit edildi. Mikro sertlik yöntemi ile kaplanmış tabakların sertlikleri belirlendi. Yüzeydeki sertlik dağılımı, kaplama kalınlığı, mikro yapı gibi sonuçlar sıcaklığın, sürenin ve atritörde öğütme süresinin fonksiyonu olarak belirlendi. Kaplama kalınlığı kinetiği incelendi. GODES ile numunelerin yüzeyinden içeriye doğru bor konsantrasyonu değişimi belirlendi. Kaplamada mekanik alaşımlamanın aktivasyon enerjisi üzerindeki etkisi, yüzey enerjisi üzerindeki etkisi ve tabakalaşmada faz dönüşümü üzerindeki etkileri belirlenmeye çalışıldı. Borlamada sodyum silikat dışında Na2SO4, NaF, NH3Cl, Na2B4O7, NaCl gibi bağlayıcılar kullanılarak sodyum silikatlı sonuçlar ile karşılaştırıldı. Aşınma testleri için "pin-on-disc" konfigürasyonu kullanıldı. İşlem kuru ve atmosfere açık ortamda, 0.8 ms-1 hızlarında, 40 ve 60 N yükleri altında gerçekleştirildi. 8 saatlik borlama süresi ve 900-950 oC sıcaklıkta borlanmış numunelerde, aşınma yüzeyde deformasyon oluşumu safhasına kadar oksit oluşumu ile gerçekleşirken, 4-6 saatlik borlama süresi ve 800-850 oC sıcaklık şartlarında borlanmış numunelerde, aşınmış yüzeylerde oksitli aşınma belirlenirken yüzeydeki bor tabakasında aşınma sonrası çatlama oluşmadığı görüldü.

Abstract:
Boronising, has a spectacular place in thermochemical claddings because of higher surface hardness, lower friction coefficient, high corrosion and oxidation resistance and applicability to many metallic materials. A new boronising technique was developed for designing boronising coatings. Ferroboron was chosen as boron source for the coating process. Ferroboron powders were mixed with sodium silicate and the obtained jell was applied on the surface of AISI 4140 steel. The jell was mechanically alloyed before boronizing. The ferroboron and sodium silicate mixture was mechanically alloyed in a Spex type high energy atritor (1200 rev/min) for 1, 2 and 4 hours. The surface energy of the powders were determined by DTA analysis. Boronising parameters were chosen as 750-950 oC temperatures and 2-8 hour intervals. The microstructure and wear properties of the samples coated by iron boride plates were investigated. Optical microscobe, SEM and XRD were used for determination of the borides. Microhardness was used for determination of the hardness of the borides. It was aimed to decrease the temperature and time of the boronizing. The distribution of the hardness on the coated surface, coating thickness, and the change of the microstructure were investigated as the parameters of the boronizing temperature, boronizing time and the mechanicall alloying time. The kinetic of the diffusion was investigated by using GDOES analysis. Na2SO4, NaF, NH3Cl, Na2B4O7, NaCl were used as binder material, and the coating thickness were compared. Finally, the effect of the mechanical alloying on the activation energy, surface energy of the powders and the thickness of the boride plates were determined. Wear tests were performed by means of a tribometer in pin-on-disc configuration, without lubricant and in air, by using 20, 40 and 60 N coupling loads and 0.8 ms-1 sliding speeds. On samples coated for 8 hour and 900-950 oC conditions, wear is essentially oxidative until the failure of the coating, the fragments of which caused a third body abrasion. On the 4-6 hour and 800-850 oC coated samples the wear mechanism is mainly oxidative and the coating totally wears out without any cracks.