AISI 4340 ÇELİĞİNİN NİTRÜRASYON VE GTA KAYNAK YÖNTEMİ İLE YÜZEY MODİFİKASYONU İŞLEMLERİ SONRASI MEKANİKSEL DAVRANIŞLARIN ARAŞTIRILMASI

Abstract

Bu çalışmada, yüksek mukavemetli düşük alaşımlı A1SI 4340 çeliğine, üç farklı yöntemle yüzey özellikleri değiştirilerek, mikroyapıda oluşacak karbür ve diğer fazların, malzemenin sertliğine ve abrasiv aşınma davranışlarına olan etkileri araştırılmıştır. Bu nedenle, A1SI 4340 çelik numunelerine geleneksel yüzey modifikasyon tekniklerinden yüzey sertleştirme/tavlama işlemi, nitrokarbürleme ve gaz tungsten ark (GTA) yöntemiyle yüzey modifikasyonu yapılmıştır. Mikroyapı incelemelerinde optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (scanning electron microscope SEM) ve noktasal analiz tekniği (energy dispersive spectograph EDS) mikro analizleri ile birlikte X-ışını difraksiyonu (X-ray diffraction XRD) analizlerinden faydalanılmıştır. Yüzeydeki modifîye edilen tabakanın sertliği, mikrosertlik cihazlarıyla ölçülmüş ve yüzey tabakasının aşınma direnci pin-on-disk test metoduyla bulunmuştur. Aşınma testleri sonrası numunelerin kütle kayıpları tespit edilerek aşınma oranlan elde edilmiştir. Birinci gruptaki AISI 4340 çelik malzemeleri; 850 °C de ostenitleme ve yağda su verme işlemini takiben, 450, 550 ve 650 °C gibi farklı temper sıcaklıklarında 60, 120 ve 240 dakika gibi sürelerle temperleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Ostenitleme ve yağda su verme işlemiyle AISI 4340 malzemesinden çıta tipi martenzitik yapı elde edilmiştir. Martenzitik yapının değişik sıcaklık ve sürelerde temperlenmesiyle mikroyapıda ferrit ve ferrit matrisinde dağılmış karbürlere rastlanılmıştır. 450 °C temper sıcaklığı için işlem süresinin yeterli olmamasının bir sonucu olarak, abrasiv aşınma miktarı yüksek çıkmıştır. Martenzit yapılı numuneyle temperlenen numunelerin abrasiv aşınma testlerinde minimum aşınma değeri 650 °C de 2 saat süreyle temperlenen malzemeden elde edilmiştir. Bu malzemede mikroyapının rekristalizasyona uğraması ve dislokasyon bölgelerinin nispeten az olmasından dolayı kütle kaybı da düşmüştür. İkinci gruptaki malzemelere, 350 °C de ön ısıtma ve 580 °C de 30, 60 ve 120 dakika sürelerle nitrokarbürleme işlemi yapılmıştır. İşlem sonrası Fe3N ve Fe3N+Fe4N fazlarına rastlanılmıştır ve sürenin uzamasıyla tabaka kalınlığı ve sertlikte yükselme kaydedilmiştir. Sertlik değerleri, işlem süresine bağlı olarak 700-750 HV arasında değişim göstermiştir. Nitrokarbürleme şartlarına bağlı olarak, minimum kütle kaybı 120 dakika süreyle nitrokarbürlenen malzemede elde edilmiştir. XIIIÜçüncü gruptaki malzemelere, ferrokrom karbon (FeCrC) ve WC taneleri, gaz tungsten ark (GTA) yöntemiyle farklı miktarlarda modifikasyonları yapılarak, oluşan yüzey tabakalarının mikroyapılan, sertlikleri ve aşınma karakteristikleri incelenmiştir. FeCrC yüzey modifikasyonlu numunelerde, ötektik altı ve ötektik üstü mikroyapılar elde edilmiştir. Ötektik altı yapı, kübik yüzey merkezli ostenit fazıyla beraber, hegzagonal sıkı paket yapılı M7C3 (M= Cr, Fe) karbürlerinden oluşmuştur. Ötektik üstü mikroyapılarda ise, birincil M7C3 karbürleri ve ostenit fazları tespit edilmiştir. Toz miktarının az, üretim hızının düşük ve enerji girdisinin de yüksek olmasıyla, Fe, Cr ve C konsantrasyonunca zengin dendritik yapı meydana gelmiştir. WC ile yapılan yüzey modifikasyonunda, ara yüzeye doğru yönlenmiş dendritler ile birlikte, farklı biçim ve konsantrasyonlara sahip Fe, C, W ce zengin M7C3, M21C6, W2C ve Fe^W^C karbürlerine rastlanılmıştır. FeCrC tozuna farklı miktarlarda WC ilavesi yapılarak üretilen yüzey modifikasyonlu malzemelerde ise, kübik yüzey merkezli ostenit (y) ve M7C3 (M=Cr,Fe,W) ile WC karbürlerini içeren mikroyapılar meydana gelmiştir. Üst tabakanın sertlik değerleri yapıdaki mevcut faz ve karbürlerin varlığından dolayı önemli ölçüde yükselmiştir. Sertlik değerleri FeCrC tozlarıyla yapılan yüzey modifikasyonlu malzemelerde 712- 861 HV arasında değişirken, WC ilavesiyle 950-1150 HV arasında değişim göstermiştir. WC kaplamalarında ise 1200 HV değerlerine ulaşılmıştır. FeCrC tozlarıyla yapılan modifikasyonda maksimum kütle kaybı üretim hızının yüksek, toz miktarının ve enerji girdisinin düşük olduğu numunede elde edilmiştir. FeCrC a WC ilavesiyle yapılan yüzey modifikasyonunda, aşınma uzun mesafelerde kaymayla sonuçlandığından, kütle kaybı, FeCrC kaplamalarından daha düşük değerlerde kalmıştır. WC ile yapılan yüzey modifikasyonlu malzemeler ise diğer FeCrC ve FeCrC/WC modifikasyonlu numunelere göre çok daha düşük kütle kayıplarına uğramışlardır. Bu da, WC modifikasyonlu malzemelerin yapısında WC ve W2C gibi sert karbürlerin homojen dağılımından dolayıdır. Anahtar Kelimeler: Yüzey modifikasyonu, yüksek karbonlu ferrokrom, abrasiv aşınma. XIV