AISI 4140 çeliğinde farklı yüzey morfolojilerinin gaz nitrasyon işlemine etkisi

Günümüzde yüzey sertleştirme işlemleri (karbürleme, elektrolitik kaplama vb.); aşınma direnci, mukavemet dayanımı, korozyon direnci gibi özelliklerin arttırılmasında en çok kullanılan yöntemlerdir. Nitrasyon ise bu yöntemler içerisinde geliştirilmeye en açık, ekonomik ve boyutsal değişimlere neden olmaması ile en çok tercih edilen yöntemlerden biri olmuştur. Bu çalışmada, AISI 4140 çeliğinin gaz nitrasyon sonrası yüzey morfolojileri, kesit mikro yapıları ve altlık yüzeyin hazırlanma farklılıklarının nitrasyon sonrası yüzeye etkileri incelenmiştir. Yüzeyi 45° ve 90° açı ile alüminyum oksit kumlanmış, aynı şekilde yüzeyi 45° ve 90° açı ile cam küre kumlanmış, yüzeyi kumlanmamış ve parlatılmış numuneler, ultrasonik yıkama yapılarak, 590°C'de 40 dakika gaz atmosferinde nitrasyon işlemine tabii tutulmuştur. Farklı yüzey hazırlama işlemlerinin, AISI 4140 çeliği yüzeyinde geliştirilen nitrür tabakasının homojenliği (beyaz tabaka kalınlığı) ve difüzyon derinliği üzerine olan etkisi ortaya koyulmaya çalışılmıştır. Deneysel sonuçlar; optik mikroskop, yüzey pürüzlülüğü, mikro sertlik ölçümleri yanında SEM ve XRD ile desteklenmiştir. Nitrasyon sonrası numune yüzeylerinde fiziksel değişim (matlaşma) gözlemlenmiştir. SEM ile numuneler kesitten incelendiğinde altlık yüzeye yapılan yüzey hazırlama işleminin, nitrasyon sonrası yüzeyde de etkili olduğu görülmektedir. Yüzey topografyalarında nitrasyon sonrası değişimlerin oluştuğu ve özellikle alümina ile kumlanan yüzeylerde, alümina partiküllerinin yüzeye saplandığı tespit edilmiştir. SEM görüntülerinde alümina ile kumlanmış numunelerin nitrür tabakasının, kompakt bir şekilde oluşmadığı hatta yüzeye saplanan partiküllerin düşmesi sonucu üst yüzeyde krater benzeri yüzey kusurları tespit edilmiştir. Cam küre ile kumlanmış yüzeyler, alümina ile kumlanmış yüzeyler ile karşılaştırıldığında daha düzgün olduğu görülmektedir. Yüzey pürüzlülükleri incelendiğinde; nitrasyon öncesi en düşük yüzey pürüzlülüğünü parlatılmış olan numune gösterirken, en yüksek pürüzlülüğü 90° alümina ile kumlanmış numune göstermiştir. Nitrasyon sonrasında da bu sıralama değişmemiştir. Nitrürlenen numunelere kesitten mikro sertlik taraması yapılarak tespit edilen difüzyon derinliklerinin sonuçlarına göre en düşük difüzyon derinliği 200 µm ile parlatılmış numune de ölçülmüştür. En fazla difüzyon derinliğine sahip numuneler ise 350 µm derinlik ile yüzeyi hazırlanmamış ve 90° alümina ile kumlanmış numunelerdir. XRD difraktogramında nitrürlerin altlık malzemedeki Fe elementi ile birleşerek oluşturduğu Fe2-3N ve Fe4N fazlarının varlığı tespit edilmiştir. Islatma açıları ölçülerek sıvı ve nitrürlü yüzey arasındaki çekim kuvvetleri incelenmiş ve yüzeyine işlem yapılmamış numune ile 45° açı ile Al2O3 kumlanmış olan numunenin nitrasyon sonrası temas açılarının arttığı saptanmıştır.