Elektrolitik plazma teknolojisi ile çeliklere uygulanan yüzey modifikasyon işlemleri
Surface modification process performed on steels by electrolytic plasma technology
Yazar: LEVENT CENK KUMRUOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. AHMET ÖZEL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Aşınma dayanımı = Wear resistance ; Elektroliz = Electrolysis ; Elektroliz yöntemi = Electrolysis method ; Isıl işlem = Heat treatment ; Malzeme bilimi = Material science ; Plazma = Plasma ; Plazma ark = Plasma arc ; Plazma nitrürleme = Plasma nitriding ; Sertleştirme = Hardening ; Yüzey sertleştirme = Surface hardening

Özet:
Bu çalışmada, endüstriyel olarak yaygın kullanılan AISI 1040, AISI 4140, EU 1.2333 ve AISI 316 L çelik malzemelerinin, elektrolitik plazma teknolojisi kullanılarak, yüzey özelliklerini iyileştirmek amaçlanmıştır.Çalışma esnasında, gerek akademik gerekse endüstriyel anlamda yeni bir konu olan elektrolitik plazma teknolojisi detaylı olarak incelenmiştir. Elektrolitik plazma yöntemi optimize edildikten sonra, çeliklerin yüzeyleri modifiye edilmiştir. Optik mikroskop kullanılarak, çeliklere uygulanan farklı parametrelerin modifikasyon tabaka kalınlığını ve yapısını değiştirdiği gözlenmiştir. Ayrıca, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve EDS analizlerinde modifikasyon tabakasındaki dönüşümler ve tane yapıları incelenmiştir.Modifikasyon tabakasından alınan XRD analizlerinde Fe2O3, Fe3O4, FeO piklerine rastlanmıştır. Mikrosertlik ölçümlerinde mesafeye ve elektrolitik plazma parametrelerine göre değişen sertlik değerleri elde edilmiştir. Modifikasyon işlemi uygulanmadan yaklaşık 180 HV olan çeliğin sertlik değeri 750-950 HV bandına kadar 12-36 saniye gibi çok kısa sürelerde çıkarılmıştır. Aynı zamanda yüzey sertlik değerleri 10 HRC den 55-60 HRC ye çıkartılarak, 10 mm'ye varan muazzam sertlik derinlikleri elde edilmiştir.180, 360, 540 ve 720 m için 0.1 m/sn hızda 5N, 10N, 20N ve 30N yük altında çizgisel (lineer) aşınma deneyi yapılmıştır. Numunelere uygulanan çizgisel aşınma deneyi sonrası yük değişimiyle sürtünme katsayısının ve aşınma miktarlarının değiştiği gözlemlenmiştir. Sürtünme katsayısı bir miktar azalırken, aşınma dayanımlarının beş kata kadar arttığı görülmüştür. Yöntemin mevcut ısıl işlem ve modifikasyon işlemlerine karşı bir alternatif olabileceği ve endüstriyel uygulamalarda kullanılabileceği belirlenmiştir.Ayrıca elektrolitik plazma difüzyon işlemleri, farklı çözeltiler kullanılarak 316 L paslanmaz çelik altlıklar için gerçekleştirilmiştir. Elektrolitler suda çözünebilen O, N ve B gibi arayer elementi içeren inorganik tuzlardan seçilmiştir. Birinci elektrolit H2N-CO-NH2, ikincisi NH4NO3 üçüncüsü ise H3BO3 esaslı olarak seçilmiştir. Plazma difüzyon süresi 5 saniye ile 30 dakika arasında seçilmiştir. 1N ve 3N yük kullanarak 100 metre ve 1200 metre mesafelerde aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Aşınma deney sonuçları difüzyon yapılan numunelerin aşınma direncinin arttığını ve sürtünme katsayısının düştüğünü göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Elektrolitik Plazma, Yüzey Modifikasyonu, Aşınma, Sertlik

Abstract:
SUMMARYKey Words: Electrolytic Plasma, Surface Modification, Wear, HardnessIn this thesis, an attempt has been made to develop the surface properties of conventional AISI 1040, AISI 4140, EU 1.2333 and AISI 316 L steels using electrolytic plasma technic. During study, the electrolytic plasma technology is one of the innovative technologies that have been investigated extensively at both of academic and industrial levels. After optimization of electrolytic plasma technology, surface of AISI 1040, AISI 4140, EU 1.2333 and AISI 316L steel has modified. It is observed that layer thickness and structure change with different parameter settings using optical microscopy. Also, transformation of modification layer and grain structure was investigated by using scanning electron microscopy with attached energy dispersive spectrometry (SEM-EDS).XRD results revealed that Fe2O3, Fe3O4, FeO phases were found in the modified surfaces. According to micro-hardness test results, it is observed that the value of micro-hardness of the samples changes with different distance and parameter. While the value of micro-hardness of the samples was found approximately 180HV without modification treatment, this value was raised up to 950 HV within very short time from 12 to 36 second after the treatment. Furthermore, the amount of macro-hardness on the surface of the samples was increased from 10 HRC to approximately 60 HRC. Dry sliding wear tests were performed using a linear wear machine. The wear tests were carried out at the sliding speed of 0.1 ms-1 using applied load of 5N, 10N, 20N and 30N for various distances (180, 360, 540 and 720 m). The wear results have shown that wear resistance of modified samples increased approximately five times, while friction coefficient decreased slightly. Furthermore, in this study, the utilization of electrolytic plasma treatment in the industry discusses and compares with conventional treatments.Also, using different electrolytic solutions, electrolytic plasma diffusion treatment was performed on polished 316 L stainless steel substrates. The electrolytes were chosen from inorganic salts for their soluble diffusion elements such as O, N and B. The first electrolyte was consisting H2N-CO-NH2, the second one was NH4NO3 and the last one was H3BO3. The plasma diffusion duration was chosen in the range of 5 sec. to 30 min. Dry sliding wear tests were performed using 1N and 3N applied load for 100 m and 1200 m distance. The wear results have shown that wear resistance of diffused samples increased, while friction coefficient decreased.Key Words: Electrolytic Plasma, Surface Modification, Wear, Hardness