ABRASIVE WEAR BEHAVIOUR OF BORONIZED HARDOX 400 STEEL

Transkript

1 5. Uluslrrsı İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Myıs 009, Krük, Türkiye BORLANMIŞ HARDOX 00 ÇELİĞİNİN ABRASİV AŞINMA DAVRANIŞLARI ABRASIVE WEAR BEHAVIOUR OF BORONIZED HARDOX 00 STEEL Mehmet TABUR, *, Mhmut İZCİLER ve Ferht GÜL, * G Ü. ESEF, Ankr, Türkiye, E-post: mehmettur5@hotmil.com, mizciler@gzi.edu.tr, fgul@gzi.edu.tr Özet Bu çlışmd, Hrdox 00 çeliği ktı ortmd orlm tekniği kullnılrk orlnmıştır. Borlm mlzemesi olrk ticri şekilde piysd ulunn EKor tozu kullnılmıştır. Borlm ısıl işlemi sırsı ile her ir numuneye, ve st sürelerde 850 ºC, 900 ºC ve 950 ºC sıcklıklrd gerçekleştirilmiştir. Frklı süre ve sıcklıklrd orlnn numunelerin rsiv şınm dvrnışlrı incelenmiştir. Borlnmış ve orlnmmış numuneler pin on disk şınm cihzınd 80 ve 10 mesh zımprlr ve 10, 0, 30 N yükler ltınd şınm testine ti tutulmuşlrdır. Aşınm testleri 0 m. kym mesfesinde ve 0, m.s -1 kym hızınd gerçekleştirilmiştir. Numunelerin mikroypı görüntüleri ile şınm yüzeyleri SEM ve optik mikroskop ile incelenmiştir. Dh uzun orlm süresinin dh klın ktmn oluşmsını sğldığı görülmüştür. Aşınm testi sonuçlrınd, 850 ºC de st orlnmış Hrdox 00 çeliği en iyi rsiv şınm direnci göstermiştir. Anhtr kelimeler: Borlm, Arsiv şınm, Hrdox 00 çeliği. Astrct In this study, we hve oronized n Hrdox 00 steel using solid stte Boronizing technique. Commercil EKor powder ws used s the oronizing gent. Boronizing het tretment ws crried out t 850 ºC, 900 ºC nd 950 ºC for, nd hours, respectively for ech specimen. Arsive wer ehviors of the smples oronized t different tempertures nd tretment durtions hve een exmined. Using oronized nd unoronized smple, rsive tests were conducted using pin on disc test pprtus. 80 nd 10 mesh luminum oxide (Al O 3) rsive ppers were used in the rsion experiments nd the smples were sujected to rsion under 10, 0 nd 30 N lods. Arsive wer tests were performed under the sliding speed of 0, m.s -1 nd 0 meters of sliding distnce. Microstructures nd wer surfces of the smples were inspected using SEM nd Optic microscopy. It ws oserved tht the longer oronizing time results in longer lyer thickness. The est wer resistnce ws oserved in the Hrdox 00 steel specimen oronized for hours t 850 ºC. Keywords: Boronizing, Arsive wer, Hrdox 00 steel. 1. Giriş Borlm denildiğinde kstedilen işlem, ileşenlerin yüzeylerinde ir or ktmnı oluşturmkt kullnıln difüzyonl yüzey işleme tekniğidir. Çelik yüzeyinde demir orür oluşturulmsı orlm işlemlerinin en ilinenlerindendir [1-]. Birçok uygulmd ileşenlerin kullnım ömürlerini slınd yüzey özellikleri elirler. Çeliklerin kron, nitrojen yd or gii elementlerin difüzyonun dylı ısıl kimysl işlenmesine dir önemli çlışm lnınd, orlmnın yeri kendisine özgüdür [5]. Borlmnın metllerin yüzey sertliğini ve şınm dyncını ciddi şekilde rtırmk için etkili ir yöntem olduğu görülmüştür [-8]. Borlm işlemi or tomlrının numune yüzeyine difüzyonunu sğlyıp n metl ile orürler oluşturmsını mçlyn ir kimysl ısıl işlemdir [9-13]. Borlm işlemiyle oluşn orürler lt tk çeliğinin triolojik dvrnışlrını geliştirir [1]. Demir ürünlerinin orlnmsı işlemi genellikle 80 ºC ile 1050 ºC sıcklık rlığınd ypılır [9,10]. Yüzeylerde or zenginleştirmesi işlemi için çeşitli teknikler mevcuttur [,15]. İşlem ktı, sıvı, gz, plzm ve iyon implntsyonu ortmlrındn herhngi iri kullnılrk ypılır [,1]. Kutu orlm krışımlrı kynk olrk %5 B C, ktifleştirici olrk %5 KBF ve seyreltici olrk %90 SiC içeren krışımlr ile ypılmktdır [10,17]. Borlm işleminde numune toz krışım içerisine yerleştirilip sızdırmz ir kutuy konur ve kptılır. Kutu istenilen sıcklığ kdr ısıtılır. Bu sıcklıkt gerektiği kdr tutulur ve soğutulur [10]. Bor elementinin çelik içerisine difüzyonu ile demir orürleri oluşur (FeB, Fe B) ve orür ktmnının klınlığını işlemin sıcklığı ve süresi elirler [17-19]. Her iki ktmnd difüzyon doğrultusund konumlnmış kolon içimli kristl ypıy shiptir [0]. Yklşık ğırlıkç % 1.3 B içeren or kımındn zengin oln FeB fzı tercih edilmemektedir. Çünkü ğırlıkç % 8.83 B içeren Fe B fzın göre dh kırılgndır [10,19,1]. Borür ktmnlrı diş içiminden dolyı n mlzemeye dh iyi ypışır. Borlnmış ktmnın kırılgnlığı ktmn klınlığı ile rtr [,3]. Ayrıc FeB ve Fe B fzlrı iririnden frklı ısıl genleşme ktsyılrın ship olduklrındn (IGK;α FeB=3x10 - / C, α FeB=7.85x10 - / C), çift fzlı ktmnlrın FeB / Fe B fz r yüzeylerinde çtlk oluşumlrın sıklıkl rstlnır. Bu çtlklr meknik ir yük uygulndığınd sıklıkl pullnmy ve kvlmy yol çr [19,1,]. Borlm işlemi endüstride yüzey sertleştirme yöntemi olrk krürlenmiş ve nitrtlnmış çelik ile krşılştırıldığınd orlnmış çeliklerin olğnüstü trioloji krkteristikleri olduğu gösterilmiştir [10,,-]. Borlnmış demir ve çelik yüzeyler yüksek sertlik, mükemmel şınm, iyi korozyon ve güçlü kimysl krrlılıktdır [1,1]. Borlmnın diğer yüzey sertleştirme metodlrın göre vntjlrı rsınd, yüzey ktmnının çok sert olmsı, sürtünme ktsyısının çok düşük olmsı, orlmdn sonr herhngi ir fzldn ısıl işlem gerekmemesi, orlmnın zı sitler, zlr, metl IATS 09, Krük Üniversitesi, Krük, Türkiye

2 Tur,M., İzciler,M. ve Gül F. çözeltileri ve yüksek sıcklıkt gerçekleşen oksitlenmeye çok ciddi dynçlı olmsı syılilir [,7] Bu çlışmd şınmy dynıklı hrdox 00 çeliğinin kendisinin ve orlmdn sonrki numunelerin rsiv şınm dvrnışlrı incelenmiştir.. Deney detylrı.1. Test mlzemeleri hsssiyetinde elektronik terzi ile trtılrk şınm kyıplrı, ğırlık kyı cinsinden ulunmuştur. 3. Deney Sonuçlrı 3.1. Mikroypı İşlemsiz Hrdox 00 plklrının SEM fotoğrfınd görüldüğü gii (Şekil 1), numune homojen ir ypıy shiptir. Bu çlışmd kullnıln test mlzemelesi hrdox 00 çeliğidir. Test mlzemesinin kimysl ileşimi Tlo 1 de verilmiştir. Test edilen mlzeme 10 mm klınlığındki hrdox 00 çelik plklrdn mm çp ve 50 mm yükseklikte hzırlnmış pim şekillidir. Tlo 1: Borlnmış Hrdox 00 çeliğinin kimysl nlizi (% ğırlık) C Si Mn P S Cr Ni Mo B Borlm İşlemi Numuneler ktı ortmd kutu sementsyonu ile orlm ypılmıştır. Çeliğin orlnmsınd or krürün or kynğı olrk kullnılmsı yygın ir uygulmdır [3,8-30]. Borlm işlemi 100 o C sıcklık kpsiteli ± 5 o C hsssiyetli mikro işlemci kontrollü, elektrik rezistnslı, dijitl göstergeli 00x150x50 mm kpsiteli fırınd gerçekleştirilmiştir. Kutu orlm işleminde orlnck tüm numuneler toz krışım içerisine yüzeylerden 10 mm den z olmyck şekilde yerleştirilmiş ve pslnmz çelik kp içerisine kptılmıştır. Borlm ısıl işlemi tmosfer sıncınd 850 o C, 900 o C, 950 o C sıcklıkt,, ve st sürelerde yüksek orlm potnsiyeline ship Ekor-II ile ypılmış ve rdındn hvd soğutulmuştur. Oksijen ortmındn korumk için rgon gzı kullnılmıştır..3. Mikroypı ve Aşınm Yüzeyi İncelemesi Mikroypı incelemesi için deneyde kullnıln numuneler sırsıyl 00, 00, 00, 800, 1000 ve 100 mesh zımpr kğıtlrı ile zımprlndıktn sonr 3 µm lik elms pst ile prltılmış ve % nitl çözeltisinde dğlnmıştır. Borlnmış çeliklerin kesit yüzeyleri ile şınmış yüzeyleri JEOL JSM-00 LV mrklı SEM ve PRIOR mrk X1000 üyütme kpsiteli Optik Mikroskopt incelenmiştir... Aşınm Deneyleri Aşınm testleri pin on disk şınm mkinesi kullnılrk kuru ve yğsız kydırm koşullrı ltınd od sıcklığınd gerçekleştirilmiştir. Borlnmış ve orlnmmış numunelerin şınm testleri iki gövdeli disk üzerindeki pim cihzınd 10, 0, ve 30N yükler ltınd ve 0. m.s -1 kym hızınd, 80 ve 10 Mesh luminyum oksit (Al O 3) tneli rsiv şındırm kğıtlrı üzerinde ypılmıştır. Arsiv zımpr üzerinde şınm numuneleri, şınm yönüne dik şekilde hreket ettirilmiş ve öylece numuneler dim yeni zımpr yüzeyine tems ettirilmiştir. Arsiv zımpr üzerinde numunelerin toplm kym mesfesi 0 m dir. Aşınm deneyinden önce ve sonr numuneler 10 - g Şekil 1: İşlemsiz hrdox 00 çeliğinin mikro ypısı. Optik mikroskop incelemelerinde orlnmış çeliklerin yüzeylerindeki orürlerin düzgün dllı kolonsl ir morfolojiye ship olduklrı görülmektedir. Bor ktmnlrının klınlığının orlm süresine ve sıcklığ ğlı olrk rttığı görülmüştür. İşlem süresi ile or ktmn klınlığı rsınd prolik ir ilişkinin olduğu gözlenmektedir. Şekil -3-. Borlnmış yüzeyde üç yırt edileilir ölge gözlenmiştir. Bunlr (i) Borürleri içeren ktmn, (ii) Borür ktmnının ltınd kln ve orun çelik ile ktı hl çözeltisi yptığı, difüzyon ölgesi, (iii) ordn etkilenmeyen çelik mtrisi şeklindedir. 3.. Aşınm Deney Sonuçlrı Borlnmmış Hrdox 00 çeliğinin 80 mesh ve 10 mesh Al O 3 zımprd şınm durumlrı incelendiğinde (Şekil 5), 80 mesh Al O 3 zımprdki şınm miktrının, 10 mesh Al O 3 zımprdki şınm miktrındn dh fzl olduğu görülmüştür. Ypıln rştırmlr sonucund şındırıcı tne üyüklüğü rttıkç, mlzemenin şınmy krşı direncinin zldığı tespit edilmiştir. Aşınm Miktrı(mg) Uygulnn yük (N) 80 Mesh 10 Mesh Şekil 5. Borlnmmış Hrdox 00 çeliğinin 80 ve10 mesh Al O 3 zımprd şınm durumu.

3 Tur,M., İzciler,M. ve Gül F. 00 µm c Şekil. 850 C de ), ), c) st orlnmış Hrdox 00 numunelerin kenrdn x100 üyütmeli görüntüsü. 00 µm c Şekil C de ), ), c) st orlnmış Hrdox 00 numunelerin kenrdn x100 üyütmeli görüntüsü. BORÜRLER BORÜRLER BORÜRLER DİFÜZYON DİFÜZYON DİFÜZYON BÖLGESİ BÖLGESİ BÖLGESİ MATRİS MATRİS MATRİS 00 µm c Şekil. 950 C de ), ), c) st orlnmış Hrdox 00 numunelerin kenrdn x100 üyütmeli görüntüsü. Aşğıd, Şekil d Hrdox 00 çeliğinin 10 mesh ve Şekil 7 de 80 mesh Al O 3 zımprd şınm durumlrı görülmektedir. Şekil -7 incelendiğinde ynı sıcklıkt rtn orlm zmnın ğlı olrk şınm miktrının d zldığı görülmektedir. En iyi şınm direncini st orlnmış numuneler göstermektedir. Bu durum, dh uzun süre orlm ile mlzeme yüzeyindeki FeB oluşumun ğlı sertliğin ve orür ktmn klınlığının rtmsı ile çıklnilir. Şekil -7 de görüldüğü gii en fzl şınm 950 C de st orlnmış numunede, en z şınm ise 850 C de st orlnmış numunede ulunmuştur. Ayrıc irim yüzeye uygulnn kuvvetin rtmsı ile şınm d rtmktdır.

4 Aşınm Miktrı (Mg) Tur,M., İzciler,M. ve Gül F oC 950oC 850oC N 0N 30N Borlm Süresi (St) Şekil C de st orlnmış Hrdox 00 çeliğinin ) 10 mesh ) 80 mesh AlO3 zımprd 10 N yük ltınd şınmış yüzeyinin görüntüsü. Şekil. 850 C, 900 C, 950 C de frklı sürelerde orlnmış Hrdox 00 çeliğinin 10 mesh AlO3 zımprd şınm durumu. Aşınm Miktrı (Mg) 0 950oC 900oC oC 10N 10 0N 30N 5 Şekil C de st orlnmış Hrdox 00 çeliğinin ) 10 mesh ) 80 mesh AlO3 zımprd 30 N yük ltınd şınmış yüzeyinin görüntüsü. 0 Borlm Süresi (St) Şekil C, 900 C, 950 C de frklı sürelerde orlnmış Hrdox 00 çeliğinin 80 mesh AlO3 zımprd şınm durumu. Aşınm ile ilgili zı durumlrın dh net ifde edileilmesi için şınm yüzeylerine de kmk gerekmektedir. Bu mçl şınm testi ypıln numunelerin şınm yüzeyi görüntüleri Şekil 8, 9, 10 ve 11 de verilmiştir. En geniş ve derin şınm knllrının 30 N yük ltınd ve 80 mesh zımprd şındırılmış işlemsiz numunede olduğu görülmüştür(şekil 8-). Şekil 8. Borlnmmış Hrdox 00 çeliğinin ) 10 mesh ) 80 Mesh AlO3 zımprd 30 N yük ltınd şınmış yüzeyinin görüntüsü. Şekil C de st orlnmış Hrdox 00 çeliğinin ) 10 mesh ) 80 mesh AlO3 zımprd 30 N yük ltınd şınmış yüzeyinin görüntüsü. Borlnmış Hrdox 00 çeliğinin şınmış yüzeyinin SEM görüntüleri incelendiğinde (Şekil 9,10,11), ynı yükte şındırıcı zımpr oyutunun rtmsı ile şınm knllrının rttığı, knllrın dh derin ve geniş olduğu görülmektedir. En ince ve küçük şınm knllrının, 850 C de st orlnmış numunede olduğu görülmüştür. 950 C de st orlnmış numune yüzeylerindeki knllrın, dh derin ve geniş olduğu tespit edilmiştir. Aşınm yüzeylerini uygulnn yükler kımındn değerlendirdiğimizde, yükün rtmsı ile irlikte şınm yüzeylerinde dh derin ve geniş deformsyon izlerine rstlnmktdır.

5 Tur,M., İzciler,M. ve Gül F.. Sonuçlr Ypıln deneysel çlışmlr sonund şğıdki ulgulr elde edilmiştir. 1. Optik mikroskop görüntüleri incelenmiş, orlnmış çeliklerin yüzeylerindeki orürlerin düzgün dllı ir morfolojiye ship olduklrı görülmüştür.. Bor ktmnlrının klınlığı orlm süresi ve sıcklığ ğlı olrk rtmıştır. İşlem süresi ile ktmn klınlığı rsınd prolik ir ilişkinin olduğu sonucun vrılmıştır. 3. Aşındırıcının oyutunun ve uygulnn yükün, şınm direncini önemli ölçüde etkilediği ir kez dh görülmüş, yük ve şındırıcı oyutunun rtmsı ile irlikte şınm miktrı d rtmıştır.. Aynı orlm sıcklığınd numunelerin şınm direncinin rtn orlm zmnı ile rttığı gözlemlenmiştir. 5. En fzl şınm miktrının işlemsiz numunelerde olduğu, dolyısıyl orlm işleminin çeliğin şınm dynımlrınd önemli ölçüde rtış seep olduğu tespit edilmiştir.. Aşınm izlerinin SEM görüntüleri incelendiğinde, en geniş ve derin şınm izlerinin işlemsiz numunelerde olduğu görülmüştür. Borlnmış numuneler incelendiğinde ise, 950 o C sıcklıkt orlnn çeliğin şınmış yüzeylerinde iz oyunc derin çizgiler görülmektedir. Bu derinliklerin rtn yüke ve şındırıcının tne oyutun göre dh derin ve geniş olduğu görülmüştür. Knllr 850 o C de st orlnmış numunelerde çok dh incedir ve şınm yüzeyleri dh düzgündür. Kynklr [1]. Venktrmn, B. nd Sundrrjn, G., The high speed sliding wer ehviour of oronied medium cron steel, Surfce nd Cot. Technol. Vol. 73, , []. Eyre, T.S., Effect of Boronising on friction nd wer of ferrous metls, Wer, Vol. 3, , [3]. Hig, K.H. nd Chtterjee-Fischert, R., Wer ehviour of oride lyers lloyed steels, Triology Interntionl, August, 09-15, [] Surhmnym, J. nd Gopinth, K., Wer studies on oronized mild steel, Wer, Vol. 95, 87-9, 198. [5] Mrtini, C., Plomrini, G., Poli, G., Prndstrller, D., Sliding nd rsive wer ehviour of oride cotings, Wer, Vol. 5, 08-13, 00. [] Bejr, M.A. nd Moreno, E., Arsive wer resistnce of oronized cron nd low-lloy steels, Journl Of Mterils Processing Technol. Vol. 173, , 00. [7] Bdini, C., Ginoglio, C., Prdelli, G., The effect of cron, chromium nd nickel on the hrdness of oride lyers, Surfce nd Cot. Technol. Vol. 30, , [8] Selçuk, B., İpek, R., Krmış, M.B., A study on friction nd wer ehviour of crurised, cronitrided nd orided AISI 100 nd 5115 steels, J. Mter. Process. Technol. Vol. 11, , 003. [9] Çelei, G., İpek, M., Bindl, C., Ücisik, A.H., Some mechnicl properties of orides formed on AISI 80 steel, Mterils Forum Vol. 9-Pulished, 5-0, 005. [10] Jin, V., Sundrrjn, G., Influence of the pck thickness of the oronizing mixture on the oriding of steel, Surfce nd Cot. Technol. Vol. 19, 1-, 00. [11] Özek, İ., Şen, S., İpek, M., Bindl, C., Zeytin, S., Üçışık, A.H., A Mechnicl spect of orides formed on the AISI 0C stinless-steel, Vcuum Vol. 73, 1-8, 00. [1] Lee, S.Y., Kim, G. S., Kim, Bum-Suk., Mechnicl properties of duplex lyer formed on AISI 03 stinless steel y chromizing nd oronizing tretment, Surfce nd Cot. Technol. Vol , , 00. [13] Çelikyürek, İ., Bksn, B., Torun, O., Gürler, R., Boronizing of iron luminide Fe 7Al 8, Intermetllics, Vol. 1, 13-11, 00. [1] Mrgoudkis, N.E., Stergioudis, G., Omr, H., Pvlidou, E., Tsips, D.N., Boro-nitriding of steel US 37-1, Mterils Letters, Vol. 57, 99-95, 00. [15] Singhl, S.C., A hrd diffusion oride coting for ferrous mterils, Thin Solid Films, Vol. 5, 31-39, [1] Yn, P.X., Wei, Z.Q., Wen, X.L., Wu, Z.G., Xu, J.W., Liu, W.M., Tin, J., Post oronizing ion implnttion of C5 steel, Applied Surfce Science, Vol. 195, 7-79, 00. [17] Ozdemir, O., Ust, M., Bindl, C., Ucişik, A.H., Hrd iron oride (Fe B) on wt % pure iron, Vcuum, Vol. 80, , 00. [18] Özek, İ., Bindl, C., Mechnicl properties of oronized AISI W steel, Surfce nd Cot. Technol. Vol.15, 1-0, 00. [19] Uslu, İ., Cömert, H., İpek, M., Özdemir, O., Bindl, C., Evlution of orides formed on AISI P0 steel, Mterils nd Desing, 005. [0] Dykov, V.I., Lenguer, W., Brmk, K., Formtion of oride lyers t the Fe-10% Cr lloy-oron interfce, Journl of Alloys nd Compounds, Vol. 398, 113-1, 005. [1] Gliois, A., Boutenko, O., Voyzelle, B., Mecnisme de formtion des couches orurees sur les cıers hut crone technique des ptes, Act Metll. Vol. 8, 1753, [] Meriç, C., Şhin, S., Bckir, B., Köksl, N.S., Investigtion of the oronizing effect on the rsive wer ehviour in cst irons, Mterils nd Design, Vol. 7, , 00. [3] Şen, S., Özek, I., Şen, U., Bindl, C., Mechnicl ehvior of orides formed on orided cold work tool steel,, Surfce nd Cot. Technol. Vol. 135, , 001. [] Alloui, O., Bououdj, N., Sindernn, G., Chrcteriztion of oronized lyers on XC38 steel, Surfce &Cotings Technology, Vol. 01, , 00. [5] Sert, H., Cn, A., Arıkn, H., Selçuk, B., Toprk, H., Wer ehvior of different surfce treted cm spindles, Wer, 0, , 00. [] Mkıshı, T., Nkt, K., Surfce hrdening of nickel lloys y mens of plzm nitriding, Metllurgicl nd Mterils Trnsctıons A, Vol. 35A Jnury -7, 00. [7] Selçuk, B., İpek, R., Krmış, M.B., Kuzucu, V., An investigtion on surfce properties of treted low cron nd lloyed steel (oriding nd crurizing), J. Mter. Process. Technol. Vol.103, , (000).

6 [8] Mnn, B.S., Boronizing of cst mrtensitic chromium nickel stinless steel nd its rsion nd cvitsionerosion ehviour, Wer, Vol. 08, , (1997). [9] Knotek, O., Lugscheider, E., Louschen, K., Surfce lyers on colt se lloys y oron diffusion, Thin Solid Films, Vol. 5, , [30] Biddulph, R.H., Boronising for erosion resistnce, Thin Solid Films, 5, 31-37, Tur,M., İzciler,M. ve Gül F.