AISI 8620 çeliğinin değişik pasta karışımlarında plazma pasta borlanması ve yüzey özelliklerinin incelenmesi
Plasma paste boronizing of AISI 8620 steel by using different paste mixtures and investigation of their surface properties
Yazar: İBRAHİM GÜNEŞ
Danışman: DOÇ. DR. ŞÜKRÜ TAKTAK
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Boraks = Borax ; Mikrosertlik = Microhardness

Özet:
Son yıllarda teknolojinin gelişmesi ve malzemelerden daha üstün özeliklerin beklenmesi neticesinde kullanılan malzemelerin yüzey modifikasyonu gündeme gelmiştir. Bu amaçla borlama akla ilk gelen ve oldukça da etkili bir yüzey sertleştirme yöntemidir.Dünyada bilhassa makine ve metalurji sektöründe borlama yüzey işlemi, tribolojik açıdan oldukça rağbet görmektedir. Plazma pasta borlama prosesi bor ürünleri kullanarak (boraks, borik asit, bor karbür) rahatlıkla gerçekleştirilmektedir. Normal plazma borlamada kullanılan bor kaynaklarının (BCl3, BF3, B2H6) pahalı ve korozif olması ayrıca katı borlamada kullanılan bor kaynağının yurt dışından alınması plazma pasta borlamayı cazip hale getirmektedir. Bu prosesde boraks ve borik asit gibi ülkemizde fazla bulunan bor kaynaklarının kullanılıyor olması bor tüketimine ve bor kaynaklarının faydalı bir alanda kullanımına imkan sağlayacaktır.Bu çalışmada boraks ve B2O3'e farklı yüzde oranlardaki SiC ve B4C ilave edilerek elde edilen bor pastaları ile AISI 8620 çeliği plazma ortamında borlanmıştır. İşlem 700, 750 ve 800°C'lerde 2, 5 ve 7 saat sürelerde %30 Ar-%70 H2 gaz karışımında, 10 mbar çalışma basıncında gerçekleştirilmiştir. Borlama işleminden sonra numuneler kesitten kesilerek gerekli metalografik işlemlerden geçirilmiştir. Plazma pasta borlama işlemi sonrasında oluşan borür tabakalarının yüzey morfolojileri ve faz analizleri, optik, taramalı elektron mikroskobu ve X-ışınları difraksiyon analizi yardımıyla yapılmıştır. Oluşan borür tabakalarının sertlikleri Vickers sertlik ölçme yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Ayrıca borür tabakalarının büyüme kinetikleri ve aşınma davranışları incelenmiştir.Plazma pasta borlama işlem sıcaklık ve süresinin artmasıyla birlikte borür tabaka kalınlıklarında artış gözlenmiştir. Plazma pasta borlanan numunelerin XRD incelemeleri sonucunda 700°C'de tüm bor pasta karışımlarında Fe2B fazının FeB fazına göre daha baskın olduğu tespit edilmiştir. SiC oranının artmasıyla hacimce Fe2B fazında artış meydana gelmiştir. 700°C'de 2 ve 5 saat Ekabor II tozuyla borlama sonucunda herhangi bir borür takası elde edilememiştir. SEM incelemelerinde borür tabakasının karakteristik özelliği olan kolonsal bir morfolojiye sahip olduğu gözlenmiştir.Plazma pasta borlama işlem sıcaklığının ve süresinin artmasıyla boraks ve B2O3 pastalı numunelerin sertlik değerlerinde artış gözlenmiştir. Genellikle B4C miktarının hem boraks hem de B2O3 bor pastalarında artmasıyla numunelerin sertliklerinde artış meydana geldiği tespit edilmiştir. SiC katkılı boraks ve B2O3'li karışımlar, B4C takviyelilere göre daha düşük sertlik değerlerine sahip oldukları gözlenmiştir. Büyüme kinetiği çalışmaları göstermiştir ki, geleneksek borlama yöntemlerine göre plazma pasta borlama yöntemiyle daha düşük aktivasyon enerjisi değerleri elde edilmektedir.

Abstract:
In recent years, the surface modification of materials used as a result of expecting superior properties from metarials with the development of technology has been noted. For this purpose, boronizing is the first thing that comes to mind as an effective method of surface hardening.Above all, boronizing surface treatment within the mechanical and metallurgical industry in the world is in demand in tribological perspective. Plasma paste boronizing process is easily carried out by using boron products (borax, B2O3, B4C). The gases (B2H6, BCl3, BF3) used in plasma boronizing which are expensive and corrosive characteristics and purchasing boron resources used in pack boronizing from abroad makes plasma paste boronizing attractive. Using boron sources such as borax and boric acid that is common in our country in this process shall provide the opportunity in the consumption of boron and in the use of boron resources.In this study, AISI 8620 steel was plasma paste boronized with different paste mixtures which consist of borax, B2O3, SiC and B4C. Plasma paste boronizing process was carried out at temperature of 700, 750 and 800 °C for 2, 5 and 7 hours at gas mixture of 30% Ar + 70% H2 and 10 mbar working pressure. After boronizing, the samples were cut on cross section and prepared using standart metallographic techniques. The microstructure and thickness of plasma paste boronized samples were examined by an optical and SEM microscopy. The surface borides were identified by using XRD technique. The hardness of boride layers were measured by Vickers indenter. Moreover, growth kinetics and wear behaviours of boride layers were examined.Experimental results showed that boride layer thickness increased with the increase in the temperature and duration of the plasma paste boring process It has been found that Fe2B phase in all boron paste mixtures at 700 ° C is more dominant than FeB phase. There has been an increase in the Fe2B volume with the increase in SiC additive ratio. No boride layer could be obtained for pack boriding with the Ekabor II powder for 2 and 5 hours at 700°C. The SEM micrographs of plasma paste boronized samples showed that boride layers have saw tooth morphology.The thickness of boride layer increased with the increase in the temperature and time of the plasma paste boriding process. Generally, it has been found that increase occurs in the surface hardness of the samples with increase of the amount of B4C in both borax and B2O3 borax pastes. It has been observed that SiC added borax and B2O3 mixtures have less hardness values when compared to B4C added ones. Growth kinetics studies showed that using plasma paste process caused lower activation energy for the formation of the boride layer than that for the conventional boronizing processes.