Gaz nitrürlemede işlem parametrelerinin 34CrAlNi7 çeliğinin mekanik özelliklerine etkisi

Abstract

Gaz nitrürleme, azot atomunun malzeme yüzeyine difüzyonu ile yüksek yüzey sertliklerinin elde edildiği, korozyon dayanımının iyileştirildiği, aşınma ve yorulma direncinin önemli ölçüde arttırıldığı termokimyasal bir ısıl işlem türüdür. İşlemin, termodinamik bir parametre olan KN-nitrürleme potansiyeli ile kontrol edilmesi, sertleştirilmiş bölgenin değişken metalurjik özelliklerde üretilebilmesine olanak sağlamaktadır. Parçaların çalıştığı ortam, uygulama şartları ve sertleştirme yapılacak yüzeyden beklenen mekanik özellikler dikkate alınarak uygun malzeme seçimi ve doğru işlem parametreleri ile gerçekleştirilen nitrürleme işlemi sonucunda, yüzey özellikleri geliştirilmiş ve çalışma ömrü uzatılmış parçaların üretilmesi mümkün olmaktadır. Dolayısıyla gaz nitrürleme işlem parametrelerinin malzeme yüzey özelliklerine etkisinin anlaşılması büyük önem arz etmektedir.Bu çalışmada; 34CrAlNi7 nitrürleme çeliği için, 500 °C ila 550 °C sıcaklıkları arasında tek ve çift aşamalı gaz nitrürleme işlemleri yapılmış, yöntem olarak KN kontrollü gaz nitrürleme yöntemi seçilmiştir. İşlem parametrelerinin, nitrürlenmiş tabaka mekanik özelliklerine ve karakteristiğine etkisi incelenmiştir. Nitrürlenmiş yüzeylerin sertlik, kırılma tokluğu ve aşınma davranışı karşılaştırılmış ve kinetik çalışmalar yapılmıştır. Azotun, 34CrAlNi7 çeliğinde tane sınırları boyunca yayılım eğilimi yüksek şekilde ve saf demire oranla daha düşük aktivasyon enerjisi ile difüzyon gerçekleştirdiği belirlenmiştir. Alüminyum; azot alımını arttırmakta, yüzey ve difüzyon bölgesinin sertlik artışına önemli ölçüde katkı sağlamakta fakat bölgelerde tokluğun düşmesine neden olmaktadır. Lehrer diyagramına göre seçilen uygun nitrürleme potansiyelleri ile yüzeyde sadece ?? nitrürden oluşan tek fazlı beyaz tabaka, ?-?? nitrürlerinden oluşan çift fazlı beyaz tabaka ve beyaz tabakasız yüzey elde edilmiştir. KN; beyaz tabaka kalınlığına, kırılma tokluğuna ve tabakanın içerdiği ?/?? oranına önemli ölçüde etki etmektedir. Çift aşamalı nitrürleme yöntemi kullanılarak HRN yüzey sertliklerinde düşüş gerçekleşmeden tabaka tokluğu ve difüzyon derinliği arttırılabilmektedir. Nitrürlenmiş bölgede elde edilen efektif sertlik ve difüzyon derinlikleri, sıcaklığın ve sürenin değişmesi ile önemli ölçüde değişmiş, ? bölgesinde seçilen düşük nitrürleme potansiyelinin sertleşebilirliği ve azot alımını önemli ölçüde düşürdüğü belirlenmiştir. Potansiyelin uygun değerlerde seçimi ile farklı süre ve sıcaklıklarda yüzey pürüzlülüğünün aynı değerde tutulabileceği görülmüştür. Yüzeylerde ölçülen HV1 sertlik değerlerindeki değişimin önemli ölçüde beyaz tabaka karakteristiğine, kalınlığına, kırılma tokluğuna ve tabakanın içerdiği ?/?? oranına bağlı olduğu tespit edilmiştir. Beyaz tabakanın artan sıcaklık ve nitrürleme potansiyeli ile kırılma tokluğunun düştüğü tespit edilmiş ve düşen tokluk değerinin aşınma direncini düşürdüğü belirlenmiştir. En yüksek aşınma direnci ve kırılma tokluğu; beyaz tabakasız ve en yüksek HV1 yüzey sertliğine sahip olan yüzeyde, düşük nitrürleme potansiyeli ile gerçekleştirilen 30 saatlik nitrürleme işlemi sonrasında elde edilmiştir.Anahtar kelimeler: Gaz Nitrürleme, Nitrürleme Potansiyeli, KN, Termokimyasal İşlem, Çelik, Nitrür, Kinetik, Sertlik, Difüzyon, Kırılma Tokluğu, Aşınma

Gas nitriding is a thermochemical heat treatment process which high hardness, enhanced corrosion properties and considerably improved wear resistance and fatigue strength are obtained on the material surface by diffusion of atomic nitrogen through the surface. Controlling the process by the thermodynamical parameter KN, gives ability to produce hardened layers that have variable metallurgical properties. It is possible to produce parts with improved surface properties and prolonged working life as a result of nitriding with right process parameters and proper material selection by taking into account the properties of operating environment, operating conditions and the mechanical requirements for the surface. Consequently, understanding the effect of gas nitriding process parameters on material surface properties has great importance.In this study; for the 34CrAlNi7 nitriding steel, one and two stage gas nitriding processes are performed at the temperatures between 500 °C and 550 °C and KN-controlled gas nitriding method was used. Effect of parameters on mechanical properties of nitrided zone and its? characteristic was investigated. Hardness, fracture toughness and wear behavior of the nitrided surfaces were compared and kinetic studies were made. It is determined that nitrogen diffusion occurs in 34CrAlNi7 steel, by means of high penetration tendency along the grain boundaries and with the low activation energy as against ?-iron. Aluminium increases the nitrogen uptake and contributes to important hardness increase at the surface and the diffusion zone but causes toughness decrease at specified zones. By selecting the proper nitriding potential according to Lehrer diagram, surfaces having white layer with one phase consisting of only ?? nitride, with two phases consisting of ?-?? nitrides and surfaces having no white layer, was achieved. KN; affects the thickness, fracture toughness and the ?/?? ratio of white layer, significantly. By performing the two stage nitriding process, it is possible to enhance the toughness and diffusion depth without losing HRN superficial hardnesses on surface. Effective hardness and diffusion depths were considerably changed by changing the temperature and time, low nitriding potential in ? phase region decreased the nitrogen uptake and hardenability, significantly. It is observed that by selecting the right potential, it is possible to reach and keep same surface roughness values for different process temperatures and times. It is determined that variation of the HV1 surface hardness values strongly depends on the characteristic, thickness, fracture toughness and ?/?? ratio of white layer. It is determined that decrease in fracture toughness of white layer related to increase in temperature and nitriding potential, decreases the wear resistance. The highest wear resistance and fracture toughness was obtained at the surface that has no white layer and has maximum HV1 surface hardness after 30 hours nitriding process with low nitriding potential.Key Words: Gas Nitriding, Nitriding Potential, KN, Thermochemical Treatment, Steel, Nitride, Kinetics, Hardness, Diffusion, Fracture Toughness, Wear