Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi

Transkript

1 Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Cilt 4 Sayı 2 (2016), Journal of Bartın University Engineering and Technological Sciences Vol. 4 Issue 2 (2016), Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Borlanmış X38CrMoV5-3 Sıcak İş Takım Çeliğinin Yüksek Sıcaklık Kuru Kayma Davranışlarının İncelenmesi Mustafa Sabri GÖK 1*, Cansu KARAKAYA 2, İlknur KAVLAK 2, Merve ÇAKMAK 2, Azmi ERDOĞAN 2 1 Bartın Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bartın / TÜRKİYE 2 Bartın Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Bartın / TÜRKİYE Geliş Tarihi: Düzeltme Tarihi: Kabul Tarihi: Özet Bu çalışmada X38CrMoV5-3 sıcak iş takım çeliği borlama işlemine tabi tutulmuştur. Borlama işleminde Nanobor ve EKabor 2 tozları kullanılmıştır. Termo reaktif difüzyon için kutu borlama tekniği kullanılmıştır. TRD işlemi 900 ve 1000 C 6 saat süre ile gerçekleştirilmiştir. Aşınma deneyleri Ball-on disk deney aparatı ile yapılmıştır. Deneyler oda sıcaklığında ve 500 ºC sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Numunelerin mikroyapı ve aşınma değerlerinin yorumlanmasında Tarayıcı Elektron Mikroskobu, Optik Mikroskop, 3D Profilometre, X-Ray Difraksiyon Analizi, Mikro Sertlik cihazlarından faydalanılmıştır. Borlama işlemi sonucunda borlama sıcaklığı arttığında Ekobor ve Nanoborda kaplama kalınlığının da arttığı görülmüştür. Ancak Nanobor ile yüzeyi kaplanan numunelerin kaplama kalınlığının daha fazla olduğu tespit edilmiştir. En yüksek sertlik ve kaplama kalınlığı Nanobor tozu ile 1000 ºC de 6 saat süre ile kaplanan numunede görülmüştür. Kaplama tabakasında FeB, Fe 2B, Mn 2B, Mo 2B, Cr 5B 3 fazlarının oluştuğu saptanmıştır. Aşınma mekanizması olarak borlanmış numunelerin yüksek sıcaklık testlerinde mikroçatlamalara bağlı olarak plastik deformasyon, oda sıcaklığında oksidasyon ve mikroçatlama, borlanmamış numunede ise oksidasyon ve aşırı plastik deformasyon görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Sıcak İş Takım Çeliği, Borlama, Yüksek Sıcaklık Aşınması Investigation of High Temperature Dry Sliding Wear Behavior of Boronized X38CrMoV5-3 Hot Work Tool Steel Abstract In this study the X38CrMoV5-3 hot work tool steel was subjected to the boronizing process. Nanoboron and Ekaboron powders were used in the boronizing process. Box boronizing technique was used for thermo reactive diffusion. TRD process was carried out under 900 and 1000 C for 6 hours period. Wear tests were conducted using a ball-on-disk test rig. Wear tests were carried out under room temperature and 500 ºC. Scanning electron microscope, optical microscope, 3d profilometer, X-Ray diffraction analysis, and micro-hardness device, were used in evaluation of microstructure and wear values of the specimens. After the boronizing process, Ekaboron and Nanoboron coating thickness of the specimens were found to increase with increasing boronizing temperature. However, Nanoboron coating thickness was observed to be higher than Ekaboron coating thickness on the treated specimens. The highest hardness and coating thickness values were obtained with Nanoboron powder under 1000 ºC and 6 h conditions. Formation of FeB, Fe 2B, Mn 2B, Mo 2B, Cr 5B 3 phases were observed in boron coating layer. As the dominant wear mechanisms, micro-crack induced plastic deformation was observed during the wear tests of boronized specimens under high temperature, oxidation and microcrack formation were observed under room temperature, and oxidation and severe plastic deformation were observed on non-boronized specimens. Keywords: Hot Work Tool Steel, Boronizing, High Temperature Wear 1. Giriş Aşınma, mekanik bir etki sonucunda birbirine göre izafi hareket eden iki malzemenin yüzeyinde oluşan, istenmediği halde yavaş fakat sürekli olarak devam eden kütle kaybıdır. DIN ye göre ise aşınma, tribolojik zorlanma sonucu katı cismin yüzeyinden sürekli olarak devam eden malzeme kaybıdır [1]. Sıcak presleme, kalıba dökme, haddeleme ve benzeri sıcak metal şekillendirme uygulamalarında, iş takımlarının servis ömürleri maruz kaldıkları zorlu çalışma şartlarından dolayı (termal, mekanik, termo-mekanik, yük ve dar toleranslarda çalışma) sınırlıdır. Bu ortamlarda çalışan makine parçaları genellikle aşınma veya termal yorulma ile hasara uğramaktadırlar [2-6]. Hem teknolojik hem de ekonomik bir problem olan aşınma olayını tamamen yok etmek mümkün olmasa da, alınacak önlemler ile yavaşlatmak mümkündür. Bu bağlamda günümüzde yapılan birçok çalışma malzemelerin aşınma direncinin arttırılması ve yeni nesil ileri teknolojik malzemeler üretilmesi üzerinedir. Sürtünerek çalışan malzemelerin birbirleriyle sadece yüzeyleri etkileşime girdiği için bir malzemenin aşınma özelliklerini geliştirmek istenildiğinde malzemenin tamamının yerine aşınmanın gerçekleşeceği yüzeylerinin iyileştirilmesi daha ekonomik olacaktır[7-9]. Yüzey özellikleri; teknolojik uygulamalarda korozyon ve aşınma için kullanılan mühendislik bileşenlerinin servis ömrü için kritik rol oynamaktadır. Sürtünme ve temas yüklerinden oluşan yüzey hasarlarını önlemede kullanılan en önemli yöntemlerden biri, yüzeyin termal veya termo-kimyasal prosesler ile sertleştirilmesidir [10-12]. Geçtiğimiz yıllarda karbürizasyon, nitrürleme, karbonitrürleme, nitro-karbürleme ve borlama gibi termo-kimyasal işlemler ferro alaşımlar için etkili yüzey sertleştirme yöntemleri olarak tanımlanmıştır. Bu prosesler arasında borlama, oluşturduğu yüksek yüzey sertliği sebebiyle aşınma kontrolünde akla gelen ilk seçeneklerdendir. Ayrıca malzemelerin korozyon ve oksidasyon direncini arttırmak için de kullanılabilecek potansiyel işlemlerdendir. Borlanmış yüzeyler genel olarak yüksek sertliklerini yüksek sıcaklıklara kadar koruyabilmektedir [13]. Borlama; çelik, demir dışı metal ve alaşımlarına uygulanabilen, yüksek sıcaklıklarda metallerin yüzeylerine bor atomu difüzyonu ile yüzeyde bir borür tabakası oluşturmak amacıyla yapılan bir termokimyasal işlemdir. Borlama işleminde başlıca bor kaynağı olarak; Sorumlu Yazar: Gök M. S., , msabrigok@bartin.edu.tr

2 Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 bor karbür (B 4C), ferrobor ve amorf bor kullanılır [14,15]. Fakat herhangi bir bor bileşiği de bor verici olarak kullanılabilir [16]. Ferro alaşımların borlanmasında borid tabakasının faz yapısını; bor vericinin bor potansiyeli, altlığın kimyasal kompozisyonu ve borlama işlem parametreleri (sıcaklık, süre) belirlemektedir. Borür tabakasının şekline ve mekanik özelliklerine etki eden başlıca faktörler; uygulanan borlama yöntemi, altlık malzemenin cinsi ve işlem parametreleridir [17-19]. Oluşacak borür tabakasının kalınlığı ise altlık malzemenin bileşimine, kullanılan bor tozlarına, borlama süresi ve sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir [15]. Difüze olan bor atom konsantrasyonuna bağlı olarak borid tabakasının faz yapısı Fe 2B (% 8 B) ve FeB (%16 B) olmak üzere iki farklı şekilde meydana gelmektedir. Genellikle FeB, Fe 2B kıyaslandığında, üstte oluşan ve daha yüksek sertlik ve rijitlik yanında daha düşük tokluk özellikleri ile karakterize edilmektedir. Bu sebeple genel olarak FeB varlığı çok gevrek yapıya sahip olması sebebiyle aşınma uygulamalarında çok fazla istenmemektedir [13]. Klasik yüzey sertleştirme yöntemlerine göre en büyük avantajı yüzeyde sert bir tabaka oluşturmanın yanı sıra yüksek korozyon, oksidasyon ve aşınma direncinin de elde edilebilmesidir. Bu sebeple son yıllarda borlanmış yüzeylerin korozyon, aşınma ve sertlik özellikleri ile ilgili çalışmalara önem verilmektedir [22-23]. Bu amaçla bu çalışmada X38CrMoV5-3 sıcak iş takım çeliği, belirlenen sıcaklık ve sürelerde borlanacaktır. Borlanmış ve borlanmamış sıcak iş takım çelikleri yüksek sıcaklık ortamlarında kuru-kayma aşınma testlerine tabi tutulacaktır. Böylece hem literatürdeki bu eksiğin kapanması amacıyla bir katkı sağlanması hem de sıcak iş takım çeliğin performansın da artış elde edilerek ekonomik kaybın azaltılmasında öncülük edilmesi hedeflenmektedir. Ayrıca ülkemizin en önemli yer altı madenlerinden biri olan bor elementini, sanayide ve ekonomide büyük kayıplara neden olan aşınmayı en aza indirmek için kullanarak, bu alanda ülkemiz adına ulusal ve uluslararası çalışmalarda kullanılmak üzere yeni bir kaynak oluşturmak hedeflenmiştir. 2. Deneysel Çalışmalar Bu çalışmada alt yüzey olarak X38CrMoV5-3 sıcak iş takım çeliği kullanılmıştır. Bu çeliğin kimyasal yapısı Tablo 1 de verilmiştir. Borlama işleminde Nanobor ve Ticari EKabor 2 tozları kullanılmıştır. Nano bor tozlarının boyutu nm iken EKabor toz boyutu <140µm olarak belirlenmiştir. Tablo 1: X38CrMoV5-3 sıcak iş takım çeliği kimyasal yapısı C Si Mn P S Cr Mo V Bileşim% Deneylerde kullanılacak test numuneleri 20x20x10 mm boyutlarına geleneksel takım tezgâhları kullanılarak getirilmiştir. Borlama işlemine başlamadan önce numunelerin yüzeyleri 800 mesh SiC zımpara ile parlatılmıştır. Borlama işlemi Ar koruyucu gazı atmosferinde 6 saat süre ile gerçekleştirilmiştir. Bor tozları numuneleri saracak şekilde paslanmaz çelik bir kutu içerisine yerleştirilerek fırınlama işlemine tabi tutulmuştur. Belirlenen sıcaklıklarda yeterli süre fırında bırakılan numuneler işlem sonunda fırından çıkartılarak atmosfer ortamında soğumaya bırakılmışlardır. Kuru-kayma aşınma testleri oda sıcaklığında 6 mm çapında tungsten karbür bilya kullanılarak Ball-on-disk tribometre cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Sert karbür bilyanın sertliği 19 GPa dır. Borlama yöntemi ile yüzeyi kaplanmış 20x20x10 mm boyutlarındaki numuneler deney cihazının döner tablasına yerleştirilerek sabitlenmiştir. Aşınma testleri oda sıcaklığında 5 N yük altında 260 d/dk (0.05 m/sn) kayma hızında ve 500 ºC de 5 N yük altında 74 d/dk (0.2 m/sn) kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Deneylerin geçerliliğini arttırabilmek için her bir deney 3 defa gerçekleştirilerek ortalama değer alınmıştır. Aşındırma işleminden sonra numunelerin hacim kayıplarını belirlemek için aşınma oluğunun kesit görünüşünden 3D profil metre ile kesit yüzeyin görüntüsü alınmıştır. Aşınma sonucunda meydana gelen çember üzerinde 90 derecelik açılarla toplamda 4 bölgenin kesit yüzeyi alınmıştır. Numunelerin mikroyapılarının belirlenebilmesi için Dağlayıcı olarak % 98 Etil alkol ve % 2 nitrik asitten oluşan nital kullanılmıştır. 3. Mikroyapı 900 ve 1000 ºC sıcaklıklarda EKabor 2 ve Nanobor tozları ile 6 saat boyunca borlama işlemine tabi tutulan numunelerin borlama işleminden sonra SEM mikroskobundan alınan mikroyapı fotoğrafları sırası ile Şekil 1.a-d de verilmiştir. a)

3 Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 (c) Şekil 1: 900 ºC Nanobor 1000 ºC Nanobor (c) 900 ºC EKabor 2 (d) 1000 ºC EKabor 2 ( süre 6 saat) (d) Numunelerin kesit yüzey mikroyapı fotoğraflarına bakıldığında hem Nanoborla kaplanmış hem de EKabor 2 ile kaplanmış numunelerin 4 farklı fazda oluştuğu görülmüştür. Bunlar; en üst yüzeyde oluşan FeB tabakası, bu tabakanın hemen altında oluşan Fe 2B tabakası, Kromca zengin difüzyon tabakası ve alt yüzeydir. Daha önce yapılan çalışmalarda, FeB ve Fe 2B fazlarının alt yüzeyin kimyasal kompozisyonuna, kullanılan bor oranına, ısıl işlem sıcaklığına ve süresine bağlı olarak oluştuğu beyan edilmiştir [24]. Nanobor tozu ile 900 ºC de borlanan numunenin kaplama kalınlığı 45,9 µm, 1000 ºC de borlanan numunenin kaplama kalınlığı ise 94.4 µm dir. EKabor 2 tozu ile 900 ºC de ile borlanan numunenin kaplama kalınlığı 24,5µm iken 1000 ºC de borlanan numunenin kaplama kalınlığı 69 µm olarak ölçülmüştür. Nanobor tozu ile borlanan numunelerde FeB fazının daha fazla kalınlığa sahip olduğu SEM kesit yüzeyi görünüşlerinden anlaşılmıştır. Şekil 2:Nanobor tozu ile 900 C de 6 saat borlanan numunenin EDS analiz sonuçları 900 ºC de 6 saat Nanobor tozları ile işleme tabi tutulan numunelerin kesit yüzeyinden yukarıdan aşağıya doğru alınan EDS analizleri Şekil 2 de sırası ile verilmiştir. Analizlerden de görüleceği gibi FeB tabakasında yüzdece daha yoğun bir bor tabakası olduğu görülmektedir (Spectrum 71-72). Bunun sebebi TRD (Termo Reaktif Difüzyon) işleminin başlaması ile öncelikle çelik yüzey üzerinde Fe 2B tabakası oluşmakta ve sonrasında ise FeB tabakası bu yüzey üzerinde teşekkül etmektedir. Dolayısıyla alt yüzeyden uzaklaşan bor atomlarının Fe ile bileşik yapmaları zorlaşmaktadır. 900 ºC de EKabor ve Nanobor tozları ile 6 saat süre ile borlama işlemine tabi tutulan numunelerin yapılarındaki fazları tespit etmek için yapılan X-Ray Difraksiyon analizleri Şekil 3. a-b de verilmiştir. Nanobor tozları ile borlanan numunede FeB fazı tespit edilirken, 900 ºC de EKabor 2 tozları ile borlanan numunede FeB fazı görülmemiş ancak 1000 ºC de gerçekleştirilen borlama işleminde

4 Numune Sertlik (HV) Kaplama Kalınlığı (µm) Borlama Süresi Hacim kaybı (µm 3 ) 500 C Hacim kaybı (µm 3 ) Oda Sıcaklığı Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 hem Fe 2B fazı hem de Mn 2B, Cr 5B 3, Mo 2B fazları görülmüştür. SEM görüntülerinde hem FeB hem de Fe 2B fazları açıkça görülmesine rağmen X-Ray tarafından Fe 2B nin tespit edilememesi üzerinde kalın FeB tabakasının oluşmasındandır [30]. Daha önceki çalışmalarda da Mo 2B [27] ve Mn 2B [28] fazları minor faz olarak bulundukları beyan edilmiştir. Fakat Cr 5B 3 fazı belirtilmemiştir. Bunun sebebini yapılan çalışmalarda kullanılan malzemelerde Cr elementinin olmamasına, az olmasına veya bor elementinin afinitesinin farklı olmasına bağlamak mümkündür. Bu fazın dislokasyon hareketlerini engellediğinden kaplama sertliği üzerine etkisi olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada Cr 5B 3 fazına rastlanmasının sebebi ise çeliğin kimyasal bileşiminde yüksek oranda Cr elementinin olmasıdır (Tablo 1). Şekil 3: 900 ºC de 6 saat Nanobor tozu ile borlanan numunenin, 900 ºC de 6 saat EKabor 2 tozu ile borlanan numunenin X-Ray analiz sonuçları. Numunelere ait mikro sertlik değerleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablodan da görüleceği gibi en yüksek sertlik değerleri Nanobor tozları ile işleme tabi tutulan numunelerde görülürken, EKabor 2 tozları ile işleme tabi tutulan numunelerin mikrosertlik değerleri Tablo 2:Numunelerin sertlik ve kaplama kalınlık değerleri daha düşük çıkmıştır. Artan borlama sıcaklığı hem EKabor 2 hem de Nanobor ile işleme sokulan numunelerin borür tabakası sertliklerini arttırmıştır. Nanobor ºC 6 saat ºC 6 saat EKabor ºC 6 saat ºC 6 saat Borlanmamış Kuru Kayma Aşınma Deney Sonuçları Numunelerin hacim kayıplarının hesaplanmasında deneysel kısımda da anlatıldığı gibi 3D optik profilometreden yararlanılmıştır. Oluşan izin 4 farklı bölgesinden aşınma izi kesiti taranarak meydana gelen hacim kayıpları bulunmuş ve bunların ortalama değerleri alınarak Tablo 2 de verilmiştir. Şekil 10 da ise hacim kayıplarının belirlenmesinde kullanılan ve 3D optik profilometre ile alınan 3 numaralı numunenin görüntüsü verilmiştir. Şekil 4: 900 ºC de 6 saat EKabor 2 tozu ile borlanmış numunenin kütle kaybı hesaplamasında kullanılan 3D profilometre görüntüsü. a. aşınma iz genel görününüm b. Aşınma kesit yüzey alan görüntüsü.

5 Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 Tablo 2 deki hacim kaybı değerlerine baktığımız zaman en yüksek aşınma direncini 3 numaralı numune gösterirken bunu 4, 1 ve 2 numaralı numuneler izlemiştir. En düşük aşınma direnci ise borlanmamış numunede görülmüştür. 2 ve 4 numaralı numunelerin hem kaplama kalınlıkları hem de sertlikleri daha yüksek olmasına rağmen aşınma dirençleri daha düşük çıkmıştır. Bunun sebebi numunelerin sertliklerinden dolayı plastik deforme olma kabiliyetlerinin düşmesi buna bağlı olarak da meydana gelen Hertzian kuvvetlerinin lokalleşmesi sonucunda yorulmaya bağlı olarak meydana gelen çatlamaların ve dökülmelerin hızlanmasıdır. Ayrıca numune yüzeyinde oluşan iki farklı borür tabakasının (FeB- Fe2B) genleşme katsayısı arasındaki farklılık FeB tabakası üzerinde çeki gerilmelerine sebep olurken Fe 2B tabakası üzerinde bası gerilmelerine sebebiyet vermektedir. Bu durumun da numunede mikro çatlamalara sebebiyet verdiğinden malzeme kaybını arttırdığı bilinmektedir [29]. Ancak daha düşük kaplama kalınlığı ve daha düşük sertlikten dolayı aşındırıcı bilya karşısında daha fazla plastik deformasyona uğrayan ve böylece bilyanın daha geniş yüzeyi ile temas haline geçen borür tabakasının temas yüzey alanı artmasından dolayı hacim kayıpları düşmüştür. Aynı numunelerin sıcak aşınma değerleri incelenecek olursa en iyi aşınma direncinin 4 numaralı numunede olduğu daha sonra 2, borlanmamış numune,1 ve 3 numaralı numunelerin olduğu görülmüştür. Borlanmamış numunenin aşınma direncinin yüzeyde yüksek sıcaklığa bağlı olarak oluşan kuvvetli oksit tabakasından dolayı düştüğü anlaşılmaktadır. Çünkü bu numunenin yüzeyinden alınan EDS analizi incelendiğinde hem oksit hem de demir ve krom gibi oksijene düşkün elementlerin varlığı yapıda görülmüştür. Numunelerin yüksek sıcaklık aşınmasında sertlik ve kaplama kalınlığı ile doğrudan bir bağlantı olmasa da aşındırıcı bilyanın yüzey temas alanın genişlemesi sonucunda, hacimsel aşınma kayıplarının azaldığı görülmüştür. Şekil 4: Borlanmamış numunenin EDS analiz sonucu Şekil 5: 1 numaralı numunenin 5 N yük altında oda sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü 5 N yük altında 500 ºC sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü Şekil 6 ve de 1 numaralı numunenin oda sıcaklığında 5 N yük altında ve 500 ºC sıcaklıkta 5 N yük altında aşınma testine tabi tutulduktan sonraki SEM görüntüleri verilmiştir. Fotoğraflardan da görüleceği gibi oda sıcaklığında gerçekleştirilen deneylerde numune yüzeyinde çok fazla bir aşınma görülmemiştir. Ancak kısmi bir bölgede yüksek gerilimlere bağlı olarak mikroçatlakların oluştuğu görülmektedir. Aynı numunenin yüksek sıcaklıktaki aşınma yüzeyi ise yüzeyin çoğu yerinde mikroçatlaklar şeklinde başlayıp 50-70µm arasında plastik deforme olmuş partiküllerin yüzeyden ayrılması ile numunenin hasara uğradığı görülmüştür. Bu durum şöyle açıklanabilir; Bilinmektedir ki Hertzian kuvvetleri etkileşim bölgesinde mekanik gerilimlere sebep olmaktadır. Bu kuvvetli çekme gerilimleri yüzeye çok yakın bölgede meydana gelmektedir. Çekme gerilimi şeklinde meydana gelen bu mekanik gerilimler belirli bir kritik limiti aştığı zaman sert ve kırılgan yüzeyler üzerinde çatlamalara sebebiyet verirler. Yüksek test sıcaklıkları ise etkileşim yüzeylerinde çatlak çekirdeklenmesini kolaylaştırmaktadır. Çünkü termal genleşmelere bağlı olarak ortaya çıkan termal gerilmeler borür tabakası ile alt yüzeyin termal genleşmelerinin farklı olmalarından dolayı borür tabakasında çatlakların çekirdeklenip gelişmesi için uygun zemin hazırlar [30-32]. 2 numaralı numunenin 5 N yük altında oda sıcaklığındaki aşınma testlerinin SEM görüntüsü incelenecek olursa Şekil 7.a. yüzeyde ağır bir hasarın oluşmadığı ancak kayma yönüne paralel olarak yüzeyin ekstrüze olmaya başladığı görülmektedir. Çizelge 2 deki numunelere ait değerle incelenecek olursa en yüksek sertlik ve en yüksek kaplama kalınlığı bu numunede elde edilmiştir.

6 Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 Şekil 6: 2 numaralı numunenin 5 N yük altında oda sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü 5 N yük altında 500 ºC sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü Numunelerin aşınma direncinin yükselmesinde birçok parametre etkin rol oynar. Yumuşak bir yüzey üzerine sert bir katman veya sert bir kaplama tabakası oluşturmak tribolojik uygulamalar için popüler bir yöntemdir. Sert yüzeyler iyi bir aşınma direnci sağlamaktadır. Yüzey kalınlığının ve sertliğinin artması yük taşıma kapasitesini dolayısyla tribolojik etkileşimlerde malzemenin hasar görmeye karşı gösterdiği direnci arttırdığından, ana malzemede görülen çukurlaşmaların önüne geçilerek aşınma direncine olumlu katkısı olmuştur. Çünkü sert yüzey üzerinde kayma hareketi yapan aşındırıcı bilyaya yük uygulandığı zaman bilyanın arkasında oluşan çekme gerilmeleri ve ön tarafında oluşan basma gerilmeleri sonucunda oluşan kesme ve sürüme kuvvetleri neticesinde malzemenin bilyanın ön tarafında kalan kısmında yığıntılar oluşmaya başlar. Bu yığıntılar sertlik ve geometriye bağlı olaraktan çok farklı çatlak oluşumlarına sebebiyet verir. Yorulma ömrü olarak değerlendirilecek olursa kaplama kalınlığının artması farklı parametrelere bağlı olarak aşınma ömrünü uzattığı bilinmektedir. Aynı şartlar altında kalın kaplamalar daha yüksek yapışma gerilmelerine sahiptir. Bu numune 1 numaralı numuneden hacimce daha fazla aşınmasına rağmen yüzey morfolojisi olarak daha pürüzsüz bir yüzeye sahiptir. Bu da nispi yüksek sertliğinden kaynaklanmaktadır. Numunelerin sıcak aşınmasında ise durumun değiştiği yüksek sertliğin etkin parametre olduğu görülmüştür. Yüksek sıcaklıkta oluşan bileşiklerin çözünmesi de daha yüksek sıcaklıklarda oluşacağından işlem sıcaklığının da etkin parametre olduğu düşünülmektedir Şekil 8 ve de SEM mikroyapılarında da görüldüğü gibi 1 numaralı numunenin aşırı plastik deformasyona bağlı partikül dökülmesi ile kütle kaybına uğradığı görülürken 2 numaralı numunede çatlakların daha yeni başladığı görülmektedir. Şekil 7: 900 ºC de 6 saat EKabor 2 tozu ile borlanmış numunenin 5 N yük altında oda sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü 5 N yük altında 500 ºC de aşınmasının SEM görüntüsü EKabor tozları ile işleme tutulan 3 ve 4 numaralı numunelerin soğuk aşınma deneyleri sonucunda oksidasyon tipi aşınmaya uğradıkları görülürken sıcak aşınmada mikro ölçekli dökülmeler sonucu yüzey hasarı 4 numaralı numunede görülürken 3 numaralı numunede nispeten daha az hasar görülmektedir.

7 Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 Şekil 8: 1000 ºC de 6 saat EKabor tozu ile borlanmış numunenin 10 N yük altında oda sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü 5 N yük altında 500 ºC sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü Şekil 9: Borlama işleminin uygulanmamış olduğu numunenin 10 N yük altında oda sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü 5 N yük altında 500 ºC sıcaklığındaki aşınmasının SEM görüntüsü 5. Sonuç Bu çalışmada X38CrMoV5-3 sıcak iş takım çeliğinin yüzeyi kutu borlama yöntemi kullanılarak Nanobor ve EKabor tozları ile kaplanmış ve mikro aşınma işlemine tabi tutulmuştur. Borlama işlemi farklı sıcaklıklar ve farklı sürelerde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir: En yüksek sertlik derecesi 1000 ºC 6 saat süre ile Nanobor tozları ile borlama işlemine tabi tutulan numunelerde (2962 HV) elde edilmiştir. EKabor 2 tozları ile aynı sıcaklık ve aynı süre işleme tabi tutulan numunelerin sertliği ise 2419 HV olarak belirlenmiştir. Her iki bor tozu ile yapılan borlama işlemleri sonucunda borlanmış numunelerin yüzey kesitlerinde FeB ve Fe 2B fazlarının oluştuğu tespit edilmiştir. Artan borlama süresi ve sıcaklığına bağlı olarak borür tabakası kalınlığında da artış görülmüştür. Yüksek sıcaklıklarda borlanmış numunelerin aşınma dirençleri oda sıcaklığında aşınma işlemine tabi tutulan numuneler ile kıyaslandığında düşmüştür. Oda sıcaklığında yapılan deneylerde oksidasyon tipi aşınma mekanizması etkin olurken yüksek sıcaklıklarda yapılan deneylerde mikro çatlak ve aşırı plastik deformasyona bağlı olarak partikül dökülmesi görülmüştür. Netice olarak 1000 ºC 6 saat süre ile gerçekleştirilen borlama işleminde hem nano bor hem de EKabor 2 ile artan borlama sıcaklığı ile kaplama kalınlıkları artmış ve sertlik değerleri yükselmiştir. Buna bağlı olarak da aşınma dirençleri artmıştır. Teşekkür Bu çalışma TÜBİTAK tarafından 2209-A projesi olarak desteklenmiştir. Kaynaklar 1. Gök M.S., Düşük Ve Orta Karbonlu Çeliklerin Yüzeyine TİG Kaynak Metoduyla Kaplanan Östenitik Paslanmaz Çelik Tozunun Aşınma Direncine Karbür İçeriğinin Etkisinin Araştırılması, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.,Metalurji ve Malzeme Mühedisliği, Doktora Tezi, Lange K., Pöhlandt K., Raghupathi R.S., Saniter J.D., Sauer W.J., Schey J.A., Weinmann K.J., Widera G., Handbook of Metal Forming, McGraw-Hill, New York, 1985, 15 s. 3. Bauser M., Sauer G., Siegert K., Extrusion, ASM International, Ohio, Arif A., Sheikh A., Qamar S., A study of die failure mechanism sinaluminum extrusion, J. Mater. Process. Technol., 134, , 2003.

8 Gök M. S. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Gök M. S. et al. / BUJETS, 4 (2), Kondratiuk J., Kuhn P., Tribological investigation on friction and wear behaviour of coatings for hot sheet metal forming, Wear, 270, , Hansen P.H., Analysis of Wear Distributionin Forging Dies, Technical University of Denmark, Publication no. MM91.06, PhDthesis, Denmark, Kohopää J., Hakonen H., Kivivuori S., Wearresistance of hot forging tools surfaced by welding, Wear, 130, , Smolik J., Gulde M., Walkowicz J., Suchanek J., Influence of the structure of the composite: 'nitrided layer/pvd coating' on the durability of forging dies made of steel DIN , Surf & Coat Technol.180, , Lee H., Kim B., Kim K., Estimation of die service life in hot forging, considering lubricants and surface treatments, Proc. Inst. Mech. Eng. Part B: J.Eng. Manuf., 217, , 2003, 10. Lubas C.J., Tribological propertiesof surface layer with boronin friction pairs, Surf. Rev. Lett, 16 (5), , Er U., Par B., Wear of plow share componentsin SAE 950C steel surface hardened by powder boriding, Wear, 261, , Wang A.G., Hutchings I.M., Mechanisms of abrasive wear in boronized alloy steel, Wear, 124 (2), , Matuschka A.G., Boronizing, Carl Hansen Verlag München, Wien, Gök M.S., Kaynak Metoduyla Kaplanan Östenitik Paslanmaz Çelik Tozunun Aşınma Direncine Karbür İçeriğinin Etkisinin Araştırılması, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji Eğitimi Anabilim Dalı, Doktora Tezi, Elazığ, 125 s. 15. Uluköy A., Can A.Ç., Çeliklerin Borlanması, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, s., Uzun H.A., Borlama İle Yüzeyleri Sertleştirilen Çeliklerin Aşınma Ve Korozyona Karşı Dayanımları, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Isparta, Yüksek Lisans Tezi, 75s., Sinha A.K., Division B. P., ASM Handbook Vol.4: Heat Treating, ASM International Handbook Committee, Ohio, Sen S., Ozbek I., Sen U., Bindal C., Mechanical behavior of borides formedon borided cold work tool steel, Surf & Coat Technol, 135, , Yu L.G., Chen X.J., Khor K.A., Sundararajan G., FeB/Fe 2B phase transformation during SPS pack-boriding: boride layer growth kinetics, Acta Mater., 53, , Gunen A., Kucuk Y., Er Y., Cay V.V., Öge M., Gok M.S., Effec of the powder particle size on the wear bwhaviour of boronized AISI 304 stainless Steel, Journal of the balkan tribological association, vol. (57) 5, , Günen A., Kanca E., Demir M., Er Y., Sağlam G., Gök M. S., Micro-Abrasion Wear Behavior of Fast Borided Steel Tooth Drill Bits, Tribology Transactions, DOI / Meric C., Sahin S., Backir B., Koksal N.S., () Investigation of the boronizing effect on the abrasive wear behavior in cast irons, Materials and Design, 27, , Taktak S., Tribological behaviour of borided bearing steels at elevated temperatures, Surface & Coatings Technology, 201, , Campos I., Ramíreza G., Figueroa U., Martínez J., Morales O., Evaluation of boron mobility on the phases FeB, Fe 2B and diffusion zone in AISI 1045 and M 2 steels, Applied Surface Science, 253, , Sinha A.K., Boronizing, Heat Treating, Vol. 4, Cleveland, OH, ASM International Handbook Committee , 437s. 26. G. Kartal, S. Timur, V. Sista, O.L. Eryilmaz, A. Erdemir, Surface & Coatings Technology, article in press, (2011). 27. Ozbek A., Kondukb B.A., Bindala C., Characterization of borided AISI 316L stainless steel implant I, A.H. Ucisikb Vacuum,65, , Cimenoglu H., Atar E., Motallebzadeh A., High temperature tribological behaviour of borided surfaces based on the phase structure of the boride layer, Wear, 309, , Motallebzadeh A., Dilektaşli E., Baydoğan M., Atar E., Cimenoglu H., Evaluation of the effect of boride layer structure on the high temperature wear behavior of borided steels, Wear, , , 2015.