Vites dişli çeliğinin KRTD-bor yöntemi ile borlanması

Dişliler güç aktarım ve iletim sistemlerinde makine elemanı olarak büyük bir yere sahiptir. Otomobillerde dişliler, sahip oldukları mukavemet ve tokluk gibi mekanik özelliklerden dolayı çeliklerden imal edilmektedir. Ancak aşınmanın büyük risk arz ettiği aktarım sistemlerinde dişlilerin yüzey dayanımının yüksek olması gerekmektedir. Günümüzde orta-segment araçlarda vites dişlileri yaygın olarak AISI 8620 çeliğinden üretilmekte ve yüzey özellikleri karbürleme ile iyileştirilmektedir. Metalik malzemelerin yüzeylerini geliştirmek için, yüzeye element difüzyonu ve/veya kaplamanın gerçekleştirildiği bir çok uygulama mevcuttur. Gelişen teknoloji ile birlikte borlama, özellikle çeliklerin yüzeyinde sert bir tabaka oluşturarak yüzey özelliklerini geliştirmek için uygulanmaktadır. Borlama ile birlikte malzemelerin yüzeyine bor elementinin difüze olması ile birlikte yüzeyde borca zengin aşınma ve korozyon dayanımı yüksek bir tabaka oluşturulmaktadır. Klasik yöntemle borlamada çelikler üzerinde genellikle FeB ve Fe2B fazlarını içeren tabaka elde edilmektedir. Ancak bu iki fazın aralarında ki özellikle termal genleşme katsayısı ve sertlik değerlerinin farklı olması aşınma ve yüzey yorulmasına maruz kalan malzemelerin kullanıldığı uygulamalarda kullanımlarını mümkün kılmamaktadır. Klasik borlamanın AISI 8620 vites dişli çeliğine uygulandığı literatür çalışması olmasına rağmen bu nedenlerden dolayı endüstriyel uygulamalarda kullanılmakaktadır. Klasik borlama yöntemine alternatif olarak geliştirilmiş elektrokimyasal esaslı KRTD-Bor (Katodik Redüksiyon Termal Difüzyon Yöntemi ile Borlama) tekniği, çevresel, düşük maliyetli bir yöntem olup, demir ve demirdışı malzemeler yüzeyinde kısa sürelerde homojen ve oldukça kalın borür tabakası oluşumunu mümkün kılmaktadır. Bu tez kapsamında, karbürleme ve klasik borlama yöntemlerine alternatif olarak, AISI 8620 vites dişli çeliği üzerinde KRTD-Bor yöntemi ile, endüstriyel olarak talep edilen tek fazlı hemiborür (Fe2B) tabakası homojen bir şekilde büyütülmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında KRTD-Bor yönteminin, AISI 8620 vites dişli çeliği malzemesine uygulanması esnasında, akım yoğunluğunun (50-400 mA/cm2), elektrolit sıcaklığının (950-1100 oC), borlama süresinin (15-120 dk), taban malzeme üzerinde büyütülen borür tabakasının kimyasına, morfolojisine ve kalınlığına olan etkileri incelenmiştir. Daha sonra yüzeyde tek fazlı Fe2B elde etmek amacı ile faz homojenleştirme işlemi uygulanmıştır. Deneyler, çevresel elektrolit bileşimi olan %90 Na2B4O7+ %10 Na2CO3 kullanılarak, orta frekans indüksiyon fırınında, grafit potanın anot ve çelik malzemenin katot olarak polarize edildiği koşulda gerçekleştirilmiştir. Morfoloji analizleri ve kalınlık ölçümleri optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile gerçekleştirilmiş, büyütülen borür fazları ince film x-ışınları yöntemi (XRD) ile belirlenmiştir. Gerçekleştirilen akım yoğunuluğu deneylerinde, 50 mA/cm2'nin çelik malzemeyi katodik olarak koruyamadığı belirlenmiş ve yüzeyde demir borür tabakasının yanında Fe2O3 ve Fe3O4 tabakalarının oluştuğu tespit edilmiştir. 100 mA/cm2 ve üstü akım yoğunluklarında, çelik taban malzeme üzerinde Fe2B ve FeB fazları büyütülmüş, artan akım yoğunluğu ile beraber her iki tabaka kalınlıklarının artmıştır. Uygulanan tüm borlama sürelerinde çelik taban malzeme üzerinde çift fazlı (FeB+Fe2B) borür tabakaları homojen olarak büyütülmüştür. 60 ve 120 dakikada gerçekleştirilen borlama deneylerinde borür tabakasının yanında yüzeyde elementel bor oluştuğu tespit edilmiştir.15 dakika sonucunda taban malzeme üzerinde toplam borür tabakası kalınlığı ortalama 50 μm, FeB tabaka kalınlığı ise 30 μm ölçülmüşken, süre 120 dakikaya çıkarıldığında toplam borür tabakası kalınlığı 160 μm , FeB kalınlığı ise 115 μm'ye çıkmıştır. Elektroliz sıcaklığının büyütülen borür tabakasına olan etkileri incelendiği deneyler serisinde, 950 oC'de 47 μm ölçülen toplam borür tabakası kalınlığı, 1100 oC'de 75 μm olarak ölçülerek artan sıcaklığın toplam borür tabakası kalınlığını arttırdığı belirlenmiştir. Ancak 1000 oC üzerine çıkıldığında, artan sıcaklığa bağlı olarak, çelik matrisin içerisindeki bor atomlarının difüzyon hızının 1000 oC'den sonra çelik malzeme yüzeyindeki redüksiyondan daha hızlı olduğu tespit edilmiş ve 1000 oC' nin üzerinde FeB tabakasının kalınlığının azaldığı belirlenmiştir. AISI 8620 vites dişli çeliği üzerinde, tek fazlı homojen Fe2B tabakası büyütmek için, 950 oC'de 200 mA/cm2 akım yoğunluğunda 15 dakika süre ile numune borlanmış, anot-katot polarizasyonu kesilerek, FeB fazının Fe2B fazına dönüşmesi için faz homojenleştirme (FH) işlemi uygulanmıştır. Artan FH süresi ile birlikte FeB fazının kalınlığı azaldığı belirlenmiştir. 950 oC 15 dk borlama ve akabinde gerçekleştirilen 80 dk FH işlemi sonucu AISI 8620 çelik taban malzeme üzerinde ortalama 115 μm kalınlığında tek fazlı Fe2B bileşiminde homojen borür tabakası büyütülmüştür. Rockwell-C adhezyon testi ile büyütülen borür tabakasının çelik malzeme mükkemel (HF1) kalitede yapıştığı tespit edilmiştir. Toplam 95 dk süren KRTD-Bor prosesinin, süresini kısaltmak amacı ile elektroliz sıcaklığı artırılmıştır. 1000 oC'de gerçekleştirilen KRTD-Bor deneylerinde, 15 dk borlama süresine ilave 45 dk FH sonucunda, AISI 8620 vites dişli çeliği üzerine HF1 en iyi kalite yapışma özelliği gösteren ortalama 100 μm kalınlığında tek fazlı Fe2B borür tabakası homojen olarak büyütülmüştür. Büyütülen borür tabakası çelik taban malzemenin sertliğini (≈300 HV) 5 kat artımış, ortalama 1600 HV sertliğinde borür tabakası elde edilmiştir. Elde edilen sert borür tabakasının aşınma özelliklerinin incelenmesi amacı ile kuru ve yağlı ortamda aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Her iki koşuldada borür tabakasının çelik malzemenin aşınma özelliğini iyileştirdiği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, KRTD-Bor yöntemi ile toplam 1 saat proses süresinde AISI 8620 vites dişli çeliği malzemesinin yüzeyinde tek fazlı Fe2B borür tabakası büyütülmüş ve çelik malzemenin sertliği yaklaşık olarak 5 kat artırılması ile birlikte borür tabakasının çeliğin aşınma direncinin artmasında pozitif bir etki yaratığı belirlenmiştir.