Plazma nitrokarbürlenen AISI 4140 ve 1020 çeliklerinin yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerinin araştırılması
Investigation of structural, mechanical and tribological properties of plasma nitrocarburized AISI 4140 and 1020 steels
Yazar: MEHMET KARAKAN
Danışman: PROF.DR. AYHAN ÇELİK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
ÖZET Doktora Tezi PLAZMA NİTROKARBÜRLENEN AISI 4140 VE 1020 ÇELİKLERİNİN YAPISAL, MEKANİK VE TRİBOLOJİK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI Mehmet KARAKAN Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ayhan ÇELİK Nitrokarbürleme, mühendislik malzemelerinin aşınma direnci, yorulma mukavemeti ve korozyon mukavemetini iyileştirmekte kullanılan termokimyasal işlemlerden biridir. Yüzeyde e-Fe2-3(N, C) ve y~Fe4(N, C) demir nitrür ve karbürlerinden oluşan bir beyaz tabaka, onun altmda alaşım nitrür ve karbürlerinin olduğu difüzyon tabakası meydana gelir. Plazma şartlarında gerçekleştirilen nitrokarbürleme, işlemin çevreyle dost olması, uygun işlem değişkenleri ile tek fazlı s nitrür fazım elde etmenin kolay olması, gaz ve enerji iletiminin az olması nedeniyle tercih edilmektedir. Bu çalışmada, AISI 1020 ve 4140 çeliği farklı işlem sürelerinde (1-12 saat) ve gaz karışımlarında (N2, H2, CO2), ferritik ve ostenitik plazma nitrokarbürleme yapılmıştır. Ayrıca, elde edilen sonuçlar, plazma nitrürleme ile karşılaştınlmıştır. İşlem sonrası, XRD, SEM, AFM ve optik mikroskop kullanılarak yapısal özellikler, mikrosertlik ve yorulma cihazları ile mekanik özellikler, pin-on-disk aşınma cihazı ile de tribolojik özellikler araştırılmıştır. Araştırmalar sonunda, nitrokarbürleme işlemi sonrası yüzeyde baskın e fazı içeren 9-20 um kalınlıkta beyaz tabaka elde edilirken, bu tabaka kalınlığının sıcaklık ve zamanla arttığı ve gözenekli bir yapıya sahip olduğu gözlenmiştir. İşlem parametrelerine bağlı olarak her iki malzemede de yüzey sertliğinin yaklaşık 2-3 kat arttığı ve sertlik değerinin en yüksek değerini 4 saat işlem süresi içinde alırken, uzun işlem sürelerinde sertlikte düşüş olduğu görülmüştür. En yüksek sertlik, ostenitik işlemde ostenit tabakasında gözlenmiştir. Zamanla birlikte difüzyon ve ostenit tabaka kalınlıkları artmıştır. İşlem şartlarına bağlı olarak yorulma ömründe %28-55 arasında iyileşme meydana geldiği saptanmıştır. Aşınma deneylerinde işlem şartlarına bağlı olarak aşınma mukavemetinde %22-60 oranında artış gözlenirken, en iyi aşınma mukavemeti ostenitik nitrokarbürlemede 4 saat için elde edilmiştir. Ayrıca yüzey pürüzlülüğünün işlem süresi ve sıcaklıkla arttığı saptanmıştır. 2004, 138 sayfa Anahtar kelimeler: Yüzey işlemleri, plazma, nitrokarbürleme, aşınma, yorulma

Abstract:
ABSTRACT Ph.D. Thesis INVESTIGATION OF STRUCTURAL, MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF PLASMA NITROCARBURIZED AISI 4140 AND 1020 STEELS Mehmet KARAKAN Atatürk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ayhan ÇELİK Nitrocarburizing is a thermochemical treatments used to improve the wear resistance, fatigue strength and corrosion resistance of engineering materials. A compound layer including iron carbides and nitrides e-Fe2-3(N, C) and y-Fe4(N, C) on surface, and a diffusion layer including alloy nitrides and carbides under compound layer occur. Nitrocarburizing under plasma environment is preferred because of the friendship with environment, obtaining easiness of 8 nitride with single phase by convenient process parameters and low energy consumption. In this study, ferritic and austenitic nitrocarburizing were carried out at different gas mixtures (N2, H2, C02), for 1-12 h process times on AISI 4140 and AISI 1020 steels. Furthermore, obtained results were compared to that of plasma nitriding. After treatment, the structural properties by XRD, SEM, AFM and optical microscopy, mechanical properties by microhardness tester and fatigue device and tribological properties by pin-on-disk tribotester were examined. A porous compound layer of 9-20 um thickness including dominant e phase on surface was obtained and the thickness of this layer increased with increasing temperature and time. It was seen that the surface hardness increased 2-3 times depending on process parameters both for steels, and the while the highest hardness value was observed for 4 h process time, the hardness decreased for long times. The highest hardness was observed on austenit layer obtained during austenitic treatment. As process time increased, the thickness of diffusion and austenitic layers increased. It was determined that the fatigue life improved between 28 and 55% depending on the process conditions. While the wear strength increased between 22 and 60%, the highest wear strength was obtained at austenitic nitrocarburizing for 4h. Also, the surface roughness increased with increasing process time and temperature. 2004, 138 pages Keywords: Surface treatment, plasma, nitrocarburizing, wear, fatigue 11