AISI D3 soğuk iş takım çeliği yüzeyinde niyobyum karbür kaplamalarının oluşturulabilirliği, aşınma ve korozyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of formability, wear and corrosion behaviors of niobium carbide coatings on AISI D3 cold work tool steel
Yazar: HASAN HÜSEYİN AÇIKGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. ALİ GÜNEN ; PROF. DR. İSMAİL HAKKİ KARAHAN
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Korozyon ve aşınma hasarları endüstriyel ekonomilere her yıl yüksek maliyetler getirmektedir. Aşınma ve korozyon hasarları esas olarak malzemelerin yüzey ve yüzeye yakın katmanlarının özellikleri ile ilgili olduğundan, bu hasarları önlemek ve malzemelerin performansını iyileştirerek kullanım ömrünü uzatmak için yüzeyde sert bir kaplama veya ince film oluşturmak önemli bir çözümdür. Bu nedenle, yüzey mühendisliği ve teknolojisi alanı, malzemenin kimyasal ve fiziksel bileşimini korumak ve yüzey özelliklerini değiştirmek için geliştirilmiştir. Bu çalışmada AISI D3 çeliğinin yüzeyinde Termo-reaktif difüzyon yöntemi (TRD) kullanılarak 900, 1000 ve 1100°C'de 2,4,6 saat parametreleri ile Niyobyum karbür (NbC) kaplama tabakası oluşturulmuştur. Oluşan NbC kaplama tabakasının karakterizasyonu Taramalı Elektron Mikroskobu ve Enerji Dağılım Spektroskopisi (SEM-EDS), X-ray Difraktometre (XRD), mikrosertlik, nano-indentasyon, Vickers adhezyon testi, aşınma testi ve elektrokimyasal korozyon testi ile belirlendi. Korozyon testleri oda sıcaklığında %3,5 NaCl solüsyonunda elektrokimyasal olarak yapılmıştır. Aşınma testleri oda sıcaklığında 10 N yük altında 100-250 m kayma mesafesinde 6,3 mm çapında Al2O3 topuna karşı 200 mm/s hız ve 8,00 mm aşınma iz çapı parametrelerinde gerçekleştirilmiştir.
TRD işlemi sonucunda, 8,75-17,10 µm kalınlık aralığında ve 1558-2286 HV0,025 sertlik aralığında, alt tabaka ile mükemmel adezyona sahip, kompakt, pürüzsüz ve çatlaksız NbC tipi bir tabakası elde edilmiştir. TRD sıcaklığına ve süresine bağlı olarak, NbC kaplamalar, işlemsiz AISI D3'e kıyasla aşınma direncini 5 kat'a kadar ve korozyon direncini 14 kat'a kadar iyileştirmiştir. NbC kaplamaların kalınlık ve mikrosertlik değerleri artan sıcaklık ve zamanla artmış olmasına karşın aşınma ve korozyon direnci özelliklerinde önemli değişiklikler gözlemlenmiştir. Aşınmış numunelerin yüzey morfolojileri, aşınma mekanizmasının işlem görmemiş numunede abrasiv aşınma olduğunu ortaya çıkardı. Buna karşılık NbC kaplı numunelerde ise baskın aşınma mekanizmasının oksidatif destekli adhesiv aşınma olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca korozyon direncinin büyük ölçüde yüzey pürüzlülüğü ve yüzey kusurlarına (özellikle mikro çatlaklara) bağlı olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Corrosion and wear damages cause high costs to industrial economies every year. Because wear and corrosion damages are mainly related to surface and near-surface layers properties of materials, it is an essential solution to form a hard coating or thin film on the surface to avoid these damages and extend the service life by improving the performance of materials. Therefore, the field of surface engineering and technology has been developed to preserve the chemical and physical composition of the material and modify its surface properties. In this study, a Niobium carbide (NbC) coating layer was formed on the surface of AISI D3 steel using the Thermo-reactive diffusion method (TRD) at 900, 1000 and 1100°C with 2,4,6 hours parameters. Characterization of the formed NbC coating layer was determined by Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS), X-ray Diffractometer (XRD), microhardness, nano indentation, Vickers adhesion test, abrasion test and electrochemical corrosion test. Corrosion tests were performed electrochemically at room temperature in a 3.5% NaCl solution.Wear tests were carried out at room temperature under a 10N load at a sliding distance of 100-250 m against a 6.3 mm diameter Al2O3 ball with a diameter of 8.00 mm and a velocity of 200 mm/s. 

As a result of the TRD process, compact, smooth and crack-free NbC type layer with excellent adhesion with the substrate in the range of 8.75-17.10 µm thickness and 1558-2286 HV0.025 hardness, was obtained. Depending on the TRD temperature and time, the NbC coatings improved wear resistance by up to 5 times and corrosion resistance by up to 14 times compared to the un-treated AISI D3. The thickness and microhardness values of NbC coatings increased with increasing temperature and time, showing significant changes in wear and corrosion resistance properties. The surface morphologies of the worn samples revealed that the wear mechanism was abrasive in the untreated sample. In contrast, oxidative-supported adhesive wear was the dominant wear mechanism in the NbC-coated samples. In addition, it has been determined that corrosion resistance mostly depends on surface roughness and surface defects (especially microcracks).