Katodik Redüksiyon-termal Difüzyon Yöntemi İle Metallerin Borlanması (krtd-bor) Ve Süreçlerin Optimizasyonu

Abstract

Bu tez çalışmasında, çevresel olarak hiçbir zehirli gaz salını olmayan ve karalı oksit esaslı elektrolitlerle, kısa borlama sürelerinde (≤1saat) endüstriyel olarak talep edilen kalınlıkta ve kompozisyonda borür tabakası eldesini mümkün kılacak, çevresel kirlilik yaratmayan alternatif bir borlama yöntemi geliştirilmesi hedeflenmiştir. Endüstriyel olarak klasik borlama yönteminin günümüzde en büyük kullanımına sahip olan çelikler üzerinde başlangıç çalışmaları gerçekleştirilmiş ve demir borür yapısının büyüme kimyası, morfolojisi irdelenmiş ve demir borür fazlarının (FeB ve Fe2B) oluşum kinetiği ve büyüme hız eşitlikleri çıkarılmıştır. Ayrıca, Çeliklerin borlanması sonucu yüzeyde genellikle iki fazlı (FeB ve Fe2B) borür tabakasının oluşumuna bağlı endüstriyel uygulamalarda karşılaşılan sorunlar irdelenmiş ve tek fazlı Fe2B içeren borür tabakasının hızlı bir şekilde (≤1saat) büyümesine olanak sağlayan işlem parametreleri belirlenmiştir. Geliştirilen elektrokimyasal borlama prensibine dayanan borlama tekniğinde katodik reaksiyonlar neticesinde bor atomunun taban malzeme yüzeyinde oluşturulması ve akabinde bor atomunun taban malzemenin içerisine sıcaklığın itici gücüyle difüzyonu sonucu taban malzemenin atomlarıyla yüzeyde metal borür bileşiklerini oluşturmasını kapsayan iki temel basamak içermesi sonucu “Katodik Redüksiyon - Termal Difüzyon (KRTD)” prosesi olarak tanımlanmış ve kısaca KRTD-Bor olarak isimlendirilmiştir. Tezin ikinci aşamada özellikle son beş yıllık dönemde önemi ve kullanımı giderek artan titanyumun kötü tribolojik özelliklerini iyileştireceği beklentisiyle geliştirilen elektrokimyasal esaslı borlanma tekniği ile borlanması dünyada da ilk defa sistematik olarak çalışılmıştır. Bu kapsamda KRTD-Bor tekniğini titanyum için uygulanabilirliği, titanyum borür tabakasının büyüme kimyası, morfolojisi ve oluşum mekanizması irdelenmiş ve kinetiksel yaklaşım yapılmak suretiyle TiB2 tabakasının elektrokimyasal büyüme koşullarında kinetik denklemi çıkarılmış ve endüstriyel diyagramla pratikleştirmesi sağlanmıştır.

The starting idea of the study is the necessity of an alternative boriding process with the capability of producing very thick boride layers in a fast and safe way and with the elimination of environmental issues which have become major concerns in recent years. The initial studies started on steel substrates. The growth kinetics of boride layers on low carbon steel was investigated. Furthermore, the effects of process durations and electrolyte temperatures on the morphological and chemistry of boride layers were explored. The potential problems due to duplex layer formation (FeB ve Fe2B) on steel substrates were examined and the process parameters for the growth of single boride layer (Fe2B) were determined. The developed technique is essentially based on an electrochemical boriding in which the formation of atomic boron on the cathode (substrate) takes place as a result of cathodic reactions and subsequently diffusion of boron into the interstitial sides to grow boride compounds occurs in consequence of thermal excitations, hence the new process is called as “Cathodic Reduction and Thermal Diffusion” with abbreviation of CRTD-Bor. In the second stage of the study, the developed electrochemical boriding was applied to titanium in a systematic manner with the expectation of improvement in its poor tribological properties. Consequently, the effects of parameters of CRTD-Bor on the morphological and chemistry of boride layers were explored. Moreover kinetic approach was repeated for the boriding of titanium to have growth equation of TiB2 layer and to determine a practical diagram for potential applications.