Takım çeliğinin KRTD-bor yöntemi ile borlanması ve süreçlerinin optimizasyonu

Abstract

Takım çelikleri; diğer malzeme türlerinin talaşlı veya talaşsız işlenmesinde kullanılan bir çelik türüdür. En basit şekilde üçe ayrılırlar; i) sıcak iş takım çelikleri ii) soğuk iş takım çelikleri iii) yüksek hız takım çelikleri. Sıcak iş takım çelikleri (H Grubu), yüksek sıcaklıklarda delme, kesme ve şekillendirme gibi işlemleri gerçekleştirmek için geliştirilmiştir. Soğuk iş takım çelikleri (Grup A, D ve O) genellikle 200 °C' nin altındaki sıcaklıklarda ve kesme, bükme ve şekillendirme işlemlerinin kalıplarında kullanılır. Yüksek hız çelikleri (Grup M ve T), genellikle 400-600 °C sıcaklık aralığında yüksek hızlı kesici takım uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilmiş takım malzemeleridir. T grubu yüksek hız takım çelikleri arasında yer alan AISI T1 çeliği, zorlu koşullarda (yüksek sıcaklık, nem, sürtünme vb.) kullanıldığı için yüksek tokluğa ve aşınma direncine sahiptir. Genellikle yüksek aşınma direnci ve yüksek sıcaklık dayanımı gerektiren tornalama, kesici takımlar, sıcak ekstrüzyon takımları ve kalıplar gibi uygulamalar için tercih edilir. Özellikle sert malzemelerin işlenmesi veya yüksek sıcaklık uygulamalarında bu çelik aletlerin yüzeyleri zamanla deforme olur ve bir süre sonra çalışamaz hale gelir. Bu gibi durumlarda çalışma koşullarından kaynaklanan deformasyona karşı uygulanacak yüzey işlemleri ile takım çeliklerinin kullanım ömürleri uzatılabilir. Günümüzde birçok yüzey iyileştirme işlemi ile takım çeliklerinin daha uzun süre çalışabilmeleri için yüzeyleri kaplanabilir veya modifiye edilebilir. Bu işlemlerden biri olan borlama işlemi, iş parçasının yüzeyinde yüksek sertlik ve aşınma direncine sahip bir tabaka oluşturarak parçaların ağır çalışma koşullarına karşı direncini arttırır. Geleneksel borlama işlemlerinde, iş parçasının yüzeyinde çift fazlı bir FeB-Fe2B yapısı oluşturulur. Ancak FeB ve Fe2B fazlarının bir arada bulunduğu durumlarda, farklı ısıl genleşme katsayıları ve farklı sertlik değerleri nedeniyle borlama işleminden sonra iki faz arasında yüzeye paralel çatlaklar oluşur. Çalışma koşullarında bu çatlakların sayısı ve boyutu arttığından dolayı bir süre sonra tabaka parçalanmakta ve iş parçası kullanılamaz hale gelmektedir. Yeni patentli bir borlama yöntemi olan KRTD-Bor (Katodik Redüksiyon ve Termal Difüzyon Yöntemi ile Borlama), dünyada yaygın olarak kullanılan kutu borlama yöntemine göre daha ekonomik, hızlı ve çevreye zarar vermeyen bir prosestir. Ayrıca proses parametrelerinin değişken olması nedeniyle faz homojenizasyonu (FH) işleminin entegrasyonuna uygundur. FH işleminin KRTD-Bor yöntemine entegrasyonu, FeB fazının Fe2B fazına dönüştürülmesini sağlar. Bu tez kapsamında, ıskartaya ayrılmış yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmış olan AISI T1 çeliklerinin KRTD-Bor yöntemi kullanılarak yüzeylerinin endüstriyel olarak tercih edilen Fe2B ile modifiye edilmesi hedeflenmektedir. Böylelikle bu kullanılmış malzemelerin tekrar kullanıma uygun hale getirilmesi ve ağır servis koşullarına dayanıklı, üstün performanslı ve uzun ömürlü olması amaçlanmaktadır. Modifiye edilecek çelik takım çeliği malzemeleri, daha öncesinde endüstriyel işlemlerde kullanıldığı için yapı içerisinde çok miktarda Fe3W3C karbürü olduğu gözlemlenmiştir. Tez boyunca yapılan tüm deneyler orta frekanslı bir indüksiyon fırınında, grafit potanın anot ve AISI T1 çeliği numunelerin katot olarak polarize edildiği bir sistemde yapılmıştır. Elektroliz deneyleri 200 mA/cm2 akım yoğunluğunda, %90 Na2B4O7 ve %10 Na2CO3 ile oluşturulmuş elektrolit içerisinde, 850-1050 °C sıcaklık aralığında ve 15-30-60 dakika boyunca gerçekleştirilmiştir. KRTD- Bor deney sistemine entegre edilen FH işlemi, elektroliz işlemi tamamlanan numunelerin elektrolit içerisinden akımsız olarak bırakılmasıdır. KRTD-Bor işlemi ile yapılan borlama sonrasında numuneler 850-900 °C sıcaklık değerlerinde, 45-60-75 dakika boyunca FH işlemine tabi tutulmuştur. Yüzey modifikasyon işlemleri tamamlanan numunelerin sırasıyla; metalografi işlemleri yapılıp optik mikroskop ile görüntü alma, X-ışını difraksiyonu (XRD) ile faz analizleri, EDS ataçmanlı SEM ile elemantal analizleri ve son olarak da Vickers sertlik ölçüm cihazı ile sertlik analizleri yapılmıştır. Ayrıca Parabolik Hız Kanunu kullanılarak AISI T1 çeliğinin yüzeyinde oluşturulan borür tabakasının büyüme kinetiği de incelenmiştir. Yapılan elektroliz deneyleri sonucunda tüm süre ve sıcaklıklarda FeB ve Fe2B fazlarından oluşan borür tabakaları elde edilmiştir. 850 °C sıcaklıkta 15 dakika boyunca yapılan elektroliz sonucunda 9 µm kalınlığında borür tabakası elde edilirken bu kalınlık 1050 °C sıcaklıkta 60 dakika yapılan elektroliz işlemi sonucunda 53 µm değerine çıkmıştır. Ayrıca yapılan XRD analizi sonucunda artan sıcaklıkla beraber yapıda tungsten borür fazları (WB4,WB2) oluştuğu gözlemlenmiştir. Kinetik çalışma sonucunda elde edilen değerler, daha öncesinde yapılan farklı çalışmalardan elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışma kapsamında aktivasyon enerjisi (Q) 179,05 kJ/mol olarak bulunmuştur. Bu değer, kutu borlama işlemi uygulanan birçok takım çeliğinden elde edilen değerlerden daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. KRTD-Bor işlemi için ise 15 dakika elektroliz süresi optimum değer olarak seçilmiştir. 850 °C sıcaklıkta 15 dakika elektroliz + 45 dakika FH uygulanan numunede borür tabakası oluşmadığı gözlemlenmiştir. Sıcaklık düşük olduğundan yüzeyde redüklenen bor atomlarının FH aşamasında tekrardan elektrolit içerinde çözündüğü düşünülüp 900 °C sıcaklık değerine çıkılmıştır. Bu sıcaklık değerinde uygulanan 45-60-75 dakika FH işleminden sonra sırasıyla 19, 24 ve 28 µm kalınlığında borür tabakaları elde edilmiştir. 45 ve 60 dakika FH sürelerinde ana yapıda bulunan Fe3W3C karbür yapılarının Cr18.93Fe4.07C6 karbür yapısına dönüştüğü gözlemlenmiştir. 75 FH işlemi sonucunda ise bu karbüre rastlanmamıştır ve yapıda Fe2B, Cr5B3 ve V3B4 fazlarından oluştuğu bulunmuştur. Yapılan sertlik analizi sonuçlarına göre; 1050 °C sıcaklıkta 60 dakika elektroliz uygulanan numuneye ait borür tabakasının sertlik değeri, numunenin merkezinden ölçülen sertlik değerinden yaklaşık 2,5 katı daha büyük olup 2300 ± 200 HV olarak elde edilmiştir. 900 °C sıcaklıkta 15 dakika elektroliz + 75 dakikalık FH uygulanan numunede oluşturulan borür tabakasının sertlik değeri ise numunenin merkezinden alınan sertlik değerlerine oranla yaklaşık 2 kat artarak 1600 ± 150 HV bulunmuştur.