AISI 4340 çeliğinin nitrürasyon ve GTA kaynak yöntemi ile yüzey modifikasyonu işlemleri sonrası mekaniksel davranışların araştırılması
The investigation of mechanical behavior of surface modification treatments, GTA welding process and nitriding of AİSİ 4340
Yazar: SONER BUYTOZ
Danışman: PROF.DR. MUSTAFA YILDIRIM
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
ÖZET Doktora Tezi ÂISI 4340 ÇELİĞİNİN NİTRÜRASYON VE GTA KAYNAK YÖNTEMİ İLE YÜZEY MODİFİKASYONU İŞLEMLERİ SONRASI MEKANİKSEL DAVRANIŞLARININ ARAŞTIRILMASI Soner BUYTOZ Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Metalürji Eğitimi Anabilim Dalı 2004, Sayfa: 174 Bu çalışmada, yüksek mukavemetli düşük alaşımlı A1SI 4340 çeliğine, üç farklı yöntemle yüzey özellikleri değiştirilerek, mikroyapıda oluşacak karbür ve diğer fazların, malzemenin sertliğine ve abrasiv aşınma davranışlarına olan etkileri araştırılmıştır. Bu nedenle, A1SI 4340 çelik numunelerine geleneksel yüzey modifikasyon tekniklerinden yüzey sertleştirme/tavlama işlemi, nitrokarbürleme ve gaz tungsten ark (GTA) yöntemiyle yüzey modifikasyonu yapılmıştır. Mikroyapı incelemelerinde optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (scanning electron microscope SEM) ve noktasal analiz tekniği (energy dispersive spectograph EDS) mikro analizleri ile birlikte X-ışını difraksiyonu (X-ray diffraction XRD) analizlerinden faydalanılmıştır. Yüzeydeki modifîye edilen tabakanın sertliği, mikrosertlik cihazlarıyla ölçülmüş ve yüzey tabakasının aşınma direnci pin-on-disk test metoduyla bulunmuştur. Aşınma testleri sonrası numunelerin kütle kayıpları tespit edilerek aşınma oranlan elde edilmiştir. Birinci gruptaki AISI 4340 çelik malzemeleri; 850 °C de ostenitleme ve yağda su verme işlemini takiben, 450, 550 ve 650 °C gibi farklı temper sıcaklıklarında 60, 120 ve 240 dakika gibi sürelerle temperleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Ostenitleme ve yağda su verme işlemiyle AISI 4340 malzemesinden çıta tipi martenzitik yapı elde edilmiştir. Martenzitik yapının değişik sıcaklık ve sürelerde temperlenmesiyle mikroyapıda ferrit ve ferrit matrisinde dağılmış karbürlere rastlanılmıştır. 450 °C temper sıcaklığı için işlem süresinin yeterli olmamasının bir sonucu olarak, abrasiv aşınma miktarı yüksek çıkmıştır. Martenzit yapılı numuneyle temperlenen numunelerin abrasiv aşınma testlerinde minimum aşınma değeri 650 °C de 2 saat süreyle temperlenen malzemeden elde edilmiştir. Bu malzemede mikroyapının rekristalizasyona uğraması ve dislokasyon bölgelerinin nispeten az olmasından dolayı kütle kaybı da düşmüştür. İkinci gruptaki malzemelere, 350 °C de ön ısıtma ve 580 °C de 30, 60 ve 120 dakika sürelerle nitrokarbürleme işlemi yapılmıştır. İşlem sonrası Fe3N ve Fe3N+Fe4N fazlarına rastlanılmıştır ve sürenin uzamasıyla tabaka kalınlığı ve sertlikte yükselme kaydedilmiştir. Sertlik değerleri, işlem süresine bağlı olarak 700-750 HV arasında değişim göstermiştir. Nitrokarbürleme şartlarına bağlı olarak, minimum kütle kaybı 120 dakika süreyle nitrokarbürlenen malzemede elde edilmiştir. XIIIÜçüncü gruptaki malzemelere, ferrokrom karbon (FeCrC) ve WC taneleri, gaz tungsten ark (GTA) yöntemiyle farklı miktarlarda modifikasyonları yapılarak, oluşan yüzey tabakalarının mikroyapılan, sertlikleri ve aşınma karakteristikleri incelenmiştir. FeCrC yüzey modifikasyonlu numunelerde, ötektik altı ve ötektik üstü mikroyapılar elde edilmiştir. Ötektik altı yapı, kübik yüzey merkezli ostenit fazıyla beraber, hegzagonal sıkı paket yapılı M7C3 (M= Cr, Fe) karbürlerinden oluşmuştur. Ötektik üstü mikroyapılarda ise, birincil M7C3 karbürleri ve ostenit fazları tespit edilmiştir. Toz miktarının az, üretim hızının düşük ve enerji girdisinin de yüksek olmasıyla, Fe, Cr ve C konsantrasyonunca zengin dendritik yapı meydana gelmiştir. WC ile yapılan yüzey modifikasyonunda, ara yüzeye doğru yönlenmiş dendritler ile birlikte, farklı biçim ve konsantrasyonlara sahip Fe, C, W ce zengin M7C3, M21C6, W2C ve Fe^W^C karbürlerine rastlanılmıştır. FeCrC tozuna farklı miktarlarda WC ilavesi yapılarak üretilen yüzey modifikasyonlu malzemelerde ise, kübik yüzey merkezli ostenit (y) ve M7C3 (M=Cr,Fe,W) ile WC karbürlerini içeren mikroyapılar meydana gelmiştir. Üst tabakanın sertlik değerleri yapıdaki mevcut faz ve karbürlerin varlığından dolayı önemli ölçüde yükselmiştir. Sertlik değerleri FeCrC tozlarıyla yapılan yüzey modifikasyonlu malzemelerde 712- 861 HV arasında değişirken, WC ilavesiyle 950-1150 HV arasında değişim göstermiştir. WC kaplamalarında ise 1200 HV değerlerine ulaşılmıştır. FeCrC tozlarıyla yapılan modifikasyonda maksimum kütle kaybı üretim hızının yüksek, toz miktarının ve enerji girdisinin düşük olduğu numunede elde edilmiştir. FeCrC a WC ilavesiyle yapılan yüzey modifikasyonunda, aşınma uzun mesafelerde kaymayla sonuçlandığından, kütle kaybı, FeCrC kaplamalarından daha düşük değerlerde kalmıştır. WC ile yapılan yüzey modifikasyonlu malzemeler ise diğer FeCrC ve FeCrC/WC modifikasyonlu numunelere göre çok daha düşük kütle kayıplarına uğramışlardır. Bu da, WC modifikasyonlu malzemelerin yapısında WC ve W2C gibi sert karbürlerin homojen dağılımından dolayıdır. Anahtar Kelimeler: Yüzey modifikasyonu, yüksek karbonlu ferrokrom, abrasiv aşınma. XIV

Abstract:
ABSTRACT PhD Thesis THE INVESTIGATION OF MECHANICAL BEHAVIOR OF SURFACE MODIFICATION TREATMENTS, GTA WELDING PROCESS AND NITRIDING OF AISI 4340 Soner BUYTOZ Fırat University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Metallurgy Education 2004, Page: 174 In this study, the effects of the carbide and other phase in microstructure to the hardness of material and its abrasive wear behavior have been investigated, while modifying the features of surface by three different processes to the high strength-low alloy AISI 4340 steel. For this purpose, the surface modification by hardening/tempering procedure, nitrocarburizing and tungsten inert gas (GTA) process from the traditional surface modification techniques has been performed to AISI 4340 steel specimens. The optical and scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrograph (EDS) micro analyses in investigating miscrostructures and X-ray diffraction analyses have been utilized. Then, the hardness of the surface modified has been measured by microhardness devices and the abrasion resistance of surface has been found by the pin-on-disc tests. After abrasion tests, the wear rates of specimens has been obtained extracting the mass losses. The AISI 4340 specimens in the first group have been tempered at 450, 550 and 650 °C temperatures and 60, 120 and 240 minutes, respectively after the austenite at 850 °C temperature and hardening process. The lath type martensite from AISI 4340 material has been obtained by the austenite and hardening processes. The ferrit and dispersed carbides in ferritic matrix have been encountered by tempering the martensite structure at different temperatures and tempering period. The value of abrasive wear was observed at high amount, because the processing period was not enough for 450 °C. The minimum wear rate in abrasive wear tests of the specimens which were tempered by the martensite structure was obtained from the material tempering during 2 hours at 650 °C. The mass loss in this material decreased because it underwent to recristalization and the dislocation areas relatively, decreased. The preliminary heat treatment at 350 °C temperature and the nitrocarburizing process at 580 °C and at 30, 60, and 120 minutes, respectively were performed to AISI 4340 specimens in the secondary group. After this processes, Fe3N and Fe3N/Fe4N phases were discovered in the microstructure. Also, while the period extends, both the layer thickness and microhardness increased. The hardness values XVchanged between 700 and 750 HV depending on the process period. Minimal mass loss was measured from nitrocarburized material during 120 minutes, depending on nitrocarburizing conditions. Doing the modification at different amounts by FeCrC and FeCrC/WC alloy powders and the gas tungsten arc (GTA) methods to AISI 4340 specimens in the third group, the microstructures, hardness and wear characteristics of the surfaces have been experimented. In the FeCrC specimens with surface modifications, both hypoeutectic and hypereutectic microstructures were formed. The hypoeutectic microstructure consisted of austenite phase with surface center cubic (fee) and eutectic M7C3 (M= Cr, Fe) carbides with hep lattice structure. On the other hand, the hypereutectic microstructure consisted of primary M7C3 carbides and eutectic austenite phases. The dentrite structure having Fe, Cr and C with relatively high power density occurred because of insufficiently powder portion and high heat input. In the surface modifications done by WC, M7C3, M23C6 (M= Fe, C, W), W2C and Fe3W3C carbides having Fe, C, W at high amount along with the dentrites formed towards the coating/substrate interface have been encountered. The hardness values of substrate increased because of existing phase and carbides in the microstructure. While the hardness values of materials with surface modification done by FeCrC coatings changed between 712-861 HV, it is switched between 950-1150 HV, adding WC. Moreover, WC coatings reached to 1 200 H V. in the modifications done by FeCrC, the specimen whose maximum mass loss is high and powder portion and heat input is low, was also obtained. In the surface modifications done by adding WC to FeCrC, the mass loss is lower than that of FeCrC coatings. The mass losses in the materials with surface modifications done by WC is lower than those of FeCrC and FeCrC/WC, since the microstructure of WC coatings consisted of hard carbides such as WC and W2C. Keywords: Surface modification, high-carbon ferrochromium, abrasive wear. XVI