TERMOKİMYASAL YÜZEY KAPLAMA (BORLAMA) Deneyin Amacı: Demir esaslı bir malzemenin borlanması ve borlama işlemi sonrası malzemenin yüzeyinde oluşan borür tabakasının metalografik açıdan incelenmesi. Teorik Bilgi: Borlama Borlama, metal (genellikle demir esaslı malzemelerin) yüzeylerinin mekanik ve tribolojik özelliklerini geliştirmek için uygulanan ve bor atomunun metalik malzemeye yayınması sonucu yüzeyde intermetalik borür bileşiği/bileşikleri oluşumuna dayanan yüzey işlemidir. Borlama ilk defa Moissan tarafından 1895 yılında önerilmiş olup temel olarak katı, sıvı, gaz fazından termokimyasal veya elektrokimyasal olarak gerçekleştirilebilmektedir. Geleneksel termokimyasal yöntemlerden kutu borlama, pasta borlama, sıvı borlama ve gaz borlama yöntemlerine alternatif olarak teknolojik ilerlemelerle plazma borlama ve akışkan yatakta borlama gibi yeni teknikler de geliştirilmiştir. Bunun yanında fiziksel buhar biriktirme (PVD), kimyasal buhar biriktirme (CVD), plazma sprey ve iyon biriktirme gibi termokimyasal olmayan yöntemler de borlama uygulamalarında kullanılmaktadır. Termokimyasal olarak gerçekleştirilen borlama; endüstriyel olarak en çok tercih edilen yöntemdir. Termokimyasal borlama işleminde katı, sıvı, gaz bor bileşikleri bor kaynağı olarak kullanılmaktadır. Borlama işleminin gerçekleştirildiği esas malzeme grubu demir ve demir alaşımları olmakla beraber demir dışı metal ve seramiklere de borlama prosesi uygulanabilmektedir. Borür tabakasının en belirgin özellikleri; yüksek sertlik (1400-5000 HV) ve ergime sıcaklığı, düşük sürtünme katsayısı özelliği ile yüksek aşınma direncine sahip olmasıdır. Ayrıca borlama işlemi ile malzemelerin korozyon ve oksidasyon dayanımı da arttırılabilir [1]. Katı (Kutu) Borlama Uygulanmasının kolay olması, basit donanım gerektirmesi, ekonomik, güvenli ve kullanılan toz karışımın kimyasal kompozisyonunda değişiklik yapılabilirliği nedeniyle en yaygın
borlama tekniğidir. Kutu borlama, borlanacak malzemenin bor verici ortam olan toz karışımı içerisinde belirli sıcaklık ve sürelerde bekletilmesiyle gerçekleştirilir. Katı borlama işleminin şematik gösterimi Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1. Katı (kutu) borlama işleminin şematik gösterimi Demir esaslı malzemelerde, işlem sıcaklığı 800-1050 o C arasında, borlama süresi ise 1-8 saat arasında seçilebilmektedir [2]. Şekil 1'den de görüleceği üzere, iş parçası alttan ve üstten 10-20 mm arası borlama tozunun içine gömülür. Borlama tozunun üzerine ise Ekrit tozu ilave edilir. Bu toz örtü malzemesi olarak kullanılır. Ayrıca yüksek sıcaklıkta borlama süresince toz borlama ürünlerine oksijen sızmasını ve oksitlenmeyi engeller. Kutu borlama işlemi bazı komplikasyonların önüne geçmek için koruyucu gaz atmosferinde uygulanabilmektedir. Koruyucu gaz saf argon, saf azot veya argon ve azotun hidrojen ile karışımı veya özel durumlarda saf hidrojen olabilir. Borlama tozu; bor karbür (B 4 C), ferro bor (FeB), amorf bor (B) gibi aktif bor kaynağı, SiC ve Al 2 O 3 gibi akışkanlık sağlayan dolgu malzemesi ve aktivatörlerden oluşur. Bu aktivatörler NaBF 4, KBF 4, (NH 4 )3BF 4, NH 4 Cl, Na 2 CO 3, BaF 2 ve Na 2 B 4 O 7 gibi bileşikler olabilir. Ayrıca Ekabor (BorTec, GmbH, Hürth, Almanya) gibi özel ticari tescilli tozlar da mevcuttur [3]. Borlama İşleminin Avantajları ve Dezavantajları Borlanmış tabakaların en önemli özelliği, borür tabakasının çok yüksek sertlik değerine ve ergime noktasına sahip olmasıdır. Bor tabakasının yüksek sertliğinin yanında düşük sürtünme katsayısına ve yüksek aşınma direncine sahip olması da önemli avanatajlarındandır. Borlama işleminin bazı avantajları aşağıda belirtilmiştir:
Borür tabakası sertliğini yüksek sıcaklıklarda da muhafaza etmektedir. Borlama işlemi ile sertleştirilebilir birçok çelik grubuyla karşılaştırılabilir yüzey özellikleri elde edilebilir. Borlama işlemi, demir esaslı malzemelerin oksidan olmayan seyreltik asitlere karşı korozyon direncini ve erozyon direncini arttırmaktadır. Bu özellikleri sebebi ile endüstride çokça kullanılmaktadır. Borlanmış yüzeyler yüksek sıcaklıklarda oksidasyon direncine ve ergimiş metal korozyonu direncine sahiptir. Borlanmış parça, korozif ortamda yüksek yorulma direncine sahiptir. Borlama işlemi yağlayıcı kullanımı azaltmakta ve sürtünme katsayısını düşürmektedir. Borlama işleminin avantajları yanında, önemli dezavantajları da mevcuttur: Borlamaya tabi tutulan malzemelerde bor tabaka kalınlığının %5-20'si oranında boyut artışı görülmektedir. Bu artış, borlanan malzemenin cinsine ve borlama şartlarına bağlıdır. Genelde borlanmış alaşımlı çelik parçaların döner temaslı yorulma özellikleri yüksek basınçlı yüzeylerde sementasyon ve nitrasyonla kıyaslandığı zaman çok zayıftır. Borlamanın bu özelliği sebebiyle, dişli üretiminde bir sınırlama söz konusudur. Demir Esaslı Malzemelerin Borlanması Endüstriyel olarak borlama işlemi, gri ve küresel grafitli dökme demir, sade karbonlu, paslanmaz ve takım çeliği, döküm çelikler, Armco demir (ticari saflıkta), sinterlenmiş demir ve çelikler ile nikel, kobalt, molibden, titanyum, krom, mangan, tantalyum gibi demirdışı metal ve alaşımları ile bazı seramikler gibi geniş malzeme gruplarına uygulanmaktadır. Demir esaslı malzemelerde demir borürlerin oluşumu çekirdeklenme ve borür tabakasının gelişimi ile gerçekleşir. Demir borürler termal ve elektrik iletkenliği gibi metal özelliklerinden başka yüksek sertlik gibi tipik seramik özellikleri de gösteren bileşiklerdir. Demir esaslı malzemelerin borlanması ile Fe 2 B ve FeB borür tabakaları baskın olarak oluşan tabakalardır. Oluşan bu borürlere ait bazı fiziksel özellikler Tablo 1 de verilmiştir.
Tablo 1. Fe 2 B ve FeB borür tabakalarının fiziksel özellikleri Özellik Fe 2 B FeB Bor içeriği [% Ağ.] 8.83 16.23 Yoğunluk [g/cm 3 ] 7.43 6.75 Ergime Noktası [ C] 1390 1550 Isıl Genleşme Katsayısı [K -1 ] 7.85.10-6 (200-600 C) 9.2.10-6 (100-800 C) 23.10-6 (200-600 C ) Elastisite Modülü [GPa] 290-300 600 Kullanılan altlık malzeme ve borlama işlemi parametrelerine bağlı olarak tek ya da çift fazlı borürler oluşabilmektedir. Ancak ikincil fazın (FeB) oluşturduğu iç gerilmeler ve aşırı gevreklik gibi olumsuz etkilerden dolayı uygulamada tek fazlı yapılar tercih edilmektedir. Fe 2 B borür tabakası oluşumunun başlangıç noktaları tane sınırları, dislokasyonlar, atom boşlukları gibi mikro hatalar ve yüzey pürüzlülükleri, çizikler gibi yüzeyin daha reaktif olduğu yerlerdir. Yüksek saflıktaki demirde olduğu gibi demir-bor reaktivitesinin düşük olduğu durumlarda, bu noktalardan sadece birkaçı reaksiyona girerek rastgele çekirdekler meydana getirir. Ortamın bor potansiyelinin daha fazla olduğu durumda, metal yüzeyindeki daha az reaktif noktaların da reaksiyona girmesiyle sürekli bor tabakası elde edilir. Şekil 2 de saf demir ve alaşımsız düşük karbonlu çeliklerde yüzeyden içeri doğru yayınma yönüne bağlı olarak oluşan karakteristik testere dişli yapı görülmektedir Karbon ve/veya alaşım elementlerinin miktarlarındaki artışla bor difüzyonu azalarak dişli yapı düz hale gelmektedir [1]. Şekil 2. Borür tabakasının şematik gösterimi
Deneyin Yapılışı: Borlama işlemi öncesinde borlama işlemi yapılacak numuneler borlamaya engel olabilecek kirliliklerden temizlenir. Numuneler çelik kutu içerisindeki borlama tozunun içerisine gömülür. Kutu kül fırını içerisine alınır ve istenilen sıcaklıkta ve sürede borlama işlemi gerçekleştirilir. Borlama prosesi tamamlandığında kutu fırından çıkarılır ve hava ortamında soğumaya bırakılır. Kaynaklar: [1] Bora A. S., Alaşımsız düşük karbonlu yassı mamüllerin elektrokimyasal olarak borlanması ve borlama işleminin mekanik özelliklere etkisi, 2017, Yüksek Lisans Tezi,İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü. [2] Uluköy, A., & Can, A. Ç. (2006). Çeliklerin Borlanmasi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 12(2), 189-198. [3] Dinç H., INCONEL 718 Süperalaşımının Termokimyasal Borlanması, 2013, Yüksek Lisans Tezi,İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü.