Termo-reaktif difüzyon yöntemiyle çeşitli çeliklerin bor titanyumlanması ve özelliklerinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Geçiş metallerinin nitrür, karbür ve borür esaslı sert kaplamalar, demir esaslı malzemelerin aşınma dirençlerini artırmak için kullanılan çok yaygın bir yöntemdir. Bu kaplamalar daha çok kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve fiziksel buhar biriktirme teknikleriyle (PVD) gerçekleştirilmekte olup her iki yöntemin kendine has bazı avantajları mevcuttur. CVD yöntemi çok yüksek sıcaklık (700-1200°C) gerektirmesi sebebiyle çelik malzemelerin distorsiyonuna neden olurken, PVD yöntemi takım çelikleri için temperleme sıcaklığının altındaki bir sıcaklık aralığında (200-500°C) gerçekleştirilmektedir ancak PVD sistemi için gerekli ekipmanlar oldukça pahalıdır. PVD yönteminde difözyonun çok az olması sebebiyle kaplama daha çok mekanik bağlı olup termo-reaktif difüzyon (TRD) yöntemiyle elde edilen kaplamalara göre daha zayıf bağlanma gösterirler. TRD yöntemi geçiş metallerinin nitrür, borür ve karbürlerini üretmek amacıyla kullanılır. Yöntem geçiş metalinin kaplama banyosundan çeliğin yüzeyine difüzyonunu ve karbon, azot ve bor elementlerinin çelikten kaplamanın yüzeyine doğru difüzyonunu içermektedir. Bu yöntem endüstride daha çok karbür esaslı kaplamaların gerçekleştirilmesinde kullanılmaktadır. İşlem 1 ile 10 saat sürelerde ve 800°C ile 1200°C sıcaklık aralığında gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada, boraks, borik asit ve ferro-silisyumdan oluşan bir sıvı banyoda 900°C ve 1000°C sıcaklıklarda 2 saat süre ile horlanan çelikler, ferro-titanyum, amonyum klorür, alumina ve naftalin içeren bir banyoda 950°C, 1000°C ve 1050°C sıcaklıklarda 1 ile 4 saat aralığında termo-reaktif difüzyon tekniği ile titanyumlanmışlardır. AISI 1040, AISI H13, AISI D2 ve AISI M2 çelikleri TiBCN esaslı bir tabaka ile kaplanmışlar ve bu kaplama tabakası x-ışınları difraksiyon analiziyle tespit edilmiştir. Oluşturulan kaplama tabakası TiB2, TiC, TiN, TiCN ve FeaB fazlarını içermektedir. Oluşan kaplama tabakası, yoğun, kompakt ve homojen bir yapı sergilemektedir. Kaplama tabakası yüzeyde düzgün olarak bulunmaktadır. Kaplama tabakasının kalınlığı, işlem sıcaklığına, süresine ve çeliğin bileşimine bağlı olarak, 2 ile 8 fim arasında değişmektedir. Kaplama işleminin süresi ne kadar artarsa ve işlem sıcaklığı ne kadar yüksek olursa kaplama tabakasının kalınlığı da o kadar artış göstermektedir. Kaplama tabakasının sertlik değeri işlem sıcaklığı, süresi ve çeliklerin kimyasal bileşimlerine bağlı olarak 2000 HV0.025 ile 4000 HV0.025 arasında değişim göstermektedir. TiBCN kaplamalar geçiş metal nitrürlerine ve karbürlerine göre çok daha sert (3500 ile 7200 HV0.025 arasında) ve çok daha yüksek aşınma direncine sahip yeni nesil kaplamalar arasındadır. xill

Boro-Titanndng Of Steels By Thermo-Reactive Diffusion Method And Their Structural Characterization Keywords: Thermo-reactive deposition coating, Chemical vapor deposition, physical vapor deposition, Titanium boride. Hard coating with nitride, carbide or boride of transition metal is a common method of improving the wear resistance of ferrous materials. This can also be achieved by vapor deposition process such as chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD), both of which have their respective advantages. CVD usually involves high processing temperatures (700-1200°C) in order to achieve deposition of the coating material. However, this high temperature can lead to the heavy distortion of the treated part. PVD process, which is usually performed at 200- 500°C, well below the tempering range of tool steels, requires expensive at complicated equipment. Due to the limited amount of diffusion that occurs during PVD process, adhesion strength of the coating layer is weaker than that of thermo- reactive diffusion treatments (TRD). TRD method are using for transition metal carbides coating in the industrial applications, in general. In the present study, titanium boride base coating on the steel samples was objected by TRD method. TRD method includes the diffusion of transition metal from the bath to the steel surface and carbon, nitrogen and boron atoms diffusion from the steel matrix to the coated layer. This treatment was utilized at 800°C-1200°C for l-10h. In this study, pre-boronized steels in a salt bath consisting of borax, boric acid and ferro-siiicon at 900°C and 1000°C for 2h were titanized at 950°C, 1000°C and 1050°C for 1, 2, 3 and 4h in the powder mixture consisting of ferro-titanium, ammonium chloride, alumina and naphthalene in a pack by thermo-reactive deposition technique. The coated layer on the pre-boronized AISI 1040, AISI HI 3, AISI D2 and AISI M2 steel containg TiBCN based coating layer which was confirmed by x-ray diffraction analysis and these coating layers were homogeneous, compact and dense. Coated samples include TiB2, TiC, TiN, TiCN and Fe2B phases in the coating layer. The thickness of coating layers range from 2 to 8 um depending on treatment temperature, time and steel composition. The higher the temperature and the longer the treatment time, the thicker the coating layer became. Optical and SEM examinations showed that TiBCN layer formed on pre-boronized steels were smooth. The hardness of TiBCN layer formed on steel samples is ranging between 2000 HVo.025 and 4000 HV0.025 depending on treatment time, temperature and steel compositions. TiBCN coating are new generation coating which has very high hardness (3500 HV to 7200 HV) and higher wear resistance than transition metal nitrides and carbides. xiv