Geri Dön

Elektrokimyasal yöntemle borlanan DIN 1.3343 yüksek hız çeliğinin tribolojisi

Tribology of DIN 1.3343 high speed steel boronized by electrochemical method

PDF İndir

  1. Tez No: 847541
  2. Yazar: FATİH SANLI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANAN GAMZE GÜLERYÜZ PARASIZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

Sanayileşmede üst düzey kalite ve verimliliğe yönelik artan talepler nedeniyle, imalat makinelerinin ve ekipmanlarının performansında, kullanım ömrünün arttırılmasında ve maliyetlerin düşürülmesine yönelik çalışmaların yoğunluk kazandığı gözlemlenmektedir. Kullanım ömrü ve hasar oluşum kriterleri dikkate alındığında takım tezgahları ve alt parçaları bu bakış açısının önem taşıdığı temel alanlardandır. CNC torna ve frezelerde yüksek hızlarda çalışan kesici takımların mekanik ve termal özellikleri özellikle önemlidir. Sonuç olarak, bu takımların mekanik, termal ve korozyon özelliklerini geliştirmek için alternatif yaklaşımlar arayışı ortaya çıkmıştır. Zorlu koşullar altında çalışan kesici takımlar, iş parçasıyla temas sırasında yüksek sıcaklıklara ve gerilmelere maruz kalır. Bundan dolayı, kesici takımların tokluğu, sertliği, işlenen ürünün kalitesi ve takım ömrü için en önemli belirleyici parametreler konumundadır. İyi kalitede bir kesici takımın yüksek maliyeti olduğu gibi istenilen seviyede sertliği olan ve aşınma direnci yüksek malzemelerin çeşitliliği de sınırlıdır. Bu sorunları aşmak için kesici takım malzemelerinin ömürlerini uzatmak amacıyla yüzeylerine kaplama uygulanması yaygın hale gelmiştir. Termal bariyer kaplamalar gibi farklı özelliklere sahip çeşitli kaplamaların geliştirilmesi de aralıksız devam etmektedir. Bu çalışmalar içerisinde borlama olarak da bilinen borürleme işlemi, borca zengin bir ortam içerisinde, termal yollarla borca fakir parçaya difüze etme işlemi, olağanüstü mekanik performans sağlama yeteneği nedeniyle takım tezgahları alanında da dikkat çekmiştir. Borürleme çalışmalarının artmasıyla birlikte özellikle Türkiye gibi dünyanın en büyük bor rezervine sahip ülkemizde borun yüzey modifikasyonları için de kullanımı ve uygulaması yaygınlaşmıştır. Bununla birlikte, arzu edilen performans seviyelerine ulaşmak uzun ısıl işlem süreleri gerektirmiştir. Son zamanlarda, ısıl işlemleri elektrik akımı uygulamasıyla birleştiren elektrokimyasal borlama, ısıl işlem süresini önemli ölçüde azaltan bir yöntem olarak öne çıkmıştır. Elektrokimyasal borlama, yüksek sertlik değerleri sağlama kapasitesi, elde edilen tabakaların gösterdiği mükemmel korozyon direnci, işlemin çelik malzemelere uygulanabilir olması ve yüzey etkileşimleri sırasında yağlama ihtiyacını azaltması gibi çeşitli avantajlar sunar. Bununla birlikte, elektrokimyasal borlamanın da bazı dezavantajları olduğunu eklemek gereklidir. Bunlar arasında nitrürlemeye kıyasla daha yüksek maliyetlere sahiptir. Demir esaslı metallerin borlama işlemi sırasında matris malzemesinde borür tabakalarının oluşumu başlar. Bu katmanlar Fe2B ve FeB fazlarından oluşur ve tipik olarak sütunsal bir morfoloji sergiler. Borür tabakalarının sütun yapısı, geometrik yapısından dolayı tipik olarak minimum 15-20 μm kalınlık sağlar. Tabaka kalınlığı 100 μm'yi geçtiğinde hem Fe2B hem de FeB fazlarından oluşan iki fazlı borür tabakalarının oluşmasına neden olur. Matris yüzeyinde daha sonra oluşan FeB fazının, ilk Fe2B fazıyla karşılatırıldığında sertliği daha yüksek fakat gevrekliği de daha fazladır. İki fazlı bir yapının oluşmasını önlemek için, tabaka kalınlığının 100 μm veya altında sınırlandırılması çok önemlidir. Bu tez çalışmasında, talaşlı imalatta yaygın olarak kullanılan DIN 1.3343 (M2) yüksek hız çeliğine, boraks ve sodyum karbonat tuzlarının karışımı kullanılarak, 1050°C'de 2 saat süreyle grafit pota üzerinden 0,3 A/cm2 akım geçecek şekilde tuz banyosunda elektrokimyasal borlama uygulanmıştır. Elektrokimyasal borlama için tuz banyosunu da içine alan bir elektrik devresi oluşturulur, burada katot olarak DIN 1.3343 çelik numuneler kullanılır ve grafit pota anottur. Borürleme ve temizleme işlemleri sonrası elde edilen numunenin sertlik ölçümü yapıldığında 1900-2100 HV aralığında sertlik değeri elde edilmiştir. Yüzey sertliğini artırdığımız numunelerin aşınma özelliklerini gözlemleyebilmek adına dört farklı bilye malzemesi kullanılarak pin on disk deneyi gerçekleştirilmiştir. Bu bilyelerin malzeme kodları sementasyon ile yüzeyi sertleştirilmiş AISI 1010, AISI 52100, alümina (Al2O3) ve AISI 316' dır. Karşı malzemelerin farklılık gösteren kimyasal yapısı ve yüzey sertliğine bağlı olarak farklı sürtünme katsayıları elde edilmiştir. Daha sonra M2 yüksek hız çeliğinden üç farklı numune hazırlanmıştır. Bu numulelerin durumları şu şekildedir: Isıl işlemsiz numume, su verme-temperleme (ıslah) işlemi görmüş numune ve sadece borürleme işlemi yapılmış numune. Bu numunelere, yine alümina bilye ile ancak daha uzun süre ve yüklerle yapılan pin-ondisk aşınma deneyleri uygulanarak numunelerin aşınma dirençleri gözlemlenmiştir. Bu deneylerin sonucunda elde edilen aşınma izleri profilometre ile incelenmiş ve farklı bölgelerden alınan derinlik ve genişlik ölçümleri kullanılarak hacim kayıpları hesaplanmıştır. Ayrıca borürleme işlemi yapılan numune tel erezyonla kesilerek bakalite gömülmüş ve yüzey parlatma işlemi yapılmıştır. Yapılan yüzey parlatma işleminden sonra nitrat 5 ayracı ile dağlama yapılarak optik mikroskopta borür tabakaları incelenmiştir. Borür tabakası sertlik dağılımı mikro Vickers ölçümleri ile elde edilmiştir. Bu çalışmanın sonucunda elektrokimyasal borürlemenin M2 çeliğinin aşınma direncini, hem hiç ısıl işlem görmemiş duruma göre, hem de su verme ve temperleme işlemi sonrası duruma göre önemli ölçüde arttırdığı sonucuna ulaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

Due to the increasing demands for high-level quality and efficiency in industrialization, it is observed that efforts to improve performance of manufacturing machines and equipment by elongating their lifetime and by reducing costs gained importance. Machine tools and their parts are one of the fundamental areas where this point of view is important, considering service life and damage occurance criteria. Mechanical and thermal properties of cutting tools operating at high speeds in CNC turning and milling machines are particularly important. As a result, the search for alternative approaches has emerged to improve the mechanical, thermal and corrosion properties of machining tools. Cutting tools operating under harsh conditions are exposed to high temperatures and stresses during contact with the workpiece. Therefore, the toughness and hardness of cutting tools are the most important determinant parameters for quality of products and tool life. Variety of materials with good wear resistance at the desired level are limited and high quality tools are also expensive. To overcome these problems, it has become common to apply coating onto surfaces of cutting tool steels to extend their life, and the development of various coatings with different properties, as in the case of thermal barrier coatings, continues to be promising. Boriding, also known as boronizing, the process of diffusing boron element into the part by thermal means in a boron-rich environment, has attracted attention in the field of machine tools due to its ability to provide extraordinary mechanical performance. Boron applications in the surface modification area has been researched more widespread, especially in countries with large boron reserves in the world, such as Turkey. However, achieving these desired performance levels has required long heat treatment times. Recently, electrochemical boronizing, which combines heat treatment with the application of electric current, has emerged as a method that significantly reduces the heat treatment time. Electrochemical boronizing offers several advantages such as the ability to achieve high hardness values, excellent resistance to corrosive environments, applicability to various steels, and reduced need for lubrication during surface interactions. However, it is important to note that electrochemical boronizing also has some disadvantages. Among them, it has higher costs compared to nitriding. During boriding of ferrous metals, formation of boride layers begins in the matrix material. These layers consist of Fe2B and FeB phases and typically exhibit a columnar morphology. The columnar nature of the boride layers generally provides a minimum thickness of 15-20 μm due to its geometric nature. When the layer thickness exceeds 100 μm, biphasic boride layers including both Fe2B and FeB phases start to emerge. The FeB phase formed later in the matrix surface has also a hard but more brittle structure than the initial Fe2B phase. Therefore, the layer thickness should be carefully controlled to be up to 100 μm or less to prevent the formation of a biphasic structure. In this thesis, electrochemical boronizing was applied to DIN 1.3343 high speed steel, which is widely used in machining, using a mixture of borax and sodium carbonate powder, in a salt bath at 1050°C for 2 hours with a current of 0.3 A/cm2 passing over the crucible. For electrochemical boriding, an electrical current is passed through the DIN 1.3343 samples, where they are used as cathode and the graphite crucible was used as anode. After boronizing, remnants of the salt on the specimens were cleaned by keeping them in boiling water for a period of time, then by ultrasonic cleaning in alcohol. Then, specimen surfaces were prepared to examine; light grinding and polishing steps were applied. Vickers hardness values in the range of 1900-2100 HV were obtained. Vickers hardness values are similar to the literature. Later, the friction and wear characteristics of the sample with increased surface hardness was examined by pin-on-disc tests by running against counterfaces of four different materials for a short distance. The material codes of these balls are carburized AISI 1010, AISI 52100, alumina (Al2O3) and AISI 316. After initial friction tests, various friction coeficients were obtained against applied ball materials. These results were presented in this thesis. Another issue that was wanted to be observed in this thesis study was carried out with samples with three different hardnesses and in three different conditions with a fixed abrasive ball (Al2O3) under long distances and heavier loads. In this study, the pin-on-disc mechanism was again used. One of the samples was in the condition as received, the second was quenched and tempered, and the third was boronized under previously described conditions. As a result of this test, the wear resistance and friction coefficients on the surface were examined in comparative detail. As the following evaluations pin-on-disk tests were carried out for a much longer wear distance against Al2O3 ball using higher dead weight on three different samples of M2 steel; i.e. one was in as-received condition (non-heat treated case), second one was in quenched and tempered condition and the third one was boronized in previously defined conditions. Wear tracks on these three samples were examined using profilometry and depth and width measurements of the wear tracks were collected at various sections. Later, volume losses were calculated using these depth and width measurements. It was observed that boronizing substantially improved wear resistance of M2 steel with respect to two non-boronized cases. Example depth profiles together with volume losses of different heat treatment cases were presented. Friction coefficients were also gathered throughout these tests and results were provided. Lower friction coefficients were observed for the boronized case with respect to two non-boronized steel samples. In order to further study electrochemically boronized M2 steel, another specimen prepared at the same conditions with boronized wear test sample was cut by wireEDM process and molded to be inspected. Surface of the specimen was prepared by grinding and polishing and etched by Nital 5 to observe boride layers. Example photograph of microscopically observed boronized layers were presented in the thesis. After microscopic inspections, hardness profile of the boronized surface was obtained using micro Vickers measurements. In this thesis, performance of electrochemically boronized M2 high speed steel under friction and wear conditions was investigated. Friction coefficient decrease together with substantially lower wear losses were recorded with respect to both non-heat treated and quench-and-temper-heat treated M2 steel cases.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    705152

    Elektrokimyasal yöntem ile yüksek hız kesici takım çeliğinin borlanması

    Electrochemical boronizing of high speed cutting tool steel

    ALİ GEZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CANAN GAMZE GÜLERYÜZ PARASIZ

  2. Tez No

    223178

    Elektrokimyasal borlama ile çeliklerin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi

    Improvement of surface properties of steels by electrochemical boronizing

    ALP ERSÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. KELAMİ ŞEŞEN

  3. Tez No

    356085

    Electrochemical deposition and crystal quality enhancement of copper indium diselenide

    Elektroki̇myasal yöntemle bakır i̇ndi̇yum di̇selenür sentezi̇ ve kri̇stal kali̇tesi̇ni̇n artırılması

    SERKAN GÜRBÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

  4. Tez No

    346564

    Elektrokimyasal yöntemle nikel-TiO2 kompozit kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu

    Production of nickel-TiO2 composite coatings by electrochemical method and their characterization

    GÜLESİN YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKHAN ORHAN

  5. Tez No

    346568

    Elektrokimyasal yöntemle nikel-molibden alaşım kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu

    Production of nickel-molybdenum alloy coatings by electrochemical method and their characterization

    MERT MANAZOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKHAN ORHAN

Geri Dön