www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2005 (4) 41-45 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Soner BUYTOZ, İlyas SOMUNKIRAN Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Elazığ/Türkiye ÖZET Bu çalışmada; borlamayla yapılan yüzey sertleştirme işlemi araştırıldı. Bu yöntemle yapılan yüzey sertleştirme yöntemi diğer yüzey sertleştirme yöntemleriyle karşılaştırıldığında, malzemeye çok sert, sürtünme katsayısı düşük, yüksek sıcaklıklarda mukavemetli ve korozyona karşı dirençli bir kaplama yüzeyi elde edildiğinden endüstride geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Çalışmada borlama yöntemleri kaplanan yüzeyin mikroyapısal karakteristikleri literatür olarak incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Mikroyapı, Yüzey kaplama 1. GİRİŞ Borlama, bor atomlarının metal yüzeyine difüzyonu ile malzeme yüzeyini güçlendiren bir termokimyasal yüzey sertleştirme işlemidir. Borlama işlemiyle oluşan borürler, alt tabaka çeliğinin tribolojik davranışlarını geliştirir [1]. Yirminci yüzyılın başlarından itibaren çalışılmaya başlanan borlama ile çok sert, sürtünme katsayısı düşük, yüksek sıcaklıkta mukavemetli ve korozyona karşı dirençli kompozit malzeme elde edilmesi mümkün olmaktadır. Termokimyasal yüzey sertleştirme yöntemi olan borlamada, bor atomları metal yüzeyine termokimyasal olarak geçerek sert borür tabakası oluştururlar. Endüstriyel borlama; 2-10 saat için 900-1100 C sıcaklıklarda, katı, sıvı, gaz veya plazma ortamlarından herhangi birini kullanarak çelikler, dökme demirler, nikel, kobalt, titanyum, molibden esaslı alaşımlar ve sermet karbürleri gibi bir çok demir esaslı ve demir dışı metallere başarılı bir şekilde uygulanır [2]. Çelik yüzeyinde oluşan bor tabakası, sertliği yüksek, aşınma ve korozyona karşı çok dirençlidir. Bor tabakaları gevrek olduğundan darbe yüklerine maruz uygulamalarda tercih edilmez. Borlanan bir yüzeyin sertliği krom kaplanan veya sertleştirilen takım çeliklerinden çok daha serttir (1300 2300 HV) [7]. Özbek ve Bindal (2002), AISI W4 çeliğine borlama yönteminin mekanik davranışlarına olan etkisini incelemişlerdir. Yapılan çalışmada, 850-1050 C sıcaklık aralığında ve 2-8 saat süreyle borlama işlemiyle, Şekil 1 de görülen AISI W4 çelik yüzeyinde 8-386 µm kalınlığında, 407-2093 HV sertlikli ve FeB ve Fe 2 B fazları içeren borid tabakası elde etmişlerdir. Borlama zamanının artmasıyla borid tabaka kalınlığı ve sertliğin de arttığı, 300 µm den daha kalın borid tabakalarında çatlakların oluştuğu belirlenmiştir. Bor tabakası oluşumu borlama sıcaklığı, işlem zamanı ve borlanan malzemenin özeliklerine bağlıdır. Bor katı, sıvı veya gaz durumunda olabilir. Katı durumunda borlama avantajlıdır. Bu metot, işlemin kolay olması ve pürüzsüz bir kaplama yüzeyinin elde edilmesi mümkün olduğundan geniş bir kullanım olanağı sağlar. Katı durumda borlama, kutu sementasyonuyla yapılabilir.
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2005 (4) 41-45 Şekil 1. 850 C de 8 saat için borlanan AISI W4 çeliğinin mikro yapısı [2]. Borlama için malzeme ısıl dirençli kutu içindeki toz içine daldırılır. Malzeme yüzeyine bor atomlarının çok daha iyi difüze olması için bor tuzları ile malzeme arasında geniş bir yüzey teması arzu edilir. Toz tane boyutu, borid tabakasının oluşumunda önemli bir faktördür. Diş biçimli yapı borid tabakasının karaktersitik bir özelliğidir. Şekil 2 de farklı kristal yapıya sahip bor nitrür tozları görülmektedir. (a) (b) Şekil 2. a) Hegzagonal sıkı paketli bor nitrür tozları, b) Kübik bor nitrür tozları [8]. Düşük karbonlu ve düşük alaşımlı çeliklerde daha güçlü dişe benzer yapı oluşur. Alaşımlı çeliklerdeki alaşım elementlerinin oranına bağlı olarak dişe benzer yapı daha azdır. Demir-bor denge diyagramında (Şekil 3). ağırlıkça %8,83 bor oranında tek fazlı demir borür (Fe 2 B), yine ağılıkça %16,23 bor oranında FeB ara bileşikleri meydana gelmektedir. Ağırlıkça %3,8 bor oranında erime sıcaklığı 1149 ºC olan ötektik faz oluşmaktadır Dolayısıyla borlanmış yüzey bu sıcaklığa kadar ısıdan etkilenmemektedir. Borlamada, bor verici olarak herhangi bir bor bileşiği kullanılabilir. Borlama yönteminin diğer yüzey sertleştirme yöntemlerine göre avantajı, yüzey tabaka sertliğinin yüksek olması, borlama sonrası ekstra bir ısıl işleme gerek olmaması, bazı asit, metal çözeltilerine ve yüksek sıcaklıkta oksidasyona karşı dirençli olmasıdır. Borlanan çelikler 1000 C ve üstündeki sıcaklıklarda tribolojisel özelliklerini kaybetmeksizin oksidasyona ve aşınmaya dirençlidirler[3]. 42
Buytoz, S., Somunkıran, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2005 (4) 41-45 Şekil 3. Demir-Bor denge diyagramı [4]. Meriç ve çalışma arkadaşları (2000), AISI 1020-1050 çeliklerine katı borlama ile bor toz tane boyutunun mikroyapıya, mikrosertliğe ve tabaka kalınlığına olan etkilerini incelemişlerdir. Toz tane boyutunun azalmasıyla bor tabaka kalınlığının arttığı, bunun bir sonucu olarak esas metal ile temas yüzeyinin arttığı, difüzyonun kolay olduğu ve borid tabaka oluşumunun daha hızlı gerçekleştiği tespit edilmiştir. Tane boyutunun küçük olması borlama işlem süresinin azalmasını sağlamıştır. Dolayısıyla bu ekonomik bir avantaj sağlar. Farklı karbon konsantrasyonuna sahip çeliklere yapılan borlama işlemlerinde, artan karbon miktarı ile borid tabaka kalınlığının azaldığı ve mikrosertlik değerlerinin arttığı görülmüştür [3]. 2. BORLAMA YÖNTEMLERİ Katı Ortamda Yapılan Borlama Yaygın olarak kullanılan bu yöntem, alt tabaka malzemesine bor veya borkarbid bileşiminde aktivitörlerle paketlenmesiyle yapılmaktadır. Bu yöntemin işlem parametrelerinin kontrol yeteneği çok kötü olması ve atık ürünlerin çevreye verdiği zarar gibi dezavantajları mevcuttur. Borlama sıcaklığı, borlanacak malzemenin bileşimine bağlı olarak belirlenmektedir. Gri dökme demir, tungsten karbür ve diğer karbürler hariç bu sıcaklık 800-1050ºC arasındadır. [5]. Borlama işleminin en önemli avantajı ise, borlamadan sonra matris malzemesine istenilen ısıl işlemin yapılabilmesidir. Sıvı Ortamda Yapılan Borlama Metalik malzemelerin bor kompozisyonlu erimiş tuz banyosuna daldırılmalarıyla yapılmaktadır. Erimiş tuz banyosu değişik oranlarda B 4 C, BaO, KCl, NaCl içerir. BaO ilavesi difüzyonu önemli ölçüde iyileştirir. Oluşan demirbor tabakalarının tipik kalınlıkları 100-200 µm dir. Bu yöntemin zehirlilik, patlayıcı doğa ve çevresel kirlilik gibi dezavantajları kullanımını sınırlamaktadır. Sıvı ortam borlamasında, işlemin sonunda borlayıcı ortam bileşenlerinin parça yüzeyine yapışması ve bunların temizlenmesi için ek bir işlem gerekmesi sıvı borlamanın bir olumsuzluğudur. 43
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2005 (4) 41-45 Gaz Ortamında Yapılan Borlama Boridritlerin ısısal olarak parçalanmasıyla elde edilen, buharla yapılan borlama işlemidir. Bu işlemle, karışık şekilli parçaların borlanması ve homojen tabaka elde edilmesi mümkündür[6]. Borlu Tabakanın Özellikleri Borlu tabakanın sertliği demir esaslı malzemelerde 1800-2100 (HV) dir. Bu sertlik değerleri yüksek alaşımlı çeliklerde 2400 (HV olmaktadır. Kaynaklarda FeB fazının sertliği 1990-2100 (HV), Fe 2 B fazının sertliği ise 1800-2000 (HV) dir. Borlu tabakanın aşınma direnci, tabakanın tek veya çift fazlı olduğuna ve oluşum biçimine bağlıdır. En az aşınma Fe 2 B fazında, en fazla aşınma ise daha sert (1800-2000 HV) FeB fazında olan tabakada meydana gelmektedir. Çünkü FeB fazı Fe 2 B fazından daha gevrek bir yapıdadır. Borlama işleminde, borun yüzeye yayınması sonucu parçanın en üst yüzeyinde bileşik tabaka adı verilen borlu bölge, onun altında difüzyon bölgesi ve en iç kısımda ise çekirdek bölgesi yer alır. Şekil 4. 900 C de 6 saat süreyle borlanan AISI W1 çeliğinin mikroyapısı [2]. 3. SONUÇ Günümüzde çok popüler bir konu olan bor ve bor elementi ile üretilen borid tabakası, gerek aşınma dayanımı ve gerekse korozyona karşı dirençli üst tabaka eldesi için araştırma ve incelemeye değer bir konudur. Farklı kristal kafeslere sahip olan bor tozlarının, kimyasal, ergitme veya sprey yöntemleriyle malzeme yüzeyine difüzyonu sonucu, yeni mikroyapıya sahip bir katman elde edilmektedir. Günümüz teknolojisinde kullanım olanağı bulan ve ileri teknolojide bulacak olan bor ve boridler, gösterdikleri sertlik ve mekanik özellikleri ile diğer karbürlere tercih edilecektir.. KAYNAKLAR 1. N.E. Maragoudakis a, G. Stergioudis b, H. Omar a, E. Pavlidou c, D.N. Tsipas a, Boro-nitriding of steel US 37-1, Materials Letters 57, (2002), 949 952. 2. IbrahimOzbek*, Cuma Bindal, Mechanical properties of boronized AISI W4 steel, Surface and Coatings Technology, 154,(2002), 14-20. 44
Buytoz, S., Somunkıran, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2005 (4) 41-45 3. Meric, C., Sahin, S., Yilmaz, S. S., Investigation of the effect on boride layer of powder particle size used in boronizing with solid boron-yielding substances, Materials Research Bulletin, 35, (2000), 2165 2172. 4. Matuschka, A.G., Boronizing, Heyden & Son Inc. Philadelphia, (1980), 58-71. 5. Fichtl, W., Trausner, N, Matuschka, A.G., "Boronizing with Ekbor", Matuschka, A.G.; Boronizing, Heyden & Son Inc. Philadelphia, (1980), 58-71. 6. Bhushan, B., Gupta, B.K.; Handbook of Tribology,, McGraw-Hill, Inc., (1991), USA. 7. Enver Atik *, Umut Yunker, Cevdet Meric, The effects of conventional heat treatment and boronizing on abrasive wear and corrosion of SAE 1010, SAE 1040, D2 and 304 steels, Tribology International, 36, (2003), 155 161. 8. Genel, K., Özbek, İ., Kurt, A., Bindal, C., Boriding response of AISI W1 steel and use of artificial neural network for prediction of borided layer properties, Surface and Coatings Technology, 160, (2002), 38-43. 45