AISI 4140 çelik yüzeyinin grafit takviyeli vanadyum karbür tozları ile kaplanabilirliğinin incelenmesi
Investigation of coating surface of AISI 4140 steel with graphite reinforced vanadium carbide powders
Yazar: İBRAHİM HALİL KÖSEN
Danışman: DOÇ. MUSA KILIÇ
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme ve İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, alt tabaka olarak tercih edilen AISI 4140 çelik yüzeyine GTA (Gaz Tungsten Ark) kaynak yöntemi kullanılarak VC (Vanadyum Karbür) ve VC tozuna farklı (ağ.%1,2,3,4,5 C) oranlarda ilave edilen grafit tozu  (VC-C) ile kaplama işlemi yapılarak yüzeyi özellikleri geliştirilmiştir. Kaplama işlemi sonrası numunelerin mikroyapıları optik mikroskop (OM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Kaplama bölgesindeki element analizleri enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) ile analiz edilmiştir. Kaplama bölgesinde oluşan faz yapılarının tespiti için X-Işını kırınımı (XRD) analizinden faydalanılmıştır. Numunelerin mikrosertlik değerlerinin tespiti için kaplama yüzeyinden alt tabakaya doğru ölçüm gerçekleştirilmiştir. Ayrıca kaplanmış numunelere aşınma testleri yapılarak kaplanmış yüzeylerin sürtünme katsayıları ve aşınma oranları tespit edilmiştir. Kaplama bölgesinden elde edilmiş olan mikroyapı görüntülerinde yoğun ötektik ve dentritik yapıların olduğu görülmüştür. Dendiritik yapılar hücresel, yuvarlak ve çıta benzeri formlarda oluşmuştur. EDS sonuçlarında özellikle koyu gri çakıl benzeri yapıların V ve C yoğun elementler iken ötektik bölgede ise V, C ve Fe yoğun bir yapıdadır. XRD analiz sonuçlarında ise V ve C elementince zengin karbür fazlar birincil dendritik bölge ile dendritler arası bölgelerde VC, α-Fe, FeV, Fe7C3, Fe3C fazları oluştuğu belirlendi. Mikro sertlik ölçüm sonuçlarına göre ilave edilen C oranına bağlı olarak kaplama bölgesindeki mikrosertlik değerilerinde artış tespit edilmiştir. 
Elde edilen ölçüm sonuçlarında en düşük sertlik değeri alt tabaka bölgesinde N2 (%1 C takviyeli) 318 HV0.5 numunesinde iken en yüksek sertlik değeri ise N6 (%5 C- takviyeli) 1295 HV0.5 olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlar ile kaplama tabakasının sertliği alt tabaka sertliğinden yaklaşık 3-4 kat arttığı tespit edilmiştir. Tüm veriler ışığında VC-C kaplamada artan C oranının kaplama sertliğinin artmasına önemli katkı sağladığı söylenebilir. Enerji girdisine bağlı kaplama kalınlık sonuçlarında 720 J/mm enerji girdisine sahip N3 numunesinde 932  kaplama kalınlığı elde edilirken, 1296 J/mm enerji girdisine sahip N6 numunesinde ise 2000  kaplama kalınlığı elde edilmiştir. Kaplama kalınlık sonuçlarına bağlı olarak enerji girdisinin kaplama kalınlığında önemli etkiye sahip olduğu düşünülmektedir. Aşınma sonrası 150 m en düşük sürtünme katsayısı 0,2 ile N6 numunesi olurken en yüksek 0,6 ile N1 numunesinde belirlenmiştir. 300 m ilerleme de ise sürütünme katsayıları N1 numunesinde 0,5 iken N6 numunesinde ise 0,15 olarak tespit edilmiştir. 
Bu sonuçlar ışığında aşınma hacminin C oranına bağlı olarak azaldığı belirlenmiştir. Aşınmış yüzeylerden alınmış SEM sonuçlarında ise aşınma yüzeylerinde mikro çizik, döküntü ve oyuklanmaların oluştuğu gözlenmiştir. Elde edilen veriler ışığında C ilavesi ile kaplamaların mikrosertliklerin arttığı bunun paralelinde aşınma direncide artmıştır. Kaplama yüzeyleri metalurjik olarak düzgün bir yapı sergilemiş herhangi bir gözenek oluşumu gözlenmemiştir.

Abstract:
In this study, graphite powder added to VC (Vanadium Carbide) and VC powder at different (1,2,3,4,5% wt% C) ratios using TIG (Tungsten Inert Gaz) welding method on the AISI 4140 steel surface, which is preferred as the substrate, was used. The surface properties were improved by coating with VC-C). Elemental analyzes in the coating region were analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS). X-Ray diffraction (XRD) analysis was used to determine the phase structures formed in the coating region. In order to determine the microhardness values of the samples, measurements were made from the coating surface to the substrate. In addition, the friction coefficients and wear rates of the coated surfaces were determined by performing abrasion tests on the coated samples. Intense eutectic and dendritic structures were observed in the microstructure images obtained from the coating region. Dendritic structures were formed in cellular, round and lath-like forms. In the EDS results, especially dark gray pebble-like structures V and C are dense elements, while in the eutectic region V, C and Fe are dense. In XRD analysis results, it was determined that VC, α-Fe, FeV, Fe7C3, Fe3C phases were formed in the V and C element-rich carbide phases in the primary dendritic region and the interdendritic regions. According to the microhardness measurement results, an increase in the microhardness values in the coating region was determined depending on the added C ratio.
In the measurement results obtained, the lowest hardness value was measured as N2 (1% C-reinforced) 318 HV0.5 sample in the substrate region, while the highest hardness value was measured as N6 (5% C-reinforced) 1295 HV0.5. With these results, it was determined that the hardness of the coating layer increased approximately 3-4 times than the hardness of the substrate. In the light of all the data, it can be said that increasing C ratio in VC-C coating contributes significantly to the increase of coating hardness. In the coating thickness results depending on the energy input, 932 μm coating thickness was obtained in the N3 sample with an energy input of 720 J/mm, while a coating thickness of 2000 µm was obtained in the N6 sample with an energy input of 1296 J/mm. Depending on the coating thickness results, it is thought that the energy input has a significant effect on the coating thickness. The lowest friction coefficient of 150 m after abrasion was found in the N6 sample with 0.2, while the highest was determined in the N1 sample with 0.6. At 300 m, the friction coefficients were found to be 0.5 in the N1 sample and 0.15 in the N6 sample.
In the light of these results, it was determined that the wear volume decreased depending on the C ratio. In the SEM results taken from the worn surfaces, it was observed that micro scratches, debris and cavities were formed on the wear surfaces. In the light of the data obtained, the microhardness of the coatings increased with the addition of C, and accordingly, the wear resistance increased. The coating surfaces exhibited a metallurgically smooth structure and no pore formation was observed.