Termo-reaktif difüzyon (TRD) tekniği ile Cr-Ti-N esaslı kaplamaların gerçekleştirilmesi ve özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Genel olarak çelik malzemeler; mekanik etkileşimler sonucu aşınma, kimyasal reaksiyonlar sonucu korozyon türü hasarlarla servis dışı kalarak ülke ekonomilerinde büyük kayıplara neden olmaktadırlar. Makinelerde çıkan arızaların ve yapı elemanlarının kullanım dışı kalmasının en önemli sebeplerinden birisi aşınmadır. Sürtünme nasıl bir enerji kaybı nedeni ise aşınmada tekrar geriye kazanılamayan bir madde kaybı sebebidir. Aşınma ve korozyonun neden olduğu hasarın, ülke ekonomilerine bu denli yük getirmesi bilimsel ve endüstriyel çevreleri harekete geçirmiş ve daha dayanıklı malzemeler arayışına yönlendirmiştir. Bu amaçla endüstride yoğun olarak kullanılan çelik malzemeler üzerine, difüzyon, kimyasal ve fiziksel biriktirme ile kaplama teknikleri geliştirilerek 2-10 μm kalınlığında sert tabakalar elde edilmiştir. Seramik karakterli olan bu tabakalar, aşınmaya, korozyona ve yüksek sıcaklık uygulamalarına karşı oldukça dirençlidir. Bundan dolayı sert yüzey kaplama yöntemleri hem bilimsel hem de endüstriyel çevrelerde önem kazanmıştır. Bu çalışmada, AISI 1020, AISI 4140 ve AISI P20+Ni çelik malzemelerin yüzeyinde termoreaktif difüzyon yöntemi kullanılarak krom-titanyum-nitrür (Cr-Ti-N) tabakasının elde edilmesinin mümkün olup olmadığı araştırılmıştır. Çalışma iki aşamalı olup, birinci aşamada, metalografik olarak hazırlanan malzemeler 560oC sıcaklıkta 24 saat süreyle gaz nitrürleme işlemine tabi tutulmuşlardır. İkinci aşamada ise, nitrürlenmiş yüzeyler 1000oC sıcaklıkta 2 saatlik sürede ferro-krom, ferrotitanyum, alümina, amonyum klorür ve naftalinden oluşan katı ortamda TRD tekniği ile kromlama işlemine tabi tutulmuşlardır. Ayrıca en iyi kaplamanın hangi çelikte oluşturulduğu belirlenerek kaplama tabakasının karakterizasyonları yapılmıştır. Çelik yüzeyinde oluşturulan krom-titanyum-nitrür (Cr-Ti-N) tabakalarının geniş bir spektrumda özellikleri araştırılmıştır. Bu amaçla optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM), elementel yapı analizi (EDS) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile mikroyapı incelemeleri ve elementel analizler, x-ışınları difraksiyon analizi ile faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Aynı şekilde tabakaların mekanik özellikleri, mikro sertlik ölçümleri ve aşınma deneyleri ile belirlenmiştir. Ayrıca yüzeyde oluşan kaplama tabakaların korozyon davranışları incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Kaplama, Krom Nitrür, Krom Titanyum Nitrür, Aşınma, Korozyon, Termo-Reaktif Difüzyon Kaplama

In general steel materials cause great loss in country economy by being out of service with damages of mechanical contact and chemical reactions caused from wear and corrosion of steels. Corrosion is one of the most important causes of being out of service of building element and malfunction in machines. Friction is the cause of energy loss just as corrosion is the cause of irretrievable material loss. Wear and corrosion is such a major problem for a country economy that it has activated scientists and industrialists and has led them to improve more resistant materials. For this purpose, hard coating having 2-10 μm thickness were obtained with diffusion and physical or chemical vapor techniques on steel substrates. These coatings have ceramic structure and they resistant to wear, corrosion or high temperature conditions. For these good properties, hard coating techniques have gained importance for both scientists and industrialists. In this study, it is examined whether to obtain Cr-Ti-N layer by using TRD method on AISI 1020, AISI 4140 and AISI P20+Ni steel material surfaces. This study includes two steps. At first step, metallographic materials has been subject to gas nitriding at 560°C for 24 hours. At second step, pre-nitrided steel substrate has been subject to chromizing at 1000°C for 2 hours in the harsh mixture consisting of ferrocromium, ferro-titanium, alumina, ammonium chloride and naphthalene with TRD method. Also, coating layer's characterization was employed by determining the best coated steel. Features of Cr-Ti-N layers created on steel surface were searched in a wide spectrum. By this aim, microstructure analysis and elemental analysis, were carried out by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) and atomic force microscopy (AFM) and phase analysis were carried out by X-ray diffraction (XRD). At the same time mechanical features of layers were determined by micro hardness measures and abrasions experiments. Also the corrosion behaviors of coating layer formed on the surface were investigated. Keywords: Coating, Chromium Nitride, Chromium Titanium Nitride, Wear, Corrosion, Thermo-Reactive Diffusion Coating