Bilyalı dövme ve plazma nitrürleme işlemlerinin R260 ray çeliğinin yüzey özellikleri ve aşınma davranışına etkisi

Demiryolu ağlarında giderek artan zorlu yükleme koşulları, yüksek aşınma direnci ve üstün yorulma performansı sergileyen ray çeliklerinin kullanımını zorunlu kılmaktadır. Raylar, demiryolu üstyapısının temel bileşenlerinden biri olup işletme süresince yuvarlanma, darbe ve kayma gerilmelerine maruz kalmaktadır. Özellikle darbeli-kayma gerilmeleri, tekerleğin ray kanadından makas göbeğine geçişi sırasında ortaya çıkmakta; bu geçiş, makas göbeğinde son derece yüksek temas kuvvetleri oluşturmakta ve hem makas göbeğinde hem de kanat rayında ciddi hasarların oluşmasına neden olabilmektedir. Bu çalışmada, R260 ray çeliği üzerine üç farklı parametrede bilyalı dövme işlemi (16A + %200, 24A + %200 ve 24A + %1000) uygulanmıştır. Daha sonra hem işlem görmemiş hem de bilyalı dövme uygulanmış ray çeliklerine plazma nitrürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Plazma nitrürleme, 12 saat süreyle 450 °C, 500 °C ve 540 °C sıcaklıklarda, hacimce %20 N₂ + %80 H₂ ve %80 N₂ + %20 H₂ gaz karışımlarında uygulanmıştır. Literatürde, plazma nitrürleme öncesinde ray çeliklerine bilyalı dövme işleminin uygulandığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. İşlem görmüş çeliklerin yüzey karakterizasyonu; optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını difraksiyonu (XRD) ve mikrosertlik testleri ile gerçekleştirilmiştir. Kuru kayma aşınma deneyleri, ileri-geri salınımlı karşıt hareketli sistemde, düz yüzey üzerinde bilye (ball-on-plate) kullanılarak atmosferik koşullarda ve dört farklı normal yük (15, 30, 45 ve 60 N) altında yapılmıştır. Ayrıca, işlem görmemiş ve yüzey işlemi uygulanmış ray çeliklerinde kuvvetlerin birleşik etkilerini incelemek amacıyla yeni geliştirilmiş darbeli-kayma aşınma yöntemi uygulanmıştır. Bu deneyler, 10 mm çapında sertleştirilmiş çelik bilye ile 4297 çevrim (60 m) boyunca gerçekleştirilmiştir. Hem Almen şiddetinin hem de yüzey örtme oranının artırılması, R260 ray çeliğinin yüzey tabakasında yüksek bası kalıntı gerilmesi ve belirgin yüzey sertleşmesi ile karakterize edilen gradyan bir yapının oluşmasına neden olmuştur. Yüzey örtme oranının artırılmasıyla elde edilen tane incelmesi, bası kalıntı gerilmesi ve yüzey sertleşmesindeki iyileşmelerin, yalnızca Almen şiddetinin artırılmasıyla elde edilenlere kıyasla daha belirgin olduğu gözlemlenmiştir. 24A + %1000 bilyalı dövme koşulunda işlem gören çelik yaklaşık 1.24 GPa bası kalıntı gerilmesi ve yaklaşık 410 HV0.01 yüzey sertliği göstermiştir. Bununla birlikte, bilyalı dövme işlemi yüzey pürüzlülüğünü artırmıştır. Tüm bilyalı dövme işlem görmüş çeliklerin hem kuru kayma hem de darbeli-kayma aşınma dirençleri işlem görmemiş R260 ray çeliğine düşük çıkmıştır. Sadece 24A + %1000 bilyalı dövme koşulunda işlem gören çeliğin darbe bölgesindeki aşınma direnci işlem görmemiş çeliğe göre yaklaşık %6,5 oranında arttığı görülmüştür. Plazma nitrürleme işlemlerinde, hacimce %20 N2 + %80 H2 gaz karışımında nitrürlenen çeliklerde sıcaklık artışıyla birlikte beyaz tabaka kalınlığı ve γˈ-Fe4N faz yoğunluğu artarken, ε-Fe2-3N faz yoğunluğunun azaldığı tespit edilmiştir. Buna karşılık, %80 N2 + %20 H2 gaz karışımında nitrürlenen çeliklerde sıcaklık artışı, beyaz tabaka kalınlığı ve ε-Fe2-3N faz yoğunluğunun artmasına yol açmıştır. Gaz karışımındaki azot miktarı arttıkça, beyaz tabaka kalınlığı ve yüzey pürüzlülüğünün de arttığı görülmüştür. Plazma nitrürlenmiş çeliklerin 30 N ve 60 N yük aralıklarında gerçekleştirilen kuru kayma aşınma deneyleri ile darbeli-kayma aşınma deneylerinde, aşınma dirençlerinin işlem görmemiş R260 ray çeliğine kıyasla daha yüksek olduğu belirlenmiştir. İki fazlı (ε-Fe2-3N + γˈ-Fe4N) beyaz tabakaya sahip çeliklerin, tek fazlı (γˈ-Fe₄N) beyaz tabakaya sahip olanlara göre daha iyi aşınma direnci sergilediği görülmüştür. Plazma nitrürleme öncesinde uygulanan bilyalı dövme işleminin genel olarak beyaz tabaka kalınlığını azalttığı, ancak difüzyon tabakası kalınlığını artırdığı tespit edilmiştir. Ayrıca, bilyalı dövme ön işlemi, %20 N2 + %80 H2 gaz karışımında nitrürlenen çeliklerde α-Fe fazının, %80 N2 + %20 H2 gaz karışımında nitrürlenen çeliklerde ise γˈ-Fe₄N fazının oluşumunu teşvik etmiştir. Bununla birlikte, bilyalı dövme sonrası nitrürlenen çeliklerde artan yüzey pürüzlülüğü nedeniyle aşınma hacimlerinin yükseldiği belirlenmiştir.