Elektrokimyasal borlama ile çeliklerin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi
Improvement of surface properties of steels by electrochemical boronizing
Yazar: ALP ERSÖZ
Danışman: PROF. DR. M. KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Borlama = Boriding ; Elektrokimyasal yöntem = Electrochemical method ; Çelik malzemeler = Steel materials

Özet:
Çelik malzemeler üzerine mekanik ve tribolojik özelliklerini geliştirmek amacıyla çok geniş bir çeşitlilikte kaplama prosesleri uygulanmaktadır, PVD, CVD, termokimyasal uygulamalar, plazma sprey, iyon implantasyon gibi teknikler bu yöntemler arasındadır. Yüzey özellikleri arasında, parçanın aşınma ve korozyona karşı direncinin arttırılması önem açısından ilk sırada yer almakta ve sanayide uygulanan işlemlerin büyük çoğunluğunun amacını teşkil etmektedir. Çelik malzemeler için mevcut termokimyasal yüzey işlem metotları arasında nitrürleme, karbürleme ve karbonitrürleme gibi yöntemler bulunmaktadır. Tüm bu yöntemlerin yanı sıra geniş bir endüstriyel uygulama bulan borlama termokimyasal prosesi en önemli yüzey sertleştirme uygulamalarından biridir. Oluşan borür tabakaları malzemeye korozyon direnci ile birlikte, yüzeyde yüksek değerde sertlik ve yüksek aşınma direnci kazandırmaktadır. Yüksek sıcaklılarda sertliğini koruyan borür tabakası, ayrıca kırılma tokluğu, yorulma gibi diğer mekanik özelliklerini de geliştirerek malzemelerin servis ömürlerini uzattığı bilinmektedir.Bu çalışmada AISI 4140 tipi çelik malzeme farklı süre, sıcaklık, akım yoğunluğu ve ilave banyo bileşenleri kullanılarak ergimiş tuz elektrolizi yöntemi ile borlanmıştır. Elektrolitik olarak borlanan malzeme yüzeyinde süre, sıcaklık, akım yoğunluğu ve ilave banyo bileşenleri parametrelerinin değişimine bağlı olarak borür tabakası oluşumu incelenmiştir. Ayrıca elektrolitik olarak borlanan tüm malzemelerin yüzeyden itibaren sertlik ölçümleri yapılmış ve çelik malzeme setliğinden yaklaşık 4 ? 5 kat yüksek sertlik değerleri ölçülmüştür. Sert ve kırılgan malzemelere uygulanan indentasyon tekniği kullanılarak çelik malzeme yüzeyinde oluşan borür tabakalarının kırılma tokluğu değerleri ölçülmüş, ve kırılma tokluğunun elektrolitik borlama süresi, sıcaklık, akım yoğunluğu ve banyo katkı maddelerine bağlı olarak kırılma tokluğu değeri incelenmiştir. Mekanik testlerin yanı sıra oluşan borür tabakalarının korozif ortamlarda davranışını incelemek için daldırma tekniği kullanılarak korozyon testleri yapılmıştır. Deneylerde %10-15-20'lik H2SO4 , %10-15-20'lik HNO3, %10-15-20'lik HClO4, %10-15-20'lik H3PO4 çözeltileri kullanılmıştır. Numuneler asit çözeltilerin içerisinde oda sıcaklığında 12 saat bekletilmişlerdir. Korozyon deneyleri 900 °C, 200 mA/cm2 ve 60 dakika koşullarında elektrokimyasal borlama işlemi uygulanmış malzemeler ile yapılmıştır.Yapılan çalışmalarda numunelerin birçoğunda Fe2B ve FeB fazlarını içeren tipik dişli yapıda borür tabakası elde edilmiştir. Çelik malzeme yüzeyinde oluşan borür tabakalarının sıcaklık, süre ve akım yoğunluğuyla difüzyon kontrollü olarak arttığı görülmüştür. En kalın borür tabakası %90 Na2B4O7 + %10 Na2CO3 banyo bileşimi kullanılarak yapılmış elektrolitik borlama işleminde elde edilirken, en düşük tabaka kalınlığı %100 Na2B4O7 kullanılarak yapılmış elektrolitik borlama işleminde gözlemlenmiştir. Oluşan borür tabakalarının sertlik değerleri tabaka boyunca doğrusallık göstermekte ve en yüksek sertlik değerleri ise FeB tabakasında görülmektedir. Yüzeyden matrise doğru inildikçe FeB tabakasından Fe2B tabakasına geçişte sertlik değerlerinin azalmaktadır. Kırılma tokluğu çalışmalarında kullanılan tüm numuneler için kırılma tokluğu 2,67 ile 6,01 Mpa.m1/2 değerleri arasında bulunmuştur. Ayrıca toplam tabaka içerisinde FeB fazının artışına bağlı olarak kırılma tokluğu değerlerinin düştüğü tespit edilmiştir.%10-15-20'lik H2SO4 , %10-15-20'lik HNO3, %10-15-20'lik HClO4, %10-15-20'lik H3PO4 sıvıları içerisindeki korozyon deneyi sonuçlarına göre borlanmış malzemelerin korozyon dayanımlarının 12 kata kadar arttığı görülmüştür.

Abstract:
A large variety of coating processes, such as PVD, CVD, plasma spraying, oxidation and thermochemical treatments, are applied on steels to improve mechanical and tribological properties. Among all the surface modifications, it takes first place to enhance wear and corrosion resistance of steels, and is the aim of industrial applications. Available thermochemical surface treatment methods for steel materials include nitriding, carburizing, carbonitriding, etc. Boronizing, a thermochemical process, is one of the important surface hardening techniques which is technically well developed and widely used in industry. Boride layer increases corrosion and wear resistance and hardens the surface of steel. The layer, which is hard even at high temperatures, also provides longer service life to steels with some developed mechanical properties like fracture toughness and fatigue.In this study, AISI 4140 steel substrate was boronized by molten salt electrolysis under different time, temperature, current density and bath compositions. Boride layers growth is investigated of borides formed on steel in dependence with time temperature, current density and bath compositions. Besides, hardness profiles were measured on metallographic sections after boriding. It is found that hardness of boride layers is 4 ? 5 times harder than metallic matrix. Fracture toughness values of boride layers were measured, and the fracture toughness of boride layers were investigated depending on time, temperature, current density and bath compositions by indentation technique which is used for hard and brittle materials. In addition to mechanical studies, corrosion studies of electrotically boronized and unboronized samples by immersed in acidic solutions containing %10-15-20 H2SO4 , %10-15-20 HNO3, %10-15-20 HClO4, %10-15-20 H3PO4 by volume. Electrolitically boronized and unboronized samples were immersed in acidic solution and kept 12 hours at room temperature. Samples which was electroliticaly boronized under 900 oC, 200 mA/cm2 and 60 hour conditions were used in corrosion tests.After boronizing metallographic studies showed that boride layers are formed at the surface of steel substrates which include Fe2B and FeB phases with a typical saw-tooth morphology relatively. It is investigated that boride layers increase with time, in accordance with diffusion control mechanism. The thickest boride layer was observed by using %90 Na2B4O7 + %10 Na2CO3 bath composition, on the other hand the thinnest layer was observed at a composition of bath %100 Na2B4O7 in electrochemical boronizing under 900 oC, 200 mA/cm2 and 60 conditions. Boride layer hardness profile was investigated and it was shown that FeB is the hardest layer. Hardness of the boride layer is decreasing from the surface of layer to the metallic matrix. Fracture toughness of the borided surfaces ranged from 2,67 to 6,01 Mpa.m1/2. It was observed that fracture toughness of boride layer decreases with increasing the amount of FeB in total layer.Corrosion resistance of borided steel substrates are up to 12 times higher than unborided substrates, in acidic solution of %10-15-20 H2SO4 , %10-15-20 HNO3, %10-15-20 HClO4, %10-15-20 H3PO4.