makale PLAZMA BORLAMA
Mehmet KARAKAN*, Akgün ALSARAN**, Ayhan ÇELİK***
Boriama, sert bor tabakaları üretmek için iş parçasının yüzeyine bor atomlarının difüzyonunu içine alan termokimyasal bir difüzyon istemidir. Mükemmel aşınma özellikleri ve 1000 "C'ye kadar sıcaklıklarda iyi mukavemetinden dolayı bu işlem Makina Mühendisliği için ilgi çekicidir. Plazma ile bozlama, bilinen işlemlerden farklı olarak çevre kirliliğine sebep olmama, bor tabakası kalınlığının hassas olarak kontrolü, enerji tasarrufu sağlama gibi avantajlara sahiptir. Bu makalede plazma horlama anlatılacaktır.
Anahtar sözcükler: Boriama, plazma, yüzey işlemleri
Boronızing is a thermochemical diffusion process in which boron atoms diffuse into the surface of the workplace to produce hard bonde layers. Due to its excellent wear properties and a good resistance up to 1000°C, this process is interesting for the Mechani
cal Engineering. Plasma bonding has many advan
tages such as no environmental pollution, controlling the thickness of the boride layers sensitively and sav
ing energy unlike conventional processes. In the present paper, plasma bonding will be reported.
Keywords: Bonding, plasma, surface toeatment
Arş Gör, Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü
Ars Gör Dr, Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Muh Bölümü
Prof Dr, Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Müh Bölümü
Mühendis ve Makina - Cilt 43 Sayı 512
GİRİŞ
Y
üzey mühendisliği, aşınma problemine çözüm üretmek için son yıllarda endüstriyel alanlarda geniş uygulama alanı bulmuştur. Yüzey işlemleriyle malzemenin sertlik, süneklik ve yorulma gibi mekanik özellikleri yanında sürtünme ve aşınma, oksidasyon ve korozyon özellikleri geliştirilmektedir. Sürtünerek çalışan makina elemanlarında belirli bir süre sonra ve ortaya çıkan aşınma problemlerini azaltmak için birçok yüzey iyileştirme teknikleri uygulanmaktadır. Bu yöntemlerden karbürleme, nitrürleme, boriama ve çeşidi yüzey kaplama teknikleri yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.Malzeme dizaynında, korozyon ve aşınma gibi özelliklerin göz önünde bulundurulması gerekir. 1982 yılında Amerikan Ulusal Teknoloji Enstitüsü' nün araştırmasına göre korozyon ve aşınmadan dolayı meydana gelen zarar, gayri safi milli hasılanın %6' sini (178,5 milyar dolar) teşkil ettiği görülmüş ve bu yönde çalışmalara ağırlık verilmesi önerilmiştir.
Yirminci yüzyılın başlarından itibaren çalışılmaya başlanan boriama ile çok sert, düşük sürtünme katsayısına sahip, yüksek sıcaklık mukavemeti fazla olan ve korozyon dirençli malzeme yüzeyleri elde edilmesi mümkün olmaktadır. Bir termokimyasal yüzey serdeştirme yöntemi olan horlamada, bor atomları metal yüzeyine termokimyasal olarak yayınarak sert bor tabakası oluştururlar. Bu yöntem, yaklaşık 900-1100 °C sıcaklıkta, değişik ortamlarda (katı, sıvı, gaz veya plazma) alaşımsız ve alaşımlı çeliklere, dökme demirlere, demir dışı metal ve alaşımlarına (Ni, Co, Mo, Ti), bu alaşımların toz metalürjisi yöntemiyle üretilen tozlarına, bazı süper alaşımlar ile sermeder gibi birçok malzeme grubuna uygulanabilir.
BORLAMA YÖNTEMLERİ
Kat. Ortamda Yapılan Boriama
En yaygın olarak kullanılmakta olan bu yöntem, taban malzemesi üzerine bor veya boronkarbid bileşiminde aktivitörlerle paketlenmesiyle yapılan horlamadır. Metot yalnızca küçük boyudu parçalara uygulanabilmektedir. Demir dışı alaşımlardan Ti, Ni, Ta esaslı alaşımlar bu yöntemle borlanabilmekte ve bunların borürleri 3200 HV sertliğe kadar ulaşabilmektedir [2]. Bu yöntemin işlem parametrelerinin kontrol yeteneği çok kötü olması, otomasyonun mümkün olmayıp elle çalışma mecburiyeti ve atık ürünlerin çevreye verdiği zarar gibi dezavantajları mevcuttur [5,6,12]. En yaygın
51
kullanım şekli olan paket borlama olarak bilinen kaü horlamada paket karışımları malzemenin cinside dikkate alınarak farklılık arz eder. Borlama, borlama etkeni (SiC le ince ince toz haline getirme), aktıvatör (BF gazı) ve bir oksit azaltıcı (sılika: asitle sulandırılmış kum) aşamalarını içerir [2].
Sıvı Ortamda Yapılan Borlama
Metalik malzemelerin bor kompozisyonlu erimiş tuz banyosuna daldırılmalarıyla yapılmaktadır. Erimiş tuz banyosu değişik oranlarda B4C, BaO, KCl, NaCl içerir.
BaO ilavesi dıfuzyonu önemli ölçüde iyileştirir. Oluşan demirbor tabakalarının tipik kalınlıkları 100-200 )Llm' dir [2]. Bu yöntemin zehirlilik, padayıcı doğa ve çevresel kirlilik gibi dezavantajlan kullanımını sınırlamaktadır [5,7].
Gaz Ortamında Yapılan Borlama
Boron hidriderin termal parçalanması sonucu elde edilen buharla yapılan borlama işlemidir. Bu işlemde sıcaklık yükseltilebilir ve daha homojen difüzyon tabakası elde edilebilir. İşlem özellikle karışık şekilli parçaların horlanması ve homojen tabaka elde edilmek istendiğinde tercih edilen bir yöntemdir [2]. Ancak sıvı ortamda borlama işleminde mevcut olan zehirlilik, padayıcı doğa ve çevresel kirlilik gibi dezavantajları kullanımını sınırlamaktadır [5,7].
Plazma Ortamında Yapılan Borlama
Demir esaslı ve demir dışı metalik malzemelere uygulanan, Ar, H2 gazları ile birlikte bor kaynağı olarak BC13, B2H6, BF,, B(PCH^ (trimetilborat) kullanarak, 800,-1000 °C sıcaklıkta, yaklaşık 10"2 Pa gibi bir düşük bir basınçta oluşturulmuş plazma içerisinde yapılan horlamadır. Mikroyapı ve demirbor tabakalarının büyümesi işlem sıcaklığı, gaz karışım oranları, malzeme kompozisyonları, işlem basınç değişim oranları ve uygulanan akım yoğunluğuyla kontrol edilebilmektedir [4,6,7,10,11].
BORLU TABAKANIN ÖZELLİKLERİ
Borlanmış çelikler yüksek yüzey sertlikleri ve yüksek aşınma mukavemederi ile karekterize edilirler.
Eğer aşırı bor mevcut veya malzeme çok fazla alaşıma sahipse Fe B fazı (%8,84wt B) yanında borca zengin
FeB (%16,25wt B) fazı meydana gelebilir. Yüksek iç gerilmeye sahip olduğundan ve Fe2B tabakasından kavlayarak döküldüğünden FeB fazı arzu edilmez [1,19]. Borlu tabakanın aşınma dayanımı, tabakanın tek veya çift fazlı olduğuna ve oluşum biçimine bağlıdır. En az aşınma Fe2B fazında, en fazla aşınma ise daha sert (1800-2000 HV) FeB fazında olan tabakada meydana gelmektedir. Çünkü FeB fazı Fe2B fazından daha gevrek bir yapıdadır. En yüksek aşınma dayanımının FeB içermeyen tabakalarda, yanı sadece Fe2B fazından oluşan tabakalarda elde edildiği deneylerle bulunmuştur [19].
Borlama işleminde, borun yüzeye yayınması sonucu parçanın en üst yüzeyinde bileşik tabaka adı verilen borlu bölge, onun alanda yayınma (difüzyon) bölgesi ve en iç kısımda ise çekirdek bölgesi yer alır. Yüzeyde borca zengin FeB en üstte oluşurken onun hemen altında daha homojen ve sünek olan Fe2B olmak üzere iki demirborür fazı oluşur. Termal uzama katsayıları farklı olan bu iki faz birlikte istenmezler. Yapıda bulunan Cr, W, Mo vs. alaşım elemenden tabaka kalınlığını (bora karşı afinitesınden dolayı) düşürürler [2].
Paslanmaz çelik malzemeler üzerine yapılan horlamalarda, yüzey üzerinde njkelin düşük çözünürlüklü olduğu bor tabakası oluşur ve fazla nikel bor tabakasının altında nikelce zengin tabaka oluşturmak üzere yapıya difüze olur. Cr elementinin birazı bor tabakasında çözünürken geri kalanı nikelce zengin tabaka ve bor tabakaları arasında kromca zengin bir tabaka oluşturmak üzere içeri difüze olur [7]. Demir dışı alaşımlarda, örneğin titanyum ve alaşımlarının horlanmasında yüzeyde sertlik değeri 3200 HV i bulan TİB ve TİB2 tabakaları elde edilmektedir [12].
Borlamanın yapıldığı plazma içerisinde yer alan B ve Cl iyonlarının işlem üzerinde çok önemli tesiri söz konusudur. En iyi işlem, düşük Cl iyonu yoğunluğu ve maksimum B iyonu yoğunluklarının olduğu plazmada ortaya çıkar. Yüksek Cl iyonu yoğunluğu plazma şiddetinde düşüşe, mikroyapıda gözenekliliğe ve demirbor tabakası üzerinde Cl ve B birikmesine (kaplanmasına) sebep olur. Klorun ayrıca dıfuzyonu engelleme etkiside söz konusu olup, B/Cl oranı iyi özelliklere sahip demirbor tabakası elde etmede yüksek olması gerekmektedir. Gözeneksiz yapı eldesi bu şekilde mümkün olmaktadır [5],
Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 512
makale
52
Borlu Tabakanın Tribolojik Özellikleri
Borlanmış çelikler yüksek sertliklerinden dolayı abrasif aşınmaya karşı çok ıyı direnç gösterirler. Bu nıtrürlenen ya da karbürlenen çeliklerle kıyaslandığında mükemmel derecede fazladır. Abrasif aşınmanın meydana geldiği ve borlama ile önemli ölçüde düşürüldüğü sistemlere; pnömatik transport sistemleri, plastik işleme makinaları, haddeleme elemanları, pompalar, valfler vs. örnek olarak verilebilir.
Adhezıf aşınma mukavemeti bakımından diğer yöntemlerden oldukça üstün olduğu görülmektedir.
Burada, yüksek sıcaklıklardaki mukavemeti Ö2ellikle ön plana çıkmakta olup, borlu tabakaların iyi aşınma özelliği göstermesi sebebi ile çok az ya da hiç yağlayıcı kullanmaksızın çevreyi korumak için gelecekte önemli bir etken olacaktır [1],
Borun oksijene karşı ilgisi fazla olduğu için yüzeyde koruyucu ince bir oksit filmi oluşturmakta ve bu oksit filmi yüzeyde yağlayıcı vazifesi göstererek sürtünmeli aşınma sırasında, sürtünme katsayısını düşürürken, yüzeylerin birbirine kaynamasını önler. Kaymalı sürtünmelerde açığa çıkan ısı borlu tabakaları etkilemez [19].
Adhezif aşınma mukavemetleri demirbor tabakalarında Cr ve Mo ilavesiyle iyileşûrilebilir. Abrasif aşınma Cr, Mo, V veya bunların hepsi üzerine vanadyum karbidlerin solüsyonlarıyla düşürülür. Yüzey yorulmasına karşı düşük mukavemet Mo ve V la yükseltilir. Tribooksidatif aşınma alaşım elementleriyle çok az etkilenir. Demir dışı metallerin horlanmasında özellikler Ti, Ta ve Ni metallerinin abrasif aşınma özelliklerinde çok büyük iyileşme gözlenmektedir. Ti ve Ta' in aşınma mukavemetine olumlu yönde etki ettiği saptanmıştır [2].
Borlu Tabakanın Korozyon Özellikleri
Borlanmış numunelerin H7S 04 gibi oksidenmeyen asitlere karşı korozyon direnci oldukça iyiken, HNO^
gibi oksidenen asitlere karşı kötüdür. Yüzeyde korozyon, direncini iyileştiren borlu tabakada yer alan kromborid olduğu sanılmaktadır. Çünkü kromboritten dolayı yüzeyde oluşan kromoksit yüzeyi korozyon aşınmasına karşı pasifleştirmektedir [19].
Mühendis ve Makına - Cilt 43 Savı 512
PLAZMA BORLAMANIIM AVANTAJLARI
a) Bilinen horlama işlemlerinde (katı, sıvı, gaz) tabaka kalınlığı ve homojenliği kontrol edilemezken, plazma horlamada mümkündür.
b) Kompleks parçalarda homojen dıfüzyon tabakası ve sertlik
c) Daha düşük sıcaklık ve işlem süresi d) İşlem çok yoğun enerjide gerçekleştirilir.
e) Bu yöntemle yüzeyde tek fazlı Fe2B tabakası elde edilebilir.
f) Daha büyük boyutlu (özellikle katı horlamaya gore) taban malzemeleri işleme tabii tutulabilir.
g) Zehirlilik, padayıcı yapı ve çevre kirliliğinin kontrol olanağı
h) İşlem sonrası daha düşük distorsıyon.
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR
Mükemmel aşınma mukavemeti nedeniyle plazma borlama üzerine endüstride birçok çalışma yapılmıştır.
Otomobil parçalarındaki aşınmayı azaltmak için Volkswagen firması tarafından konuyla ilgili geniş çalışmalar yapılarak, özellikle dişlilerin aşınmasında uygulanmıştır [5J. Hindistan' da birçok hidroelektrik santralde çok ciddi hasarlara sebep olan erozyonun önlenmesi, borlama ile sağlanmıştır [21]. Aynı şekilde isveç'te buhar türbinlerinde, çalışma esnasında yüzeyin parçacıklar tarafından erozyona uğratılması problemi de bu yöntemle çözülmüştür [22].
Yüksek aşınmanın gerekli olduğu pnömatik trans
port sistemleri, plastik işleme makınaları, haddeleme elemanları, pompalar, valfler, yüksek sıcaklık mukavemetine gereksinim duyulan yerlerde (1000 "Q, otomotiv ve uzay endüstrisinde, medıkal araçlarda vaz geçilemez bir şekilde kullanılmakta olan bir yöntemdir [2, 12, 19].
SONUÇ ve DEĞERLENDİRME
2000 HV e varan sertlik, yüksek sıcaklıklarda mukavemeti iyi olması, mükemmel aşınma mukavemeti özellikleri gibi birçok üstünlüklere sahip borlama, gelişen malzeme teknolojisinin vazgeçilmez bir yüzey işlem tekniğidir. Diğer yandan bilinen yöntemlere göre sıkanda
makale
53
makale
da bahsedildiği gibi oldukça avantajlı olan plazma horlamayla ilgili ülkemizde henüz hiçbir çalışma yapılmamaktadır Bu nedenle gelişmekte olan ülkemiz endüstrisinde gereken önem verilerek ustun özelliklerden fa) dalanılmalıdır
KAYNAKÇA
1. Matuschka, A.G., Boroni7ing, p55, 1980, He)den, London 2. Bhushan, B., Gupta, B.K., Handbook ot Tubology, 1991,
McGRAW HILL, I N C , USA
3. Bartsch, K., Leonhardt, A., Toımatıon ot Iron Bonde Lay- eıs on Steel b^ DC-Plasma Bonding and Deposition Pro
cesses, Surface and Coating Technology, 116 119 (1999) 386 390
4. Nam, K.S., Lee, K.H., Lee, S.R., Kwon, S.C , A Study on Plasma assisted Bonding of Steels, Suiface and Coating Tech
nology, 98 (1999) 886-890
5. Cabeo, E.R., Laudien, G., Biemer, S , Rie, K.-T., Hoppe, S , Plasma assisted Bonding of Industiial Components in a Pulsed DC Glow Discharge, Suitace and Coating Technol ogy, 116-119 (1999) 229-233
6. Kuper, A., Qiao, X., Stock, H.R., Mayr, P., A Novel Ap- pioach to Gas Boroni7ing, Surface and Coating Technology, 130 (2000) 87-94
7. Yoon, J . H . , Jee, Y.K., Lee, S.Y., Plasma Paste Boioni7ing Tieatment of The Stainless Steel AISI 304, Suitace and Coat
ing Technology 112 (1999) 71-75
8. Selçuk, B., ipek, R., Karamış, M.B., Kuzucu, V., An In
vestigation on Suiface Pıopertıes of Tieated Low Caibon and Allowed Steels (Boıonı?ıng and Carburi7ing), J Materials Pro
cessing Technology, 103 (2000) 310-317
9 Rie, K.-T., Recent Advances in Plasma Diffusion Processes, Suiface and Coaüng Technolog), 112 (1999) 56-62
10. Qiao, X., Stock, H.-R., Kueper, A., Jarms, C, Effect of B(CH,0), Content on A PACVD Plasma-bonding Piocess, Suitace and Coating Technology, 131 (2000) 291 293 11. Hunger, H.-J., Lobig, G., Geneıatıon of Boude Lajeıs on
Steel and Nickel Allocs b\ Plasma Activation of Boion Tiiflonde, Thin Solid Films, 310 (1997) 244-250
12. Kaestner, P., Olfe, J., Rje, K-T , Plasma assisted Bonding ot Pure Titanium and TiA16V4, Surface and Coating Tech
nolog, 142 144 (2001) 248 252
13. Anthymıdıs, K G., Stergioudıs, E., Tsıpas, D.N., Bonding in A riuıdı/ed Bed Reactoi, Mateuals Letters, 51 (2001) 156- 160
16
17
14. Blawert, C., Mordike, B.L., Weisheit, A., Treatment ot Vauous Surface Treated Layers by Plasma Immersion Ion Im
plantation, Surface and Coating Technology, 93 (1997) 297- 304
15. Yan, P.X., Su, Y.C., Metal Surface Modification by B C m- trıdıng in A Two-temperatuie-stage Process, Materials Chem
istry and Phvsics 39 (1995) 304-308
Wierzchon, T., Bielinskı, P., Sikorski, K., Formation and Ptoperues of Multicomponent and Composite Bonded Lay
ers on Steel, Surface and Coating Technology, 73 (1995) 121- 124
Lin, L., Han, K., Optimisation of Surface Properties by Flame Spray Coaüng and Bonding, Surface and Coating Technology, 106 (1998) 100-105
18. Melendez, E., Campos, I., Rocha, E., Barron, M.A., Stmc tural and Strength Characterisation of Steel Subjected to Bonding Theımochemıcal Process, Materials Science and Engineering, A234-236 (1997) 900-903
19. Karamış, M.B., Nair, E, Selçuk, B., Borlanmış Maİ7emelerın Tııbolo)ik ezellikleri, 6 Deni7İı Mabeme Sempo7vumu, 13- 14 Nisan 1995, svf 446-454, Deni7İı
20. Karadeniz, S., Pla7ma Tekniği, T M M O B Makına Muhendısleıı Odası, Yavın No 137, 1990
21. Mann, B.S., Hıgh-eneıgy Paıücle Impact Wear Resistance of Hard Coaüngs and Then Applıcaüon in Hydroturbines, Wear, v237.nl, 2000, p 140-146
22. Mann, B.S., Solid parncle Erosion and Protective Layers for Steam Tuıbıne Blading, Wear, v224,nl, 1999, p 8-12
54
Mühendis ve Makına Cilt 43 Sayı 512
