Gaz nitrürlemede yıkama kimyasallarının yüzey nitrürleme özelliklerine etkisinin incelenmesi
The investigation of cleaning chemicals on the effects of 
surface nitriding process at gas nitriding
Yazar: MUHAMMET EMİN ERÖZEK
Danışman: PROF. DR. NURHAN CANSEVER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Dizel motorların mevcut özelliklerini geliştirmek, egzos emisyonunu, yanma gürültüsünü ve yakıt tasarrufunu sağlayabilmek için yakıt enjeksiyon teknolojisi yakıtın yanmasını ve buharlaştırmasını geliştirmeli ve bu sistemler yüksek basınca dayanıklı olmalıdır. Daha verimli yanma için geliştirilmekte olan yeni nesil enjeksiyon sistemlerinin yüksek basınç dayanımına sahip olmaları gerekmektedir. 
Gaz nitrürleme, enjektörün yüksek basınca ve yorulmaya karşı dayanımı açısından performansını geliştirmede önemli bir yere sahiptir. Bunun yanında korozyon direncinin artmasını da sağlayabilmektedir [1]. 
Gaz nitrürleme öncesi yıkama prosesi önemli bir yere sahiptir. Parça yüzeyinde kalan yağ ve kimyasal kalıntıları nitrürleme sonrası bölgesel nitrür almayan bölgeler yaratmaktadır. Literatürde yıkama kimyasallarının nitrürlemeye etkilerinin araştırıldığı çalışmalar mevcuttur. Surtec firmasının yaptığı çalışmalarda iki ticari yıkama kimyasalının etkisi araştırılmış, gaz nitrürleme üzerinde farklı etkiler yarattığı gözlemlenmiştir. Bu parçaların bileşik tabaka kalınlıkları, difüzyon tabakası kalınlıkları ve sertlik değerleri ölçülmüştür. Surtec 042 isimli yıkama kimyasalının bileşik tabaka kalınlığını arttırdığı, yüzeyi daha iyi temizlediği dolayısıyla aktive ettiği, Surtec 101 kimyasalının ise bileşik tabakası kalınlığını azalttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma kapsamında ise söz konusu kimyasallardan Surtec 042'nin yanında RBTR'de Bosch'ta kullanılan diğer yüzey temizleme kimyasalları da kullanılmıştır ve gaz nitrürleme öncesi kullanılan yıkama kimyasallarının nitrürlemeye olabilecek etkileri incelenmiştir. Alınan sonuçlar ile fabrika için bir veri tabanı oluşturulması amaçlanmıştır. 
Çalışma kapsamında ayrıca, nitrürleme süresinin etkisi de incelenmiştir. Farklı kimyasallarla yıkanan numunelere 1 saat, 3 saat ve 5 saat boyunca gaz nitrürleme uygulanarak hem sürenin hem de kimyasalların etkisi gözlemlenmeye çalışılmıştır. 
Çalışma kapsamında, yeni nesil enjektörlerde kullanılması planlanan 50CrMo4 malzemesi seçilmiştir. Gerçek enjektör gövdeleri hem ekonomik kazanç sağlamak hem de analiz zorluğu nedeniyle tercih edilmemiştir. 
Gaz nitrürleme işlemi tüm numunelerde 520 oC sıcaklıkta yapılmış olup KN=2 nitrürleme potansiyelinde tamamlanmıştır. Nitrürleme sonrası tüm numunelerin sertlik, difüzyon ve bileşik tabaka kalınlık ölçümleri yapılmıştır. Böylelikle farklı yıkama kimyasalı etkisinin gözlemlenmesi amaçlanmıştır. 
Yıkama kimyasallarının nitrürleme işlemine bir etkisinin olup olmadığını incelemek amacıyla yapılan denemelerde yıkama parametreleri sabit tutulup  (65 oC, 10 dakika) sadece farklı temizleme kimyasalları ile yıkamalar yapılmıştır. Nitrürleme sonrası parçaların mikro sertlik cihazı ile sertlik ölçümleri yapılmış, optik mikroskop ile difüzyon tabakası kalınlığı ve bileşik tabaka kalınlığı ölçülmüştür. Bunların yanında, nitrürlenmiş yapıda hangi fazların oluştuğu XRD ile belirlenmiş
, nitrürlenmiş parçanın mikroyapısına SEM ile bakılmıştır. Nitrürleme sonrası yüzeyde bulunan elementlerin bileşiminikompozisyonunu tayin edebilmek için SEM-EDS analizi yapılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, yıkama kimyasallarının difüzyon tabaka kalınlıklarının ve sertlik değerlerinin birbirine yakın olduğu görülmüştür. Bunun yanında, sadece Surtec 042 kimyasalının bileşik tabaka kalınlığı diğer temizleme kimyasallarına göre daha iyi sonuç vermiş olup; Gardoclean T5441 yıkama kimyasalının ise tam tersi etkiye sahip olduğu görülmüştür. Bu farklılık yüzeyin daha aktif ya da pasif temizlendiği olarak yorumlanabilir. 
Yıkama kimyasalının yanında, artan nitrürleme süresi ile beraber numunelerin sertlik değerlerinde ve bileşik tabakası ile difüzyon tabaka kalınlıklarında doğru orantılı bir değişme olduğu tespit edilmiştir. Buradan da, her ne kadar Surtec 042 en kalın bileşik tabakası kalınlıklarını verse de, birbirlerinden çok farklı olmayan sonuçlar dolayısıyla Gardoclean T5441 yıkama kimyasalı hariç diğer tüm kimyasalların nitrürlemeye negatif bir etkisinin olmadığı söylenebilir.

Abstract:
Fuel injection technology should improve fuel combustion and evaporation as well as be resistant to high pressure in order to enhance current characteristics of diesel engines, and provide minimizing the exhaust emissions, combustion noise, along with maximizing the fuel conservation. New generation injection systems, which are being developed for more efficient combustion, have to possess high pressure strength.
Gas nitriding process has an important role in order to improve the injector's performance in terms of the the resistance to fatigue and high pressure. Besides, the fact of being able to increase the corrosion resistance on nitrided injector bodies is experienced [1] 
Cleaning has an essential place before heat treatment processes, since residual films from cleaning chemicals together with ineffective cleaning create cloudy surfaces, local passivation, and unnitrided zones, too, after gas nitriding. In the literature, there are some researches which the cleaning chemicals have effects on nitriding. In the ınvestigations of Surtec Company, the effects of two commercial cleaning chemicals were searched, and different effects on gas nitriding were observed. The thicknesses of diffusion and compound layers of those parts were measured. The fact that, cleaning chemical named Surtec 042 increasing compound layer thickness, cleaning the surface well, hence activating the surface, though, the cleaning chemical named Surtec 101 decreasing compound layer thickness has been reported. Within the scope of this thesis, along with aforementioned cleaning chemical Surtec 042, the other surface cleaning chemicals which are used in RBTR have been investigated, and earthly 
effects to the gas nitriding of the cleaning chemicals which were used before gas nitriding process. With the aid of obtained consequences, it has been aimed to build a database for the factory.
Moreover, the effect of nitriding duration has been searched within this thesis. The samples cleaned with various cleaning chemicals have been subjected to gas nitriding during 1 hour, 3 hour, and 5 hour, consequently, both the effect of cleaning chemicals and the duration are tried to be observed. 
In this thesis, a promising material, 50CrMo4 (DIN 1.2344) that is being planned to be used in the bodies of new generation common rail injectors has been used. The real CR injector bodies were not chosen to be used in order to reduce the cost and provide easiness which is about the difficulty of analysis. 
Gas nitriding process was made at the temperature of 520 oC and the nitriding potential (KN) of 2 for the whole samples. After nitriding process, the thicknesses of diffusion and compound layers along with the hardness measurements were realized. Therefore, it is to be aimed of seeing the effects of different cleaning chemicals on nitriding. 
Samples were cleaned with different cleaning chemicals, though, at the same conditions (65 oC, 10 min.) at the trials which were performed in order to investigate whether the cleaning chemicals have effects on nitriding process or not. The hardnesses of the samples after nitriding were measured with micro hardness device, the diffusion layer and compound layer thicknesses were taken with optical microscope. Besides that, designating of which phases formed at nitrided samples was settled with XRD, and microstructures of nitrided cases were analyzed with scanning electron microscope. SEM-EDS was done so as to determine the composition of the elements on the surface after nitriding process. As a result of conducted studies, it has been seen that cleaning chemicals gave approximate values about diffusion layers' thicknesses and hardness values. Furthermore, the fact that only Surtec 042 being lead to a thicker compound layer in comparison with the other cleaning chemicals, yet, another cleaning chemical named Gardoclean T5441 being give rise to just an exact opposite effect were revealed. That diference could be interpreted as of whether the surface cleaned more active or passive.
With increasing duration of nitriding process except for the cleaning chemicals, the case of directly proportional relationship at the hardness values and the thickness of both compound and diffusion layers of the samples were put forth. Although, Surtec 042 yielded the thickest compound layer, because of the consequences indistinguishable from each other, the other cleaning chemicals are said not to give rise to a negative effect on nitriding, except for Gc T5441.