Çelik yüzeylerinde elektrotermokimyasal ve termokimyasal difüzyon tabakası oluşumuna ve difüzyon tabakalarının özelliklerine işlem parametrelerinin etkisi
Effects of the treatment parameters on the formation and the properties of diffusion layers formed by electrothermochemical and thermochemical boronizing on steel surfaces
Yazar: FİKRİ ERDEM ŞEŞEN
Danışman: PROF. DR. ÖMER SERDAR ÖZGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Ferrobor = Ferroboron

Özet:
Difüzyon tabakası biriktirme işlemleri yüzey özelliklerini geliştirmek amacıyla çok sayıda çelik türüne uygulanmaktadır. Bu çalışmada birden çok difüzyon tabakasının oluşturulması ile sonuçlanan difüzyon süreçleri çalışılmıştır. Üç ayrı kimyasal bileşime sahip çelik parçanın (arayeratomsuz çelik, sade karbon çeliği ve alaşımlı çelik) yüzeyinde biriktirilen difüzyon tabakaları bor ve titanyumun ısıl difüzyonu sonucu oluşturulmuştur. Bor difüzyonu (borlama) sırasında sisteme ayrıca elektrik enerjisi verilmiştir. Uygun boyutlarda hazırlanmış çelik parçaların bir bölümü borlanmış, bir bölümüne titanyum difüze ettirilmiş, bir bölümüne önce borlama sonra titanyum difüze ettirme işlemi uygulanmış, bir bölümüne de önce titanyum difüze ettirme sonra borlama işlemi uygulanmıştır. Titanyum difüzyonu işlemi sırasında meydana gelen kimyasal tepkimeler termodinamik hesaplama yoluyla ortaya çıkarılmıştır. Mekanik muayene olarak, sertlik ve aşınma dayanımı deneyleri yapılmış, önce titanyum difüze ettirilmiş sonra borlanmış arayeratomsuz çeliğin ayrıca kırılma tokluğu değerleri hesaplanmıştır. Borlama işlemi ile borür tabakasının oluşumu kinetik olarak modellenmeye çalışılmıştır. Yapılan ışık mikroskobisi ve taramalı elektron mikroskobisi çalışmaları sonucu, borlama işlemi ile borür tabakalarının, titanyum difüzyonu işlemi ile de titanyum esaslı difüzyon tabakalarının oluştuğu anlaşılmıştır. Önce borlanmış sonra titanyum difüze ettirilmiş çelik yüzeylerinde bor ve titanyum bileşiklerinden oluşan difüzyon tabakalarının varlığı belirlenmiş iken, önce titanyum difüze ettirilmiş sonra borlanmış çelik yüzeylerinde yalnızca titanyum bileşiklerinden oluşan difüzyon tabakaları ortaya çıkmış, ancak borür sızmış küçük ve süreksiz alanlar dışında bor bileşiklerinin varlığı belirlenememiştir. Titanyum difüzyonu işleminden sonra yapılan borlama işlemi sırasında uygulanan akım yoğunluğunun arttırılması ve sürenin uzatılması durumunda titanyum difüzyonundan sonra bor difüzyonunun da gerçekleştiği anlaşılmış, borür tabakalarının oluştuğu gözlenmiştir. Borlama işleminden sonra yapılan titanyum difüzyonu işlemi ile neredeyse 200 µm kalınlığa sahip çatlaksız bir difüzyon tabakası elde edilmiştir.

Abstract:
Diffusion coating treatments are applied to many types of steels in order to improve their surface properties. In this work, diffusion processes which result in the formation of multi-layered diffusion layers were studied. Diffusion layers which were generated on the surface of three different types of steel samples (plain carbon steel, interstitial-free steel, alloyed steel) were formed by the thermal diffusion of boron and titanium. During the diffusion of boron (boronizing), additional electrical energy was applied to the system. Some of the steel samples, having been cut into convenient dimensions, were boronized, some of them were titanium diffused, some of them were first boronized and then titanium diffused and some of them were first titanium diffused and then boronized. The chemical reactions that occur during the diffusion of titanium were determined by thermodynamic calculation. As mechanical evaluation, hardness and wear tests were applied. Additionally, fracture toughness values of the interstitial–free steel which were first titanium diffused and then boronized were calculated. The formation of the boride layer by boronizing was studied as a kinetic model. As a result of the optical microscopy and the scanning electron microscopy work, it was understood that boride layers and titanium based diffusion layers were generated by boronizing and titanium diffusion respectively. While the presence of diffusion layers which were composed of compounds of boron and titanium was detected on the surface of the steel samples which were first boronized and then titanium diffused, on the surface of the steel samples which were first titanium diffused and then boronized, diffusion layers which were formed only by titanium compounds were observed and no presence of the boron compounds was detected except small discontinuous regions to which boron had been segregated. However, it was understood that boron diffusion could be achieved besides the titanium diffusion if the applied current density and the duration were increased during boronizing which was carried out after titanium diffusion. The formation of the boride layers by this way was observed. A no crack containing diffusion layer having a thickness of almost 200 µm was obtained by first boronizing and then titanium diffusion.