Fe-Cr-Ti-B esaslı in-situ kompozit sert yüzey alaşımlama elektrotlarının geliştirilmesi
Development of Fe-Cr-Ti-B based in-situ composite hard surface alloying electrodes
Yazar: ENGİN KOCAMAN
Danışman: PROF. DR. ŞADUMAN ŞEN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Metal kaplama = Metal coating ; Mikrosertlik = Microhardness ; Sürtünme aşınması = Abrasive wear ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials

Özet:
Bu çalışmada, ticari olarak kullanılan sert dolgu elektrotlarına alternatif olabilecek yüksek sertlik, yüksek aşınma dayanımı ve korozyon direncine sahip örtülü elektrotlar geliştirilmiştir. Elektrotların üretiminde ekonomik faktörler göz önüne alınarak ferro alaşım başlangıç malzemeleri ve katkı maddeleri tercih edilmiştir. Çalışmada Fe-Cr-B, Fe-Ti-B ve Fe-Cr-Ti-B esaslı farklı bileşime sahip on sekiz sert dolgu elektrotu tasarlanmıştır. Bir kalıp vasıtasıyla üretilen bu elektrotlar elektrik ark kaynak tekniği ile AISI 1010 çelik üzerine kaplanmıştır. Kaplama sonrası standart metalografik işlemler ile hazırlanan deneysel numunelerin mikroyapısal incelemeleri gerçekleştirilmiş, makro ve mikro sertlikleri ölçülmüş, aşınma dayanımı test edilmiş ve korozyon testi uygulanmıştır. Deneysel bulgular sert dolgu kaplamanın homojen bir faz dağılımı gösterdiği, altlık malzeme ile metalürjik açıdan uyumlu olduğu ve ticari açıdan kullanılabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Sert dolgu kaplamaların mikroyapısal incelemelerinde α-ferrit, M2B tip (Fe2B, Cr2B), MB2 tip (TiB2) borürler, Fe2Ti ve bu fazların oluşturduğu ötektik yapılar tespit edilmiştir. Oluşturulan bu yapıların özellikle sertliğe önemli ölçüde katkı sağladığı gözlemlenmiştir. Altlık malzemeden dikiş tepe noktasına kadar ölçülen mikro sertlik değerlerine göre ara yüzeyden itibaren sertliğin arttığı tespit edilmiştir. Kaplama yüzenin tamamında gerçekleştirilen makro sertlik testinde, sonuçların çok düşük standart sapma gösterdiği bu sebeple kaplamanın homojen bir şekilde gerçekleştirildiği anlaşılmıştır. Kaplamanın sertliği ve aşınma dayanımı arasında bir ilişki olduğu elde edilen diğer bir bulgudur. Al2O3 bilyeye karşı farklı aşınma yüklerinde gerçekleştirilen karşılıklı aşınma testine göre, Fe13Cr2B5 esaslı kaplamanın en düşük aşınma oranına sahip olduğu belirlenmiştir. Bununla birlikte düşük yüklerde titanyumun sürtünme katsayısını azaltmada önemli rol oynadığı ve en düşük sürtünme katsayısı değeri Fe13Ti5B2 esaslı bileşimden elde edilmiştir. Sert dolgu kaplamalara 0,5 M NaCl çözeltisi içerisinde uygulanan potansiyodinamik polorizasyon testi sonucunda kromun kaplamanın korozyon direnci üzerinde etkin rol oynadığı tespit edilmiştir. En düşük korozyon hızının en yüksek krom oranına sahip Fe13Cr5B2 esaslı bileşimde ölçüldüğü görülmüştür. Sonuç olarak ferro alaşım başlangıç malzemeleri kullanılarak Fe-Cr-B-, Fe-Ti-B ve Fe-Cr-Ti-B esaslı sert dolgu elektrotları başarıyla üretilmiş ve AISI 1010 çelik altlık üzerinde oluşturulmuştur. Kaplama tabakaların altlık-kaplama ara yüzeyi özelliklerinin homojen, son derece sert, aşınmaya ve korozyona dirençli olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, covered electrodes with high hardness, high abrasion resistance and corrosion resistance were developed as an alternative to commercially used hardfacing electrodes. Considering the economic factors in the production of electrodes, ferro-alloy starting materials and additives have been preferred. In the study, eighteen different compositions of Fe-Cr-B, Fe-Ti-B and Fe-Cr-Ti-B based hardfacing electrodes have been designed. These electrodes, produced by using a mold, were coated on AISI 1010 steel by electric arc welding technique. After the coating, the microstructural examinations of the experimental samples prepared by standard metallographic processes were carried out, their macro and micro hardness was measured, the wear resistance was tested and the corrosion test was applied. Experimental findings show that the hardfacing coating has a homogeneous phase distribution, is metallurgically compatible with the substrate material and has the potential to be used commercially. In the microstructural investigations of hardfacing coatings, α-ferrite, M2B types (Fe2B, Cr2B), MB2 type (TiB2) borides, Fe2Ti and eutectic structures formed by these phases were determined. It has been observed that these structures have contributed significantly to the hardness. According to the micro hardness values measured from the substrate material to the seam peak, increase in hardness beginning from the interface was determined. In the macro hardness test performed on the all surface of the coating, it has been understood that the results showed a very low standard deviation, implying that the coating was carried out homogeneously. Another finding is that there is a relationship between the hardness and wear resistance of the coating. According to the reciprocal wear test performed against Al2O3 ball at different wear loads, it was determined that the Fe13Cr2B5 based coating had the lowest wear rate. However, at low loads, titanium plays an important role in reducing the friction coefficient and the lowest friction coefficient value was obtained from Fe13Ti5B2 based composition. As a result of the potentiodynamic polorization test applied to hardfacing coatings in 0.5 M NaCl solution, it has been determined that chromium plays an effective role on the corrosion resistance of the coating. It was observed that the lowest corrosion rate was measured in the Fe13Cr5B2 based composition with the highest chromium content. As a result, using ferroalloy starting materials, Fe-Cr-B-, Fe-Ti-B and Fe-Cr-Ti-B based hardfacing electrodes were successfully produced and coated on AISI 1010 steel substrate. It was determined that the substrate-coating interface properties of the coated layers are homogeneous, extremely hard, abrasion and corrosion resistant.