AISI 8620 çeşiğinin bor - vanadyumlanması ve yüzey özelliklerinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Anahtar kelimeler: Vanadyum, Bor, Difüzyon, Yüzey Kaplama Ülkemizdeki doğal kaynakların cinsi ve miktarı biliniyor olmakla beraber esas olan bunların nasıl değerlendirileceğidir. Ülkemizin dünyada en fazla bor rezervine sahip ülkeler arasında yer alması ve bu bor bileşiklerinin üstün özelliklere sahip olması, bir çok araştırmacı için konuyu cazip hale getirmiştir. Borlama işlemi bunlardan birisi olup diğer yüzey işlemlerine kıyasla yüksek sertlik, aşınma direnci, korozyon ve oksidasyon direnci gibi üstün özelliklere sahiptir. Borlama işlemi termo-difüzyonal bir yüzey sertleştirme işlemi olup esas olarak borun yüksek sıcaklıkta ana metale yayınmasıyla malzemenin yüzeyinde borür tabakası oluşturulması işlemidir. Borlama işlemi yüzeyi iyi temizlenmiş malzemelere 700 - 1000 °C sıcaklık aralığında 1 - 24 saat sürelerde bor kaynağından oluşan katı, sıvı, pasta ve gaz ortamında gerçekleştirilir. Çelikler, nikel ve kobalt esaslı alaşımlar ve dökme demirler gibi oldukça geniş alandaki malzemelere uygulanabilir. Çok bileşenli borlama; alüminyum, krom, silisyum, vanadyum ve titanyum gibi elementleri borür tabakası bünyesinde bulunduran termokimyasal bir işlemdir. Borlama iki kademeli bir işlem olup, 850 - 1000 °C sıcaklık aralığında gerçekleştirilmektedir. Birinci kademede, geleneksel yöntemlerden biriyle borlama işlemi yapılmaktadır ve daha çok kutu borlama tercih edilmektedir. FeB fazının oluşumu iyi sonuç vermekte ve 30 um civarındaki kaplamalar yeterli olmaktadır, ikinci kademede, elementin difüzyonu gerçekleştirilmektedir. Boraks esaslı eriyik veya toz karışımı yardımıyla metalik elementin horlanmış yüzeye difüzyonu sağlanmaktadır. Altı çeşit çok bileşenli borlama mevcut olup bunlar, bor-alüminyumlama, bor-silisyumlama, bor-kromlama, bor-kromtitanyumlama, bor-vanadyumlama ve bor-krom-vanadyumlama şeklindedir. Bor vanadyumlama işlemelerinde 3000 HV sertlik değerine ulaşılmasına rağmen oldukça sünek bir yapı elde edilmektedir. Bu çalışmanın amacı AISI 8620 çeliğinin yüzeyinde vanadyum borür tabakası oluşturarak özelliklerini incelemektir. Bu amaçla çelik bor-vanadyumlama olarak bilinen çok katlı borlama işlemine tabi tutulmuştur. Çalışma iki kademeli olup, birinci aşamada metalografik olarak hazırlanan malzemelerin yüzeyi 850 °C, 900 °C ve 950 °C'de 2, 4 ve 6 saat süreyle boraks, borik asit, ve ferro-silisyum esaslı sıvı banyoda termo-kimyasal olarak borlama işlemine tabi tutulmuştur. İkinci aşamada ise horlanmış yüzeyler 950 °C ve 1000 °C sıcaklıklarda 1, 2, 4 ve 6 saat süreyle ferro-vanadyum, alümina, amonyum klorür ve naftalin esaslı katı ortamda termo difüzyon yöntemiyle vanadyumlama işlemine tabi tutulmuştur. Borlama ve bor-vanadyumlama işlemi sonrasında oluşan borür ve vanadyum borür tabakalarının yüzey morfolojileri ve faz analizleri, optik, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve x-ışınlan difraksiyon analizi yardımıyla yapılmıştır. Aynı şekilde tabakaların sertlikleri Vickers Indentasyon tekniği ile belirlenmiştir. Sonuç olarak çeliğin yüzeyinde bor-vanadyumlama işlemi başarıyla gerçekleştirilerek üstün özelliklere sahip vanadyum-borür tabakaları elde edilmiştir. xii

TO INVESTIGATE OF PROPERTIES THE VANADIUM BORIDE LAYERS FORMED ON THE SURFACE OF THE AISI 8620 STEEL SUMMARY Key words: Vanadium, Boron, Diffusion, Surface coating Although it is well known that Türkiye is rich in certain mineral resources, how to use available deposits economically is not fixed yet for roost of resources. Since one of the important resources, which Türkiye has, is boron, usage of which is always considered preferentially. Boronizing is being preferred because of several reasons. Boronizing being surface modification techniques are designed to enhance surface mechanical properties, the corrosion resistance in aggressive environment and friction and wear properties for tribological application comparison with commercial coating techniques. Boronizing is a thermo-diffusion surface hardening process in which boron atoms diffused into the surface of a work-piece to form borides with the base materials. The boronizing process involves heating of well-cleaned material at 700°C to 1000°C, preferably for Ih. to 24h. in contact with boronaceous solid powder or boronizing compounds, paste, liquid or gaseous medium. A broad range of metals can be bonded including, steel, nickel, cobalt base alloys and ductile irons. Multi component bonding is a thermo-chemical treatment involving consecutive diffusion of boron and one or more metallic elements such as aluminium, silicon, chromium, vanadium and titanium in to the component surface. This process is carried out at 850 to 1050 °C and involves two steps: i) Bonding by conventional methods, notably pack, paste and electrolytic salt bath methods. Here, the presence ofFeB is tolerated, and, in some cases, may prove beneficial. Among these methods, much work has been done on pack method, which produces a compact layer at least 30um thick, ii) Diffusion metallic elements through the powder mixture or borax- based melt into the bonded surface. If the pack method is used, sintering of particles can be avoided by passing argon or H2 gas into the reaction chamber. The aim of the present work is to investigate of properties the vanadium boride layers formed on the surface of the AISI 8620 steel. This works involve two steps; I) Boronizing was carried out in a salt bath consisting of borax, boric acid and fero-silicon at 850°C, 900°C and 950°C temperatures for 2, 4 and 6 hours as thermo-chemically. II) Vanadizing was carried out in a solid powder consisting of ferro-vanadium, naphthalene, ammonium chloride and alumina at 950°C and 1000°C temperatures for 1, 2, 4 and 6 hours with thermo-diffusion process.Metallographic studies showed that boride layer and vanadium boride layer has columnar shape and compact shaped, respectively. The thickness of boride layers and vanadium boride layers depend strongly on process temperature and time. X-ray diffraction analysis showed that presence of iron borides in boride layer and vanadium borides in vanadium boride layers. It also noticed that the hardness of boride layer and vanadium boride layer were measured harder than original (unbonded / substrate) materials. xiii