HORLAMANIN KAYNAK BÖLGESİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 211 HORLAMANIN KAYNAK BÖLGESİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ * Cevdet MERİÇ, * Salim ŞAHİN, * Mehmet UZKUT ÖZET Bu çalışmada, AISI 1040 ve AISI 8620 çelikleri elektrik ark kaynağı ve gazaltı kaynağı (MAG) ile birleştirilmiş daha sonra 850 C, 900 C, 950 C ve 1000 C sıcaklıklarda EKabor HM ile 4 saat süre ile katı borlama işlemine tabi tutulmuştur. Havada soğutulmuş olan numunelerin yüzeyinde oluşan borür tabakasının mikrosertlikleri ve tabaka kalınlıkları ölçülmüş, optik mikroskopta içyapı fotoğrafları çekilmiştir. Kaynak bölgesi ve çevresinde horlamanın etkisi araştırılmıştır. Anahtar sözcükler- Borlama, borür tabakası, AISI 1040, AISI 8620, EKabor HM, elektrik ark kaynağı, MAG kaynağı 1. GİRİŞ Makina parça ve ekipmanlarında aşınma ve korozyon nedeniyle önemli boyutlarda ekonomik kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıpları azaltmak için malzemelerin yüzey bölgesi özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Yüzey kalitesinin geliştirilmesi için uygulanan yöntemlerden biri de horlamadır. Kaynaklı birleştirmeler günümüzde bütün endüstri kollarına geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bu nedenle kaynaklı bölgelerinde aşınmaya karşı gösterdikleri direnç önem taşımaktadır. Borlama, bor elementinin yüksek sıcaklıkta temasta bulunduğu malzeme yüzeyine yayınarak malzeme yüzeyinin bor atomlarınca zenginleştirilmesini sağlayan termokimyasal bir yüzey sertleştirme işlemidir. Bu işlem fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından karbürleme ve nitrürleme gibi termokimyasal yüzey sertleştirme işlemleri ile benzerlik gösterir ve bütün ferro malzemeler, nikel alaşımları, titanyum alaşımları ve sinterlenmiş karbürlere başarıyla uygulanmaktadır (1-3). Borlanmış çelikler, yüksek yüzey sertlikleri ve yüksek aşınma dirençleri ile karakterize edilirler (4-6). Demir esaslı malzemeler C sıcaklık ve 1-12 saat arasında değişen sürelerde horlandığında, malzeme yüzeyinde demir-borür fazlarından (Fe^JB+FeB) veya Fe 2 B oluşur ve =2000HV sertliğe ulaşan "bir borür tabakası meydana gelir. Bu tabakanın özellikleri, kullanılan bor kaynağının fiziksel durumuna, borlama sıcaklığına, borlama süresine ve horlanan malzemenin özelliklerine bağlıdır (7-9). Bor kaynağının fiziksel durumu katı, sıvı veya gaz olabilir. Ancak katı ortamlarda yapılan borlama işlemi teknik avantajlara sahiptir. Bor verici ortamın toz halinde olduğu bu yöntem işlem kolaylığı, temiz yüzey elde edilmesi, gerekli cihaz ve donanımın basitliği gibi etkenlerden dolayı geniş bir uygulama alanına sahiptir (10). Kutu sementasyonuna benzeyen katı ortam borlama yöntemi, koruyucu atmosfer altında yapıldığı gibi sıkı kapatılmış kutularda da yapılabilir. Bor verici tozlar ısıya dayanıklı kutu içerisine konur ve horlanacak numuneler bu tozun içine gömülür (2). Bor atomlarının malzeme yüzeyine yayınması için malzeme ile bor verici tozlann temas yüzeyinin büyük olması istenir. Borür tabakasının oluşumunda tozların İane boyutları önemli bir faktördür. * Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü-Manisa

2 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 212 Borür tabakasının karakteristik özelliği diş şeklinde bir yapıya sahip olmasıdır. Tabaka ve asıl malzeme arasındaki dişlenme derecesi işlem sıcaklığı ve süresinin yanı sıra alaşım elementlerinin miktarına da bağlıdır. Kuvvetli dişlenmeler az karbonlu çeliklerde ve düşük alaşımlı çeliklerde ortaya çıkmaktadır (11). Alaşımlı çeliklerde ise alaşım elementleri oranına bağlı olarak değişmektedir. Alaşım elementleri oranı arttıkça dişlenme azalmaktadır. Borürlü tabakalar diş şekilli olmalarından dolayı ana metale daha iyi bağlanırlar. Borlanmış tabakanın kırılganlığı kalınlık arttıkça artar (12-14). Bor ile yüzey sertleştirmenin diğer yüzey sertleştirme yöntemlerine göre üstünlüğü; yüzey tabakasının çok sert olması, sürtünme katsayısının düşük olması, borlamadan sonra ek ısıl işlemlere gerek duyulmaması, bazı asit, baz, metal eriyikleri ve yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı direnç göstermesidir. Borlanmış çelikler 1000 C ye ulaşan yüzey sıcaklıklarında dahi tribolojik özelliklerini kaybetmeden aşınmaya ve oksidasyona karşı direnç gösterebilmektedirler (4, 5, 15). Metalik malzemelerin birleştirilmesinde pek çok yöntem arasında kaynaklı birleştirmeler önemli bir yer tutar. Bu yüzyılın başından beri pek çok kaynak yöntemi geliştirilerek uygulamaya konulmuştur. Kaynak bölgesi üzerine çok sayıda araştırmalar yapılarak kaynaklı birleştirmelerin iyileştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Makina parçalarının birleştirilmesinde ekonomik ve pratik olması nedeni ile en yaygın olarak kullanılan elektrik ark ve gazaltı (MAG) kaynak yöntemleridir (16). Bu çalışmada, sıcak biçimlendirilmiş AISI 1040 ve AISI 8620 çelikleri elektrik ark kaynağı ve gazaltı kaynağı ile birleştirilmiş ve katı borlama yöntemi ile 850 C, 900 C, 950 C, 1000 C'de EKabor HM ile 4 saat süre ile horlanmıştır. Borlanan numunelerin kaynak bölgesi ve civarındaki borür tabakası kalınlığı, mikrosertliği ve içyapıları incelenmiştir. 2. MALZEME VE DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada, sıcak biçimlendirilmiş AISI 1040 ve AISI 8620 iki farklı malzeme kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimleri Tablo-l'de verilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında 60 V kaynak ağzı açılmış, malzemelerin bir kısmı elektrik ark kaynağı bir kısmı da gazaltı kaynağı (MAG) ile birleştirilmiştir. Elektrik ark kaynağında TS 563 (kimyasal bileşimi (Ağ.%): C 0,09, Mn 1,1, Si 0,5), gazaltı (MAG) kaynağında ise TS 5618'e uygun elektrotlar kullanılmıştır. Kaynaklı parçalardan 10* 10*70 mm boyutlarında hazırlanan numunelerin yüzeyleri borlama işlemi için hazırlanmıştır. Borlama işlemi kutu borlama tekniği ile yapılmış, kutular 850,900,950, C de 4 saat süreyle elektrik direnç fırınında tutularak gerçekleştirilmiştir. Bor verici ortam olarak tane boyutu 150 (m den küçük olan ticari EKabor HM tozu kullanılmıştır. Yüzeyi borlanacak olan numuneler kutu içine ve her kutuya iki farklı çelik türünden ikişer adet olmak üzere konulmuş ve çevreleri EKabor HM ile doldurulmuştur. Katı borlama yapılan kutunun kapağı, hava geçirmemesi için iyice kapatılmış ve hava sızdırmazlığı sağlanmıştır. Borlama süresi sonunda kutular oda sıcaklığında soğutulmuş ve daha sonra kutu içerisinden çıkartılan numunelerin üzerindeki tozlar temizlenmiştir. Borlanan numuneler bakalite alınarak yüzeyleri zımpara ile aşındırılmış, son aşamada AI2O3 pasta kullanılarak yüzeyleri keçe ile parlatılmıştır. Yüzeyleri parlatılan numuneler %3'lük Nital ile dağlanmış olup, Hunt Wetzlar marka optik mikroskop ile iç yapılarının fotoğrafları çekilmiştir. Borür tabakasının kalınlıkları mikroskop üzerinden ölçülmüştür. Tabaka kalınlığı belirlenirken dişli tabakanın diş ortalaması alınmıştır.

3 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 213 Mikrosertlik ölçümleri, Cari Zeiss marka mikrosertlik cihazı ile, Vickers uç kullanılarak, 80 g'lık yük uygulanarak gerçekleştirilmiştir. 3. BULGULAR VE İRDELEME Borlanmış olan malzemeler metalografik inceleme için hazırlandıktan sonra, tabaka kalınlıkları ölçümleri de yine aynı optik mikroskop ile yapılmıştır. AISI 1040 ve AISI 8620 çeliklerinin kaynak bölgesi, ısının tesiri altındaki bölge ve esas malzemeye ait iç yapıları Şekil 1 ve 2 de gösterilmiştir. Borlanan malzemelerin metalografik incelemesi sonucunda borür tabakasının dişli bir yapıda olduğu ve bu yapının yüzeye homojen olarak yayılmış olduğu belirlenmiştir. Optik mikroskop ile incelenen numunelerin borür tabakalarındaki FeB ve FeıB fazları kontrast farkından ayırt edilmiştir. Borür tabaka kalınlığında borlama süresine bağlı olarak bir artış olduğu gözlenmiştir. Borlanmış tabaka kalınlığı işlem sıcaklığına ve işlem süresine bağlı olarak değişir. Bu konuda daha önce yapılan çalışmalar tabaka kalınlığına işlem sıcaklığının süreden çok daha etkili olduğunu ortaya koymaktadır. Tabaka gelişimi parabolik bir süreye bağlıdır (5, 11). Karbon ve Silisyum gibi alaşım elementleri, demir borürlerde çözünme kabiliyetlerinin olmamasından dolayı, ana malzemeye doğru yayılırlar ve borür tabakası altında konsantre olurlar. Bunun sonucu olarak yüzeydeki karbon içeriği azalırken, geçiş bölgesinde artar. Bu bölgede düzgün olmayan bir karbon dağılımı söz konusudur, karbon konsantrasyonu borür iğneleri arasında maksimum iken, borürlü iğne uçlarında daha düşüktür (1). Geçiş bölgesinde bölgede gözlenen ostenit tane irileşmesi borun alaşım elementi etkisi yaparak ostenit dönüşümünü yavaşlatmasıdır (3). Malzemenin karbon içeriğinin artması yayınımı engellediği için borür tabakasının oluşumu engellenmektedir. Genel olarak alaşımlı ve yüksek karbonlu olan çeliklerde bor yayınımının daha az olması nedeniyle aynı şartlarda borlama yapılan düşük karbonlu çeliklere göre tabaka kalınlığının az olması bu çalışmanın daha önce yapılan çalışmalarla uyumlu olduğunu göstermektedir (11, 17, 18). Ayrıca borlama süresinin de artması aynı sonucu ortaya çıkarmaktadır. Borlama işleminde borun yüzeye yayınması sonucu borlanan parçanın en üst yüzeyinde borür tabakası, onun hemen altında geçiş bölgesi ve en iç kısımda ise ana yapı yer alır. Borür tabakası, dişli forma sahip olup demir-borür fazlarından oluşur. Geçiş bölgesi ise t TABLO 1. Deney Numunelerinin Kimyasal Bileşimleri (Ağ.%). Malzeme AISI 1040 AISI8620 C 0,398 0,21 Mn 0,767 0,85 Ni 0,45 Cr 0,158 0,50 Mo 0,15 Si 0,189 0,28 S 0, P 0,034 0,25

4 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 214 Şekil 1. Gazaltı Kaynağı (MAG) ile Birleştirilmiş ve 950 C'de 4 Saat Ekabor HM ile Borlanmış AISI 1040 Çeliğinin Kaynak Bölgesi Civarının İçyapısı. Şekil 2. Gazaltı Kaynağı (MAG) ile Birleştirilmiş ve 900 C 'de 4 Saat Ekabor HM ile Borlanmış AISI 8620 Çeliğinin Kaynak Bölgesi Civarının İçyapısı. yüzeyden karbonun ve alaşım elemanlarının bor atomları tarafından içe doğru itilmesi neticesinde ana malzemeye göre karbon ve diğer alaşım elemanlarının yoğunluk kazandığı bir bölgedir.

5 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 215 Karbon konsantrasyonu, borür tabakasının toplam kalınlığı ve sertliğinin azalmasına, demir borürlerin izafi dengelerinin (stabilitelerinin) değişmesine ve geçiş bölgesinde karbür ve bor-karbürlerinin oluşmasına sebep olur. Fe2B, FeB'ye göre daha dengelidir ve öncelikle bu faz oluşur. Karbon konsantrasyonunun artışı ile birlikte FeB'ün stabilitesi azalırken Fe2B'ün stabilitesi artar (1). Borlama sonucu numune yüzeylerinde meydana gelen içyapı değişiklikleri, mikrosertlik değişiklikleri ile yakından ilgilidir. Mikrosertlik dağılım profilini, yüzeyin içyapı özellikleri belirlemektedir (17). Yüksek bor potansiyeline sahip olan borlama maddesi ile çalışıldığında tabaka iki faz içerir. Bu fazlardan dıştaki FeB fazı FeaB fazına oranla daha serttir, fakat oldukça gevrektir. En yüksek aşınma dayanımının FeB fazı ihtiva etmeyen tabakalarda yani Fe2B fazından oluşan tabakalarda elde edildiği daha önceki çalışmalarda belirtilmiştir (13, 14, 15). Ayrıca yüksek iç gerilmeye sahip olduğundan ve Fe2B fazından pullanarak döküldüğünden de FeB fazı arzu edilmez. Ancak difüzyon tavlaması ile bu durum yok edilebilir. Elektrik ark kaynağı ve gazaltı kaynağı (MAG) ile birleştirilmiş AISI 1040, AISI 8620 çeliklerinin tabaka kalınlıkları sıcaklıkla değişimi Şekil 3-8 arasında gösterilmiştir. Şekil 3 incelendiğinde elektrik ark kaynağı ile birleştirilmiş AISI 1040 çeliğinin kaynak bölgesinin sıcaklıkla borür tabakasının gelişimi esas malzemedeki borür tabakasına göre daha az olduğu görülecektir fakat aradaki fark dikkate alınacak kadar önemli değildir. Ancak aynı yöntemle birleştirilmiş AI- SI 8620 çeliğinin kaynak bölgesi ile esas malzemenin borür tabaka kalınlıkları birbirine oldukça yakın çıkmıştır (Şekil 4). Ayrıca gazaltı kaynağı ile birleştirilmiş AISI 1040 ve AISI 8620 çeliklerinin her iki bölgesinde de borür tabakası aynı oranda gelişmiştir. Belirgin bir fark görülmemektedir (Şekil 5 ve Şekil 6). Esas malzeme ve kaynak bölgesindeki borür tabakalarının gelişiminde her iki kaynak yönteminde de belirgin bir farklılığa rastlanılmamıştır. Sonuç olarak kaynaklı birleştirmelerde de borlama işleminin yapılabileceği söylenebilir. AISI 8620 çeliği yüksek alaşımlı ve yüksek karbon oranına sahip olduğu için AISI 1040 çeliğine göre borür tabakası daha az gelişmiştir (Şekil 7). Şekil 8 de her iki kaynak yöntemi AISI 1040 çeliği için karşılaştırılmıştır. Elektrik ark kaynağında borür tabakasının gazaltı kaynağına göre daha az gelişmiş olduğu görülmektedir., Şekil 3. Elektrik Ark Kaynağı ile Birleştirilmiş ve Farklı Sıcaklıklarda Borlanmış AISI 1040 Çeliğinin Borür Tabaka Kalınlığının Değişimi.

6 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 216 Şekil 4. Elektrik Ark Kaynağı ile Birleştirilmiş ve Farklı Sıcaklıklarda Borlanmış AISI 8620 Çeliğinin Borür Tabaka Kalınlığının Değişimi. Şekil 5. Gazaltı Kaynağı (MAG) ile Birleştirilmiş ve Farklı Sıcaklıklarda Borlannuş AISI 1040 Çeliğinin Borür Tabaka Kalınlığının Değişimi. Şekil 6. Gazaltı Kaynağı (MAG) ile Birleştirilmiş ve Farklı Sıcaklıklarda Borlanmış AISI 8620 Çeliğinin Borür Tabaka Kalınlığının Değişimi. Şekil 7. Farklı Sıcaklıklarda Borlanmış AISI 1040 ve AISI 8620 Çeliklerinin Borür Tabaka Kalınlıklarının Değişimi

7 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 217 Şekil 8. Elektrik Ark Kaynağı ve Gazaltı Kaynağı (MAG) ile Birleştirilmiş AISI 1040 Çeliğinin Kaynak Bölgesinin Borür Tabaka Kalınlığının Değişimi. Mikrosertlik cihazı ile 80 g yüke karşılık gelen iz derinliği esas malzeme ve kaynak bölgesinde ölçülmüştür sonuçlar Tablo 2'de gösterilmiştir. AISI 1040 ve AISI 8620 çelikleri kaynak bölgesi ve esas malzemede ölçülen mikrosertlikleri karşılaştırıldığında sertliklerinin değerleri açısından belirgin bir farklılık olmadığı tespit edilmiştir. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada, sıcak biçimlendirilmiş AISI 1040 ve AISI 8620 çelikleri elektrik ark kaynağı ve gazaltı kaynağı ile birleştirilmiş ve katı borlama yöntemi ile 850 C, 900 C, 950 C, 1000 C'de EKabor HM ile 4 saat süre ile borlannuştır. Borlanan numunelerin kaynak bölgesi ve civarındaki borür tabakası kalınlığı, mikrosertliği ve içyapılan incelenmiştir. 1-Ölçülen tabaka kalınlıkları karşılaştırıldığında borür tabakasının kaynak bölgesi, ısının tesiri altındaki bölge ile esas malzemede aynı miktarda geliştiği ölçülmüştür. 2-AISI1040 ve AISI 8620 çelikleri kaynak bölgesi ve esas malzemede ölçülen mikrosertlikleri karşılaştırıldığında sertliklerinin değerleri açısından belirgin bir farklılık olmadığı tespit edilmiştir. 3-Elektrik ark kaynağında borür tabakasının gazaltı kaynağına göre daha az gelişmiş olduğu görülmüştür. 4-Tabaka kalınlıklarının ve mikrosertliklerinin kaynak bölgesi ve esas malzemede aynı özellikler gösterdiği görülmüş; böylece horlamanın kaynaklı bölgelerde uygulanmasının bir sakınca oluşturmayacağı sonucuna varılmıştır.

8 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUS AL KONGRESİ 218 TABLO 2.4 Saat Ekabor HM ile Borlanmış AISI 1040 ve AISI 8620 Çeliklerinin Esas Malzeme ve Kaynak Bölgesinin Mikrosertlik Değerleri (HV). Sıcaklık ("O Malzeme AISI 1040 Gazaltı Kaynağı AISI1040 Elektrik Ark Kaynağı AISI 8620 Gazaltı Kaynağı AISI 8620 Elektrik Ark Kaynağı Bölge Kaynak Bölgesi Esas Malzeme Kaynak Bölgesi Esas Malzeme Kaynak Bölgesi Esas Malzeme Kaynak Bölgesi Esas Malzeme Sertlik (HV) Bor Tabakası Esas Malzeme

9 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 219 REFERANSLAR 1. A. Özsoy, "Çeliğin Borlanmasında Borür Tabakası, Geçiş Zonu ve Matriksin Özelliklerinin İyileştirilmesi", Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Eskişehir A. G. Matuschka, "Boronizing", Carl Hanser Verlag München N. Bozkurt, "Bor Yaymımıyla Çeliklerde Yüzey Sertleştirme" ", î. T. Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul M. B. Karamış, F. Nair, B. Selçuk, "Borlanmış Malzemelerin Tribolojik Özellikleri", 6. Denizli Malzeme Sempozyumu, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Denizli 1995, s E. Atik, "Çeliklerin Borlanarak Aşınmaya Dayanımlarının Arttırılması", Mühendis ve Makina, Cilt:38, Sayı:445, s A. Pertek, "Gas Boriding Conditions for the Iron Borides Layers Formation", Materials Science Forum v 163-6n pt , p S. S. Yılmaz, "Çeliklerde Bor ile Yüzey Sertleştirme" C.B.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Manisa, Y. Özmen, A. Ç. Can, "Borlamanın Çeliklerde Aşınma Dayanımına Etkisi" 5. Ulusal Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, Bildiri Kitabı, Ankara 1992, s A. H. Demirci, "Fe-Esaslı Malzemelerin Borlanması ile Kavitasyon Dayanımının Değişmesi" 7. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, Eylül 1996, ODTÜ Ankara, Bildiriler Kitabı, s İ. Özbek, C. Bindal, "Borlama İle Yüzeyi Sertleştirilen AISI W4 Takım Çeliğinin Bazı Mekanik Özellikleri", IV. Seramik Kongresi Bildiri Kitabı Eskişehir 1997, s i 11. L. L. Qian, G. A. Stone, "Study of the Behavior of Boron Diffusion in Plain Carbon Steels", Journal of Materials Performance v 4, n 1, Feb 1995 p B. Selçuk, R. İpek, M. B. Karamış, "AISI 5115 ve AISI 1020 Çeliklerinin Çekme Özelliklerine Borlamanın Etkisi", 6. Denizli Malzeme Sempozyumu, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Denizli 1995; s Ş. Şen, İ. Özbek, U. Şen, C Bindal, "Mechanical Properties of Borided Cold Work Tool Steel", IV. Seramik Kongresi Bildiri Kitabı Eskişehir 1997, s C. Bindal, M. Usta, A. H. Üçışık, "Mechanical Properties of Borides Formed on the Surface of AISI 1040 Steel", IV. Seramik Kongresi Bildiri Kitabı Eskişehir 1997, s B. Venkataraman, G. Sundarajan, "High Speed Sliding Wear Behavior of Boronized Medium Cabon Steel", Surface & Coating Technology v 73, n 3, Aug 1995, p

10 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ S. Anık, "Kaynak Teknolojisi El Kitabı" Ergün Matbaası, İstanbul, F. Nair,, M. B. Karamış, "Borlanmış Çeliklerde Malzeme Bileşiminin Mikrosertliğe Etkileri", 7. Denizli Malzeme Sempozyumu, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Denizli 1997.