AISI 1020 çeliğinin plazma transfer ark yöntemi ile alaşımlandırılmasında bor katkısının yüzey özellikleri üzerine etkisi
Effect of boron addition on surface properties in alloying of AISI 1020 steel by plasma transferred arc method
Yazar: TURAN GÜRGENÇ
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN ÖZEL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Demir esaslı alaşımlar = Iron base alloys ; Düşük karbonlu çelik = Low carbon steel ; Kuru sürtünme = Dry friction ; Mikrosertlik = Microhardness ; Sürtünme aşınması = Abrasive wear ; Yüzey kaplama = Surface coating

Özet:
Bu çalışmada, AISI 1020 çeliğinin yüzeyi farklı oranlarda karıştırılan FeCrC, FeW, FeB ferro alaşım tozları ile farklı ısı girdilerinde alaşımlandırıldı. Yüzey alaşımlama yöntemi olarak plazma transfer ark (PTA) kaynak yöntemi kullanıldı. Farklı ısı girdileri elde etmek için yüzey alaşımlama işlemi iki farklı ilerleme hızı (0.15 m/dk, 0.1 ml/dk) ve üç farklı akım (120 A, 140 A, 160 A) değerinde yapıldı. Elde edilen numunelerin alaşımlanmış yüzey tabakaları mikroyapıları optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını kırınımı (XRD) ve enerji dağılımlı X-ışınları (EDS) yöntemleriyle analiz edildi. Mikrosertlik ölçümleri mikrosertlik test cihazında gerçekleştirildi. Kuru kaymalı aşınma ve sürtünme katsayısı özellikleri blok-on-disk tip aşınma deney cihazı kullanılarak belirlendi. Aşınma testleri 19.62 N, 39.24 N, 58.86 N yükte ve 900 m kayma mesafesinde gerçekleştirildi.
Yapılan deneylerde, toz karışım oranı ve ısı girdisi değişimine göre farklı mikroyapıların oluştuğu tespit edildi. Ayrıca ısı girdisi değiştikçe, fazların boyutunun ve dağılımının değiştiği görüldü. Alaşımlanmış yüzey tabakalarında genellikle, M7C3 (M=Cr, Fe, W) karbürü, M23(C, B)6 (M=Cr, Fe, W) karbürü, (Cr, Fe)B borürü, FeB borürü ve Fe2B borürü gibi fazlar tespit edildi. En yüksek mikrosertlik değeri, (%ağ.) 80FeCrC-10FeW-10FeB toz karşımı ile 0.713 kj/mm ısı girdisinde yüzeyi alaşımlanan numunede 1668 HV ölçüldü. En yüksek ortalama mikrosertlik değeri (%ağ.) 50FeCrC-20FeW-30FeB toz karşımı ile 0.585 kj/mm ısı girdisinde yüzeyi alaşımlanan numunede 1217 HV ölçüldü. Düşük ısı girdileriyle yüzeyi alaşımlanan numunelerin ortalama mikrosertlik değerlerinin genellikle daha yüksek olduğu tespit edildi. Düşük ısı girdileriyle yüzeyi alaşımlanan numunelerin aşınma dirençlerinin daha yüksek olduğu görüldü. En yüksek aşınma direncine sahip numunenin 0.475 kj/mm ısı girdisinde, (%ağ.) 70FeCrC-30FeB toz karışımı ile yüzeyi alaşımlanmış numune olduğu tespit edildi. Yüksek ısı girdisi ile yüzeyi alaşımlanan numunelerin sürtünme katsayılarının genellikle daha düşük olduğu belirlendi. Yük arttıkça sürtünme katsayısının daha kararlı ve küçük bir aralıkta değiştiği tespit edildi.
Anahtar Kelimeler: AISI 1020, Plazma Transfer Ark (PTA) kaynağı, Yüzey Alaşımlama, Fe-Cr-W-B-C, Fe-Cr-B-C, Aşınma, Sürtünme.

Abstract:
In this study, the surface of the AISI 1020 steel was alloyed with FeCrC, FeW, FeB ferroalloy powders mixed at different ratios in different heat inputs. Plasma transferred arc (PTA) welding method was used as surface alloying method. The surface alloying process was done at two different feed rates (0.15 m/min, 0.1 m/min) and three different currents (120 A, 140 A, 160 A) to obtain different heat inputs. The microstructures of the alloyed surface layers of the obtained samples were analyzed by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray (EDS) methods. Microhardness measurements were performed at microhardness test device. The dry sliding wear and friction coefficient properties were determined using a block-on-disk type wear test device. Wear tests were performed at 19.62 N, 39.24 N, 58.86 N load and the sliding distance of 900 m.
In the experiments, it was found that different microstructures were formed according to the powder mixture ratio and heat input change. Also it was seen that the size and distribution of the phases changed as the heat input changed. Phases such as M7C3 (M=Cr, Fe, W) carbide, M23(C, B)6 (M=Cr, Fe, W) carbide, (Cr, Fe)B boride, FeB boride and Fe2B boride were detected in the alloyed surface layers generally. The highest microhardness value was measured at 1668 HV on sample surface alloyed with (%wt.) 80FeCrC-10FeW-10FeB powder mixture at 0.713 kJ/mm heat input. The highest average microhardness value was measured at 1217 HV on sample surface alloyed with (%wt.) 50FeCrC-1-20FeW-30FeB powder mixture at 0.585 kj/mm heat input. The average microhardness value of samples surface alloyed with low heat inputs were determined to be generally higher. It was seen that the wear resistance of the samples surface alloyed with low heat inputs were higher. It was determined that the sample with the highest wear resistance was the sample surface alloyed with (%ağ.) 70FeCrC-30FeB powder mixture at 0.475 kj/mm heat input. It was determined that the coefficient of friction of the samples surface alloyed with high heat input were generally lower. It was found that as the load increased, the coefficient of friction changed more steadily and in a small range.
Keywords: AISI 1020, Plasma Transferred Arc (PTA) Welding, Surface Alloying, Fe-Cr-W-B-C, Fe-Cr-B-C, Wear, Friction.