91
IVSS’17 – 18,19,20 EKİM (OCTOBER) 2017
TAM METİN KİTABI (FULL TEXT BOOK)
SAYFA (PAGES): 91-98
aİsmail Yıldız, bİbrahim Güneş, cŞükrü Ülker
BORLANMIŞ Fe-Mg ALAŞIMININ KARAKTERİZASYONU
ÖZET: Toz metalurjisi (TM), farklı boyutlardaki tozların karıştırılarak pres vasıtasıyla şekillendirilip, uygun atmosfer ortamında
bel li sıcaklık aralığında sinterlenerek üretilen malzeme üretim yöntemidir. Gerçekleştirilen çalışmada, ağırlıkça 5 ve 10 Mg ile Fe tozl arı karıştırılıp 620 °C s ıca klıkta sinterlenmişlerdir. Elde edilen numunelerin yüzeyleri 800 ve 900 °C s ıca klıklarda Ekabor 2 tozu kullanılarak borlanmıştır. Borlanmış numunelere metalografik analiz olarak XRD analizi yapılmıştır. Analiz sonucunda FeB, Fe2B ve Fe faz değerleri ortaya çıkmıştır.
Anahtar Kelimeler: Toz metalurjisi, Sinterleme, Ka plama
CHARACTERIZATION OF BORONIZED Fe-Mg ALLOY
ABSTRACT: Powder metallurgy (TM) is a method of producing materials produced by mixing powders of different sizes, s ha ping them by pressing and sintering a t a certain temperature ra nge i n a s uitable a tmosphere. In the work ca rried out, 5 a nd 10 Mg a nd Fe powders were weighed a nd sintered at 620 °C. The s urfaces of the obtained samples were boronized using Eka bor 2 dust at 800 a nd 900 °C. XRD a nalysis was performed on the borided samples as metallographic a nalysis. As a result of the a nalysis, FeB, Fe2B a nd Fe phase va lues a ppeared.
Keywords: Powder Metallurgy, Si ntering, Coating
1. GİRİŞ
Toz metalurjisi (TM), metal tozlarının homojen bir şekilde karıştırıldıktan sonra preslenip belli bir sıcaklık aralığında vakum veya koruyucu gaz atmosferi altında sinterlenmesi ile üretim yöntemidir. Bu yöntem ile daha gözeneksiz ve mukavemetli malzemeler üretmek mümkündür (Efendi, 2017). Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen malzemelere fiziksel ve mekanik testler uygulanarak malzemelerin dayanımları ölçülmektedir (Bilici, 2005).
Borlama, bor tabakalı malzemeler üretmek için sinterlenmiş parçanın yüzeyine bor atomlarının difüzyonunu şeklinde yapılan difüzyon işlemidir. Bu işlem, yüzeyi temizlenmiş malzemelere bor içeren ortamda 700-1000 °C sıcaklık aralığında 1-12 saat sürede gerçekleşmektedir (Kulka vd, 2012; Silva vd, 2010). Borlama işlemi, paslanmaz çeliklere, dökme çeliklere, sinterlenmi s metallere, takım çeliklerine, demir dışı metallere ve alaşımlara uygulanmaktadır. Borlama işleminde en çok B4C kullanılmaktadır
(Ayter, 2005; Özaydın, 2015).
Borlama işleminde en önemli malzemeler arasında B4C gelmektedir. Gelecek vaad eden malzemeler
arasında yer alan B4C, aşınma gerektiren yerlerde, emici nükleer malzemelerde, patlayıcı uçlarda
kullanılmakta, düşük yoğunluk, yüksek sertlik, yüksek ergime noktası ve yüksek elastiklik gibi çok önemli özelliklerde sergilemektedir (Kulka vd, 2014; Develi, 2010; Taştan, 2010).
92
aAfyon Kocatepe Üniversitesi İscehisar Meslek Yüksekokulu Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü,
03200, Afyonkarahisar, Türkiye; e-mail: iyildiz@aku.edu.tr
bAfyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Bilimi Mühendisliği Bölümü,
03200, Afyonkarahisar, Türkiye; e-mail: igunes@aku.edu.tr
cAfyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 03200,
Afyonkarahisar, Türkiye; e-mail: ulker@aku.edu.tr
B4C malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirmek için TiB2, CrB2, ZrB2, SiC, TiC, Al2O3 gibi önemli seramik
malzemeler B4C karıştırılarak kullanılmaktadır (Bekteş, 2010; Özer, 2011). Bu malzemeler arasında SiC,
yüksek dayanım, sertlik ve tokluk gibi özellikler ortaya çıkardığı için daha çok tercih edil mektedir (Üçkardeşler, 2013).
Bu çalışmada, sinterleme yoluyla üretilmiş Fe-Mg kompozit malzemeleri farklı sıcaklık ortamlarında Ekabor 2 toz karışımları ile borlama işlemine tabi tutulmuştur. Yüzeyleri borlanan kompozit malzemenin tabaka kalınlıkları ölçülmüş, mikroskobik görüntüleri incelenmiş ve metalografik olarak XRD analizi gerçekleştirilmiştir. Ortaya çıkan faz değerleri literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılmıştır.
2. MALZEME VE YÖNTEM
Bu çalışmada, % 90 Fe-% 10 Mg ve % 95 Fe-% 5 Mg alaşım malzemelerini üretmek için % 99 saflığa sahip Fe ve Mg metal tozları kullanılmıştır. Toz metalurjisi yöntemi ile metal tozları kullanılarak malzeme üretimi gerçekleşmiştir. Bu yöntem ile tozlar tek fazlı karıştırıcıda homojen bir şekilde karıştırıldıktan sonra kalıba dökülerek tek eksenli soğuk preste 300 bar basınç altında preslenmiştir. Preslenerek şekillendirilen numuneler, koruyucu gaz (Argon Gazı) atmosferinde geleneksel tüp fırında 620 °C sıcaklıkta 2 saat süreyle sinterlenme işlemine tabi tutulmuştur. Sinterlemedeki amaç, metal tozlarının tane yapıları arasında olası boşlukların kapanmasını sağlayarak üretilen malzemelerin dayanıklılığını arttırmaktır. Bu işlem sonrasında elde edilen malzemeler soğumaya bırakılmıştır. Sinterlenerek üretilen numuneler borlama işlemine tabi tutulmuştur. Borlama işleminde, bir kap içerisine numunelerin altına ve üzerine Ekabor 2 toz karışımları dökülmüştür. Kabın üzeri ve kapağı şamot çamuru ile kaplanmıştır. Fırın ortamında 800 ve 900 °C sıcaklıklarda 2 ve 6 saat süre aralığında ısıtmaya tabi tutulmuşlardır (Çarkçı, 2012; Yılmaz, 2014). Bu süreler sonrasında numuneler fırından çıkarılarak soğumaya bırakılmıştır. Bu işlemler neticesinde borlama işlemi gerçekleşmiştir (Şekil 1).
Şekil 1. Fırın içerisinde borlama işleminin yapılışı (Ülker, 2012; Taştan, 2010; Develi, 2010)
Borlanmış Fe-Mg alaşım malzemelerine XRD metalografik analiz çalışmaları yapılmıştır. Bu analiz, Shimadzu XRD-6000 XRD cihazı ile gerçekleştirilmiştir.
93 Ayrıca borlanmış alaşım malzemelerinin borlama tabakalarını görüntülemek için optik mikroskopla incelemeleri yapılmıştır. Numuneler inceleme öncesi bakalit kalıplarına alınarak zımparalama işlemi gerçekleştirilmiştir. Zımpara işleminde sırayla numarası 240, 320, 400, 600, 800 ve 1000 olan zımpara kağıtları kullanılmış ve numuneler zımparalanmıştır. Bu işlemi takiben alümina solüsyon kullanılarak numuneler parlatılmıştır. En son olarak tabaka kalınlığının optik mikroskopta belirgin bir şekilde görünmesini sağlamak için % 3 Nital dağlayıcı malzemesi kullanılmıştır.
3. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1 Borlama
Borlama işlemi kapalı fırın içerisinde 800 ve 900 °C sıcaklıklarda 2 ve 6 saat sürelerde gerçekleşmiştir. 800 °C sıcaklıkta yapılan borlama sonrasındaki XRD analiz ve optik inceleme sonucunda borlama yapılarının oluşmadığı gözlemlenmiştir. 900 °C sıcaklıkta 2 ve 6 saat sürelerde gerçekleşen borlama işlemi sonrasında numunelerde borlama tabakası yüzeyin etrafını tamamen sarmamış, kısım kısım oksitlerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Oluşan kısmi tabaka kalınlıkları şekil 2'de verilmiştir.
Şekil 2. 900 °C sıcaklıkta 2 ve 6 saat sürelerde gerçekleşen borlama işlemi sonrası tabaka kalınlıkları 3.2 XRD Analizi
Sinterlenerek elde edilen alaşım malzemelerine yapılan borlama işlemi sonrasında metalografik analiz olarak XRD analiz çalışması yapılmıştır. Bu analizde, X-Işını olarak Cu K (alpha) tercih edilmiştir. Analizde tarama hızı 0,02 °/dk ve tarama açısı ise 2 Theta olacak şekilde yapılmıştır.
Şekil 2 ve 3'te 900 °C sıcaklıkta 2 ve 6 saat sürede Fe %90-Mg % 10 kompozisyonuna yapılan XRD analiz çalışma sonuçları görülmektedir. Sonuçlarda en yüksek faz değerlerine FeB ve Fe2B pikleri sahiptir. Bu
faz değerlerini takiben Fe değeri gözlemlenmiştir. FeB ve Fe2B pik değerlerinin ortaya çıkması
borlamanın gerçekleştiğini göstermektedir. Saygın, 2006 ve Arat, 2011 yaptıkları çalışmada FeB ve Fe2B
94
Şekil 3. Fe %90-Mg % 10 kompozisyonun 900 °C sıcaklıkta 2 saat sürede gerçekleşen borlama işlemi
sonrası yapılan XRD analiz sonucu
Şekil 4. Fe %90-Mg % 10 kompozisyonun 900 °C sıcaklıkta 6 saat sürede gerçekleşen borlama işlemi
sonrası yapılan XRD analiz sonucu
Şekil 5 ve 6'da 900 °C sıcaklıkta 2 ve 6 saat sürede gerçekleşen borlama işlemi sonrasında Fe %95-Mg % 5 kompozisyonuna yapılan XRD analiz çalışma sonuçları görülmektedir. Analiz sonuçlarında en yüksek faz yapıları FeB ve Fe2B olarak ortaya çıkmıştır. Süre artışına bağlı olarak bu değerlerde de
artışlar olmuştur. Dilektaşlı, 2014 ve Demirel, 2013 yaptıkları çalışmalarda 800 ve 900 °C sıcaklıklarda bu yapıları elde etmişlerdir. FeB ve Fe2B yapılarının ortaya çıkması borlamanın gerçekleştiğini
95
Şekil 5. Fe %95-Mg % 5 kompozisyonun 900 °C sıcaklıkta 2 saat sürede gerçekleşen borlama işlemi
sonrası yapılan XRD analiz sonucu
Şekil 6. Fe %95-Mg % 5 kompozisyonun 900 °C sıcaklıkta 6 saat sürede gerçekleşen borlama işlemi
sonrası yapılan XRD analiz sonucu
3.3 Mikro Yapı
Borlama işleminden sonra ortaya çıkan bor tabaka kalınlığının ölçümü ve görüntü analizi Nikon SMZ1000 marka mikroskop ve Clemex kamera kullanılarak elde edilmiştir. Şekil 7'de Fe %90-Mg %10 ve Fe %95-Mg %5 alaşımlarının 900 °C'de 2 ve 6 saat süre ile borlanmış mikroskop görüntüleri yer almaktadır. En kalın bor tabakasına 900 °C'de 6 saat süre ile borlama sonucunda ulaşılmıştır. 800 °C'de yapılan borlamalarda bor tabakası gözlemlenmemiştir.
96
Şekil 7. 900 °C'de 2 ve 6 saat süre ile borlanan Fe-Mg alaşımlarının mikroskobik görüntüleri (a: Fe
%90-Mg %10 200X, 2 saat borlama, b: Fe %95-Mg %5 200X, 2 saat borlama, c: Fe %90-Mg %10 500X, 6 saat borlama, d: Fe %95-Mg %5 500X büyütme, 6 saat borlama,)
4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
620 °C'de sinterlenerek üretilen numunelere borlama işlemi sonrası elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir:
Borlama kalınlıklarına bakıldığında Fe %90-Mg %10 kompozisyunda 900 °C'de 2 saat sürede 10 µm, 900 °C'de 6 saat sürede 13 µm; Fe %95-Mg %5 kompozisyunda 900 °C'de 2 saat sürede 11 µm, 900 °C'de 6 saat sürede 15 µm olarak ölçülmüştür.
Yapılan XRD analizi sonrasında FeB, Fe2B ve Fe faz değerleri ortaya çıkmıştır.
Mikroyapı incelemesinde 900 °C 2 ve 6 saatlik sürelerde gerçekleşen borlama neticesinde bor tabakaları gözlemlenmiştir.
Sonuçlar ve analizler incelendiğinde en iyi borlama 900 °C'de yapılan işlem sonucunda ortaya çıkmıştır. 800 °C'de bor tabaka kalınlığı gözlemlenmemiştir.
Çalışmada kıyaslama yapmak için borlama sıcaklıkları 800 ve 900 °C olarak gerçekleştirilmiştir. 800 °C'de bor tabaka kalınlıklarının oluşmamış olmasından dolayı bu kıyaslama için 900 ve 1000 °C sıcaklıklar uygulanırsa daha iyi bor tabakaları elde edilebilir.
97
5. KAYNAKLAR
Erdinç EFENDİ, (2017), Mekanik Alaşımlama ile Üretilen Ti-5Al-2,5Fe-XCu-YAg Alaşımlarının Sinterlenmesi ve Karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü İbrahim BİLİCİ, (2005), Ti-Fe Alaşımlarından Basınçsız İnfiltrasyon Yöntemiyle Seramik Metalik Kompozit Malzeme Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Kulka, M., Makuch, N., Pertek, A., Piasecki, A., (2012), An Alternative Method of Gas Boriding Applied To The Formation of Borocarburized Layer, Materials Characterization, 72: 59-67.
Campos-Silva, I., Ortiz-Domı´nguez, M., Lo´ pez-Perrusquia, N., Meneses-Amador, A., Escobar-Galindo, R., Martı´nez-Trinidad, J., (2010), Characterization of AISI 4140 borided steels, Applied Surface Science, 256: 2372-2379.
Tarkan AYTER, (2005), Borlama İşleminin Çeliklerin Yüzey Kalitesi ve Aşınma Davranışına Etkisinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Demet ÖZAYDIN, (2015), Toz Metalurjisi ile Üretilen Demir Esaslı Malzemelerde Borlamanın Mekanik Özelliklere Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Makuch, N., Kulka, M., (2014), Microstructural Characterization and Some Mechanical Properties of Gas-Borided Inconel 600-Alloy, Applied Surface Science, 314: 1007-1018.
Fatih DEVELİ, (2010), Plazma Nitrürleme ve Borlama İle Çift Yüzey İşlem Uygulanmış AISI 8620 Çeliğinin Aşınma Davranışının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Filiz TAŞTAN, (2010), Farklı Bileşimlere Sahip Çeliklerin Borlama İşlemi ile Yüzey Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Musa BEKTEŞ, (2010), Fe-Mn İkili Alaşımlarının Mekanik Özellikleri Üzerine Borlamanın Etkisi , Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Mehmet ÖZER, (
2011), Üç Farklı Çeliğe Katı Borlama İşlemi Yapılmasının İçyapı ve Sertlik Üze rine Etkisinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri EnstitüsüAbdulkadir ÜÇKARDEŞLER, (2013), Çelik Dökümlerde Borlama Isıl İşleminin Abrasif Aşınma Direnci Üzerine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Mahmut ÇARKÇI, (2012), Saf Nikelin Borlama Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Rifat YILMAZ, (2014), Karbür Kesici Takımların Süper Alaşım Talaşlı İmalat Performanslarına Borlama İşleminin Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Şükrü ÜLKER, (2012), Farklı Gaz Karışımlarında Plazma Pasta Borlanmış AISI 8620 Çeliğinin Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Murat SAYGIN,(2006), AISI 1020 Çeliklerinde Borlamanın Yorulma Dayanımına Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Osmangazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
98 Mustafa ARAT, (2011), Paslanmaz Çelik 310 ve 316 Metalinin Plazma Borlama ve Nitrürleme Metodu İle Mekanik Özelliklerinin Geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Emre DİLEKTAŞLI, (2014), Bazı Alaşımlı Çeliklerin Yüksek Sıcaklık Aşınma Davranışına Borlama İşleminin Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Çağdaş DEMİREL, (2013), AISI 8640 Ve GS 60 Çelik Malzemelerin Abrasif Aşınma ve Korozyon Davranışına Borlama İşleminin Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
