Borosinterleme işleminin mekanik özelliklere ve aşınma davranışına etkisinin incelenmesi
Investigating effects of borosintering process on mechanical properties and wear behavior
Yazar: LUTUF ERTÜRK
Danışman: PROF. DR. BURHAN SELÇUK
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
T/M yöntemi ile üretilen parçalarda borlama işlemi genellikle sinterleme sonrası ayrı bir işlem olarak uygulanmaktadır. T/M yöntemi ile üretilen parçaların sinterleme aşamasında aynı zamanda borlanması işlemi ise Borosinterleme (B/S) olarak adlandırılmaktadır. B/S konusunda yapılan çalışmalar literatürde oldukça yenidir. B/S'nin en önemli avantajı mikroyapı özelliklerini olumlu yönde etkilemesi ve proses işlem basamaklarını azaltarak maliyet ve zamanda iyileşme sağlamasıdır. Bu çalışmada, demir esaslı toz karışımlarının preslenmesi ile hazırlanan numunelere sinterleme, sinterleme ve borlama, borosinterleme işlemleri uygulanmıştır. Sinterleme işlemleri Argon atmosferi altında farklı sıcaklık (950, 1000 ve 1050 °C) ve sürelerde (1, 2 ve 4 saat) tüp fırında gerçekleştirilmiştir. Borlama ve borosinterleme işlemleri ise aynı sıcaklık ve sürelerde kamara tipi fırında yapılmıştır. Borlama işlemleri, bor karbür, silisyum karbür ve çeşitli aktivatörlerden birini içeren ortamlarda uygulanmıştır. Borlayıcı ortamın numuneleri daha iyi sarıp oksitlenmeyi azaltması için benzer çalışmalara göre daha ince taneli tozlar (10 mikron civarında) kullanılmıştır. Borlama işlemi sonrası numunelerde oluşan borür tabakaları optik mikroskop ve SEM ile incelenmiş, oluşan fazlar XRD ile tespit edilmiştir. Borür tabakası kalınlıklarının borun yayınmasının artmasına bağlı olarak sıcaklık ve süreyle arttığı görülmüştür. Borür tabakalarının genel olarak Fe2B fazından oluştuğu, özellikle yüksek sıcaklık ve sürelerde borlanan numunelerde yoğun FeB içeren bazı bölgelerin bulunduğu tespit edilmiştir. XRD ve EDX analizleri sonucu numunelerde oksitli yapılar gibi yabancı elemanların bulunmadığı görülmüştür. Mikrosertlik ölçümlerinde, 950, 1000 ve 1050 °C'de sinterlenen ve borlanan numunelerde, sırasıyla sertlik değerleri 1473 HV0,05, 1730 HV0,05 ve 1779 HV0,05, borosinterlenen numunelerde ise 1434 HV0,05, 1713 HV0,05 ve 1735 HV0,05 olarak ölçülmüştür. En yüksek sertlik değeri 1050 °C'de 4 saat süreyle sinterlenen borlanan numunede 1782 HV0,05, en düşük ise 950 °C'de 1 saat süreyle borosinterlenen numunede 1341 HV0,05 olmuştur. Sinterlenen ve borlanan numuneler ile borosinterlenen numunelerdeki sertlik değerleri aynı sıcaklık ve süreler için birbirine benzer bulunmuştur. 0.6 m/s kayma hızı, 42, 62, 82 N yükte, 200-600 m mesafede 600 kum zımpara yapıştırılmış disk ile gerçekleştirilen abrazif aşınma testlerinde, 950°C'de borlanan (sinterleme ve borlama, borosinterleme) numuneler, sinterlenen numunelere göre daha fazla aşınmıştır. 1000 °C'de 1 saat borlama işlemi yapılan numunelerde ise belli bir mesafeden sonra daha fazla aşınma tespit edilmiştir. Borür tabakası kalınlığının düşük olduğu numunelerde daha fazla aşınma gözlemlenmiştir. 16MnCr5 karşı eleman kullanılarak 0,6 m/sn kayma hızı, 82 N yük ve 200, 600 m mesafede yapılan adhezif aşınma (kayma aşınması) testlerinde, borlanan tüm numunelerde aşınma oranları düşük olmuştur.

Toz metalürjisi ile üretilen malzemelerde önce sinterleme sonra borlama işlemi uygulanması ile borosinterleme işlemi uygulanması sonucu oluşan yapıların özellikleri benzerlik göstermiştir. Borosinterleme işlemi sonucunda abrazif ve adhezif aşınmaya dayanıklı sert borür tabakaları, geleneksel kutu borlama işlemine benzer şekilde oluşmuştur. Sinterleme sıcaklığı ve süresi ile borlayıcı ortam, borür tabakalarının kalınlığını, mekanik özelliklerini ve aşınma direncini etkilemiştir. Borosinterleme işleminin demir esaslı malzemelerde argon gazı gibi koruyucu atmosfere ihtiyaç olmadan geleneksel fırınlarda kolaylıkla gerçekleştirilebildiği görülmüştür. Bu kapsamda, borosinterleme işleminin maliyet açısından ciddi avantaj sağladığı söylenebilir.

Abstract:
In parts produced by the T/M method, boriding is generally applied as a separate process after sintering. The simultaneous application of boriding and sintering processes is called borosintering (B/S). Studies on B/S are quite new in the literature. The most important advantage of B/S is that it positively affects the microstructure properties and provides improvement in cost and time by reducing the process steps. In this study, sintering, sintering and boronizing, and borosintering processes were applied to the samples prepared by pressing iron-based powder mixtures. Sintering processes were carried out in a tube furnace under Argon atmosphere at different temperatures (950, 1000 and 1050 °C) and durations (1, 2 and 4 hours). Boriding and borosintering processes were carried out in a chamber type furnace at the same temperature and time. Boriding processes have been applied in environments containing boron carbide, silicon carbide, and one of various activators. In order for the boronizing environment to better envelop the samples and reduce oxidation, finer grained powders (around 10 microns) were used compared to similar studies. The boride layers formed in the samples after the boriding process were examined by optical microscope and SEM, and the phases formed were detected by XRD. It has been observed that the boride layer thickness increases with temperature and time due to the increase in boron diffusion. It has been determined that boride layers generally consist of the Fe2B phase, and that there are some regions containing intense FeB, especially in samples borided at high temperatures and times. As a result of XRD and EDX analyses, it was seen that there were no foreign elements such as oxidized structures in the samples. In microhardness measurements, hardness values were measured as 1473 HV0.05, 1730 HV0.05 and 1779 HV0.05 in sintered and boronized samples and 1434 HV0.05, 1713 HV0.05 and 1735 HV0.05 in borosintered samples at 950, 1000 and 1050 °C, respectively. The highest hardness value was 1782 HV0.05 in the boronized and sintered sample at 1050 °C for 4 hours, and the lowest was 1341 HV0.05 in the borosintered sample at 950 °C for 1 hour. The hardness values of sintered and boronized samples and borosintered samples were found to be similar for the same temperature and time. In abrasive wear tests (0.6 m/s sliding speed, 42, 62, 82 N load, 200-600 m distance, with a counter disc by covered 600 grit sandpaper), samples borided (sintering and boriding, borosintering) at 950°C showed more wear than sintered samples. More wear was detected after a certain distance in the samples that were borided at 1000 °C for 1 hour. More wear was observed in samples with low boride layer thickness. In adhesive wear (sliding wear) tests performed at 0.6 m/s sliding speed, 82 N load and 200, 600 m distance using 16MnCr5 counter element, wear rates were low in all boronized samples.

In materials produced by powder metallurgy, the properties of the structures formed as a result of first sintering and then boronizing process are similar. As a result of the borosintering process, hard boride layers resistant to abrasive and adhesive wear were formed, similar to the traditional box boriding process. Sintering temperature and time and boriding environment affected the thickness, mechanical properties and wear resistance of the boride layers. It has been observed that the borointerning process of iron-based materials can be easily carried out in conventional furnaces without the need for a protective atmosphere such as argon gas. In this context, it can be said that the borosintering process provides a serious advantage in terms of cost.