Gaz nitrürlenerek sertleştirilmiş 31CrMoV9 çeliğinde indentasyon yöntemiyle kalıntı gerilme ve sertlik değişimlerinin incelenmesi
Determination of residual stress and hardness profile of gas nitrided 31CrMoV9 steel by indentation method
Yazar: RIDVAN GECÜ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA  ÜRGEN
İstanbul 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:
Yakıt verimliliğinin artırılması ve karbondioksit emisyon değerlerinin düşürülmesi,
gelişen teknoloji ve değişen çevre anlayışı ile birlikte her geçen gün daha da önem 
kazanmaktadır. Yakıtın daha efektif yanması ve dolayısıyla buharlaşmasının daha iyi 
olabilmesi için özellikle otomotiv endüstrisinde, dizel enjeksiyon sistemlerinde 
kullanılan enjektörlerin daha yüksek basınçlara dayanıklı olması gerekmektedir. 
Günümüzde indüksiyonla sertleştirme ile elde edilen 1800-2000 bar basınçların
2500-3000 bar değerlerine çıkartılması ihtiyacı doğmuştur. Dizel enjektörlerin bu 
yüksek basınç değerlerinde çalışabilmeleri, çevrimsel yük altında çalışan parçalarının 
yüksek yorulma direncine sahip olmaları ile mümkündür. Bunun yanında
enjektörlerde yanma sırasında oluşacak nemin ve enjektörlerin taşınması sırasında 
ortaya çıkabilecek korozyona uğrama riskinin de göz ardı edilmemesi gerekir. 
Sertleştirme ve menevişleme ısıl işlemleri yeni nesil dizel motorlarda kullanılan 
yüksek basınçlı enjeksiyon sistemlerinde bu ihtiyacı karşılayamamaktadır. 
Beynitleme gibi alternatif ısıl işlem yöntemleri de parçalarda çarpılmaya neden 
olmaları ve işlem sonrası ilave talaşlı imalat gerektirmeleri nedeniyle ekonomik 
açıdan rekabet edilebilir parça üretimine izin vermemektedir. Diğer bir alternatif olan 
otofretaj tekniği, istenilen yorulma direncinde parça üretimine imkân tanımasına 
rağmen, bu parçaların ısıl kararlılıkları sınırlı olmaktadır. Bu nedenle dizel enjektör 
parçaları için, hem yüksek yorulma direnci hem de iyi bir korozyon dayanımı 
sağlayabilecek, kontrollü gaz nitrürleme prosesi geliştirilmiştir. Gaz nitrürleme 
prosesinde, amonyağın parçalanması ile yüzeye azot difüzyonunun gerçekleşmesi 
sonucunda oluşan çökeltilerin, işlem süresince giderek irileşmesi ile birlikte, 
malzeme içerisinde kalıntı gerilmeler meydana gelmektedir. Meydana gelen bu 
basma kalıntı gerilmeleri, çatlak oluşumunu ve oluşan çatlağın ilerlemesini 
engelleyerek malzemenin yorulma direncini artırmaktadır.
Yapılan çalışmada, 31CrMoV9 çeliği kontrollü olarak gaz nitrürlenmiş, nitrürleme 
potansiyeli (KN) ve nitrürleme süresi olmak üzere iki farklı parametrenin malzemenin 
derinliğe bağlı kalıntı gerilme ve sertlik profillerindeki değişime etkisi incelenmiştir. 
Öncelikle her parçanın kalınlığı 13 mm olacak şekilde eşit parçalara ayrılan çeliklere 
sertleştirme (870°C'de, 1 saat) ve temperleme (560°C'de, 2 saat) ısıl işlemleri 
uygulanmış, ısıl işlemlerin ardından eşit boydaki parçalar taşlanmıştır. Numuneler
taşlandıktan sonra alkol ve asetonla temizlenmiş ve her deney için 3'er adet numune
fırına yerleştirilerek gaz nitrürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Fırın tüm deneylerde 
belirlenen sıcaklığa (525°C) oda sıcaklığından 10°C/dak ısıtma hızıyla azot 
atmosferinde (200 L/saat) ısıtılmıştır. 525°C'ye ulaşılmasıyla birlikte numuneler 2 
saat boyunca KN= 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 ve 1.0 atm-1/2 nitrürleme potansiyellerinde ve KN= 
1.0 atm-1/2 nitrürleme potansiyelinde 2, 3, 4 ve 6 saat sürelerle nitrürlendikten sonra 
fırın azot atmosferinde (200 L/saat) oda sıcaklığına soğutulmuştur.xx
Nitrürleme sonrası yapılan X-ışını difraksiyonu analizlerinde, düşük nitrürleme 
potansiyeline (KN= 0.2 ve 0.4 atm-1/2) sahip numunelerde herhangi bir demir nitrür 
fazı oluşumu görülmemiştir. KN= 0.6 atm-1/2 nitrürleme potansiyeline sahip 
malzemede yalnızca beyaz tabakadaki γ'-Fe4
N fazı oluşurken KN= 0.8 ve 1.0 atm-1/2
nitrürleme potansiyeline sahip numunelerde her iki fazın da (ε-Fe3
N ve γ'-Fe4
N) 
oluştuğu gözlenmiştir. XRD analizi, artan nitrürleme potansiyeli ve artan süre ile 
birlikte beyaz tabakanın oluştuğunu göstermiştir. Aynı şekilde nitrürleme potansiyeli 
arttıkça yapıdaki basma gerilmesi artmış, pikler bu nedenle daha küçük açılara doğru 
kaymıştır. Nitrürleme işlemi sonucunda en yüksek azot konsantrasyonunun 
numunelerin yüzeyinde olduğu görülmüştür. Azot konsantrasyonu numunenin 
merkezine doğru azalırken, karbonların yüzeye yakın bölgede ve beyaz tabakanın 
altında biriktiği gözlemlenmiştir. Nitrürleme potansiyelindeki ve nitrürleme 
süresindeki artışla birlikte numunelerin yüzeyindeki azot konsantrasyonunun arttığı, 
beyaz tabakanın oluşmaya başladığı ve yine artan nitrürleme potansiyeli ve süre ile 
birlikte beyaz tabaka kalınlığının da arttığı gözlemlenmiştir. 2 saat boyunca KN= 0.8 
ve 1.0 atm-1/2 nitrürleme potansiyellerinde nitrürlenmiş numunelerde beyaz tabaka 
0.5-1 µm kalınlığında oluşurken, 6 saat boyunca KN= 1.0 atm-1/2 nitrürleme 
potansiyelinde nitrürlenen numunede 2 µm kalınlığında beyaz tabaka oluşumu 
görülmüştür. Adler çözeltisi ile yapılan dağlama işlemi sonrasında optik mikroskop 
ile incelenen difüzyon tabakası kalınlıklarının, nitrürleme potansiyelindeki ve 
nitrürleme süresindeki artışla birlikte arttığı gözlemlenmiştir. Nitrürleme 
potansiyelinin düşük veya yüksek oluşuna göre, 2 saat nitrürlemenin ardından 
difüzyon tabakası kalınlıklarının 120-160 µm aralığında değiştiği görülmüştür. 6 saat 
boyunca KN= 1.0 atm-1/2 nitrürleme potansiyelinde nitrürlenen numunede ise bu 
değer 190-200 µm civarındadır. Yapılan kesitten sertlik ölçümleri ile optik 
mikroskoptan edinilen difüzyon tabakası kalınlıkları doğrulanmış ve yüzeyden 
merkeze doğru azalan bir sertlik profili çıkarılmıştır. İndentasyon yöntemiyle kalıntı 
gerilme ölçümleri yapıldığında numunelerin hepsinde basma kalıntı gerilmesinin 
oluştuğu ve basma kalıntı gerilmesinin yüzeyden numunenin merkezine doğru 
gidildikçe azaldığı gözlemlenmiştir. Artan nitrürleme potansiyeli ve süreyle birlikte 
yüzeydeki basma kalıntı gerilmesinin de arttığı belirlenmiştir. İç bölgelere gidildikçe 
farklı nitrürleme potansiyelleri ve farklı sürelerde nitrürlenmiş numuneler için kalıntı 
gerilme değerlerinin birbirlerine yaklaştığı görülmüştür.
Çalışma sonucunda, nitrürleme potansiyeli ve nitrürleme sürelerinin, malzemenin 
kalıntı gerilmesini, sertliğini, nitrürleme sonucu oluşan beyaz tabaka ve difüzyon 
bölgesi kalınlıklarını doğrudan etkilediği, dolayısıyla malzemenin aşınma, korozyon 
ve yorulma davranışının belirlenmesinde ana etkenler oldukları ortaya çıkmıştır. 
Beyaz tabaka aşınma ve korozyon direncini artırmasına rağmen kalınlığı fazla 
olduğunda yapıyı gevrekleştirip çatlak oluşumunu hızlandırdığı için endüstride 1-3 
µm arasında oluşması istenmektedir. Difüzyon tabakası kalınlığının artması yapıdaki 
basma kalıntı gerilmelerini, dolayısıyla malzemenin yorulma direncini artırdığından 
yüksek olması istenmektedir. Numunelerin hepsinde basma gerilmesi oluştuğundan, 
kullanım alanına göre bu çalışmadaki her bir deney parametresi için nitrürleme 
işlemi yapmak uygundur. K= 0.1 doğrulama katsayısı kullanılarak 31CrMoV9 
çeliğinin kalıntı gerilme değerleri indentasyon yöntemi ile hesaplanabilmektedir

Abstract:
Decreasing carbon dioxide emission to the atmosphere and enhancing fuel efficiency 
become more and more important by developments in the technology and changes in 
environmental perception. In diesel engines, increasing the pressure of combustion 
mixture that is supplied to injectors is one of the key parameters for increasing the 
efficiency and decreasing the detrimental exhaust gas emissions in automotive 
industry. Thus injectors needs to sustain their stability at 2500 - 3000 bar pressure 
instead of current injectors hardened by induction process and work at 1800 - 2000 
bar pressure. For being able to use these injectors at higher pressures that are 
working under high cycle fatigue conditions, structural changes of the injector 
material is required. Hardening and tempering methods that are used in the current 
practice are not enough to overcome fatigue cracking problems. It is not 
economically possible to produce component parts by modification of the tempering 
methods like austempering because they cause distortions that require machining 
after the process. The other alternative process is autofrettage, with this process it is 
possible to reach the desired fatigue resistance, however its limited thermal stability 
may create problems during operations. Another alternative is gas nitriding process 
which has a high potential for maintaining both high fatigue and corrosion resistance 
for diesel injector components. 
Depending on the composition of the steel and nitriding parameters, it is possible to 
tune the structure of the nitrided layer. Different form and thickness of diffusion and 
compound layers develop during nitriding depending on the temperature, time, 
composition of the steel and nitriding potential. Thus nitriding process should be 
conducted in a controlled manner for obtaining the desired thickness of compound 
and diffusion layers because not only hardness but also thicknesses of these layers 
have significant effects on fatigue strength of materials. In controlled gas nitriding 
the most important parameter to be under control is nitriding potential (KN). KN is the 
ratio of ammonia and hydrogen gas partial pressures. For controlled nitriding it is 
necessary to control and continuously adjust the amount of ammonia and hydrogen 
gas by a system composed of mass flow controllers and gas sensors.
This study aims to investigate the effects of gas nitriding parameters on hardness, 
case depth, thickness of compound layer, depth dependent internal stress of 
31CrMoV9 nitriding steel. Therefore sensor controlled nitriding process is performed 
in this study. The depth dependent magnitude and type of stress (compressive or 
tensile) are the most important parameter to control fatigue strength of components. 
Depth dependent internal stress of these components are measured by XRD 
techniques. This technique requires controlled removal by mechanical and/or 
electrochemical methods and concurrent XRD measurements after each removal 
step. Thus the technique is time consuming and cumbersome, and also requires xxii
special shape of samples (for most conventional XRD systems, parts should be flat 
and parallel). In this study special stress is given to adaptation of the indentation 
method for depth dependent stress measurements on nitrided samples. This method 
has a high potential for being a simpler alternative to XRD stress measurements. 
For achieving the above stated aims the following experimental procedure is used. 
31CrMoV9 steel rods were cut in cylindirical slices with 27 mm diameters and 13 
mm thickness. Samples are then heat treated by heating them 870°C for 1 hour and
then oil quenched followed by tempering at 560°C for 2 hours. After heat treatment,
surfaces of the samples were mechanically ground. Gas nitriding was conducted in 
lab scale tubular furnace which is equipped with mass flow controllers for ammonia, 
hydrogen and nitrogen gas, and hydrogen and oxygen gas sensors. Hydrogen gas 
sensor and mass flow controller are controlled through micro processors for a 
reliable adjustment of KN during th nitriding process. In each nitriding run, three 
samples are placed in the homogenenous temperature zone of the furnace. Furnace 
was heated to determined temperature (525°C) from room temperature with 10°C in 
a minute heating rate at nitrogen atmosphere (200 L/h). At nitriding temperature
(525°C), 5 tests were made with different nitriding potential (KN= 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 
and 1.0 atm-1/2) for 2 hours. 3 additional tests were made with different time (3, 4 
and 6 hours) at the same nitriding potential (KN= 1.0 atm-1/2) for determining the 
influence of nitriding time on the structure and properties of the nitrided layer. 
Finally, after the accomplishment of the nitriding step of process, furnace was cooled 
to room temperature from 525°C at nitrogen atmosphere (200 L/h).
The results of X-ray diffraction analysis of the samples that are nitrided by using 
different KN values showed that iron nitride phases (compound layer) did not form 
on samples that are produced with low nitriding potential (KN= 0.2 and 0.4 atm-1/2). 
For samples nitrided at KN= 0.6 atm-1/2
, a compound layer composed of only γ'-Fe4
N 
was formed. By the increase of KN to 0.8 and 1.0 atm-1/2
, a compound layer 
composed of both of two phases (ε-Fe3
N and γ'-Fe4
N) are observed. Additionally a 
KN dependent negative shift of the iron peaks in the XRD patterns was observed that 
indicated an increase in the compressive residual stress in the diffusion layer.
Glow discharge optical emission spectometry (GDOES) analysis was performed on 
nitrided specimens for the determination of qualitative depth dependent 
concentration changes in the nitrided layer. These results demonstrated that nitrogen 
concentration has maximum value at the top of the surface and decreased by
approaching deeper into the specimen. Carbon accumulated on the near surface and 
beneath the compound layer. With increasing nitriding potential and nitriding time, 
nitrogen concentration on the surface of the samples were increased, compound layer 
formed and thickness of the compound layer was also increased. Compound layers 
with a 0.5-1 µm thickness formed in samples which were nitrided at KN= 0.8 and 1.0 
atm-1/2 nitriding potentials for 2 hours, the thickness of the compound layer has
reached 2µm for sample nitrided in KN= 1.0 atm-1/2 nitriding potential for 6 hours. 
The cross sections of the nitrided samples were subjected to a detailed 
metallographic investigation by etching them with suitable etchants for exposing 
diffusion layer. It was observed that thickness of the diffusion layer increased with 
increasing nitriding potential and time. According to the nitriding potential, thickness xxiii
of diffusion layers was changed between the range of 120-160 µm after 2 hours 
nitriding. The thickness value was reached to 190-200 µm for the sample was 
nitrided with KN= 1.0 atm-1/2 nitriding potential for 6 hours. Results of optical 
microscope was verified with hardness analysis by indentation method. Hardness 
analysis also showed that hardness of steel surface has maximum value and it 
decreases with increasing depth.
Indentation method was performed for analyzing depth dependent residual stress 
profile of nitrided layer and the results were also verified by XRD using sin2
Ψ 
technique. The results of indentation tests are corrected by using the depth dependent 
stresses from XRD measurements. Multiplication of the calculated stress values from 
indentation test with 0.1 (correction coefficient, K) resulted in a very good 
correlation between the stresses measured with the XRD method. Indentation 
analysis was done by applying 250 mN maximum load in 50 steps with the interval 
of one second. Results of indentation showed that compressive residual stress 
developed in all specimens and compressive internal stress values decreased by
approaching deeper regions into the specimen. Compressive stress of the specimens 
increased with increasing nitriding potential and time. Depending on the nitriding 
potential and time, residual stress values varied between -200 MPa to -1100 MPa. 
Results of the study showed that nitriding potential and nitriding time affect residual 
stress, hardness, thickness of compound layer and diffusion layers as expected. By 
controlling KN through gas sensors and feedback systems it became possible to tune 
the thickness and internal stress of the nitrided layer in a very controlled manner. 
One of the most important outcome of this study is the potential of indentation 
method for depth dependent stress measurements of nitrided layers. This method can 
be used instead of time consuming XRD measurements and also on irregularly 
shaped parts that does not allow XRD measurements due to geometrical restrictions