Yüzey işlemleri uygulanmış W350 kalite sıcak iş takım çeliğinin tribolojik karakterizasyonu
Tribological characterization of surface treated W350 grade hot work tool steel
Yazar: ALİ KEREM TİMUR
Danışman: PROF. DR. ŞABAN HAKAN ATAPEK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Karakterizasyon = Characterization ; Sıcak iş takım çeliği = Hot work tool steel

Özet:
Bu çalışmada, W350 ISOBLOC sıcak iş takım çeliği üzerine çoklu yüzey işlemleri uygulanmış olup, yüzeyde ve kesitte yapısal karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Konvansiyonel olarak 1010°C sıcaklıkta 20 dakika östenitleştirilen takım çeliği havada soğutulmuş ve 580°C sıcaklıkta üç kez 2 saat boyunca temperlenmiştir. Isıl işlemi takiben 6-8 bar basınçta önce alumina ve sonrasında çelik bilya ile yüzeyleri dövülen çelik yüzeyinde nitrokarbürizasyon, oksidasyon ve nitrasyon + oksidasyon içeren çeşitli yüzey işlemleri uygulanmıştır. Temper martenzitik matrikse sahip takım çeliğinin yüzeylerinde ve kesitlerinde yapılan metalurjik incelemeler; (i) yüzeylerde homojen bir kaplamanın var olduğunu, (ii) karbonitrasyon işlemi sonrası yüzeyden merkeze ~ 8 µm kalınlığında bir azot ve karbonca zengin tabakanın oluştuğunu ve difüzyon tabaka derinliğinin ~ 120 µm derinlikte olduğunu, (iii) oksidasyon ile yüzeyde ~ 2 µm kalınlığında demir oksit fazına ulaşıldığını ve (iv) nitrasyon işlemi ile beyaz tabaka oluşturulmaksızın ~ 20 µm derinliğinde bir difüzyon tabakasının var olduğunu ve bu tabaka üzerinde oksidasyon ile ~ 2 µm kalınlığında demirce zengin bir oksit tabakasının oluştuğunu göstermiştir. Nitrokarbürizasyon işlemi ve nitrasyon+oksidasyon işlemleri ile çelik yüzeyinde sırası ile 1125 ve 805 HV sertlik değerlerine ulaşılmış olup, elde edilen sertlik değerleri ısıl işlem uygulanmış çeliğin matriks sertlik değerinden (560 HV) nispeten daha yüksektir. Oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklıkta (350 ve 450 °C) yapılan aşınma testleri, yüzey işlemleri ile konvansiyonel ısıl işlem uygulanmış çeliğin aşınma direncinin önemli ölçüde arttırılabildiğini ortaya koymuştur. Yüksek yük taşıma kapasitesine sahip bir difüzyon tabakasının varlığı ile nitrokarburizasyon işlemi uygulanmış çelikte en yüksek aşınma direnci sağlanmıştır.

Abstract:
In this study, multiple surface treatments are applied on W350 ISOBLOC hot work tool steel, and structural characterization studies are carried out on the surfaces and cross-sections. Tool steel, which is conventionally austenitized at 1010°C for 20 min, is quenched in air and tempered three times at 580°C for 2 h. Following the heat treatment, the surfaces are shot peened first with alumina and then with steel ball at 6-8 bar pressure, and then various surface treatments including carbonitriding, oxidation and nitriding + oxidation are applied on the steel surfaces. Metallurgical investigations on the tool steel having a tempered martensitic matrix reveal that (i) there are homogeneous coatings on the surfaces, (ii) a nitrogen and carbon-rich layer (~ 8 µm) is formed from the surface to the center due to carbonitriding, and the depth of diffusion layer is ~ 120 µm, (iii) an Fe-rich oxide with a thickness of ~ 2 µm is formed by oxidation (iv) no white layer is observed, a diffusion layer (~20 µm) exists, and an Fe-rich oxide layer (~ 2 µm) is formed on the cross-section of nitrided and oxidized tool steel. By the nitrocarburizing process and nitriding+oxidation processes, 1125 and 805 HV hardness values are obtained on the steel surface, respectively, and the hardness values obtained are relatively higher than the matrix hardness value of the heat-treated steel (560 HV). Wear tests performed at room temperature and high temperature (350 and 450 °C) reveal that the wear resistance of conventionally heat-treated steel can be significantly increased by surface treatments. The highest wear resistance is achieved in steel with nitrocarburizing treatment due to the presence of a diffusion layer with high load-carrying capacity.