DEKARBÜRİZASYON AISI H13 ÇELİĞİNİN BORLANMA DAVRANIŞI ETKİSİ

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 6.Cih:

J.Sayı (Eylü

1

2002)

Dekarbürizasyonun

AJSI H13

Çeliğinin Borlanma Davramşma Etkisi

'

F.Karakullukçu, K.Gerıel, M.Ipek

DEKARBÜRİZASYONUN AISI

H13

ÇELİGİNİN

• •

BORLANMA D�ı\ VRANIŞINA ETKISI

•

Fatih KARAKULLUKÇU, Kenan GENEL, Mediha IPEK

Özet-

_{Bu çalışmada AISI}

_Hl3

_{çeliğinin borlanma} davranışı incelenıniş ve işlem öncesi uygulanan dekarbürizasyonun borür tabakası özelliklerine olan etkisi araştırılmıştir. Deney parçalarından birinci grup, sadece borlanmış, ikincisi ise 900°C' de

4

saat süreyle dekarbürizasyon işlemini takiben borlanmıştır. Her iki grup deney parçalarının borlaınc.. işlemleri 900°C'de Ekabor-I ortamında 3 ve

5

saat süreyle gercekleştirilmiştir. Deney parçalarının yüzeyinde oluşan borür tabaka kalınlıkları optik mikroskoba bağlı dijital ölçüm cihazı ile, sertlikleri ise mikrosertlik cihazı ile ölçülerek karşılaştırılmıştır. Yapılan inceleme1er sonunda borlama öncesi uygulanan dekarbürizasyon işleminin borür tabakasının sertliğini

o/o 12

oramnda, kaplama tabakası kalınlığını ise işlem süresine bağlı olarak

0/o 77-85 oranında arttırdığı görülmüştür.

Anahtar kelimeler-

Borlama, Dekarbürizasyon,

H13

çe li ği

Abstract-

In the present study, boriding behavior of AISI H13 steel was studied and effect of decarburization which was applied to steel as a pretreatment in boriding process of steel was investigated. First group of samples were borided only, second group of samples were subjected to decarburization pretreatment at 900°C for

4

hours in the boriding pro�ess. Boronizing treatment of all sa mples 'vas performed in a solid med i um consisting of Ekabor-I powders at a temperature of 900°C for

3

and

5

hours, respectively, the n the thickness of boride layer was measured by means of a digital instrument attached to optical microcopy and the hardness of borides were determined by using microhardness tester, and both thickness and hardness of borides were compared in each hvo groups. As a result, depending on process time, an increase

of 12o/o

in surface hardness and

77-85°/o

in thickness of boride layer was obtained

by

decarburization pretreatment.

Keywords-

Boriding, Decarburisation,

H13

steel F.Karakullukçu, karakullukcu@msn.com

K.Genel, SAÜ Müh.Fak.Makine !v1üh. Böl. fv1.Ipe<, SAÜ Met.Malz. Müh. Böl.

59

I.

GİRİŞ

Bilindiği gibi malzen1e yüzeyi gerek mekanik zorlaıuna açısından gerekse korozyon açısından kritik öneme sahiptir. Yüzeyde görülen aşınma olayı)

makine

parçalannda görülen hasarların önemli bir kısmını oluşturmaktadır [1 ]. Birbiri üzeıinde sürtünerek aşınınaya zorlanan parçaların yüzeyleri sertleştixiierek aşınma dirençlerinin arttırıln1asında sementasyon, nitTürasyon gibi yayınma kontrollü işlemlerinden uzun süredir yararlanıln1aktadır. Uygulanan işlemlerin etkinliği, malzemeye, yüzey sertleştiı·me yöntemi ile işlem parametrelerine bağlıdır.

Tern1o-kimyasal yöntemler arasında yer alan borlama işlenıinin tem.eli, bor atomlarının metalik malzeme yüzeyinden ya yınarak ana malzeme ile birlikte sert borür fazları oluştunnasına dayanmaktadır. İşlem

700°-1000 °C

sıcaklık aralığında sıvı, gaz, ve katı ortamda gerçekleştirilınektedir. Bu

üç

yöntemin dışında plazma ve akışkan yatakta borlama gibi yeni yönten1ler de uygulanmaktadır. Borlanmış parçaların yüzeyinde ölçülen sertlik, kullanılan çeliğin kimyasal bileşimi ve borlama pratiğine bağlı olarak

2000-2500 VSD

rrıertebelerine çıkabilmektedir. Malzemeye, yüksek yüzey sertliği, düşük sürtünme katsayısı, yüksek korozyon direnci kazandırması ve işlem sorırası ana malzerneye ısıl işlen1 uygulanabilmesi borlanıanın diğer yüzey seıtleştirn1e işlemlerine olan üstünlükleri arasında yer alır. Borlama, yapı çelikleri, sementasyon çelikleri, takım çelikleri, korozyona dayanıklı çelikler, Arıneo denüri, gri dökn1e demir, küresel grafitli dökme demir, nileel ve sinterlenrniş demir gibi farklı malzemelere uygulanabümektedir [2-3].

Borlannuş çeliklerde, yüzeyde FeB ve Fe2B tüıünde farklı özelliklerde iki borür oluşmakta, bunlardan FeB 'niı1 varlığı yüzeyde çok daha yüksek sertlik sağlamakla birlikte gevrek karakterde olması ve çekme türünde artık gerilme taşıması nedeniyle n1ekanik zorlamalar altında çalışacak parçalar için bir dezavantaj _•

SA U Fen B ıli m leri Enstitüsü Dergi s i

6.Cilt, 3.Sayı (Eylül 2002)

Ayrıca FeB borurün ısıl genleşme katsayısının, üzerinde yer

aldığı

Fe2B

fazına

göre yaklaşık 1,5 kat daha yüksek olması borlama ısıl işlemi sonrasında çatlak oluşturma riskini daha da arttırmaktadu·.İşlenl som·ası parçanın kontrollü olarak soğutulması ile parça boyutlannda önemli bir değişikliğe yol açmadığı öne sürülmektedir

[

_2,4,5].

İşlemin yayınma kontrollü olması kalın borür ta bakaları için daha yüksek sıcaklık veya uzun süreli işlemleri gerekli kılmaktadır. Ancak yüksek sıcaklıklarda çe liğin kimyasal bileşimine bağlı olarak tane boyutunda

irileşmenin oluşabileceği unutnlnıamalıdır.

Yüzeyin özelliklerini değiştirmek amacıyla borlama öncesinde uygulanabilecek ısıl jşlernler konusunda bteratürde yeterince çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, borlama öncesi 900 °C sıcaklıkta 4 saat

.:ı üreyle uygulanan dekarbürizas yon işlenıinin, borlama

soruası AISI H 13 çe liğinin yüzey özelliklerine olan etkisi incelenmiş ve pratikte uygulanabilirliği araştırıl!'- cştır.

II.

DENEYSEL

ÇALIŞMALAR •

11.1

Malzeme ve Borlaına Işlemi

Deneylerde dövme, ckstTüzyon ve alüminywn döküm kalıplarında yaygın olarak kullanılan ve sıcak iş

takım

çehği grubunda yer alan AISI Hl3 (X40CrMoV51) çeliği kullanılmıştır. Söz konusu çeliğin kimyasal bileşimi Tablo-I 'de verilıniştir.

Tablo-1 Deneylerde kullanılan AISI H13 çeliğinin kimyasal bileşirru

(%

ağ.)

c

Si Cr Mo V _Mn

0,42 0,86 4,2 1,17 1,06 0,37

Malzeıne tel erozyon tezgahında 10mm x

lO

mm x 15mm

boyutlannda kesilerek numuneler hazırlanmış ve sonra 900 oC' de 4 saat dekarbürizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Yüzeyler 400, 600, 800 numaralı zımparalar ile zımparalandıktan sonra tane boyutu 150�m yoğunluğu 1.90gr/cm3 olan Ekabor-I tozunda 900°C d

�

ve 3, 5 saat süreyle kutu içerisinde borlama işlemi

gerçekleştirilmiştir.

Kutu

içerisinde katı ortamda borlanan parçalar işlem sonunda havada soğutulmuştur.

11.2

Mikroyapı ve Faz Analizi

Bo�lan�n parçalar 5 mm kalınlıklarda kesilerek polyester

reçıne ıle kalıplanmış, sırasıyla 240, 400, 600, 800) 1_000, 1200 numaral1 zımparalarla kaba parlatma,

ı

J..tm! lık elmas pasta ile ince pariatması yapılmıştır. %3 ;lük

60

Dekarbürizasyonun AISI Hl3

Çeliğinin

Borlanma Davranr 1na F.

Karakullukçu� K.

Genel,

nital ile dağlanan yüzeyler Olympus mar

ka

o

mikroskop ta incelenmiştir.

11.3 T

a

b

a

k

a Kalınlığı

ve Sertlik

Yüzeyleri metalografik inceleme iç

i

n

bazırlana

numunelerin boriir tabaka kalınlığı ölçümlerinde

op-...­

mikroskoptan (Olympus 8071) yararlan

ı

l

m

ı

ş

t

ır. Her

b­

grup için tabaka kalınlığının belirlenmesinde

aJ

ölçümiin ortalaması alınmıştır. Mikro-sertlik ölçünıJeri 100

gr.

'lık

yük

kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sertl.· "

ölçümleri borür tabakasından içeriye do

ğı

u yapılınış 'e

her bir derinlikte üç ölçümün

ortalaması alınnuştır.

III.

SONUÇLAR

Şekil 1 ( a , b)' de sadece borlanmış ve dckarbürizasyon işlemi sonrasında borlanımş numunelere ait mikroyapılar göıülınektedir. Her iki numune yüzeyinden içeriye doğru) yapnun borür tabakası, geçiş bölgesi ve ana malzemeden oluştuğu kolaylıkla ayırt edilebilmektedir. Milao yapılar karşılaştırıldığında dekarbürizasyon işleminin boıür tabaka ka lınlığım belirgin bir şekilde etkilediği görülmektedir.

(a)

Şekil l a 900°C'de 5 saat borlanmış

mikroyapısı

.

numunenın

Şekil 2 ve

3,

de ise borlanmış parçalarda sertliğin

yüzeyden uzaklıkla değişimi verilmiştir. Sadece

borlanmış parçaların sertlik dağılıını incelendiğinde işlem süresiyle boıür tabakasının sertliğinin arttığı ve 5

saatlik borlama neticesinde sertliğin 2000 VSD

aş

t

ı

ğı

"ı \t-l·cn nı!�nı!�r: 1 11-'lıtliS!i f)ı.;r!'-1�1 () ( ılL \S<J)!(F_vlul2002) . ' --; �. � �. • .. ' • ... .. t . . ,;. " .... ...: . . . ·-... • # _... • .-Y• '._ • 0 o o •• o o . ' . . . ' ... . . . • J • .

,

,: . . -�- '·. ' ' .. ' . . ı _{.. ·;..} . ., • _.. ( _{._.}. M: . : .. '· - _{� .}

.

.... ,. � . . . . . . . . .. ' .

.

• • . . ' ' . .

(b)

. _' . . • d'. ,. . . ' . _' -.. :_ ... ; .--�-. _: _.. .• -1 !". • : • , • • • , .. • • • • • ; '·oi:-jf . ' ' ' ,. . . .

.·

.· ..

Ll

00

�nı1

)

c

ki�

ı

h

Oc k

arh

ü

r

i

1.asyo

n

iş

lcnı ı

sonrası 900°C

'de

5

saat

horlannıtş nunıunenin mikroyapısı

nnrl:ını.1

nnccsi rnalzcnıcyc

uygul

a

nan dekarhjrizasyon ı

.:;.1

c

n1ı n

i

n

horür

ta hakası sertliğ

i

n i

i

ş

le

ın sürcs ine bağlı

hcllrgin c·· ırak a rt

t

ır

dığ

ı göıiilnıcktrd1:-

(

Ş

eki

l

.1). ller

iki grup nnnıunclcr

içın yüzey

sertl

l

ği

_, işl

e

n

ı

süresinden ht·n/cr

sekilde

etkı��nınckte, horlaına

süresinin

5

saate

\'1

k

;;lrı

l

rna.s 1

durLunund a

�ert] i k değer leri artnıaktadır.

·-N

E

E -Cl � -..:ıı:: t O) en Borür Geçiş tab. bölgesi

...---:ı...,.-�

+-E--- Matrix

2500 �--�----�---�---�---4

2000

1500

1000

soo

900° C'de borlanmış e 3 saat 5 saat

o

�--�---�---�---�

o

so

100

150

200

Yüzeyden

u za

k

lık

Cı m)

�

_c

_ki

_l

_{2. R}

or

l

annı

ı

ş

nunnınelerde sertlik

ci

a

ğılı

nı

ı

S'"'

rt lı k t) lçünı sonu

ç

ları

i

ncclcndiği

n

ele

dikkati çeke

n

h ir

d

ı1�cr

no k ta

dckarhiiıizasyon

işlemin in yüzeydeki horür

tJh�1kası

geçiş

bölgesinin kalınlığını

arttırd1ğı(hr.

Borla

1n::ı

öncesi

malzem

en

i

n yü'ley

ve yüzeye ya kı n

hölgesıııde

karhon yoğunluğunun

azaltılrnış

ol

n

1ası_, bor

c11oıııu

y

ayı n ım1n

ı

kolaylaştımıakta anc

ak

scıtllktc efektif

artı�

ııı göz1cnch11nlesi için hor atonı yoğunluğunun

he

lı

r

li

h

ır

değere

ulaşması

n

1 geeikti

rnıe k te

d

ir,

h

u

yü? den �c

k

ı

1

J de J

saat süreyle

horJannıış

parçanın yüzeyi

nde

'-lCl

tl

ik

kı<;nıen daha

düşük değerler

alnıaktadır.

Ancak

S

61

Dckarbiidzasyonun ,'\ISI HtJ (cliğinin Rorl2nrna Davranı�ına E:ki.�i

F. Ka ra l<u l

l

u kçu, K .(;enel� :Vl. 1 pek

saat horl anr.ıa süresi sc

rtl

i

ktc

artışa neden

ol

nıa

kı-arlı

r.

Şckil-2

YC

J

'de

g

ö

r

ii

l

en

her iki grup deney parç�lanna

ait scrtl1ğin

yü

ze

yd

e

n U7ak1ıkla

dcğişinıini veren eğri

le

rin ortak hir özellig-L _�

bor

ü

r

tabakasından mat�·ix hölgcsinc

_� geçişte

senliğin n1atrıx

scrthğinin

de altına

diişmcsidir.

G·eçış

bö

l

g

esi

nı

n hoıiir oluşturc:ın1ayacak

dcreec düşük

y

oğun

l

u

k

ta hor

atoınu

içenncs1nc ra

ğ

nı

e

n.

hurada

ka

tı

eriyik scrrleşınesinin etki

n olarak

kendini

g

ö

s

t

cr

nı

e

si

beklenir Ancak sö7.

konusu

f

ar

k

lı

lığın

çe

l

iğ

i

n s

i

l

is

y

_,ını

nıiktarı ile ilglli olduğu ctüşiinülmrktcdir f7-9-_Borlanan

ç

e

l

ikler üzerinde yapılan çalışmalardan

hor atomu

y

ayı n

ı

nıt

sırasında

si

l

i

s

y

u

n

1 atonılarının içeriye. nlatr1xc

doğru

ö

tclc n e

r

ck horfır tahakas1 önünde

hinktığ:

ve fcrrıt

yapıct

özclliğinrlcn

dolayı, geçi.� hölgcsindc

fcrı·it rniktarı

artın:..ık ta

ve hunun

sonucunda

serı! i ği n he

hrgn1

olarak

.. . ....

azalnıasına

yol

açrrıaktadır 1 R,9l. [şJenı

süresiyle sözü

edi

Ic

n

nı

c

ka

niznın

nın

cik

i

ni i ği artma

k

ta

ve

h

u

nur sonu

c

u

olarak

geçjş

b

ö

l

ge s

i

n

d

e sertilkteki düşüş mik

la

rı

daha

b

e

l

i

r

g

i

n

hale

gelmekledir (Şekil

3).

2500

�--�----�--�----�--�----�--�--� -N

2000

E E

1500

-0'1 ..:.:

-- 1000

_t

Q) CJ)

soo

Dekarbürize edilmiş ve 900°C borlanmış ID 3 saat ll 5 saat

o

�----�----�---�----�----�----�

o

so

100

150

200

250

Yüzeyden uzaklık (pm)

Şek11

J.

Dckarhürizasyon işlc1

n

ine takiben

b

o r

lann

ıı

ş

nunıunc

lerde sertlik dağ1

h

tn

ı

300

Tahlo-2'dc h

o

r

ü

r

tahaka k

al

ı

nlığı_,

borür tabakası

sertliği

ve

d

c

k

ar

h

Lir

i

zc işleminin 1ıor1anıa Ö7.elliklcrınc

olan

etkisi

toplu

o

l

a

r

a

k

verilmiştir. C1örü1dliğü

gihı

bortir

tabakası k

al

ı

nl·

ğ

ı ve s c ıt

lı

ğ

in

d

e a.rt1ş sağlanahilnıcsi

içııı

5

s a a

tl

i

k işlen1 süresi

daha uygun

olduğu

gö7lcnnı1ştır.

IV.

TARTT�1A

i\ TST l11 3

çe

1 iğinin

y1.1

karıda

i

nce

1

en en

horla1na

davranışından

b

a

ş

lı

c

a

şu

sonuçlar çıkartılahdtr

�

1.

/\TSf Ffl J

çe liğinin horlannıası

2000

kg/nıın2, yi

a�an

edi

Ic

bilmektedir.

durunıt

n�

da

yii�eydc

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 6.Cilt, 3.Sayt (Eylül 2002)

2. Borlama işlemi öncesi çeliğe uygulanacak o1an

dekarbürize işleminin borür tabakasının kalınlığı ve sertliği üzerine faydalı etkisi ancak uzun süreli borlama işlemleri sonunda beklenmelidir

3. S ilisyumlu çeliklerde borlama sonrası geçiş bölgesinde sertlik düşüşü görülmektedir. Bu nedenle, yüksek basma yükleri altında geçiş bölgesinde çölane sonucu kırılmalar meydana gelebileceğinden, bu çelikierin borlanaı·ak kullamlması

tavsiye

edilmez.

Tablo 2 Uygulanan ısıl işlem ve elde edilen borür tabakası özellikleri 1şlen1· Sadece borlanmış t Dekarbürize2 işlemine takiben borlannuş

3 saat 5 saat 3 saat 5 saat Borür t�oakası kalınlığı (ı.ım) Borür tabakası Sertliği (kg/mm2) 2/.,9 ±0,8 27,8 +0,8 1850 2020 42,3 ±1,2 1750 49,3 +1,6 2255

Dekarbürize işleminin borlama davranışına etkisi

Borür Tabakası Sertliğindeki Artış

{%l

3 saat 5 saat - 5 12 Borür Tabakası kalınlığındaki artış

ı'%'ı

3 saat 5 saat 85 77

1

900°C'de 5 saat borlanmış, 2

900°C'de

4 saat

dekarbürize

edilmiş

Dckarbürizasyonun AISJ H13 Çeliğinin Borlanma Davr·anışma Etkisi F. Karakutlu kçu, K. Genel, :vt. ipek

62

KAYNAKLAR

[1]T.S. Eyre, "Friction and wear control in industry, Surface Engineering> V. 7, 1991, 14 3.

[2]A.K. Sinha, Boriding (Boronizing), J.Heat Treating,

American Society

for

Metals, Metals Park, OH, 1991,

437.

[3]K.G. Budinski, "The wear of diffusion treated surfaces" Wear, 162-164, 1993, 757.

[

4

]İ. Ozbek and C. Bindal, "Mechanical properties

of

boronized

_{AISI \V4 steel", Surf. Coat. Technol., 154,1,}

2002, 14 .

[S]A.H. Üçisik, C. Bindal, Fracture toughness of boride formed on low-alloy steels, Surface and coatings technology, 1997, 561

[6]E.Melendez, I.Campos., E.Rocha, M.A. Barron, "Structural and strength characterization of steels sunjected to boriding thermıchemical proces", Mat.Sci.Eng. A234-236, 900.

[7]F.Karakullukçu, "Dekarbürize işleminin AISI Hl3 çeliğinin borlanma davranışına etkisi", SAÜ Fen BiL

Ens. Haziran 2002

[8]Chicco, B., Borbidge W.E., Summerville,

"Engineering the subsurface of boride d AISl

H

13 steel ",

S urfa ce Engineering, 14, 1, 1998, 25.

[9]Geoeuriot, P. Fillet,

R.,

Theivenot F. ve diğ. "The influence of alloying element additions on the boriding

of

_{steels", Ma ter. S ci. Eng. 55, 1982,9-19.}

[lO]G. W. Hanau, Durferrit" Borieren-ein Verfahren zur erzeugung harter oberfachen bei extremer verschleiJ3beanspruchung, Techniche Mitteilungen