İyon nitrürlenmiş H13 sıcak iş çeliğinin sıcaklık ve zaman ile sertlik değerlerinin değişimi

Abstract

Yapılan literatür araştırmalarından ve uygulamalardan, çeliklerin sıcaklıkla dayanım ve sertliklerinin azaldığı bilinmektedir. Dolayısıyla, özellikle sıcak dövme kalıplarının ömrü hızlı bir şekilde azalmaktadır. Hasar, genelde yüzeyde olduğundan yüzeyin sertlik ve dayanım değerleri artırılarak kalıp ömrü artırılabilir. Bu çalışmada H13 sıcak iş çeliği kullanılmış ve çeliğe yüzey sertleştirme yöntemlerinden iyon nitrürleme işlemi uygulanmıştır. İyon nitrürleme işlemi, azot ile birlikte hidrojen veya argon gibi bir gaz kullanarak alam boşalması sonucunda oluşan iyonlaşma ile yapılır. Azot, çeliğin demir ve alaşım elemanları ile reaksiyona girer ve sertleşmeyi sağlayan nitrürler oluşur. İyon nitrürleme ile oluşan tabaka, beyaz ve difüzyon tabakası olmak üzere iki bölgeden oluşur. İşlem, hemen hemen bütün çeliklere uygulanabilir. Bu çalışmanın amacı, sıcaklık ve zaman etkisi altında, sıcak iş çeliğinin sertlik değerlerinin değişimini saptamaktır. Çeliğe önce su verme ve temperleme yapılmış (S+T), sonra bu çeliğin yüzey ve yüzeyden 200 u,m derinliğe kadar sertlik değerleri ölçülmüştür. Daha sonra, bu çeliğe basınç 10 Torr, gaz karışımı %25N2+%75H2, sıcaklık 500°C, zaman 10 saat olmak üzere iyon nitrürleme (S+T+İN) uygulanmıştır. Bu çeliğin yüzey sertliğinin, yalnızca su verilmiş ve temperlenmiş çeliğinkinden yaklaşık olarak iki kat daha fazla olduğu saptanmıştır. Yüksek sıcaklık dayanımım saptamak için, (S+T) ve (S+T+İN) yapılmış çelikler, 200°, 300°, 400°, 500°, 600° ve 800°C sıcaklıkta 2, 50, 100, 150 saat finnda bekletilmiş ve sertlikleri, mikroyapılan incelenmiştir. Sıcaklık ve zaman parametre olarak alındığında, 200°-500°C sıcaklık aralığında, (S+T+İN) yapılmış çeliklerin sertliklerinin zamanla önemli bir azalma göstermediği saptanmıştır. 600°C sıcaklıkta ise sertlik değerlerinde önemli oranda azalma saptanmıştır. 800°C sıcaklıkta ise sertlik değerleri, (S+T) yapılmış çelikle yaklaşık olarak aynıdır. Dolayısıyla, 600°C sıcaklıkta nitrür etkisinin azaldığı, daha yüksek sıcaklıklarda ise nitrür etkisinin kalmadığı saptanmıştır.

It has known from literatures investments and various applications that the strength and hardness values decrease with temperature. As a consequence the life of especially hot working moulds is rapidly decreased. Since the damage occurs on the surface, the life of the mould increases by raising the hardness and strength values of the surface. In this study, AISI type HI 3 (1.2344) (X40CrMoV5) hot work tool steel is used and the ion nitriding of surface hardening process is applied to the steel. The ion nitriding process is performed through the ionisation occurring following a current discharge using a nitrogen and such gases as hydrogen or argon. The nitrogen reacts with the iron and the alloy elements of the steel and nitrides that ensure hardness are formed. A nitrided case existed with the ion nitriding, consists of two zones, white and diffusion layer. This process is applied to almost all steel varieties. This study aims at determining the variation of hardness values of the hot work steel with the effect of temperature and time. The experiment done shows as follows: The steel is quenched and tempered (Q+T) and hardness values are measured at the surface and up to a depth of 200 um. Later, the ion nitriding (Q+T+IN) is performed to the (Q+T) steel with a pressure of 10 Torr, a gas mixture of 25% N2 + 75% H2, a temperature of 500°C and a time of 10 hours. It is found that the surface hardness of this steel is approximately twice higher than that of quenched and tempered steel. In order to determine high temperature strength, the (Q+T) and the (Q+T+IN) steels are held at a temperatures of 200°, 300°, 400°, 500°, 600° and &00°C for 2, 50, 100, 150 hours in the fiirnace, and hardness variations, microstructures are examined. When temperature and time are taken as parameters, no important decrease has been observed in the hardness of the (Q+T+IN) steels in time at 200°-500°C temperature range. But at the temperature of 600°C, the hardness values have decreased to the consequential rate. Hardness values are approximately the same when compared with the (Q+T) steel at the temperature of 800°C. It is determined that the nitride effect decreases at the temperature of 600°C, and there is no nitride effect left at higher temperatures.