Geri Dön

Ergimiş tuz elektroliz yöntemiyle çeliklerin borlanması ve proses parametrelerinin optimizasyonu

Electrochemical Boronizing of steels in molten salt and optimization of process parameters

  1. Tez No: 152323
  2. Yazar: GÜLDEM KARTAL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERVET TİMUR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2004
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 125

Özet

ERGİMİŞ TUZ ELEKTROLİZ YÖNTEMİYLE ÇELİKLERİN HORLANMASI VE PROSES PARAMETRELERİNİN OPTİMİZASYONU ÖZET Borlama malzeme yüzeyine yüksek sertlik (1600-2000 HV), aşınma, yorulma, oksidasyon, korozyon direnci (oksitleyici olmayan sulandırılmış asitlere, alkali ve eriyik metallere karşı) kazandırmak amacıyla uygulanan bir yöntemdir. Yüzey borlama alüminyum ve silisyum içeren yatak çeliklerine, sertleştirilmiş, temperlenmiş, takım ve paslanmaz çelikler gibi yapısal çeliklere, döküm çeliklerine, Armco (ticari saflıkta) demire, gri ve küresel grafitti dökme demirlere, sinterlenmiş demir ve çeliklere endüstriyel olarak uygulanır. Borlama işlemi genelde yüzeyi iyi temizlenmiş malzemelere 700-1000°C sıcaklık aralığında 1-10 saat süreyle katı, pasta, sıvı veya gaz gibi çeşitli borür kaynağı işlevi gören ortamlarda uygulanabilmektedir. Bu tez çalışmasında ülkemizde ilk kez ergimiş tuz banyolarından, elektrokimyasal redüksiyon yolu ile çeliklerin horlanması çalışılmıştır. Borür tabakasının karakterizasyonu ve elektrolitik borürleme koşullarının uygulanmasına yönelik proses parametrelerinin belirlenmesi çalışılmıştır. Deneyler, Yüksek Frekanslı Fırında, grafit bir pota içerisinde, platin anot ve borürlenmesi düşünülen çelik malzeme katot olarak ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle borlama işlemi yapılmıştır. Çalışmada, ergimiş tuz elektroliziyle borlama işleminde süre, sıcaklık, akım yoğunluğu ve elektrolit bileşiminin etkisi incelenmiş ve tekrarlı deneysel çalışmalarda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir,. Borür tabakası zamana bağlı olarak parabolik hız kanununa uygun ve difuzyon kontrollü olarak büyümektedir ve büyüme hız denklemi d = 0,949 s“2 +32,433 dür.. Borürlemenin ilk 1 dakikasında yaklaşık 12 u hık bir tabaka oluşurken, tabaka kalınlığı 5. dakikada 25,858 \ı ve 10. dakikada ise 39,123 \ı a ulaşmaktadır. Birim zamanda azalan difuzyon hızı ile tabakanın büyümesi yavaşlamakta (t > 30 dakika, d > 100 u) ve tabaka kalınlığı 130 \ı ile maksimuma değerine ulaştığında ise büyümenin durduğu tespit edilmiştir.. Optimum akım yoğunluğunun en kaim tabaka açısından 200 mA/cm2 ve en homojen tabaka açısından 100 mA/cm2 olduğu tespit edilmiştir.. Akım yoğunluğuna (i) bağlı olarak borür tabakası d = 9,3631n(i) + 38,778 denklemi uyarınca büyümektedir. x. Elektroliz sıcaklığı 800°C den 900°C ye çıkıldığında kalınlık 43,6 ^ı iken, 900°C den 1000°C ye çıkıldığında ise 58,81 \ı olmaktadır. 800°C de oluşan toplam borür tabakası içinde yaklaşık olarak % 41,68 i FeB fazından oluşurken, 900°C de bu oranın % 44,8 e ve 1000°C de % 56,4 seviyelerine ulaştığı belirlenmiştir. Artan elektroliz sıcaklığına bağlı olarak borür tabakasında çatlak oluşumu azalmaktadır.. 800°C de elektrolit viskozitesinin çok yüksek olduğu buna karşın 1000°C de viskozite şiddetle azalırken artan sıcaklıkla elektrolit yüzeyinden aşın derecede NaCl buharlaşması meydana geldiği tespit edilmiştir.. Boraksa ilave edilen Na2C03 miktarının değiştirilmesi ile farklı (t] =B203/Na20) n oranlarının (1,25-1,5-1,75-1,87-2,245) incelenmesi sonucunda, t| oranının artmasına bağlı olarak borür tabakasının ve tabakanın bileşiminde bulunan FeB tabaka kalınlığının azaldığı tespit edilmiştir.. r| oram 1,25 ten 2,245 e çıkarıldığında tabaka kalınlığı yaklaşık olarak % 40 azalmaktadır.. Sisteme boraks yapısı dışında serbest Na20 (Na2CÛ3 veya NaOH) ilave edilmesiyle birlikte çelik üzerinde oluşturulan borür tabaka kalınlığının artmakta ve yapı daha ince dişliler içermektedir.. Saf susuz borik asitten (B2Û3) oluşan elektrolitten akım geçirmek mümkün değildir. Başka bir deyişle elektrolitte iletkenlik, sodyum iyonu ve sodyum içeren anyonlar tarafından sağlanmaktadır.. En kaim borür tabakası n = 1,25 oranında elde edilmesine karşın çalışma esnasındaki zorluklar (viskozite azalmasına bağlı olarak aşın derecede potaya elektrolit difuzyonu) ve daha iğnesel ince dişler içeren borür tabakası oluşması nedeniyle bu değer optimal koşul olarak değerlendirilmemiştir. rı=l,87 koşulu elektrolit bileşimi için optimal olarak belirlenmiştir. FeB ve Fe2B ara yüzeyinde matrisse paralel çatlaklar meydana gelmektedir. Bunun sebebi soğuma esnasında farklı termal genleşme katsayısına sahip olan FeB fazının çekme ve Fe2B fazının basma gerilimi yaratmasıdır.. % 10 Na2C03 ve NaOH ilavesi ile elde edilen etkinin aynı olması, bu bileşiklerin elektroliz koşullarında dekompoze olarak Na20' e dönüştüklerini ve dolayısı ile nihai etki açısından bir fark oluşmadığı saptanmıştır.. Metal klorür (% 10 NaCl, % 10 CaCl2, % 10 LiCİ, % 10 BaCl2) katkılanmn tabaka kalınlıklan üzerinde önemli bir fark yaratmadığı ancak CaCl2 katkılı elektrolit ile yapılan kaplamada en kaim FeB tabakası oluştuğu tespit edilmiştir.. CaCl2 ilavesiyle oluşan borür tabakasının tepeler ve platolan arasındaki fark oldukça az olmasına rağmen klasik dişli yapı sergilemektedir ve tepelerin enine genişlikleri çok olduğundan bu tabaka en yüksek sertlik değerine sahiptir.. En düşük sertlik değeri LiCİ katkılı elektrolitte elde edilmiştir. Tabaka morfolojik olarak diğer tabakalara göre sünger tipli çiçek görünümlü bir yapıya sahiptir.. Elektrolitik olarak oluşturulan borür tabakasının x-ışınlan difraksiyonu ile yapılan ince film analizinde fazlamı yüzeyden taban malzemesi olan düşük xıkarbonlu çelik malzemeye doğru azalan bor miktarına bağlı olarak; FeB, Fe2B, Fe3B fazlarından oluştuğu tespit edilmiştir.. NaCl, CaCl2, LiCİ, BaCl2 ve Na2C03, NaOH, katkı maddeleri kullanılarak hücre potansiyelindeki değişim incelendiğinde, kesin bir eğilim olmamakla beraber, genellikle 30 dakikadan sonra hücre voltaj lannda hafif bir yükselme eğilimi gözlenmektedir.. NaOH katkı deneyinde banyonun iletkenliğinde ortaya çıkan düşüş nedeniyle hücre voltajı yükselmektedir.. En efektif katkı maddesi, düşük hücre voltajı, kaim borür tabakası, yüksek sertlik ve bant formuna yakın tabaka yapısı oluşmasını sağlayan Na2C03 dır.. Literatürde genelde yüksek viskozitede olan boraks esaslı elektrolitin, akışkanlığım artırmak için NaCl ilave edildiği ve elektrolit viskozitesinin düşürüldüğü belirtilmektedir. Deneyler esnasmda ilave edilen NaCl ile boraksın birbiri içinde çözünmeyen iki ayn faz şeklinde kaldığı (üst tarafta NaCl ve altta ise boraks) ve buna bağlı olarak NaCl kısmına gelen bölgede homojen borür tabakası elde edilemediği gözlenmiştir.. Elektrolite ağırlıkça % 10 NaCl ilave edildiğinde, borür tabakasının kalınlığında önemli bir değişme olmazken (0,75u), FeB tabakasının kalınlığında 6,62 u hık bir artış gözlenmiştir.. NaCl ilavesinin tabaka yapışma önemli bir etkisinin olmadığı ve ancak elektrolit yüzeyinde hava ile teması kesmek amaçlı örtücü faz olarak kullanmanın anlamlı olabileceği görülmüştür.. Optimum koşul olarak belirlenen % 10 Na2C03 ve % 90 Na2B407 dan oluşan banyoda, 900°C sıcaklıkta ve 200 mA/cm2 akım yoğunluğunda 7114 serisi düşük alaşımlı çelik malzemeye 1 saatlik borlama işlemi yapılmak suretiyle oluşturulan borür tabakasına hacimce % 10 luk-HCL H2S04, H3PO4, HCLO4, HN03, çözeltilerde korozyona dayanım testleri yapılmıştır. Korozyon testleri sonucunda elektrokimyasal olarak yapılan borürleme işleminde borlanan düşük karbonlu çelik malzemenin HC1 (o^lxlO^g/cm^gun), H2SO4 (l,133xl0-3g/cm2/gün), H3PO4 (3,366xl0-3g/cm2/gün) Ve HC104 (l,594xl0”3g/cm2/gün) asitlerine yüksek dayanım göstermesine karşın oksitleyici olan HN03'e (0,3g/cm2/gün) karşı dayanım göstermediği belirlenmiştir. xıı

Özet (Çeviri)

ELECTROCHEMICAL BORONIZING OF STEELS IN MOLTEN SALT AND OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS SUMMARY Bonding or boronizing is a surface hardening process in which boron atoms diffused into the surface of a work piece to form borides with the base material. Compared to other conventional thermo-chemical surface modification methods like carburizing and nitriding, bonding results in a much higher hardness, wear, oxidation and corrosion resistance. Bonding of steels by a variety of techniques including, pack, molten salt electroless, electrolytic and etc. The treatment can be applied to a wide variety of ferrous, non-ferrous and cermet materials. Industrial surface boriding can be carried out on most ferrous materials such as structural steels and cast steels (Armco iron, grey and ductile iron, cast-hardened, tempered, tool and stainless steel). The process involves heating of well-cleaned material in the range of 700-1000°C, preferably for 1 to 12 h in contact with a boronaceous solid powder or boronizing compound, paste, liquid or gaseous medium. During boriding, the diffusion and subsequent absorption of boron atoms into the metallic lattice of the component surface form interstitial boron compounds. The resulting layer may consist of either a single-phase boride or a polyphase boride layer. The purpose of this study is to investigate the electrochemical boronizing of steels from molten salt, at first in Turkey. The investigation is directed towards to determine the characterization of boride layer and the application of electrolytic boriding conditions. The boriding experiments by molten salt electrolysis were carried out into a high frequency furnace containing a graphite crucible with a platinum anode and a steel cathode material. In this study, the effects of experimental parameters (temperature of the electrolyte, processing time, current density, and the composition of electrolyte etc.) on the boriding of steels by molten salt electrolysis were investigated. Following results were obtained by the experimental work, carried out to find out the optimum conditions:. The dependence of the rate of the boride layer formation on electrolysis time was found to have a parabolic character. The growing of boride layer is appropriate to the following equation: d = 0,949 sm +32,433 XlllThe thickness of the formed layer was approximately 12 n in one minute of bonding, in five minutes the thickness became 25,858 \i and 39,123 u was achieved in ten minutes. It has been obtained that the growing of the layer was slowed down by the decreasing of diffusion rate at unit time (t > 30 minute, d > 100 u). When it has reached its maximum value (130 u), the growing of the layer stopped. The optimum current density determined for the thickest layer was 200 mA/cm2 whereas for the most homogenous layer was 1 00 mA/cm2. Considering the current density, the formation of the bonding layer was growing according to the following equation: d = 9,3631n(i) + 38,778 The temperature of electrolysis was increased from 800 °C to 900 °C, the thickness of the boride layer was 43.6 p.. On the other hand, while the temperature was increased from 900°C to 1000°C, the thickness was 58,81 \i. The total boride layer formed contains approximately 41,68 % FeB at 800°C; 44,8 % FeB at 900°C and 56,4 % FeB at 1000°C. The crack formation on the boride layer was decreasing by the increasing of electrolysis temperature. The viscosity of the electrolyte was decreasing by the increasing of the temperature. Due to the fact that, evaporation of NaCl from the electrolyte surface was risen up at high temperatures (1000°C). The r\ ratios (B203/Na20 = 1,25-1,5-1,75-1,87-2,245) were adjusted according to the amount of Na2C03 added. FeB and the boride layer thicknesses were decreased by increasing r\ ratios. While the r| ratio was raised up from 1,25 to 2,245, the boride layer was decreased about % 40. By adding of Na20 (Na2CC>3 or NaOH) to the system, the formation of the layer thickness increased and also thinner teeth occurred. The electrolyte which was formed of pure anhydrous boric aside did not conduct electricity. In other words, the conductivity of the electrolyte was provided by sodium ions and sodium containing anions. The thickest boride layer was obtained at r\ = 1,25. However, this ratio couldn't be evaluated as an optimum condition because of some experimental difficulties (solidification of the surface of the electrolyte and excess diffusion of electrolyte to crucible due to low viscosity and, etc.) and the formation of thinner teeth boride layer. The optimal r\ ratio was chosen as 1,87. Cracks occurred at the interface of FeB-Fe2B were parallel to surface. Due to the difference in the thermal expansion coefficients, cooling after bonding leads to tensile stresses in FeB and compressive stresses in Fe2B. xiv10 % Na2CÛ3 and 10 % NaOH additions have similar effects on the final thickness of layer, because these additives have the same decomposition product that is Na20. Metal chloride additives (10 % NaCl, 10 % CaCl2, 10 % LiCl, 10 % BaCl) did not have a considerable difference on the thickness of layer, although it was identified that CaCl2 additive resulted in the thickest FeB layers. With the addition of BaCİ2, the difference between the peaks and the valleys of the boride layer was less than Na2CÛ3 and CaCl2 addition, although exhibiting classical tooth structure. In CaCl2 addition the peaks have large width so the layer showed the highest hardness value. The lowest hardness value was obtained by LiCl additive. The layer morphology showed a sponge type flower shape which was different from other structures. The thin layer XRD analysis of the boride layer, according to the decreasing amount of boron from surface to matrix, showed that FeB, Fe2B and FesB phases were identified. The investigation of the change in cell potentials by the use of NaCl, CaCl2, LiCl, BaCl2, and Na2CC>3, NaOH additives, there wasn't a strict tendency but usually after 30 minutes the potential slowly increased. The cell potential increased by a decline in the conductivity of the electrolyte in the experiments with NaOH additive. The most effective additive Na2C03 provided lower cell potential, the thickest boride layer, higher hardness and band form layer. In literature, in order to decrease the viscosity of borax based electrolyte, NaCl was added. But it was seen that borax and NaCl couldn't mix with each other, where NaCl took part at the top and the borax took part at the bottom. With the addition of 10 % NaCl to the electrolyte, there was no remarkable change in the thickness of boride layer (0,75 u) whereas the thickness of FeB layer increased a little bit (6,62 u). There wasn't a considerable change on the boride layer by the addition of NaCl and besides, it could be used in order to cut off the conduction between the air and the electrolyte. The determined optimum conditions for the boriding of 71 14 low carbon steel and for similar ones are; 10 % Na2C03 + 90 % Na2B407, 900°C, 1 hour at 200 mA/cm2. The corrosion tests for the given material were carried out in different media such as; HC1, H2S04, HC104, H3P04 and HN03 (10 % vol.). Electrochemically borided low carbon steel showed a corrosion rate of 6,61 x 10“4 g/cm2/day in HC1 and 1,133 x 10”3 g/cm2/day in H2S04 and 3,366 x 10"3g/cm2/day H3P04 and 1,594 x 10'3 g/cm2/day in HC104. However, it was irresistant to HNO3 with a considerable corrosion rate of 0,3 g/ cm2/day. xv

Benzer Tezler

  1. Tez No

    251767

    Ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle ZrB2 sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis of ZrB2 via molten salt electrolysis method and characterization

    SELDA ÖZKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN

    PROF. DR. SERVET TİMUR

  2. Tez No

    820513

    Nadir toprak element oksitlerinden ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle nadir toprak elementlerinin sentezi

    Synthesis of rare earth elements from rare earth oxides by molten salt electrolysis

    OSMAN CAN ÖZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR

  3. Tez No

    76047

    Purification of magnesium-lead alloy by molten salt electrolysis

    Erimiş tuz elektrolizi yöntemi ile magnezyum-kurşun alaşımının saflaştırılması

    KADİR ÇITAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSHAK KARAKAYA

  4. Tez No

    594278

    Electrochemical formation of Al-Sc alloy in molten salt

    Erimiş tuz içerisinde elektrokimyasal yöntemle Al-Sc alaşımı oluşturulması

    ÇAĞLAR POLAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSHAK KARAKAYA

    DR. ÖĞR. ÜYESİ METEHAN ERDOĞAN

  5. Tez No

    268461

    Reduction of silicon dioxide by electrochemical deoxidation

    Siliysum dioksitin elektrokimyasal deoksidasyon yöntemiyle indirgenmesi

    EMRE ERGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. İSHAK KARAKAYA

Geri Dön