Yüksek hız takım çeliklerinin yüksek sıcaklık aşınma dayanımına nitrasyon işleminin etkisi

Yüksek hız çelikleri(HSS), içerdikleri yüksek alaşım elementi miktarları sayesinde oda ve yüksek sıcaklıklarda yüksek sertliğe, tokluğa, şok direncine ve aşınma dayanımına sahiptir. Yüksek hız çelikleri, kesici takım endüstrisinde diğer takımlarla kıyaslandığında daha düşük maliyetli olmasının yanı sıra, yüksek tokluk gerektiren darbeli kesme, delme işlemlerinde kullanılır. Aşınma dayanımlarının sement karbürlere göre düşük olması en büyük dezavantajı olsa da; son yıllarda gelişen yüzey teknolojileri ile yüzey sertlikleri ve aşınma dayanımları artırılabilmektedir. Bu tez çalışmasında, DIN 1.3343, DIN 1.3243 ve DIN 1.3247 standartlarındaki kesici takım ucu yapımında kullanılan yüksek hız çeliklerinin ısıl işlem ile sertleştirilip temperlendikten sonra nitrasyon işlemine tabi tutulan malzemelerin, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda aşınma dayanımları incelenmiştir. Hazırlanan malzemelerin ön ısıtma ile beraber sırasıyla 850-1050-1180/1200-580°C'deki tuz banyosu fırınlarında 210'ar saniye sertleştirme işlemine tabi tutulmuş ve havada soğutulmuştur. Sertleştirilmiş yüksek hız çeliklerine kalıntı ostenit giderimi için 550-550-570-550°C'lerde 90'ar saniye 4 kademeli temperleme işlemi uygulanmış ve ardından havada soğutulmuştur. Sertleştirilen ve temperlenen malzemelerin bir kısmına nitrasyon işlemi uygulanmıştır. Kontrollü gaz nitrasyon tekniği ile nitrürlenen malzemelere fırın içinde amonyak gazı verilir. Fırındaki gaz miktarı sistem tarafından toplam fırın hacmi ve verilen gaz miktarına göre hesaplanır. Yaklaşık 3 saat ön ısıtmanın ardından fırın 500⁰C'ye getirilir. Nitrasyon işleminin bütün aşamalarında, nitrürleme potansiyeli olarak bilinen ve amonyak ayrışma miktarına bağlı olan Kn değerine ulaşmak için sistemin gaz akışı ve sıcaklığı kontrol edilir. Sıcaklığın 400⁰C üzerine çıkışıyla Kn, amonyağın ayrışmaya başlamasıyla azalır. İki aşamadan oluşan nitrasyonda sıcaklık 500⁰C'ye geldiğinde birinci aşama başlar. Bu işlem sırasında Kn düşmeye devam eder ve istenilen düzeye geldiğinde ikinci aşamaya geçilir. Uygulanılan nitrasyon işleminde birinci aşamada Kn=14(atm)-1/2 ve ikinci aşamada 0,8(atm)-1/2 'dir. Birinci aşamada Kn büyük seçilerek azotun yapıya hızlı difüze olması sağlanmış, sonrasında ise demir nitrürlü(ε-Fe3N ve γ ́-Fe4N) fazlardan oluşan, sert ve kırılgan beyaz tabakanın oluşumuna engellemek için Kn değeri düşürülerek sabitlenmiştir Sistemin ön ısıtması sağlandıktan sonra soğutma aşamasına kadar sıcaklık sabittir. İkinci aşama bittiğinde soğutma aşaması otomatik olarak başlar ve sistem yaklaşık 2,5 saatte 100⁰C'ye kadar soğutulur. Birinci aşama yaklaşık olarak 1 saat, ikinci aşama yaklaşık olarak 8 saat sürer. Tüm nitrasyon işlemi yaklaşık 14,5 saat sürer; ancak asıl nitrasyon süresi sistemin birinci aşamanın başlaması ve ikinci aşamanın bitmesi arasında geçen süre olan 9 saattir. Hazırlanan nitrürlü ve nitrürsüz numuneler öncelikle 600-2500 meş arası zımparalama işlemine tabi tutulup elmas parlatıcı ile parlatılmıştır. Metalografik işlemleri biten numuneler optik mikroskopta 5-50X arası büyütmelerde incelenmiştir. Bu incelemeler sonucunda temperlenmiş martenzit matriksi içinde karbürlerin olduğu görülmüş, nitrürlü numunelerin yüzeye yakın bölgelerinde kontrast farkı ile difüzyon tabakası gözlemlenmiştir. Optik mikroskop ile gözlemlenen difüzyon tabakasının azot profilinin oluşturulması için Enerji Dispersif X-Işınları Spektrometresi(EDX) ile analiz yapılmıştır. Çizilen azot profili ile DIN 1.3343 çeliğinin yaklaşık 40, DIN 1.3243 çeliğinin 37 ve DIN 1.3247 çeliğinin 25 μm difüzyon kalınlığına sahip olduğu görülmüştür. Nitrürlenmiş farklı kompozisyonlu numunelerde alaşım miktarına bağlı olarak difüzyon kalınlığı değişmiştir. Alaşım oranı arttıkça difüzyon kalınlığının, azotun yapıya girişinin zorlaşması sebebiyle, azaldığı görülmüştür. Noktasal olarak yapılan EDX analizi sonucunda ise optik mikroskopta açık renkli kontrast ile görülen karbürlerin MC ve M6C tipi karbürler olduğu belirlenmiştir. Yapının demir ve azot dağılımını görmek için EDAX dedektörü ile demir ve azot elementleri seçilerek elemental haritalama yapılmıştır. Elemental haritalama ile azotun yüzeye yakın bölgede daha yoğun olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Nitrürleme sonrası oluşan fazların belirlenmesi için numuneler X-ışını difraktometresi(XRD) ile incelenmiştir. Bu inceleme sırasında X-ışını paternlerinin eldesi için 35 kV/28,5 mA akım değerinde (voltaj/akım) Cu-Kα ışıması kullanılmıştır. Numunelere X-ışını difraktometre analizinde 2θ 10-90⁰ açıları arasında 1⁰/dk hız ile ölçüm yapılmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda oluşan fazlar arasında beyaz tabaka olarak bilinen, sert ve kırılgan olan γ ́-Fe4N ve/veya ε-Fe3N fazlarının bulunmadığı; α-Fe, MC ve M6C fazlarının bulunduğu belirlenmiştir. Uygulanan nitrasyon işleminin, optik incelemeler ve X-ışını difraktometre analizi sonuçları ile beyaz tabakasız olduğu kanıtlanmıştır. Nitrürleme işleminin başarılı olduğunun kanıtlanmasının ardından nitrasyonun malzeme üzerine etkisi incelenmiştir. Malzemelere 0,3-2 kg arasında değişen yüklerde yüzeyden sertlik incelemeleri yapılmış ve bu incelemeler sonucunda nitrasyon işleminin yüzey sertliğini arttırdığı görülmüştür. Seçilen numunelerin sahip oldukları farklı kompozisyonlar da ise; artan alaşım miktarına bağlı olarak sertliğin de arttığı belirlenmiştir. Yüksek hız çeliklerinde sertlik oluşturan mekanizma olarak birincil karbür yapan alaşım elementlerinin yüksek miktarda kullanılmasından dolayı numunelerde alaşım oranı arttıkça sertlik de artmaktadır. Ancak DIN 1.3343 ve DIN 1.3243 numunelerinin nitrürsüz halleri arasında sertlik değerleri farklı olmasına rağmen, nitrürlenmiş hallerinin sertlik farkının nitrürsüz hallerindeki kadar belirgin olmadığı sonucuna varılmıştır. Nitrürlenmiş malzemelere kesitten sertlik incelemesi, maksimum 25 g(250 mN) yük altında Vickers uç 2 saniye batırılarak gerçekleştirilmiştir. Malzemelerin yüzeyinden merkezine gidildikçe sertliğin azaldığı, sertlik düşüşünün belirgin olduğu noktalarda ise difüzyon bölgesinden çıkıldığı sonucuna varılmıştır. Bütün bu incelemelerin ardından yapılan işlemin yüksek hız çeliklerinin aşınma dayanımına etkisinin incelenmesi için oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklıklarda aşınma analizi yapılmıştır. Aşınma deneyleri alümina bilya kullanılan ball-on disk tipi aşınma cihazında 3 N yük altında, 300 m mesafede, 16 cm/sn hızla gerçekleştirilmiştir. Aşınma deneyi oda sıcaklığı, 400°C ve 600°C ile üç farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Aşınma deneyi ile çizilen sürtünme katsayısı grafiklerinde numunelerin aynı sıcaklıktaki katsayıları arasında belirgin bir değişimin olmadığı ancak sıcaklığın artması ile katsayının düştüğü görülmüştür. Numunelerin aşınma alanları karşılaştırıldığında ise bütün sıcaklıklarda nitrürlü numunelerin nitrürsüz numunelere göre daha az aşındığı belirlenmiştir. Bütün numunelerin en fazla 400°C'de, en az ise oda sıcaklığında aşındığı görülmüştür. 400°C'de oluşan oksit tabakasının kırılgan ve miktarının yetersiz olması sebebiyle aşınma alanı diğer sıcaklıklara göre daha fazladır. 600°C' de oluşan oksit tabakası 400°C'dekinden daha fazladır. Bu sayede 600°C' de oluşan oksit tabakası aşınma yüzeyinde koruyucu etki sağlayarak aşınma dayanımını artırmıştır. Malzemelerin sertliğindeki artış aşınma dayanımını da etkileyerek yüksek sertliğe sahip olan numunelerde daha yüksek aşınma dayanımı görülmüştür.