5. Uluslrrsı İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Myıs 2009, Krük, Türkiye BORLAMA İŞLEMİNDE MALZEMENİN BİLEŞİMİNİN BORÜR TABAKASI ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ ANALYSIS OF EFFECT OF MATERIAL COMPOSITION TO THE PROPERTIES OF FERROBORON LAYER IN BORONIZING Filiz TAŞTAN *, Sel AKGÜN ve Slim ŞAHİN, Cell Byr üniversitesi Mkine Mühenisliği Bölümü, Mnis, Türkiye filiz.tstn@yr.eu.tr, sel.kgun@yr.eu.tr, slim.shin@yr.eu.tr Özet Bu çlışm Frklı kimysl ileşime ship mlzemelere orlm işlemi uygulnmış ve mlzeme ileşiminin orür tksı özelliklerine etkisi inelenmiştir. Mlzeme olrk AISI 1020, AISI 1040, AISI 4140 ve H13 çelikleri kullnılmıştır. Borlm işlemi 820, 860, 900 ve 940oC sıklıklr, 2,4,6,8 st sürelere ypılmıştır. Borlnmış numunelerin iç ypı görüntüleri ile numune yüzeylerine ele eilen orür tksı klınlıklrı ölçülmüştür. Borlnmış numunelerin erinliğe ğlı olrk mikro sertlik eğerleri ölçülmüştür. Borür tksı klınlığı ve sertlik eğişiminin mlzemenin kimysl ileşimi ile eğişimi trtışılmıştır. Anhtr kelimeler: Borlm, tk klınlığı, mikrosertlik Astrt In this stuy, steels with vrious hemil ompositions were oronize n the effet of mteril omposition to the ferrooron properties ws investigte. As steel, AISI 1020, AISI 1040, AISI 4140 n AISI H13 were use. The oronizing were rrie out in 820 o C, 860 o C, 900 o C n 940 o C in 2,4,6 n 8 hour. The mirostruture of oronize smples n thikness of orie lyer were mesure. Mirohrness vlues of oronizing smples were mesure oring to epth. Thikness of orie lyer n hrness istriution were isusse hnging with hemil omposition of mterils. Keywors: Boriing, lyer thikness, mirohrness 1. Giriş Günümüze sürtünme ile çlışn mkine elemnlrın orty çıkn prolemlere çözüm olrk geliştirilen yüzey işlemlerinen iri oln orlm, termo-kimysl ir işlemir. Ortmki or tomlrının mlzeme yüzeyine sıklıkl erer ifüzyon olmsı ile meyn gelmekteir. Tüm çeliklere, nikel lşımlrın, titnyum lşımlrın ve sinterlenmiş krürlere şrılı ir şekile uygulnilmekteir [1]. Demir lşımlrı içerisine or tomlrı h koly ifüze olurlr ve u ifüzyon, or tomlrının hreket eeilme özelliği ve nispeten küçük oyutu ile çıklnır [2,3]. Çeliklere orlm işlemi ile yüzeye FeB ve Fe 2B (emir orür) ileşikleri oluşmktır. Proses sıklığın ğlı olrk, mlzemenin kimysl içeriği, ortlm or miktrı ve orlm zmnı, tek Fe 2B y çift intermetlik fz (FeB, Fe 2B) metlik mlzemelerin, yüzey içine or tomlrı ifüze olrk ele eilmiştir [2]. Bu ypılr sermik mlzemelere gözlenen şırı yüksek sertliklere ulşmkl erer iğer metller gii ısıl ve elektrik iletkenliği e sğlmktır. Korozyon ortmın koruyuu kplm oln emir orür yüksek ergime sıklığın shiptir. [1,4]. Aşınmy krşı ynımın fzl olmsı u işlemin vntjını çoğltmıştır [4]. Borlm ortmı, or kynğı, ktivtörler, olgu ve eoksinlrn oluşmktır. Aktivtörler orür tksının üzenli gelişmesine etki eerler. Dolgu mlzemesi ve eoksintlr ise orlm esnsın oksijeni tutrk reükleyii ir ortm oluştururlr ve orlm mlzemesinin n mlzemeye ypışmsını önlerler. [6] Borlm işlemi esnsın kullnıln yöntem, orlm mlzemesinin ileşimi, orlnk mlzeme insi, işlem süresi ve işlem süresi ve işlem sıklığı ele eilen tky etki een fktörlerir. Genel olrk çelik orlm ortmın 850-1000 C sıklıkt 2-8 st ekletilerek orlm gerçekleştirilir. Borlm ört n grupt inelenmekteir. Bunlr; ktı, sıvı, gz ve pst(mun) hline or verii ile ypıln orlm ortmlrır. [6] Ktı hle orlm üşük mliyet, sit ekipmn, toz ileşimine ilişkin esneklik, koly uygulilirliği çısınn iğer yöntemlere göre zı vntjlrı vrır [7]. Bu çlışm orlm ypılk mlzeme ileşiminin, oluşn orür tksının gelişimine ve özelliklerine etkisinin rştırılmsı mçlnmıştır. 2. Deneysel Çlışmlr 2.1. Mlzeme ve Yöntem Bu çlışm, 1020, 1040, 4140 ve H13 çelik numuneler kullnılmıştır. Borlm işlemi ypılmış numunelerin kimysl nlizi Çizelge 1 e verilmiştir. Çizelge 1. Borlm işlemi ypılmış numunelerin kimysl nlizi. C % Si % Mn % Cr % Ni % Mo % Fe % 1020 0,18 0,22 0,57 0,09 0,09 0,01 98,5 1040 0,41 0,22 0,82 0,02 0,07 0,02 98,3 4140 0,41 0,22 0,92 0,89 0,16 0,26 96,8 H13 0,47 1,12 0,34 >3,5 0,09 1,39 91,7 IATS 09, Krük Üniversitesi, Krük, Türkiye
Ø10x5mm oyutlrın hzırlnn numunelere frklı prmetrelere orlm işlemi uygulnmıştır. Borlm işlemi, ktı orlm yöntemi ile Ekor II tozu kullnılrk, 820 o C, 860 o C, 900 o C ve 940 o C sıklıklr 2, 4, 6 ve 8 st süresine ypılmıştır. Borlnn numunelerin kesit yüzeyleri 240, 400, 600, 800, 1000 ve 1200 meshlik zımprlrn uygun kesiti ele eene kr şınırılıktn sonr 3 ve 1 µm luk elms pst kullnılrk prltılmıştır. Numunelere %2 lik nitl çözeltisi ile ğlm işlemi uygulnmış ve Nikon LV 100 moel metl mikroskouyl içypı fotoğrflrı çekilmiştir. Tk klınlığı ölçümleri çekilen içypı resimleri üzerinen Clemex Vision Professionl Eition progrmı kullnılrk ypılmıştır. Prltılmış numunelerin Future-Teh mrk mikrosertlik ihzı ile sertlik ölçümleri ypılmıştır. Ölçümler, 50 g yük 10 s süresine etki ettirilerek gerçekleştirilmiştir. 3. Deney Sonuçlrı ve Trtışm Borlnmış mlzemelere it içypı fotoğrflrı Şekil 1-3 e görülmekteir. Şekil 1 e 940 0 C orlnmış AISI 1020 mlzemesine it orür tklrı yerlmktır. Borlm süresi rttık h klın orür tksı ele eiligi gözlenmekteir. Bütün işlem sürelerine tknın yüzey ölgelerine h sert ve kırılgn oln FeB fzı oluşmuştur. Borür tksı tüm sürelere kolonsl üyüme göstermiştir. Borlm süresi uzıkç kolonsllıkt h elirgin olrk orty çıkmktır. Şekil 2. 940 0 C e orlnmış AISI 1040 çeliğine it iç ypı fotoğrfı, ) 2 st, ) 4 st, ) 6 st, )8 st Şekil 3 e 940 0 C e orlnmış AISI 4140 çeliğine it içypı fotoğrflrı görülmekteir. Aynı kron ornın ship 1040 ile kıyslnığın, 4140 mlzemesinin or tksı gelişimi h zyıftır. Kron ornlrı ynı olmsın rğmen 4140 içerisineki Cr ornının fzllığı ifüzyonu yvşltmış ve tk klınlığının h z olmsın seep olmuştur. Şekil 3. 940 0 C e orlnmış AISI 4140 çeliğine it iç ypı fotoğrfı, ) 2 st, ) 4 st, ) 6 st, ) 8 st Şekil 1. 940 0 C e orlnmış AISI 1020 çeliğine it iç ypı fotoğrfı, ) 2 st, ) 4 st, ) 6 st, )8 st Şekil 2 e 940 0 C e orlnmış AISI 1040 çeliğine it iç ypı fotoğrflrı görülmekteir. Tüm orlm süreleri için sğlıklı orlm tklrı oluşmuştur. AISI 1020 için ife eilen kolonsl ypı AISI 1040 için e geçerliir. Aynı prmetrelere AISI 1020 ile AISI 1040 ın tk klınlıklrı kıyslnığın AISI 1040 içerisineki C ornının h yüksek olmsınn olyı tk klınlığının h üşük oluğu gözlemlenmekteir. Bu urum C tomlrının B tomlrının ifüzyonunu zorlştırmsınn kynklnmktır. Şekil 4 te 940 0 C e orlnmış H13 çeliğine it içypı fotoğrflrı görülmekteir. Fotğrflr ineleniğine görülmekteir ki, kolonsl ypı yüksek lşımlı H13 çeliğine ok r ir ntt gerçekleşmiştir. Borür tksı morfolojisine kılığın iger mlzemelere göre elirgin frklılık vrır. Bunun neeni, Mo, V, C ve Ni gii orlm tksının üyümesini engelleyen lşım elementlerini yüksek orn içermesiir. H13 çeliğine orür tksı klınlığı iger mlzemelere göre ok h üşük oyutt oluşmuştur. Bunun seei e yine yüksek orn lşım elementlerini içermesiir.
Şekil 4. 940 0 C e orlnmış H13 çeliğine it iç ypı fotoğrfı, ) 2 st, ) 4 st, ) 6 st, ) 8 st Borlnmış numunelereki orür tksının sıklık ve süreye ğlı olrk eğişim grfikleri Şekil 5-12 e verilmiştir. Şekil 5 te görülüğü gii 820 0 C e 2 ve 4 st orlnmış numunelerin hiçir numunee FeB oluşumu gözlenmemiştir. Fkt 8 stlik orlmnın rınn hepsine FeB oluşumu gözlenmiştir. 820 0 C ve 8 st orlm sonuun 30 µm klınlığ çıkılığı görülmekteir. Şekil 6. 820 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı Fe 2B eğişimi Şekil 7 e görülüğü gii 860 0 C e tüm mlzeme ve sıklıklr FeB tksı oluşmuştur. En z tk oluşumu H13 te meyn gelmiştir. 820 0 C ile kıyslnığın FeB oluşumunun rttığı gözlemlenmekteir. Bu sonu göre sıklık rtışı B ifüzyonunu hızlnırmıştır. Şekil 5. 820 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı FeB eğişimi Şekil 6 görülüğü gii 820 0 C e ütün orlm sürelerine tüm mlzemeler için Fe2B fzı ele eilmiştir. Ele eilen tk klınlığı sıklık rtışıyl irlikte rtmktır, eğişim prolik olrk gelişmiştir. En üşük tk klınlığı yüksek lşımlı çelik oln H13 e gzlenmiştir. Mlzeme ileşlimineki C ornı rtmsı orür tksı gelişimini zltmıştır. Şekil 7. 860 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı FeB eğişimi Şekil 8 e görülüğü gii 860 0 C e ütün orlm sürelerine tüm mlzemeler için Fe2B tksı ele eilmiştir. AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 4140 numunelerine tüm sürelere ve sıklıklr C ornın ğlı olrk küçük frklılıklr gözlenmekle erer iririne ykın tk klınlığı ele eilmiştir. H13 numunesine iğer mlzemeleren elirgin miktr üşük orür tksı klınlığı ele eilmiştir. 820 0 C ve 860 0 C ile kıyslnığın tk klınlıklrın rtış gözlenmiştir.
Şekil 8. 860 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı Fe 2B eğişimi Şekil 9 görülüğü gii 900 0 C e tüm mlzeme ve sıklıklr FeB tksı oluşmuştur. Bütün mlzeme gruplrı yklşık ynı FeB tk klınlığın ulşmıştır. 860 0 C ile kıyslnığın FeB oluşumunun rttığı gözlemlenmekteir. Şekil 10. 900 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı Fe 2B eğişimi Şekil 11 e görülüğü gii 940 0 C e AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 4140 numunelerine tüm sürelere ve sıklıklr enzer tk klınlığı ele eilmesine rğmen, H13 numunesine h üşük FeB kplm klınlığı ele eilmiştir. 900 0 C ile kıyslnığın FeB oluşumunun elirgin ölçüe rttığı gözlemlenmekteir. Şekil 9. 900 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı FeB eğişimi Şekil 10 görülüğü gii 900 0 C e ütün orlm sürelerine tüm mlzemeler için Fe2B tksı ele eilmiştir. AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 4140 numunelerine tüm sürelere ve sıklıklr enzer tk klınlığı ele eilmesine rğmen, H13 numunesine h üşük kplm klınlığı ele eilmiştir. Borlm sıklığının rtmsı h klın orür tklrının oluşmsın neen oluştur. AISI 1020 çeliği için 820 o C e 75µm klınlık ele eilirken 860 o C e 110µm, 900 o C e yklşık 160µm orür tksı klınlığı ele eilmiştir. Şekil 11. 940 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı FeB eğişimi Şekil 12 e ise 940 0 C e ütün orlm sürelerine tüm mlzemeler için Fe2B tksı ele eilmiştir. Diğer sıklıklrl kıyslnığın en üyük tk klınlıklrı en yüksek sıklık oln 940 0 C e ele eilmiştir. AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 4140 numunelerine tüm sürelere ve sıklıklr enzer tk klınlığı ele eilmesine rğmen, H13 numunesine h üşük kplm klınlığı ele eilmiştir.
Şekil 12. 940 0 C e mlzeme ve orlm süresine ğlı Fe 2B eğişimi Borlnmış numunelerin yüzeyen erine oğru sertlik eğişim egerleri Şekil 13-16 ife eilmiştir. 820 0 C 8 st orlnmış numunelerin sertlik eğişim grfiği Şekil 13 te verilmiştir. Şekile e görülüğü gii, en yüksek sertliğe 1020 mlzemesine ulşılmıştır. Ele eilen sertlik egerleri oluşn fzl ilgiliir. 820 0 C e elirgin olrk FeB fzı AISI 1020 mlzemesine ele eilmiştir. FeB fzı Fe2B fzın gore h fzl B içermekte ve h sert ir fzır. Şekil 14. 860 0 C e 8 st orlnmış mlzemelerin orlm süresine ğlı sertlik eğişimi 900 0 C 8 st orlnmış numunelerin sertlik eğişim grfiği Şekil 15 te verilmiştir. Sonuçlr göre, tüm mlzemeler için orlm tksın ypıln ölçümlere yüzeye ykın erinliklere ok ykın sertlik eğerleri ele eilmiştir. Ank Mlzemelerin lşım elementleri ve C ornlrın gore sertlik erinlikleri frklılık gostermekteir. Bu urum iç ypı fotogrflrı ve tk klınlık eğrileri ile uyum içerisineir. Şekil 15. 900 0 C e 8 st orlnmış mlzemelerin orlm süresine ğlı sertlik eğişimi Şekil 13. 820 0 C e 8 st orlnmış mlzemelerin orlm süresine ğlı sertlik eğişimi 860 0 C 8 st orlnmış numunelerin sertlik eğişim grfiği Şekil 14 te verilmiştir. Şekile e görülüğü gii, tüm mlzemeler için orlm tksın ypıln ölçümlere enzer sonuçlr ele eilmiştir. Am yüksek orn lşım elementi içeren H13 çeliğine sertlik erinliği AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 4140 göre h üşük ulunmuştur. 940 0 C 8 st orlnmış numunelerin sertlik eğişim grfiği Şekil 16 te verilmiştir. Şekile e görülüğü gii, tüm mlzemeler için orlm tksın ypıln ölçümlere iririne ykın sertlik eğerleri ele eilmiştir. Ank lşım elementleri içeren 4140 ve H13 mlzemelerine sertlik erinliği, 1020 ve 1040 göre h üşük ulunmuştur. H13 te 4140 göre h fzl lşım elementi ulunuğu için sertlik erinliği H13 te elirgin şekile en üşüktür. Yüksek sıklık etkisiyle B ifüzyonu h hızlı olmsı h üyük tk klınlıklrının oluşumun olyısıyl h erin sertlik egerleri oluşmsın neen olmuştur.
oronizing with soli oron-yieling sustnes, Mterils Reserh Bulletin 35 (2000), pp. 2165 2172. Şekil 16. 960 0 C e 8 st orlnmış mlzemelerin orlm süresine ğlı sertlik eğişimi 4. Sonuçlr Kullnıln tüm mlzemeler için, orlm sıklığı ve orlm süresi rttıkç orlm tksı klınlığı rtmıştır. Tknın rtışı rtn sureyle irlikte prolik olrk eğişmiştir. En yüksek tk klınlığı 1020 mlzemesinin 940 0 C 8 st orlnrk, en üşük tk klınlığı ise H13 mlzemesi 820 0 C 2 st orlnrk ele eilmiştir. 1020, 1040 ve 4140 mlzemelerinin orlnmsı sonuu oluşn orlm tklrı kolonsl ypı gelişmiştir. Fkt H13 mlzemesine oluşn orlm tklrınki kolonsllık h r ir ntt gerçekleşmiştir. Genel olrk C ornının rtmsı B ifüzyonunu zorlştırığı için yüksek C içeren çeliklere h üşük orür tklrı ele eilmiştir. Alşım elementleri e orür tksı gelişimini zorlştırmışlrır. Aynı C ornın ship AISI 1040 ve AISI 4140 çeliklerine lşımlı oln AISI 4140 çeliğine h üşük tk klınlıklrı ele eilmiştir. Alşım elementi miktrı rtışı orür tksı gelişimini, olyısıyl B ifüzyonunu zorlştırmıştır. En üşük tk klınlıklrı yüksek lşımlı H13 çeliğine ele eilmiştir. Kynklr [1] Mtushk A.G., Boronizing, C. Hnser, Münhen, 1980. [2] Binl, C., Üçışık, A.H., 1999, Surfe Coting Teh, 122 : 208-213. [3] Şhin, S., Effets of oronizing proess on the surfe roughness n imensions of AISI 1020, AISI 1040 n AISI 2714, Journl of Mterils Proessing Tehnology, Vol 208, 2009, 1736-1741. [4] Plomrini G. n Cruihio M., Growth of orie oting oniron, J Mter Si Lett 6 (1987), pp. 415 416. [5] Tktk S., Some mehnil properties of orie AISI H13 n 304 steels, Mter. Des. 28 (2007), p. 1836. [6] Bştürk S. ve Erten M. Borlm ile yüzey sertleştirme çlışmlrı, Mühenis ve Mkin Cilt : 47 Syı: 563, 2006. [7] Meri C., Shin S. n Yilmz S.S., Investigtion of the effet on orie lyer of power prtile size use in