Bor Çelikleri

Bor Çelikleri
Hazırlayan Ferdi ÖNEN
ANKARA 2012
2
GİRİŞ
Endüstriyel uygulamalarda kullanılan malzemelerin korozyon, sürtünme ve aşınma gibi
tribolojik etkiler neticesinde azalan kullanım ömürlerinin arttırılması yüzey bölgesinin iyileştirilmesi ile
mümkündür. Aşınma ve korozyondan dolayı dünya da her yıl önemli malzeme kayıplar olmaktadır.
Ülkelerin korozyon nedeniyle kayıpları gayri safi milli hasılatlarının %3.5-5'i arasında değişmektedir.
Yalnız Türkiye'deki 1991 yılı kaybı 4.5 milyar dolar olarak tahmin edilmektedir.
Borlama işlemi uzun bir geçmişe sahiptir. Çeliklerde bor yayınımıyla yüzey sertleştirme, ilk kez
1895 yılında Moissan tarafından yapılmıştır. 1970'li yıllardan itibaren borlama konusunda çalışmalar
hızlanmıştır. Günümüzde borlama, teknolojik olarak gelişmiş ve endüstride, özellikle alternatif bir
yüzey sertleştirme yöntemidir. Almanya'da katı ortamda borlama, Rusya'da ise sıvı ortamda borlama
bir çok endüstriyel alanda başarıyla kullanılmaktadır.
Nitrürasyon, karbürizasyon v.b. konvansiyonal yüzey sertleştirme işlemlerinde (600-1100)
HV'lik bir yüzey sertliği elde edilirken, borla yüzey sertleştirmede (borlama ) 1500-2000 HV'lik sertliğin
yanında çok düşük sürtünme katsayıları elde edilmektedir. Borlama, yüksek sıcaklıkta çelik malzeme
yüzeyinde bor difüzyonuyla Fe2B ve/veya FeB gibi bileşiklerin elde edilmesidir. Endüstriyel
uygulamalarda, hem daha az gevrek olması ve hem de borlama sonrası ısıl işlemlere izin vermesi
bakımından Fe2B'den oluşan tek fazlı borür tabakaları tercih edilir.
Tek başına dünya Bor rezervlerinin yaklaşık % 70'ini elinde bulunduran ülkemiz, bu
cevherlerin değerlendirilmesinde yetersiz durumdadır. Bir çok bilim adamının "21. yüzyılın petrolü"
olarak tanımladığı ve uzay teknolojisinden, bilişim sektörüne, metalürjiden nükleer teknolojiye kadar
daha sayamadığımız pek çok sanayi dalında kullanılan Bor mineralleri ülkemizin elinde bulunan en
stratejik varlık konumundadır (Çınkı, 2001)
Ülkemizde bor minerallerinden rafine ürün olarak boraks pentahidrat, boraks dekahidrat, susuz
boraks, borik asit ve sodyum perborat üretilmektedir. Bu ürünler dışında genellikle ileri teknoloji
gerektiren yöntemler ile dünyada ticari olarak üretilen ve değişik kullanım alanları olan 250'den fazla
özel bor ürünü mevcuttur. En yaygın kullanım alanı olan özel bor ürünleri susuz borik asit, elementer
bor, çinko borat, ferrobor, bor kabür, bor nitrür olarak sayabiliriz.
Genel literatür incelendiğinde endüstriyel banyo bileşimlerinin patentlerle korunduğu,
akademik çalışmalarda kullanılan borlama ortamları bileşimlerinin ise ülkemizde üretilmeyen pahalı
kaynaklardan oluştuğu görülmüştür. Bu nedenle ülkemiz kaynaklarının değerlendirilmesinden yola
çıkılarak borlama ortamı bileşimleri olarak ülkemizde üretilen susuz boraks ve ferro silis seçilerek katı
ortamda borlama yöntemi ile Ç1040 çeliği borlanmıştır.
3
BOR NEDİR
Periyodik tabloda ‘B’ simgesiyle gösterilen, atom numarası 5, atom ağırlığı 10,81, yoğunluğu
o
o
2,84 gr/cm3, ergime noktası 2300 C ve kaynama noktası 2550 C olan, metalle ametal arası yarı
iletken özelliklere sahip bir elementtir. Genellikle doğada tek başına değil, başka elementlerle bileşikler
halinde bulunur. Tabiatta yaklaşık 230 çeşit bor minerali vardır.
Bunlardan bazıları şöyledir ; Kolemanit,Tinkal,Üleksit,Pandermit,Kernit,Sasolit,Ascharit ve
Datolit mineraller halinde bulunurlar ve çeşitlenirler.Bunlardan ülkemizde Pandermit, Kolemanit, Tinkal
ve Üleksit mineralleri ülkemizde bulunmaktadır.
Oksijenle bağ yapmaya yatkın olması sebebiyle pek çok değişik Bor-oksijen bileşimi
bulunmaktadır. Bor-oksijen bileşimlerinin genel adı borattır.
Borun Tarihçesi;
Bor'un en çok kullanılan türü olan Boraks binlerce yıldan beri bilinmektedir. Mısırlılar ve
Mezopotamya Uygarlıklarının, bazı hastalıkların tedavisi ve ölülerin mumyalanmasında, Çinlilerin
porselenlerinin cilalanmasında, Babillilerin kıymetli metallerinin ergitilmesinde boraks kullandıkları
bilinmektedir.
Modern bor endüstrisi ise 13. yy.'da boraksın Marco Polo tarafından Tibet'den Avrupa'ya
getirilmesiyle başlamıştır. 1771 yılında, İtalya'nın Tuscani bölgesindeki sıcak su kaynaklarında Sassolit
bulunduğu anlaşılmış, 1852' de Şili'de endüstriyel anlamda ilk boraks madenciliği başlamıştır. Nevada,
California, Caliko Mountain ve Kramer yöresindeki yatakların bulunarak işletilmeye alınmasıyla ABD
Dünya bor gereksinimini karşılayan birinci ülke haline gelmiştir. Türkiye' de ilk işletmenin, 1861 yılında
çıkartılan "Maadin Nizannamesi" uyarınca 1865 yılında bir Fransız şirketine İşletme imtiyazı
verilmesiyle, başladığı bilinmektedir.
Bor; temiz elementer yapısına kavuşmadan birçok kimyager tarafından eş zamanlarda keşfedilmeye
başlanmıştır (1808). Fransız kimyagerler Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) ve Louis Jacques
Thénard (1777-1857) elementi ilk olarak bortrioxid ve kaliumdan elde etmişlerdir. Sir Humphrey Davy
ise Boru; Bor asitin elektrolizinden elde etmeyi başarmıştır. Davy bu buluşunun ismini "boracium"
olarak adlandırsa da sonradan "boron" olarak kısaltılmıştır. Bu buluşun elementer kısaltmasını ise
J.J.Berzelius 1814 yılında yapmıştır. Borun tam anlamıyla temiz ve saf olarak elde edilmesi ise
Amerikan kimyageri W.Weintraub tarafından bortrioxidin su bazıyla redüksiyonundan meydana
gelmiştir (1909) .
4
Soldan sağa doğru Bor'un kaşifleri: (Joseph Gay-Lussac, Louis Jacques Thénard ve
Sir Humphrey Davy)
BOR BİLEŞİKLERİNİN GENEL ÖZELLİKLERİ
Boraks Dekahidrat : Teknolojik olarak alkali metal boratlarının en önemlilerinden biri,
disodyum tetraborat dekahidrat (Na2B4O7.10H2O) olarak da adlandırılan boraks dekahidrattır ve
tabiatta tinkal minerali olarak bulunur. Molekül ağırlığı 381,4 gr./mol, özgül ağırlığı 1,71 (20°C), özgül
ısısı 0,385 kcal/gr/°C ( 25-50°C), oluşum ısısı -1497,2 kcal/mol' dür. Renksiz monoklinik kristal
yapısında bir tuzdur. Sulu çözeltileri yaklaşık, konsantrasyondan bağımsız olarak hafif alkali reaksiyon
gösterir. (pH=9,2). Doygun boraks çözeltisi 105°C' de kaynar.
Boraks Pentahidrat : Disodyum tetraborat pentahidratın (Na2B4O7.5H2O) molekül ağırlığı
291,35 gr/mol, özgül ağırlığı 1.88, özgül ısısı 0,316 kcal /gr/°C ve oluşum ısısı , -1143,5 kcal/mol' dür.
Mineral adı tinkalkonit olan pentahidrat boraksın dehidrasyonundan oluşan birikintiler halinde bulunur.
Doymuş boraks çözüntüsünün 60°C' nin üzerinde kristallenmesi ile oluşur.
Susuz Boraks : Disodyum tetraborat (Na2B4O7) molekül ağırlığı 201,27 gr/mol, özgül ağırlığı
3
2,3 gr/cm , oluşum ısısı, -783,2 kcal/mol olan renksiz ve çok sert bir kristaldir. Kolay öğütülebilir
kristalin bir kütle olarak bulunur. Ergime derecesi 741°C' dir. Hiğroskopiktir. Boraks hidratların 600700°C' de dehidrasyonu ile stabil yapıda susuz boraks üretimi sağlanabilmektedir.
Borik Asit : Borik asit(H3BO3) molekül ağırlığı 61,83 gr/mol, B2O3 içeriği %56.3,ergime
noktası 169°C, özgül ağırlığı 1.44, oluşum ısısı , -1089 kJ/mol, çözünme ısısı 22,2 kJ/mol olan kristal
yapılı bir maddedir. Oda sıcaklığında sudaki çözünürlüğü az olmasına rağmen, sıcaklık yükseldikçe
çözünürlüğü de önemli ölçüde artmaktadır. Bu nedenle sanayide borik asidi kristallendirmek için
genellikle doygun çözeltiyi 80°C' den 40°C' ye soğutmak yeterli olmaktadır. Bor minerallerinden geniş
ölçüde üretilen borik asit başlıca; cam,seramik ve cam yünü sanayiinde kullanılmakta olup, kullanım
5
alanları çok çeşitlidir. Borik asit, bor minerallerinin genel olarak sülfürik asit ile asitlendirilmesi ile elde
edilmektedir.
Bor Oksit (susuz borik asit) : Ticari bor oksit, B2O3 'tür ve genellikle %1 su içerir. Genellikle
borik asitten uygun sıcaklıkta su kaybettirilerek elde edilir. Renksiz cam görünüşlüdür. Oda
sıcaklığında higroskopiktir. Bor oksit ve susuz boraks cam sanayiinde çok kullanılır. Yüksek sıcaklıkta
borik asitten su buharlaşırken B2O3 kaybı artmaktadır. Cam üretim prosesinde, borik asit yerine, bor
oksit kullanılması enerji ve hammadde avantajı sağlamaktadır (Kocakuşak vd., 1986). Bor oksit
porselen sırlarının hazırlanmasında, çeşitli camlarda, ergitme işlemlerinde, seramik kaplamalarda
kullanılır. Ayrıca pek çok organik reaksiyonun katalizörüdür. Pek çok bor bileşiğinde başlangıç
maddesidir.
Sodyum Perborat : Sodyum perborat (NaBO2H2O23H2O) genellikle tetrahidrat yapısındadır.
Perborat üretiminde %33 B2O3 içeren boraks minerali kullanılmaktadır. Sodyum perborat, Bandırma'
daki Eti Bor A.Ş. Boraks ve Asit Fabrikaları İşletmeleri tarafından üretilmektedir. (Kocakuşak vd.,
1986). Sodyum perborat, ağartıcı etkisi dolayısıyla yaygın olarak sabun ve deterjan sanayiinde
kullanılmaktadır. Ayrıca kozmetik maddelerin yapımında, tekstil endüstrisinde, mum, reçine, tutkal ve
sünger sanayiinde katkı maddesi olarak kullanılmaktadır .
Bor Karbür : Bor-karbon sistemindeki tek bileşik olan bor karbür, genellikle granür katı olarak
elde edilir. Masif ürün olarak elde edilmek istendiğinde, 1800-2000°C' de garafit kalıplarda preslenir.
3
Saf bor karbür kristalleri hafif parlak görünümdedir. Yoğunluğu 2,52 gr/cm , ergime sıcaklığı 2450°C'
dir. Sıcak preslenmiş bor karbür, aşındırıcı parçalarda, contalarda, seramik zırhlı yüzeylerin
yapılmasında kullanılır. 2000°C 'nin üzerindeki sıcaklıkların ölçülmesinde termoçift olarak kullanılır.
Sertliği nedeniyle abrasiv malzeme yapımında kullanılır, ayrıca nükleer reaktörlerde nötron yakalama
kapasitesi, kimyasal inertliği ve radyasyon stabilitesi gibi özelliklerinden yararlanılır.
Bor Nitrit : Bor nitrit genellikle hegzagonal yapıda oluşur. Hegzagonal sistemde iken beyaz,
3
talk' a benzeyen, 2,27 gr/cm yoğunluğunda bir tozdur. Kübik sistemde ise oldukça serttir. Teorik
3
yoğunluğu 3,45 gr/cm ' tür ve iyi bir elektrik izolatörüdür. Ergitilerek masifleştirilmiş bor nitrit büyük bir
kimyasal dirence sahiptir. Kübik yapıdaki bor nitrit çok iyi bir abrasiv malzemedir. Bu özelliğinden
dolayı, kesici aletlerin yapımında ve sert alaşımların işlenmesinde kullanılır.
Bor Halojenürler : Borun flor, klor, brom, iyot gibi halojenlerle yaptığı bileşiklerdir. Bor oksitin
derişik sülfirik asit ve florit, klorit, bromit, iyodit gibi halojenlerle ısıtılmasıyla elde edilir. Bor klorür,
düşük viskoziteli, renksiz, ışığı kıran bir sıvıdır ve %95' i bor-fiber üretiminde kullanılır. Bor florür ise
renksiz, boğucu kokulu, yanıcı olmayan bir gazdır. Bor iyodür katıdır ve kuvvetli nem çekicidir, oksijen
akımında yanar.
Metalik karaktere sahip bor bileşikleridir. Metallerle veya metaloksitler ile borun reaksiyonu
sonucu elde edilirler. Ticari olarak metal karışımların ve borun ; alüminyum, magnezyum veya karbon
ile indirgenmesi ile elde edilirler. Boridler yüksek ergime noktasına, yüksek sertliğe ve iyi bir kimyasal
stabiliteye sahiptirler. Oksidasyona karşı dirençlidirler. Bu nedenle, metal yüzeylerinin kaplanmasında,
6
ısıya dayanıklı kazan ve buhar kazanları yapımında, korozyona dayanıklı malzeme üretiminde ve
elektronik sanayinde kullanılırlar.
Bor Kullanım Alanları
Bor mineralleri ve bileşikleri çeşitli endüstri dallarında çok farklı malzeme ve ürünlerin
üretiminde kullanılmaktadır. Metalik malzemeler üzerine bor kaplama işlemi ve bor bileşiklerinin
kullanımı, insanlık tarihin en eski teknolojilerinden olup günümüze kadar kullanıla gelmiştir.
Günümüzde bu kullanım sahaları çok daha fazla genişlemektedir, özellikle 400'den fazla endüstriyel
alanlarda uygulama alanı bilinmektedir (Çalık, 2002).
Bor ve ürünlerinin kullanım alanlarını aşağıdaki gruplarda toplamak mümkündür:
•
Cam Sanayi: Borsilikat Camları, İzole Cam Elyafı, Tekstil Cam Elyafı,Optik Lifler,Cam
Seramikleri, Şişe ve Diğer Düz Camlar,
•
Seramik Sanayi: Emaye ve Sır Porselen Boyaları vb.
•
Nükleer Sanayi: Reaktör Kontrol Çubukları, Nükleer Kazalarda Güvenlik Amaçlı ve Nükleer
Atık Depolayıcı olarak,
•
Uzay ve Havacılık Sanayi: Sürtünmeye-Aşınmaya ve Isıya Dayanıklı Malzemeler, Roket Yakıtı
•
Askeri ve Zırhlı Araçlar: Zırh Plakalar vb.
•
Elekronik - Elektrik ve Bilgisayar Sanayiinde: Bilgisayarların Mikro chiplerinde, CDSürücülerinde,Bilgisayar Ağlarında; Isıya ve Aşınmaya Dayanıklı Fiber Optik Kablolar, Yarı
İletkenler, Vakum Tüpler, Dielektrik Malzemeler, Elektrik Kondansatörleri, Gecikmeli
Sigortalar, vb.
•
İletişim Araçlarında: Cep Telefonları, Modemler, Televizyonlar vb.
•
İnşaat Çimento Sektöründe: Mukavemet Artırıcı ve İzolasyon Amaçlı olarak,
•
Metalurji: Paslanmaz ve Alaşımlı Çelik, Sürtünmeye-Aşınmaya Karşı Dayanıklı Malzemeler,
Metalurjik Flaks, Refrakterler, Briket Malzemeleri, Lehimleme, Döküm Malzemelerinde Katkı
Maddesi olarak, Kesiciler vb.
•
Enerji Sektörü: Güneş Enerjisinin Depolanması, Güneş Pillerinde Koruyucu olarak vb.
•
Otomobil Sanayi: Hava Yastıklarında, Hidroliklerde, Plastik Aksamda, Yağlarda ve Metal
Aksamlarda, Isı ve Yalıtımı Sağlamak Amacıyla Antifrizler vb.
•
Tekstil Sektörü: Isıya Dayanıklı Kumaşlar, Yanmayı Geciktirici ve Önleyici Selülozik
Malzemeler, Yalıtım Malzemeleri, Tekstil Boyaları Deri Renklendiricileri, Suni İpek Parlatma
Malzemeleri, vb.
•
İlaç ve Kozmetik Sanayi: Dezenfekte Ediciler, Antiseptikler, Diş Macunları, vb.
•
Tıp: Ostrepoz Tedavilerinde, Alerjik Hastalıklarda, Psikiyatride, Kemik Gelişiminde ve Artiretti,
Menopoz Tedavisinde Beyin Kanserlerinin Tedavisinde vb.
•
Kimya Sanayi: Bazı Kimyasalların İndirgenmesi, Elektrolitik İşlemler, Flatasyon İlaçları, Banyo
Çözeltileri, Katalizörler, Atık Temizleme Amaçlı olarak, Petrol Boyaları, Yanmayan ve
Erimeyen Boyalar, Tekstil Boyaları vb.
7
•
Temizleme ve Beyazlatma Sanayi:Toz Deterjanlar,Toz Beyazlatıcılar, Parlatıcılar vb.
•
Tarım Sektörü: Gübreler Böcek-Bitki Öldürücüler, vb.
•
Kağıt Sanayi: Beyazlatıcı olarak.
•
Kauçuk ve Plastik Sanayi: Naylon vb. , Plastik Malzemeler vb.
•
Koruyucu: Ahşap Malzemeler ve Ağaçlarda Koruyucu olarak Boya ve vernik Kurutucularında
vb.
•
Patlayıcı Maddeler: Fişek vb.
•
Fotoğrafçılık
•
Zımpara ve Aşındırıcılar
•
Yapıştırıcılar
•
Kompozit malzemeler
•
Spor Malzemeleri
•
Manyetik Cihazlar
•
Mumyalama
Savunma Sanayii
'Boron Carbide' bileşeninin olağanüstü sertliğinden dolayı tank zırhında ve kurşun geçirmez
yeleklerde kullanılmaktadır. Mohs sertlik skalasında 9.5 derecesi vardır, elmastan sonra bilinen en sert
malzemelerden biridir.
Cam Sanayii
Bor; pencere camı, şişe camı v.b. sanayilerde ender hallerde kullanılmaktadır. Özel camlarda
ise borik asit vazgeçilemeyen bir unsur olup, rafine sulu/susuz boraks, borik asit veya
kolemanit/boraks gibi doğal haliyle kullanılmaktadır. Çok özel durumlarda potasyum pentaborat ve bor
oksitler kullanılmaktadır. Bor, ergimiş haldeki cam ara mamulüne katıldığında onun viskozitesini, yüzey
sertliğini ve dayanıklılığını artırdığından ısıya karşı izolasyonunun gerekli görüldüğü cam mamüllerine
katılmaktadır.
Cam Elyafı
Ergimiş cama % 7 borik oksit verecek şekilde boraks pentahidrat veya üleksit- probertit
katılmaktadır. Maliyetine bağlı olarak sulu veya susuz tipleri kullanılmakta, bazı hallerde de borik
asitten yararlanılmaktadır. Arzulanan yalıtım derecesine göre çeşitli spesifikasyonlar tanımlanır: R-1,
R-7 v.b. gibi. Roll, loft veya sünger halinde imal edilmektedir. Binalarda yalıtım amacıyla kullanılmaya
başlanmıştır.Hafifliği, fiyatının düşüklüğü, gerilmeye olan direnci ve kimyasal etkilere dayanıklılığı
nedeniyle plastiklerde, sınai elyaf v.b. de, lastik ve kağıtta yer edinmiş olan cam elyaf, kullanıldığı
malzemelere sertlik ve dayanıklılık kazandırmaktadır. Böylece sertleşmiş plastikler otomotiv, uçak
sanayilerinde, çelik ve diğer metalleri ikame etmeye başlamıştır. Ayrıca spor malzemelerinde de
8
(kayaklar, tenis raketleri v.b.) kullanılmaktadır. Yapılmakta olan araştırmalar yeni kullanım alanlarının
da olacağını göstermektedir. Trafik işaretleri, karayolu onarımı birer örnek olarak verilebilir. Bu gibi
mamullerde E camı kullanıldığından, rafine kolemanit tercih edilmektedir. E tipi cam elyafı, en çok
kullanılan tür olup % 90 uygulamada tercih edilmektedir. İngiltere'de oto başına 75 kg. cam yünü
tüketilmektedir. Fransa'da Renault firması, üzerine poliyester paneller monte edilen metal şasi
imalatına girişmiştir. B2O3'e olan toplam talebin A.B.D.'de % 13'ü, B.Avrupa'da % 7'si bu tür elyaftan
karşılanmaktadır. Otomobillerde borun kullanılması, arabaların ağırlığını azaltmakta ve dolayısıyla
yakıt tüketimini azaltmaktadır. Ayrıca, araçlarda paslanmayı geciktirmektedir.
Optik Cam Elyafı
Işık fotonlarının etkin biçimde transferini sağlamaktadır. İngiliz Felecon'un ürettiği yeni bir elyaf
saniyede 140 milyon baytı 27 km. uzağa taşıyabilmektedir. Bu lifler % 6 borik asit ihtiva etmektedir.
Phillips'in Hollanda'daki fabrikasında bu lifler üretilmektedir.
Borosilikat Camlar: Camın ısıya dayanmasını, cam imalatı sırasında çabuk ergimesini ve
devitrifikasyonun önlenmesini sağlayan bor; yansıtma, kırma, parlama gibi özelliklerini de
arttırmaktadır. Bor, camı asite ve çizilmeye karşı korur. Cam tipine bağlı olarak; cam eriğinin % 0.5
ile % 0.23'ü bor oksitten oluşmaktadır. Örneğin Pyrex'de % 13.5 B2O3 vardır. Genellikle cama boraks,
kolemanit, borik asit halinde karma olarak ilave edilmektedir. Otolar, fırınlar, çamaşır makinaları,
çanak/çömlek v.b. de bu tür camlar tercih edilmektedir. A.B.D.'de bu tür cam üreten 100'e yakın firma
vardır. Biri de Corning Glass Works'dur. General Electric, Andron Hocking önemliler arasında yer
almaktadır.
Seramik Sanayii
Emayelerin vizkozitesini ve doygunlaşma ısısını azaltan borik oksit % 20'ye kadar
kullanılabilmektedir. Özellikle emayeye katılan hammaddelerin % 17-32'si borik oksit olup, sulu boraks
tercih edilir. Bazı hallerde borik oksit veya susuz boraks da kullanılır. Metalle kaplanan emaye onun
paslanmasını önler ve görünüşüne güzellik katar. Çelik, aluminyum, bakır, altın ve gümüş emaye ile
kaplanabilir. Emaye asite karşı dayanıklılığı arttırır. Mutfak aletlerinin çoğu emaye kaplamalıdır.
Banyolar, kimya sanayi teçhizatı, su tankları, silahlar v.b. de kaplanır. 1997 yılında Batı 'nın seramik
endüstrisinin borat tüketimi 69.000 ton civarında gerçekleşmiştir. Seramiği çizilmeye karşı dayanıklı
kılan bor, % 3-24 miktarında kolemanit halinde sırlara katılır.
Temizleme ve Beyazlatma Sanayii
Sabun ve deterjanlara mikrop öldürücü (jermisit) ve su yumuşatıcı etkisi nedeniyle % 10
boraks dekahidrat ve beyazlatıcı etkisini artırmak için toz deterjanlara % 10-20 oranında sodyum
perborat katılmaktadır.
9
Çamaşır yıkamada kullanılan deterjanlara katılan sodyum perborat (NaBO2H2O2.3H2O)
aktifbir oksijen kaynağı olduğundan etkili bir ağartıcıdır. Perboratların çamaşır yıkamada klorlu
temizleyicilerin yerini alması sıcak veya soğuk su kullanımına bağlıdır. Çünkü perboratlar
ancak55 °C'nin üstünde aktif hale geçerler. Ancak, ABD’de kullanılan
aktivatör(tetracetylethylenediamine) kullanımı ile bu sorun giderilmeye çalışılmıştır. 1997 yılı deterjan
sanayiindeki bor tüketimi; Batı Avrupa’da 242.000 ton ve Kuzey Amerika’da ise 21.000 ton’dur. Batı
Avrupa’da tüketilen borun % 35’i, Doğu Avrupa’da ise %5’i deterjan sanayiinde kullanılmaktadır.
Dünya perborat talebinin %86’sı Batı Avrupa tarafından tüketilmektedir.
Yanmayı Önleyici (Geciktirici) Maddeler
Borik asit ve boratlar selülozik maddelere, ateşe karşı dayanıklılık sağlarlar. Tutuşma
sıcaklığına gelmeden selülozdaki su moleküllerini uzaklaştırırlar ve oluşan kömürün yüzeyini
kaplayarak daha ileri bir yanmayı engellerler.Ateşe dayanıklı madde olarak selülozik yalıtım
maddelerinin kullanımı borik asit artmasına yol açmıştır. A.B.D.'de kullanılmakla birlikte, son yıllarda
çok fazla yaygınlaşmamıştır.Bor bileşikleri plastiklerde yanmayı önleyici olarak giderek artan oranlarda
kullanılmaktadır. Bu amaç için kullanılan bor bileşiklerinin başında çinko borat, baryum metaborat,
borfosfatlar ve amonyum fluoborat gelir.
Tarım
Bor mineralleri bitki örtüsünün gelişmesini artırmak veya önlemek maksadıyla kullanılmaktadır.
Bor, değişken ölçülerde, birçok bitkinin temel besin maddesidir. Bor eksikliği görülen bitkiler arasında
yumru köklü bitkiler (özellikle şeker pancarı) kaba yoncalar, alfaalfalar, meyva ağaçları, üzüm, zeytin,
kahve, tütün ve pamuk sayılmaktadır. Bu gibi hallerde susuz boraks ve boraks pentahidrat içeren
karışık bir gübre kullanılmaktadır. Bu da, suda çok eriyebilen sodyum pentaborat (NaB5O8.5H2O)
veya disodyum oktaboratın (Na2B8O13) mahsulün üzerine püskürtülmesi suretiyle uygulanmaktadır.
Bor, sodyum klorat ve bromosol gibi bileşiklerle birlikte otların temizlenmesi veya toprağın
sterilleştirilmesi gereken durumlarda da kullanılmaktadır.
Metalurji
Boratlar yüksek sıcaklıklarda düzgün, yapışkan, koruyucu ve temiz, çapaksız bir sıvı
oluşturma özelliği nedeniyle demir dışı metal sanayiinde koruyucu bir cüruf oluşturucu ve ergitmeyi
hızlandırıcı madde olarak kullanılmaktadır.
Bor bileşikleri, elektrolit kaplama sanayiinde, elektrolit elde edilmesinde sarf edilmektedir.
Borik asit nikel kaplamada, fluoboratlar ve fluoborik asitler ise; kalay kurşun, bakır, nikel gibi demir dışı
metaller için elektrolit olarak kullanılmaktadır.Alaşımlarda, özellikle çeliğin sertliğini artırıcı olarak
kullanılmaktadır. Bu konuda ferrobor oldukça önem kazanmıştır. Çelik üretiminde 50 ppm bor ilavesi
çeliğin sertleştirilebilme niteliğini geliştirmektedir.
10
Nükleer Uygulamalar
Atom reaktörlerinde borlu çelikler, bor karbürler ve titanbor alaşımları kullanılır. Paslanmaz
borlu çelik, nötron absorbanı olarak tercih edilmektedir. Yaklaşık her bir bor atomu bir nötron absorbe
etmektedir.
Atom reaktörlerinin kontrol sistemleri ile soğutma havuzlarında ve reaktörün alarm ile
kapatılmasında (B10) bor kullanılır.Ayrıca, nükleer atıkların depolanması için kolemanit
kullanılmaktadır.
Enerji Depolama
Termal storage pillerindeki, Sodyum Sülfat ve su ile yaklaşık %3 ağırlıktaki boraks
dekahidratın kimyasal karışımı gündüz güneş enerjisini depolayıp, gece ısınma amacıyla
kullanılabilmektedir. Ayrıca, binalarda tavan malzemesine konulduğu taktirde güneş ışınlarını emerek,
evlerin ısınmasını sağlayabilmektedir.
Ayrıca, bor, demir ve nadir toprak elementleri kombinasyonu (METGLAS) % 70 enerji
tasarrufu sağlamaktadır. Bu güçlü manyetik ürün; bilgisayar disk sürücüleri, otomobillerde direk akımmotorları ve ev eşyaları ile portatif güç aletlerinde kullanılmaktadır.
Otomobil Havayastıkları, antifriz Bor hava yastıklarının hemen şişmesini sağlamak amacıyla
kullanılmaktadır. Çarpma anında, elementel bor ile potasyum nitrat toz karışımı elektronik sensör ile
harekete geçirilir. Sistemin harekete geçirilmesi ve hava yastıklarının harekete geçirilmesi için geçen
toplam zaman 40 milisaniyedir. Ayrıca otomobillerde antifriz olarak ve hidrolik sistemlerde de
kullanılmaktadır.
Atık Temizleme
Sodyum borohidrat, atık sulardaki civa, kurşun, gümüş gibi ağır metallerin sulardan
temizlenmesi amacıyla kullanılmaktadır.
Yakıt
Sodyum tetraborat, özel uygulamalarda yakıt katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Daha
önce Amerikan Donanması tarafından uçuş yakıtı olarak kullanılmıştır. Karboranlar için Amerikan
Deniz Araştırma Ofisi ve Amerikan Ordusu tarafından katı roket yakıtı olarak kullanılması için
araştırmalar yapılmıştır. Şu anda Amerikan askeri ihtiyacı ise Callery Chemical Co. tarafından
işletilmekte olan tesisten karşılanmaktadır. Dibor, B2H6 ve B5H9 gibi bor hidratlar; uçaklarda yüksek
performanslı potansiyel yakıt olarak araştırılmışlardır. Boraneler Hidrojenle karşılaştırıldığında daha
yüksek performansla yanmaktadır. Fakat onlar, pahalı, toksik ve yakıldığında açığa çıkan bor oksit
11
çevresel açıdan uygun değildir. Amerikan Hükümeti, 1950 sonlarında borlu yakıtlar için 300 milyon US
$ ayırmıştır, ancak program 1960 başlarında iptal edilmiştir.
Sağlık
BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) kanser tedavisinde kullanılmaktadır. Özellikle; beyin
kanserlerinin tedavisinde hasta hücrelerin seçilerek imha edilmesinde kullanılmakta ve sağlıklı
hücrelere zararının minimum düzeyde olması nedeniyle tercih nedeni olabilmektedir. Ayrıca, insan
vücudunda normalde bulunan bor, bazı ülkelerde tabletler şeklinde üretilmeye başlanmıştır.
Diğer Kullanım Alanları
Ahşap malzeme korunması için sodyum oktaborat kullanılır. % 30'luk sodyum oktaborat
çözeltisi ile muamele görmüş tahta malzeme yavaş yavaş kurutulursa bozunmadan ve küllenmeden
uzun süre kullanılabilir.
Silisyum üretiminde bor triklorür, polimer sanayiinde, esterleme ve alkilleme işlemlerinde ve
etil benzen üretiminde bor trifluorür katalizör olarak kullanılmaktadır.
Bor karbür ve bor nitrür; döküm çeperlerinde yüksek sıcaklığa dayanıklı (refrakter) malzeme
püskürtme memelerinde de aşınmaya dayanıklı (abrasif) malzeme olarak kullanılan önemli
bileşiklerdir.
Araçların soğutma sistemlerinde korozyonu önlemek üzere boraks, antifiriz karışımına katkı
maddesi olarak da kullanılır.
Tekstil sanayiinde, nişastalı yapıştırıcıların viskozitlerinin ayarlanmasında, kazeinli
yapıştırıcıların çözücülerinde, proteinlerin ayrıştırılmasında yardımcı madde boru ve tel çekmede
akıcılığı sağlayıcı madde, dericilikte kireç çöktürücü madde olarak boraks kullanılmaktadır.
Gelişen teknolojiler, Bor kullanımını ve Bor' a bağımlılığını artırmakta, borun stratejik mineral
olma özelliği giderek daha da belirginleşmektedir. Dünyada üretilen bor minerallerinin %10'a yakın bir
bölümü doğrudan mineral olarak, geriye kalan kısmı rafine ürünler elde etmek için tüketilmektedir.
BORLAMA VE YÖNTEMLERİ
BORLAMA;
Borlama, diffüzyon mekanizmasıyla gerçekleştirilen yüzey sertleştirme işlemlerindendir.
Borlama, metalik malzemenin yüzeyine Borun yayındırıldığı termo kimyasal bir işlemdir. Borla yüzey
sertleştirme, esas olarak borun yüksek sıcaklıkta çeliğe yayınımı olayıdır. Demir ve demir dışı birçok
alaşım ile sinterkarbür ve seramik malzemelere uygulanabilir. Borlanacak malzemeler, özelliklerine
o
göre 700-1000 C sıcaklık aralığında, yaklaşık 1-12 saat süre ile katı, macun (pasta), sıvı veya gaz
fazındaki bor verici ortamlarda bekletmek suretiyle yapılan bir işlemdir.
12
Borlu tabakanın özellikleri, borlanan çeliğin bileşimine, borlama sıcaklığına, süresine ve ısıl
işleme bağlıdır. Borlamayla çelik yüzeyinde oluşan tabaka çok sert olup ayrıca sementasyon da
olduğu gibi sertleştirmeye gerek kalmaz. Borlu tabakada bor Fe2B ve FeB şeklinde bulunur. Bor,
çeliklerde alaşım elementi ve yüzey sertleştirici ve ayrıca çelik üretiminde cüruf yapıcı olarak kullanılır.
Borlanabilen Malzemeler
Borlama işlemi gerek toz ve gerekse diğer metotlarla üretilen bütün ferro alaşımlara
uygulanabilmektedir. Refrakter metaller (W, Ta, Mo, Zr, Hf, Nb), karbürler (özellikle Co ile bağlı WC)
ve nikel esaslı alaşımlara başarı ile uygulanarak özel yapıda borlu tabakalar elde edilebilmektedir. Ti
ve Ti esaslı alaşımlara bor yayınımı ile aşınmaya dayanıklı TiB2 tabakası elde edilebilmektedir.
Yeni geliştirilen metotlarla Cu ve alaşımlarına da tatbik edilebilmektedir, fakat düşük ergime
sıcaklığına sahip Zn ve Al'a uygulanamamaktadır (Meriç ve Şahin 2002).
Aşağıda çeşitli metallerde elde edilen borür fazları ve mikrosertlikleri verilmiştir.***********
Borlanan alt yüzey
Borür tabakasındaki fazlar
Borür tabakasının sertliği
(HV)
Fe
Co
Ni
Mo
W
Ti
Nb
FeB
1900-2100
Fe2B
1800-2000
CoB
1850
Co2B
1500-1600
Co3B
700-800
M4B3
900-1600
Mo2B
1660
MoB2
2330
Mo2B5
2400-2700
W 2B
2600
TiB
2500
TiB2
3370
NbB2
2200
NbB4
Ta2B
2500
Ta
TaB2
Hf
HfB2
2900
Zr
ZrB2
2250
Re
ReB
2700-2900
Borlama Yöntemleri
13
Esas itibariyle bir yayınma işlemi olan borlama, karbürleme ve nitrürlemeye benzer. Difüzyon
yöntemi olan borlama termokimyasal bir işlemdir. Uygun işlem sıcaklıklarında metal malzemenin
yüzeyine yayınan bor, metal ile bir ve birkaç inter metalik fazdan meydana gelen bir tabaka
oluştururlar. Bu işlemin esası borla metalin bir arada bulunduğu bor verici ortamda kimyasal veya
elektro-kimyasal reaksiyonlar neticesinde borun metal yüzeyine yayınması olayıdır. Borlama ortamı
ise, bor kaynağı (bor veya bileşikleri), aktivatör, dolgu veya deoksidontlardan oluşur. Aktivatörler
tabakanın düzenli büyümesine ve oluşumuna etki ederler. Dolgu ve deoksidantlar ise borlama
sıcaklığında oksijeni tutarak redükleyici bir ortam oluştururlar ve ayrıca borlama maddelerinin ana
malzemeye yapışmalarını önlerler.
Borlama sonucu oluşan borür tabakasının özelliklerini şöyle sıralayabiliriz.
1- Çok yüksek sertlik.
2- Yüksek ısınma direnci.
3- Alt yüzeye iyi tutunma özelliği.
4- Yüksek sıcaklık dayanımı.
5- Yüksek ısılarda sertliğini koruma özelliği.
6- Demir malzemelerinkine uygun genleşme kat sayısı.
Fe-B ikili denge diyagramı
Katı (Toz) Ortamda Borlama
14
Yüzeyi borlanacak malzeme, toz halindeki bor verici ortam içinde 800-1000°C sıcaklıklarda 410 saat bekletilerek borlama işlemi yapılır. Borlama tozu ısıya dayanıklı çelik saç kutu içine konur ve
borlanacak parça bu tozun içine gömülür. Bu toz, parçanın tüm yüzeylerinde en az 10 mm kalınlığında
olmalıdır. Kutuların ağzı bir kapak ile kapatılarak önceden belirli bir sıcaklığa ısıtılmış fırına konur. Ve
fırın kapağı kapatılarak fırın içi sıcaklığı borlama sıcaklığına yükseltilir. Bir süre bekletildikten sonra
kutu fırından alınarak soğutulur ve parça içinden çıkarılır. Bu sırada çelik kutunun kapağı kutunun
üzerinde kendi ağırlığı ile durmalıdır. Sementasyonda olduğu gibi sıkıca kapatılmasına gerek yoktur.
Eğer işlem normal atmosfer de yapılacaksa kapak sıkıca kapatılır. Bu yöntem koruyucu gaz atmosferi
içinde de yapılabilir. Yöntem ucuzdur ve özel bir teknik gerektirmez.
Borlama ortamının ana bileşini borkarbür, ferrobor ve amorf bordur. Bor karbür diğerlerine
göre ucuzdur. Amorf borun saf halinin çok pahalı oluşu ve saf ferroborun eldesinin endüstriyel olarak
çok zor olması bu metotların bırakılmasına neden olmuştur. Diğer bor verici toz ortam bor karbür ise
amorf bor ve ferrobordan ucuz olup, bileşimi zamana göre sabittir. Elverişli tane boyutunun ve etkin
aktivatörün seçimi ile iyi sonuçlar alınmıştır. Bütün bunlara rağmen amorf bor tuzuna aktivatör olarak
amonyum klorür eklenerek yapılabilir. Ferrobor ortamında yapılan borlama sonucu elde edilen tabaka
teknik açıdan kullanılamaz. Aktivatör dolgu maddeleri ile kullanılabilir.
Katı ortam borlamasında kullanılan bazı borlama bileşiklerine ait örnekler % ağırlık olarak
aşağıda verilmiştir.
1. % 60 B4C + %5 B203 + %5 NaF + %3O Demir oksit
2. % 50 Amorf bor + %l NH4F.HF + %49Al203
3. %100 B4C
4. %(7,5-40) B4C + % (2,5-10) KBF4 + %(50-90) SiC
5. %84 B4C + %16 Na2B407
6. %95 Amorf bor+%5 KBF4
7. %20 B4C + %5 KBF4 + %75 Grafit
8. %(40-80) B4C + %(20-60) Fe203
9. %80 B4C + %20 Na2C03
Bortec firmasının üretimindeki borlama malzemeleri
15
Borlama
Tane Büyüklüğü
Açıklamalar
Malzemesi
Ekabor®1
<150
En yüksek kalitede yüzey elde edilebilir.
Ekabor®2
<850
Çok iyi kalitede yüzey elde edilebilir, işlem sonrası
parçalar kolay temizlenir.
Ekabor®3
<1400
Çok iyi kalitede yüzey elde edilebilir. Isıl işlem sonrası
tozlar hala akışkandır (topaklanma olmaz).
Ekabor®HM
<150
Sert metaller, küçük delikli parçalarda ve kalın tabaka
istenen durumlarda kullanılabilir.
Ekabor®-Paste
Üniversal olarak uygulanabilir. Daldırmayla,
fırçayla veya püskürtmeyle uygulanabilir. İşlem için
asal gaz atmosferi gereklidir.
Ekabor®WB
220-230
Oksijensiz gaz atmosferinde akışkan yatakta
kullanılır.
Ekabor®Ni
<150
Nikel bazlı malzemeler için kullanılır.
Ekrit®
<420
Dolgu malzemesidir. Katı borlama maddesi ile
borlama esnasında oksijen geçişini önler.
Katı borlamanın avantaj ve dezavantajları:
Avantajları:
- Sistem ucuzdur,
- Özel teknik gerektirmez,
- Kolay elde edilebilir,
- Toz terkibi değiştirilebilir,
- Minimum ekipman ve düşük maliyet, olarak sıralanabilir.
Dezavantajları:
- Büyük boyutlu parçaların borlanmasında uygulama zorluğu vardır.
Macunlama (Pasta) İle Borlama
Borlama için kullanılacak tozlar macun haline getirilir ve borlanacak parçanın üzerine 2 mm
kalınlıkta sürülür. Parça yüzeyine sürülen macun derhal sıcak hava akımında, ön ısıtma odasında
veya kurutma fırınında maksimum 150°C' de kurutulması gerekir. Gerektiği taktirde macun üzerine
tekrar birkaç kez daha sürülebilir. Kurutma işleminden sonra macun ile kaplanmış parçalar önceden
ısıtılmış fırına konur ve fırın ağzı kapatılarak borlama sıcaklığına ısıtılır. Belirli süre bu sıcaklıkta
tutulan parçalar dışarı alınır. Ve soğumaya terk edilir. Parçalar soğuduktan sonra yüzeyinde yapışmış
olan artıklar temizlenir ve böylece borlama yapılmış olur.
16
Bu yöntemle borlama mutlaka koruyucu gaz ortamında yapılması gerekir. Aksi takdirde kötü
bir borür tabakası oluşur. Bu yöntemle kısmi borlama yapılabilir. Bor korbür
( B4C ), kriyolit (
Na3AIF6 ) ve bağlayıcı olarak da hidrolize edilmiş etilsilikat karışımından macun yaparak borlama
yapılmıştır. Bu yöntemde kullanılan koruyucu gazlar; Argon, Formier Gazı, NH3 ve saf azottur.
Sıvı Ortamda Borlama
Borlama şartlarında ortam sıvıdır. Borlanacak malzeme 800-1000°C arasındaki sıcaklığa
sahip sıvı bir borlu ortam içinde 2-6 saat bekletilerek bor yayınımı gerçekleştirilir.
Sıvı ortamda borlama tuz eriği içinde elektrolitli veya elektrolitsiz (daldırma) ve derişik
çözeltide olmak üzere yapılabilir.
Daldırma Yöntemi
Elektrolizsiz ergitilmiş tuz eriyiği veya normal sıvı ortam borlaması olarak da adlandırılır. Bu
yöntem genelde B4C'in katı fazı ile sıvı sodyum klorit (NaC1) den ibarettir. Bu da boraksın viskozite
azaltma yöntemleriyle elektrolit olarak erimesi esasına dayanır .
Ortamın esas bileşemi boraks olup, aktivatör olarak B4C, SiC, Zr, B, vs. kullanılır. Klorürlerin
karışımı veya klorürler ile floritlerin karışımına bor karbür ilavesi ile yada erimiş boraks banyolarına bor
karbür ilave edilerek yapılır. Bu yöntem ucuz ve fazla ihtisas istemez. Fakat termal şok, borlamadan
sonra parçanın temizlenmesi, büyük boyutlu ve kompleks parçalara uygulanmaması, metodun kötü
yönleridir. Çalışma sıcaklığı 800-1000°C ve borlama süresi 2-6 saattir.
Sıvı ortamda borlamanın avantaj ve dezavantajları
Avantajları:
- İşlem ucuzdur (normal sıvı ortamda),
- Fazla ihtisas istemez.
Dezavantajları:
- Yüksek viskoziteli ergimiş boraksla 850°C' nin altında borlama yapmak kesinlikle imkansızdır. Bu
sıcaklığın üzerinde bile bor banyosu içerisindeki sıcaklığın eşit dağılımına ulaşmak çok zordur.
- Özellikle kompleks parçalarda bu farklı yoğunluk akımları bor tabakasının farklı kalınlıklarda
olmasına neden olmaktadır.
- Sıkı bir şekilde yapışmış tuz tabakası iş parçaları üzerinde oluşur ve bu oluşan tabakaların borlama
işlemi tamamlandıktan sonra uzaklaştırılması maliyeti oldukça arttırır.
- Büyük boyutlu ve kompleks parçalara uygulanamaz.
- Tesisatı pahalıdır (elektroliz yönteminde).
Elektroliz Yöntemi
Yüksek sıcaklıkta tuz banyosu, elektrolit iş parçası katot ve grafit çubuk anot olarak işlem
gerçekleştirilir. Tuz banyosu ise ergitilmiş borakstır. Bu yöntem laboratuar çalışmalarında gayet iyi
17
sonuçlar vermiştir. Ancak ergimiş boraksın viskozitesinin çok yüksek olması, endüstriyel
uygulamalarda sıcaklığın homojenliğini engeller yani boraks eriğinin yüksek viskozitesi 850°C' nin
altında borlamayı pratik olarak imkansız kılar. 850°C' nin üzerinde ise banyodaki düzgün sıcaklık
dağılımı oldukça güçleşir.
Farklı akım şiddetleri, özellikle karmaşık şekilli parçalarda borür tabakasının kalınlığının
düzgün olmasına neden olur. Bu yöntemde iş parçası bir tuz tabakasıyla kaplanır ki bunu temizlemek
oldukça masraflıdır. Elektrolizle borlama da anodun bir tarafında ince borür tabakası oluşur. Bu da
gölge etkisi yaparak değişik ve düzensiz kalınlıklara sebep olur. Sodyum klorür ve borasit anhidritin
karışımı ile yapılan çalışma sonucu banyodaki sıcaklık dağılımının eşit olduğu, parçaların daha kolay
yıkandığı ve viskozitenin azaldığı görülmektedir. Ayrıca NaC1, B4C ve NaBF bileşiminden oluşan tuz
eriğinde diğer problemler çıkmaktadır. Bu yöntemin tesisatı pahalıdır. Karışık şekilli parçalarda
homojen kalınlıklı tabaka oluşumu oldukça zordur. İşlem 800-1000°C arasında 0,5-5 saat süre ile
2
yapılır. Banyo bileşimlerinde 0.2 A/cm akım yoğunluğu, 600-700°C sıcaklık ve 2-6 süre şartlarını
kullanarak sade karbonlu çelikte 15-70um kalınlıkta borlu tabaka elde edilmiştir .
Elektrolizin ana bileşimi boraks ve borik asittir. Ana bileşene ilaveten NaF, NaC1 gibi aktivatörler
kullanır. Bu aktivatörlerden ayrıca banyonun akışkanlığını artırması istenir.
Derişik Çözeltide Borlama
Boraks ve Borasitli anhidriti içeren derişik ortamlarda yüksek frekanslı ısıtmayla deneyler
yapılmıştır. Belli bir bor difüzyonu sağlandığı halde birleşik tabakalar elde edilememiştir. Boraks ve
borasidi anhidriti içeren değişik miktarlı çözeltilerde yapılan deneyler kapalı borür tabakası vermemiş
2
ve 1000°C 'de 10 dakika süre ile 0,1 A/cm ve 450 kHz frekans ile doymuş boraks çözeltisinde
tabakalar elde edilmiştir. Bu yöntem esnasında açığa çıkan bor halojenleri ilgili (uygun) asit oluşumları
altında su ile kuvvetli reaksiyona girerler. Bu sebeple derişik çözeltide borlama başarılı olmamıştır
(Selçuk, 1994).
Gaz Ortamda Borlama
Gaz ortamın bileşimi, basıncı ve gazın tanktan akış hızı borlamaya etki eden faktörlerdir. Gaz
ortamda borlama yapmak için bor verici ortam olarak bor halojenleri, diboran B2H6 ve organik bor
bileşikleri kullanılır. Bu bor vericilerden BF3 , BCI3 , BBr3 saf veya su ile; B2H6 su ile ve (CH3)3
B/(C2H5^B olarak kullanılırlar. Bunlardan diboran (B2H6) ile beraber bor halojenleri kullanılırsa çok
olumlu sonuçlar elde edilir. Fakat diboran zehirli ve patlayıcıdır. Ayrıca diboranın hidrojen ile
inceltilmesi çok pahalı olup 150°C 'ye yakın sıcaklıklarda ayrışır. Bu nedenle sıcak bir parça üzerine
uygulamak için soğutmak gerekir. Bu da işlemi karışık hale getirir. Bütün bunlara rağmen birçok
araştırmacı diboran ve su ile gaz ortamda borlamayı yapmışlardır.
18
Gaz ortamda borlama ünitesinin şematik şekli
Organik bileşiklerden bortrimetil ve bortrietil yüksek oranda karbon ihtiva ettikleri için, borlama
sonucu oluşan borür tabakası yanı sıra yüksek karbonlu bir tabakada oluşur. Böylece borlama ile
yayılan karbon oluşan tabaka kalıntısını bozar. Bor halojenleri ise uygun halojen bileşimlerinin
teşekkülü ile korozyona neden olurlar.
Amerika'da geliştirilen bir yöntem ise bor ve borkarbürden ayrışan bir gaz fazıyla yapılan
borlamadır. Bunun esasını ise , bortriklorit ile hidrojen karıştırılarak 1300-1500°C de sıcak grafit çubuk
üzerine gönderilir ve bor karbür oluşumu sağlanır. Bu yöntem ilk etapta daha yüksek ergime
sıcaklığına sahip malzemelere uygulanmaktadır. Bu yöntemle Fe esaslı malzemeler yanı sıra silika,
mullite,Ti,Ni,Co ve W başarıyla borlanmıştır .
Bor triklorit ile yapılan borlama esnasında ayrışarak serbest kalan klor, ortamdaki mevcut
hidrojen ile birleşerek HC1 oluşturur. Oluşan klor ve HC1, atmosfer ve sıcaklık oranlarına göre
borlanan demir ile reaksiyona girer. Bu durum ise gaz ile borlamada asıl problemi teşkil eder. Çünkü
borlama çelikte yapıldığında demir klorit oluşur. Bu ise demir brorürün oluşumunu engeller ve böylece
korozyona neden olur.
Eğer işlem gazı %150 oranında Azot ve geri kalanı Hidrojenden olursa az miktardaki
bortriklorit aktif bor taşıyıcı olarak etkide bulunur. Bunun sonucu olarak da borür tabakasının yapısı
pratik olarak atmosferde en az miktarda bulunan BC1
'ten dolayı BC13 'ün miktarından bağımsızdır. Bu yöntemde ise sürelerin kısa olması gerekir. Gaz
ortamda borlama esnasında bor verici olarak Hidrojen ve Azottan oluşan taşıyıcı gaz içindeki
19
bortriklorit olursa ve BC13 ile Hidrojen oranları ayarlanırsa işlem hacmi HC1 ve H2 'den oluşan gaz ile
dolarsa parça yüzeyi korozyona uğramaz. Aşağıdaki gaz bileşenleri kullanılarak borlama yapılabilir.
1. BCl3 /H2 =1/15
2. B2H6
3. B2H6 /H2 =1/50
4. BCl3 + H2
5. (C2H5 ) 3 B
6. (CH3 ) 3 B
Gaz halindeki borlayıcı bileşikleri ve bazı özellikleri
Formül
Malzeme
Teorik bor miktarı (%)
Donma noktası
CQ
Bor triflorid
BF3
15,95
-128,8
Bor triklorid
BC13
9,23
-107,3
Bor tribromid
BBr3
4,32
-46
Di-boran
B2H6
39,08
-165
Bor trimetil
(CH3)3B
19,35
-161
Bor trietil
(C2H5)3B
11,04
-94
Gaz ortamda borlamanın avantaj ve dezavantajları:
Avantajları:
-
Gaz sirkülasyonunun bir sonucu olarak borun daha çok yayınması,
-
Katı borlama işlemine göre gelişmiş sıcaklık kararlılığı ve elde etme kolaylığı.
Dezavantajları:
-
Trimetil bor, borlama ile birlikte C yayınımına da neden olarak tabaka kalitesini bozar,
-
Tesisatı pahalıdır,
-
Ortam zehirlidir,
-
Patlama tehlikesi büyüktür.
Plazma (İyon) Borlama
Gaz ortamda 300-700 Pa basınçla borlama yapmak mümkündür. İşlem sıcaklığı diğer borlama
yöntemlerine kıyasla düşmekle ve borlama süresi kısalmaktadır. Reaktif gazın daha iyi kullanımı ile
işlem atmosferinde BC13 buharının miktarı azaltılır. Bu yöntemde işlenen parça yüzeyinin aktiflenmesi
katodik püskürtmeden dolayı ( özellikle işlemin başlangıç aşamasında , yani ısınma esnasında ) akkor
ışık ile başarılır.
Yüzey diffüzyonu ve kimyasal emilme gibi yüzey işlemlerinin büyük ölçüde yükseltilmiş yüzey
enerjisinden dolayı yüzeydeki kimyasal reaksiyonlar katalitik etki ile hızlanırlar. Bunun sonucu oluşan
20
iyon ve elektronlar elektrik alanına etkide bulunurlar. Sistemi besleyen enerji, bu iyon ve elektronlar
tarafından iletilir. Elektriksel alanın etkisi altında iyon ve elektronlar gaz moleküllerin bu sıcaklığa ait
ortalama enerjisinden daha yüksek bir enerji kazanırlar. Elektronlar ile moleküllerin çarpışmasında
sonuç olarak moleküllerin bir kısım enerjisi iletilir. Bu durum, bu şartlar altında, sistem içindeki
portiküller (iyonlar, atomlar, moleküller)'in uygun sayıları yüksek enerji ile mevcut olduklarından ve
atmosferdeki bu sıcaklıkta dengeli enerji dağılımını anormal akkor ışık saçılımı olmadan
karşılanabildiği için başarılır.
Gaz ortamda termik aktiflenme sonucu meydana gelen kimyasal reaksiyonlar aktiflenmiş
malzeme yüzeyinin katalitik etkisi ile hızlanırlar. Bu yöntem genelde BC13 - buharı ile hidrojenin
oluşturduğu gaz karışımında yapılmaktadır. Bu ortamda BC13 - buharı ve hidrojenden oluşan atmosfer
içinde plazma ( iyon ) borlama esnasında kloritin hidrojen ile indirgenmesi borür tabakasının
oluşumuna ait ayrıntılı rolü oynar. İlgili reaksiyon , indirgenme reaksiyonunun tahrik edildiği katodik
bölge içindeki atomik hidrojenin varlığına bağlı olarak akkor ışık saçılımı ile oluşur. Reaksiyon sonucu
açığa çıkan bor katodik püskürtme ile aktiflenen malzeme yüzeyine emdirilir. Reaksiyon gidişinin
yükseltilmiş hızı gaz karışımındaki fazla hidrojene bağlıdır.
BC13 - buharı ve hidrojen karışımının kullanılmasında hacmin %10'unu teşkil eden BC13 miktarı ile gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlar ile kimyasal emilmiş bor miktarı ve hatta iş parçasının
kenar tabakasına borun yayınması arasındaki dinamiksel denge elde edilir. Karışımda BC13 - buhar
kısmının artması gevrek ve gözenekli tabakaların oluşmasına neden olur.
Plazma borlamanın avantaj ve dezavantajları:
Avantajları:
- Borlanan tabakanın bileşim ve derinlik kontrolünün yapılabilmesi,
- Bor potansiyelinin yüksek olması,
- Daha ince borlu tabakaların elde edilebilmesi,
- Kullanılan sıcaklık ve işlem süresinin kısalığı,
- Yüksek sıcaklık fırınlarına ve aksesuarlara ihtiyaç olmaması.
Dezavantajları:
-
Kullanılan atmosferin aşırı zehirli olmasıdır.
Borlu tabakanın yapısı ve bileşenleri
Borür tabakası
Demir borürler, termal ve elektrik iletkenliği gibi özelliklerinden başka yüksek sertlik gibi tipik
seramik özellikleri de gösteren bileşiklerdir. Tane sınırları, dislokasyonlar, atom boşlukları gibi mikro
hatalar ile yüzey pürüzlülükleri ve çizikler gibi yüzeyin daha reaktif olduğu yerler borür tabakası
oluşumunun başlangıç noktalarıdır. Bu noktalarda Fe2B çekirdekleri oluşur ve gelişir Borlamanın birinci
aşamasında borlayıcı ortam ve nesnenin yüzeyindeki reaksiyon bileşenleri arasında reaksiyon oluşur.
21
Taneler yüzeyde çekirdek oluşturmaktadır. Borlama süresi ile çekirdek oluşumu artar ve ince bir bor
tabakası elde edilir. Bor, Fe2B ve FeB yapısında çeliğin yüzeyine yayılır. Borlama işlemi sırasında, ilk
borür çekirdeği numunenin yüzeyinde oluşmaktadır.Aşağıda borlama sırasında borür tabakasının
oluşum aşaması verilmiştir .
Şekil 1.5 Borlama sırasında borür tabakasının oluşum aşaması
Oluşan ilk borür çekirdeği numune içinde büyür. Bor atomları kafes yapının [001] doğrultusunda
daha hızlı yayıldığı için FeB ve Fe2B [001] boyunca yönlenir. Bu yüzden borür taneleri [001 ] yönünde
yüzeye dik daha hızlı büyür. Borür tanelerinin diğer yönlerde büyümesi daha yavaştır. Bu nedenle
kolonsal yapı oluşur. Önce Fe2B fazı oluşur, ortamda yeterince bor konsantrasyonu varsa FeB fazı da
oluşur. İlk önce oluşan Fe2B fazı uzun bir sürede büyümektedir. Borür tabakaları çeliğin yüzeyinden
içeriye doğru FeBX, FeB, Fe2B yapısında oluşur. Borlamanın son aşamasında sadece FeB fazı oluşur.
FeB fazı, Fe2B fazından daha kısa sürede büyür. Bu yüzden FeB fazının dokusu Fe 2B fazı kadar güçlü
değildir.
Taramalı elektron mikroskobunda elde edilen; borlanmış bir çeliğin %18 hidroklorik çözeltisi içinde
birkaç saat kaynatılması sonrası çözünmüş, yaklaşık 120 um uzunluğunda diş biçimli demirborür
kristalleri (Fe2B) Şekil 1.6' da görülmektedir.
Şekil 1.6 Diş biçimli demirborür kristalleri (Fe2B) (Karaman 2003)
Borlamada oluşan Fe2B ve FeB' ye ait bazı özellikler Tablo 1.7' de verilmiştir
Çeşitli borlama yöntemleri ile 14 farklı yapıda borür tabakası elde edilebilmektedir. Sistematik
sınıflandırma Şekil 1.7' de gösterilmiştir (Matuschka 1980).
22
Borür tabakalarının yapısı; borlama yöntemine, borlanan malzemenin bileşimine, borlama ortamına
ve işlem şartlarına bağlı olarak düz bir formda veya parmaksı formda olabilir. Tabaka tiplerinden
hareketle bazı tabaka özelliklerinin belirlenebileceğini söylemek mümkündür. Bu özel tabaka tipleri
Şekil 1.7' deki gibi karakterize edilebilir. Endüstride E ve F tipi yani tek fazlı borür tabakası (Fe 2B)
tercih edilmektedir. Bu tabakalar, düşük kırılganlık değerine sahiptir ve ana malzemeye, borlu
tabakanın özelliklerini olumsuz yönde etkilemeden; borlama sonrası ısıl işlemler uygulanabilir.
Borür tabakasının özelliklerini bu sınıflama ile belirlemek mümkün değildir. Bu değerlendirme
sistemi, borür tabakasının görünümünü ve borlama işleminin uygunluğuna karar vermeyi sağlar.
Tablo1.7 Fe2B ve FeB'nin bazı özellikleri
Özellik
Fe2B
FeB
1390
1550
1600-2000
1600-2400
Uzama Katsayısı (1000 °C)
-6
8.10 1/K
10-16.10 1/K
Termal İletkenlik (1000°C)
0,2-0,3 W/(cm°C)
0,1-0,2 W/(cm°C)
742
325
7
6,3
Tetragonal hacim merkezli
Ortorombik
a: 5,078, b: 4,249
a: 4,053, b: 5,495, c: 2,496
Ergime Sıcaklığı (°C)
Mikrosertlik (HV)
Curie Sıcaklığı (°C)
Yoğunluk (g/cm )
Kristal Sistem
Kafes Parametreleri (Â)
Şekil 1.7 Borür tabakası çeşitleri
A: Tek fazlı tabaka, sadece FeB
B: İki fazlı tabaka, Fe2B ve FeB
C: İki fazlı tabaka, B' dekinden daha ince bir FeB tabaka
D: İki fazlı tabaka, yalnız FeB dişleri izole edilmiş
-6
23
E: Tek fazlı tabaka, sadece Fe2B, kuvvetli dişler
F: Tek fazlı tabaka, sadece Fe2B, daha az kuvvetli dişler
G: Fe2B dişli özel tabaka
H: Fe2B dişleri çok izole edilmiş tabaka
I: Geçiş bölgesi
K: Bozulmuş tabaka
L: İki fazlı tabaka; düz, yani parmaksı değil
M: Tek fazlı tabaka, FeB ve Fe2B, düz
Borür tabakasının kalınlığı, borlanan parçanın kullanım şartlarına göre; borlanan malzemenin cinsi,
borlayıcı ortamın bileşimi, işlem süresi ve borlama sıcaklığına bağlı olarak belirli sınırlar dâhilinde
istenilen kalınlıkta ayarlanabilir. Genellikle eroziv aşınmaya maruz tabakaların, kalın (örnek olarak,
seramik endüstrisinde kullanılan pres takımları vb), adhesiv aşınmaya maruz tabakaların, ince (zımba
takımları vb) olması istenir (Uzun 2002).
Teorik olarak, adheziv aşınmayı önlemek için 5 um' lik tabaka kalınlığı yeterlidir. Ancak, alaşımsız
ve az alaşımlı çeliklerde olduğu gibi tabaka geometrisinin parmaksı olduğu durumlarda, bu kalınlıkta
bir tabaka elde etmek mümkün değildir. Takım çeliklerinde, tabaka kalınlığının 75-100 um' yi
geçmemesi önerilir. Tabaka kalınlığı arttıkça tabakanın gevrekliği de artacağı için, özellikle çift fazlı
(Fe2B+FeB) tabakalarda, tabakanın çok kalın olmamasına dikkat edilmelidir. Alaşım elementlerinin
oranı arttıkça çelik içerisine bor yayınımı güçleşmektedir. Ayrıca, yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan
borür dişleri daha yoğun, daha üniform ve kapalıdır .
Borlanan malzemenin cinsi, borlayıcı ortamın bileşimi, işlem şekli, sıcaklık ve süre borür
tabakasının kalınlığına etki eden faktörlerdir. Teorik olarak tabaka kalınlığı sınırsızdır. Bu ise işlem
sıcaklığı ve süresinin artmasıyla mümkündür. İşlem sıcaklığının Fe-B denge diyagramındaki ötektik
sıcaklığın (1177°C) altında olması gerekir. Bu sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda bölgesel ergimeler
meydana gelerek malzeme yüzeyini bozabilir (Bozkurt 1984). Zaman faktörü ise, belli bir değeri
aşması ekonomik açıdan uygun olmayacaktır.
Alaşımsız çeliklerde borlama şartlarına bağlı olarak tek fazlı (Fe2B) ya da (FeB+Fe2B) borür
tabakası oluşur. Borlama ortamındaki bor miktarı Fe2B fazı oluşumu için gerekli olan miktardan fazla
ise uygun sıcaklık ve zaman şartlarında borür tabakasında Fe2B fazına ilaveten FeB fazı da oluşur
(Palombarini ve Carbucicchio 1987). Alaşımlı çeliklerde ise bunlara ilaveten alaşım elementine bağlı
olarak Cr2B,TiB2, NiB2, CoB gibi bileşiklerden biri veya birkaçı oluşabilir.
İki fazlı borür tabakalarında, farklı genleşme katsayılarına sahip iki faz arasında önemli ölçüde iç
gerilmeler meydana gelir. Borlama işleminden sonra parçaların soğuması sırasında Fe2B fazında
basma, FeB fazında ise çekme gerilmeleri meydana gelir. Bu gerilmeler, hızlı soğutulma ya da
mekanik zorlanmalar esnasında çatlak oluşumuna sebep olabilir.
Geçiş Bölgesi
Geçiş bölgesi, borlanmış metal borür tabakası ile ana metal arasındaki ara bölgeyi tanımlar. Geçiş
bölgesi ile ilgili farklı görüşler olmakla birlikte yaygın olan görüş; borlama sonucu oluşan borür
24
tabakasında karbon çözünemediği için metalin yapısında bulunan karbon, bor difüzyonu sırasında
yüzeyden iç kısımlara itilir.Bunun sonucu olarak karbonca zengin geçiş bölgesi oluşur.
Geçiş bölgesi hakkında başka bir görüş; bu bölgedeki borun çeliklerde alaşım elementi olarak
gösterdiği etkiyi göstermesinden kaynaklanan farklı özelliklere sahip olmasıdır. Bu bölgenin ısıl işlem
hassasiyeti, borun ostenit dönüşümünü yavaşlatmasındandır. Ayrıca bu bölgede gözlenen ostenit tane
irileşmesi de, borun alaşım elementi olarak çeliklerde gösterdiği tipik özelliklerdendir.
Geçiş bölgesinin kalınlığı konusunda da farklı değerlendirmeler mevcuttur. Bazı araştırıcılar geçiş
bölgesi kalınlığını borür tabakasının 3-4 katı olarak bildirirken, bazı araştırmacılar bu oranın 10-15 kat
olduğunu tespit etmişlerdir.
1.3.4. Bor tabakası özellikleri
1.3.4.1. Bor tabakasının kalınlığı
Teorik olarak tabaka kalınlığı sınırsızdır. Bu da işlem süresinin ve/veya sıcaklığın artması
sayesinde olur. İşlem sıcaklığının Fe-B denge diyagramındaki ötektik sıcaklığının (1177°C) altında
olması gerekir. Bu sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklar bölgesel ergimeler yaparak malzeme yüzeyinin
bozulmasına neden olur. Zaman faktörünün de ekonomik yönden mantıksal bir değeri geçmemesi
gerekmektedir.
Borlanmış tabakanın kırılganlığı, kalınlık arttıkça artar. Dolayısıyla çelik esaslı malzemeler için 20200 um' lik kalınlık, kullanma şartlarına, su verilip verilmeme ve borlanan malzeme cinsine göre
ayarlanır. Kırılganlık yönünden alaşımlı çeliklerde maksimum 100um, alaşımsız çeliklerde 15-200 um
kalınlığa; hatta darbesiz aşınmaya maruz kalacak parçalarda su verme koşulu ile 400 um' lik kalınlığa
kadar çıkılabilmektedir. Borlama sıcaklığının artması, tabaka kalınlığını arttırmasının yanında
poroziteyi de arttırarak tabakanın gevrek olmasına neden olur.
1.3.4.2. Sertlik
Borlamanın en büyük etkisi sertlik üzerine olup, ana malzeme cinsine ve yüzeyde oluşacak borür
fazlarına bağlıdır. FeB fazı, Fe2B fazından daha sert ve gevrektir (Atik 1997). Borlama ile elde edilen
sertlik; karbon çeliklerinde 1600-2000 HV, alaşımlı çeliklerde 2100-2800 HV, titanyumda ise 3000 HV
civarındadır (Bozkurt 1984). Şekil 1.8' de borlu ve sementasyonlu tabakalardaki sertlik dağılımları
görülmektedir.
25
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Yüzeyden mesafe (mm)
Şekil 1.8 Borlu ve sementasyonlu tabakalardaki sertlik dağılımları
Sertlik ölçümleri mikrosertlik yöntemi ile Vickers veya Knoop uçları kullanılarak yapılır. Ölçümlerde
büyük yüklerin kullanılması çatlama ve dökülme gibi nedenlerden dolayı hatalı sonuçlara sebep olur.
Ayrıca büyük yükler tabakaların bozulmasına ve tabakanın altındaki bölgenin deformasyonuna sebep
olabilir.
Sertlik yönünden borlu tabakanın diğer bir özelliği de, borlamadan sonra yapılan ısıl işlemlerin
sonunda sertliğini korumasıdır (Atik ve Meriç 1999).
Tablo 1.8' de borlama ve diğer metotlarla sertleştirilmiş tabakaların sertlik kıyaslamaları yapılmıştır.
Tablo 1.8 Borlama ve diğer işlemlerle elde edilmiş yüzeylerin sertlik değerleri
Malzeme
2
Mikrosertlik (kg/mm )
Nitrürlenmiş yüzey
610-940
Gaz ile karbürize edilmiş yüzey
700-820
Sert krom kaplı yüzey
950-1100
WC+%13 Co sinter malzeme
1300
Borlu karbon çeliği
1600
Borlu AISI H13 (X40CrMoV5-1) çeliği
1800
Borlu AISI A2 (X100CrMoV5-1) çeliği
1900
.3.4.3. Aşınma
Sürtünme katsayısı ve aşınma dayanımı bir sistem özelliği olmakla birlikte, genellikle yüksek
aşınma direnci için malzemenin aşındırıcıdan daha sert ve sürtünme katsayısının düşük olması istenir.
Borlama ile bu özellikler büyük ölçüde sağlanır. Borlanmış yüzeylerde PTFE' e yakın sürtünme
katsayısı elde edilebilmektedir.
26
Borun oksijene karşı ilgisi fazla olduğundan yüzeyde koruyucu, ince bir oksit filmi oluşturmakta, bu
oksit filmi yüzeyde yağlayıcı vazifesi görerek sürtünme katsayısını düşürmek suretiyle yüzeylerin
birbirine kaynamasını önlemektedir. Tablo 1.9' da bazı malzemelerin borlanmış ve borlanmamış
durumdaki sürtünme katsayıları verilmiştir.
Tablo 1.9 Bazı malzemelerin borlanmış ve borlanmamış durumdaki sürtünme katsayıları
Malzeme
Sürtünme Katsayısı
Borlu
Borsuz
Düşük karbonlu çelik
0,17-0,19
0,585-0,595
Takım çeliği
0,07-0,04
0,16-0,18
0,1939-0,2335
0,2617-0,2773
WC+Co sinter malzeme
Darbesiz aşınmanın yer aldığı uygulamalarda, borla yüzeyi sertleştirilmiş malzemeler başarılı bir
şekilde kullanılmaktadır. Borlu takım çeliğinin, su ile sertleştirilmiş durumdan 3 kat daha aşınmaya
dayanıklı olduğu söylenmektedir (Bozkurt 1984). Paslanmaz çelik için derin çekme kalıbı 60 HRC
sertlik ve yüzeyi 0,005-0,008 mm sert kromla kaplı AISI A6 çeliğinden yapıldığında tahrip olmadan 200
parça, aynı çelik yüzeyi borlandığı zaman ise 50000 parça üretildiği iddia edilmektedir.
Borlanmış çeliklerin aşınma dirençleri sementasyon, nitrürasyon, sert krom kaplama ve su vererek
sertleştirme ile elde edilen yüzeylere göre oldukça yüksektir. Şekil 1.9' da bu durum görülmektedir.
Kaymalı sürtünmelerde açığa çıkan ısı, sementasyon ile sertleştirilmiş tabakanın yumuşamasına
sebep olurken borlu tabakaya etki etmez. Borlu tabakanın 900-1000°C sıcaklıklara kadar sertliğini
koruması, aşınma direncini yüksek sıcaklıklarda da muhafaza ettirebilmektedir.
1.3.4.4. Korozyon özellikleri
Borür tabakasının suya ve atmosfere karşı korozyon direnci düşük olmasına karşılık, bazı asitlere
ve sıvı metallere karşı iyi direnç gösterir. Özellikle HCl, H2SO4 ve H3PO4 gibi asitlerle alüminyum,
kurşun ve çinko gibi metallerin sıvı banyolarında borlu malzemelerin korozyon direnci çok yüksektir.
Yüksek kromlu çeliklerde borlama ile koruyucu krom oksit yerine daha az koruyucu olan krom borür
meydana gelir. Bu bakımdan yüksek alaşımlı malzemelerin borlanmasıyla daha iyi korozyon özelliği
her zaman elde edilmeyebilir.
27
Şekil 1.9
1.3.4.5. Bor tabakasının özelliklerine etki eden faktörler
Borlama esnasında uygulanan yöntem, kullanılan borlama maddesi, borlanan malzemenin cinsi ve
işlem parametreleri, oluşan borür tabakasının şekline ve özelliklerine etki eden faktörlerdir. Metal
yüzeyinde borlama işlemi ile oluşturulan borür tabakasının kalınlığını etkileyen faktörler borlayıcı
ortamın bileşimi ve konsantrasyonu, işlem sıcaklığı ve süresi, alt tabaka metal bileşimidir.
Alaşım Elementlerinin Borlamaya Etkisi
Genel olarak bütün alaşım elementlerinin ilavesi, tabaka kalınlığında azalmaya sebep olduğu tespit
edilmiştir. Alaşım elementleri bor difüzyonunu azaltmakta, ana malzeme ve borür tabakasının
özelliklerini değiştirmektedir. Şekil 1.10'da alaşım elementlerinin borür tabakası kalınlığına etkisi
görülmektedir.
Alaşım elementlerinin bir diğer etkisi de, borür tabakasının sertliğini arttırması ve Fe-B denge
diyagramındaki ötektik noktayı aşağıya kaydırmasıdır. Fe-B sisteminde %1C, ötektik sıcaklığını 50°C
kadar düşürmektedir (Taşçı 1993).
Şekil 10
Ana malzeme içerisindeki karbon oranının artması Şekil 1.10' dan da anlaşıldığı gibi tabaka
kalınlığını azaltmaktadır. Karbon FeB ve Fe2B gibi fazlarda çözünmediğinden, karbon fazlalığının
sonucu borür tabakası altında geçiş bölgesi meydana gelmektedir (Matuschka 1980). Bu bölgedeki
karbonun, Fe3C, Cr3C, Fe6C3 gibi karbürler oluşturarak borlama mekanizmasını etkilediği ve borür
tabakasını daha sık ve sert yaptığı düşünülmektedir. Artan krom miktarı tabaka kalınlığında ve ara
yüzeyde oluşan girintili çıkıntılı yapıda azalmaya sebep olur. %4Cr içeren çeliklerde kolonsal
karakterde ve 65-95 um kalınlıkta borür tabakası elde edilirken, %12 Cr içeren çeliklerde ise 65 um
kalınlıkta daha düz karakterde borür tabakası elde edilmiştir. %26 Cr içeren çeliklerde ise borür
tabakasının kalınlığı genel olarak 5 um'yi aşmamaktadır.
28
Mangan ve nikel borür tabaka kalınlığını fazla etkilememektedir (Matuschka 1980). Buna karşılık
yüksek nikel oranı borür tabakasının kolonsal yapısını azaltmakta, yüksek poroziteyi ve kötü mekanik
özellikleri beraberinde getirmektedir.
Silisyum, borür tabakası sertliğini etkilemez, ancak geçiş bölgesinin sertliği Si artışı ile artar.
Silisyum, borür tabakasının gevrekliğini arttırdığı için %1'in üzerinde silisyum içeren çelikler borlamaya
uygun değildir.
Wolfram, molibden, vanadyum miktarının çelikte artmasıyla tabaka kalınlığı azalır ve kolonsal yapı
düzleşir. Borlanacak malzemelerde vanadyum miktarının %0,15' i geçmemesi istenir.
Titanyum, FeB'de çözünür ve FeB'nin sertliğini arttırır. Ayrıca geçiş bölgesinde tane irileşmesini
önleyici rol oynar.
1.3.4.6. Bor tabakasındaki artık gerilmeler
Borür tabakasının mekanik özellikleri artık gerilmelerle ilgilidir. Isıl işlem, malzeme cinsi ve borlama
şartlarına bağlı olarak, borür tabakası ve tabaka ana metal ara yüzeyinde iç gerilmeler oluşur.
Tabakanın faz yapısı (çift fazlı Fe2B+FeB, tek fazlı FeB) ve geometrisi (girintili veya düz oluşu), iç
gerilmelerin tabakada yapacağı hasara etki etmektedir. İdeal tabaka için tek faz (Fe 2B) ve iç
gerilmenin daha geniş bir alana yayılması için tabaka geometrisinin girintili çıkıntılı olması arzu
edilmektedir. Tabakanın Fe2B yanında FeB de içermesinin sakıncası, iki tabakada da farklı yönlenmiş
iç gerilmelerin oluşmasıdır. İç gerilmeler Fe2B'de basma, FeB'de ise çekme gerilmesi şeklindedir. Fe 2B
2
ile FeB arasında -90 kg/mm kadar bir basma gerilmesi oluşabilmektedir. Bu tür gerilmeler tabakanın
çatlamasına ve FeB tabakasının dökülerek malzeme yüzeyinin bozulmasına neden olur. İç
gerilmelerin nedeni FeB, Fe2B ve ana malzemenin termal uzama katsayılarının farklılığındandır.
1.3.5. Horlanmış malzemelerin ısıl işlemleri
Borür tabakasının Fe2B fazı genleşme katsayısı çelik grubu malzemelerin ortalama genleşme
katsayılarına yakın olduğundan, bu tür malzemelere borür tabakasına zarar vermeden alışılagelmiş
metotlarla ısıl işlem uygulanabilmektedir. Ostenitleme, 1150°C'nin üstüne çıkmama koşulu ile nötr
atmosferde yapılmalıdır.
Yüksek basınçlara maruz kalacak borlanmış parçalar ısıl işleme tabi tutulmadan kullanılmamalıdır.
Borlu tabakanın altı yumuşaksa, lokal basınçlar yüzünden tabaka çökmesi ve dökülmesi gibi etkiler
görülebilir.
Bütün difüzyon yöntemlerinde olduğu gibi borür tabakasının oluşumunda da bir hacim artışı
olmaktadır. Boyut değişimi, tabaka kalınlığı ve kullanılan malzemeye bağlıdır. Boyut artışı genel olarak
tabaka kalınlığının %20'si kadardır (Biddulph 1977). Alaşımlı çeliklerde ise bu değer %80'lere kadar
çıkabilmektedir.
1.3.6. Borlama işleminin getirdikleri
Borlu tabakalar, klasik olarak sertleştirilmiş tabakalara göre özel avantajları olan çok sayıda
karakteristik özelliğe sahiptir. Borlu tabakanın temel bir avantajı, yüksek ergime noktalı bileşik fazların,
29
yüksek sertlik değerlerine sahip olmasıdır. Borlanmış çeliklerin diğer çeliklerden ve diğer sert
malzemelerden yüzey sertlik değerleri bakımından karşılaştırılması Tablo 1.10'da verilmiştir. Bu tablo,
karbon çelikleri üzerinde uygulanmış olan borlu tabakanın sertliğinin, uygulanmakta olan klasik yüzey
sertleştirme işlemleri ile üretilenlerden çok daha iyi olduğunu açıkça gösterir. Borlu tabakaların sertliği,
sertleştirilmiş olan takım çeliği ve sert krom kaplanmış parçaların sertliğinden daha fazladır. Yüksek
yüzey sertliği ve borlu tabakanın düşük sürtünme katsayısı temel aşınma mekanizmalarını (yapışma,
sürtünme oksidasyonu vb) yavaşlatır.
Borlama işlemi ile gerçekleştirilen önemli bir avantaj, ürünlerin ve takım ömrünün arttırılmasıdır.
Borlama işlemi ile makinelerde oldukça pahalı olan parçalar yerine daha ucuz olan daha iyi
performans gösteren borlanmış parçalar kullanıldığında makinelerin maliyetlerinde azalma meydana
gelmektedir. Borlama işleminin yaygın olarak kullanıldığı ülkelerde, makinelerin pahalı orijinal parçaları
borlanmış parçalarla değiştirilmektedir. Bu sayede büyük maddi kazançlar sağlanmaktadır (Andrew
1974).
Saygın (2006) yaptığı çalışmasında AISI 1020 çeliğinde yaptığı değişik özelliklerdeki borlama
işlemlerinin hepsinin eğilme-yorulma dayanımında azalma olduğunu gözlemlemiştir.
Çelikler ve demir olmayan alaşımlardan, borlama işlemi sayesinde malzemeden beklenen
özelliklerin çok üzerinde özellikler kazanan parçaların üretilmesi mümkün olmaktadır. Aynı zamanda
borlama işlemi WC'ün sertliğine yakın bir sertlik ve PTFE'in sürtünme katsayısına yakın bir sürtünme
elde edilmesini sağlar.
Tablo 1.10 Diğer ısıl işlemler ve sert malzemeler ile borlanmış çeliklerin tipik yüzey sertliğinin
karşılaştırılması
Malzeme
Mikrosertlik, HV
Borlu yumuşak çelik
1600
Borlanmış AISI H13 takım çeliği
1800
Borlanmış X100CrMoV51 (AISI A2) çeliği
1900
Sertleştirilmiş ve temperlenmiş X100CrMoV51 (AISI
630-700
A2) takım çeliği
Yüksek hız çeliği
900-910
Nitrürasyon çelikleri
650-1700
Karbürlenmiş düşük alaşımlı çelikler
650-950
Sert krom kaplama
1000-1200
B4C
5000
SiC
4000
TiC
3500
Elmas
Borlanmış malzemelerin avantajları ve dezavantajları;
> 10000
30
Avantajları:
- Yüksek sertlik ve aşınma dayanımı,
- Nitrürleme ve sementasyon ile karşılaştırıldığında borlanmış tabaka sertliğini yüksek sıcaklıklarda da
koruması,
- Bu yöntemle çok geniş bir aralıktaki çeliklerin borlanabilmesi,
- Gaz karbürleme ve plazma nitrürleme işlemi ile kıyas edildiğinde, esnek olmaması ve yoğun işçilik
gerektirmesi bu yöntemin daha pahalı olduğunu ortaya çıkarmaktadır,
- Borlama sonucu az da olsa hacimsel boyut değişimi,
- Borlanmış malzeme yüzeyinden hassas işleme gerektiğinde, bu sadece elmas lepleme ile yapılması
gerekliliği (konvansiyonel taşlama yöntemleri borlanmış tabakaların çatlamasına yol açabilmektedir),
- Genel olarak, borlanmış çelik alaşımlarının karbürlenmiş ve nitrürlenmiş çeliklere göre dönmeye
çalışan ve noktasal yorulmaya çalışan parçaların dayanımlarının düşük oluşu (bu sebeple dişlilerin ve
vidaların borlanması oldukça sınırlıdır),
- Çoğunlukla borlamadan sonra borlanmış tabakanın bütünlüğünü korumak için takımları
temperlemek ve/veya sertleştirmek gerekliliği.
2. LİTERATÜR BİLGİSİ VE BORLAMA İŞLEMİNİN ENDÜSTRİYEL UYGULAMA ÖRNEKLERİ
Borlama konusunda Matuschka (1980), Boronizing adlı bir kitap yazmıştır. Bu kitapta, borlama, bor
tabakası özellikleri ve borlama işlemi uygulamalarına örnekler yer almaktadır. 1895-1980 yılları
arasında yapılmış çalışmaların geniş bir araştırmasını yaparak derlemiştir.
Bindal (1991) çalışmasında 3 ticari karbon çeliği (AISI 1020, 1040 ve 1050) ile özel olarak
hazırlanmış 6 adet az alaşımlı çelik malzemeleri 940°C' de değişik sürelerde borlayarak fiziksel ve
kimyasal bazı parametrelerin değişimini incelemiştir. Borlama süresi ile borür tabakası kalınlığının
azalan bir hızla arttığı, sertlik ve kırılma tokluğu gibi mekanik parametrelerin borlama süresinden çok
oluşan borür bileşiğinin cinsiyle ilişkili olduğu sonucuna ulaşmıştır. Ayrıca sertlik ve kırılma tokluğu, Mn
ilavesi ile Cr ilavesine göre nispi bir artış gösterdiğini ve korozyon davranışlarının da alaşım
elementlerinin ilavesi ile iyileştiğini Mn' ın bu hususta daha etkili olduğunu tespit etmiştir.
Tezcan (1996) borlama işleminin endüstriyel uygulamaları hakkında bir literatür taraması yapmıştır.
Çalışmasında ülkemizde borlamanın laboratuar ortamında ve deneysel olarak çalışıldığından, ancak
endüstriyel alanda yaygın kullanılmadığından bahsetmektedir.
Selam (1996) çalışmasında borlanmış gri dökme demirlerin aşınma davranışlarını araştırmıştır.
Borlama işlemlerini sıcaklığı sabit tutarak süreleri değiştirme ve süreyi sabit tutarak sıcaklığı
değiştirme şeklinde yapmıştır. Borlama neticesinde borlanmış numunelerde aşınma dayanımının
31
yükseldiğini tespit etmiştir. Aşınma deneylerinde kayma yolunun artmasıyla sürtünme katsayısının da
artış gösterdiğini belirlemiştir.
Selçuk (1994) çalışmasında AISI 1020 ve AISI 5115 çeliklerinin sürtünme aşınma davranışlarını
incelemiştir. AISI 1020 çeliğinin düşük yüklerde semente edilmiş AISI 5115 çeliğinin yerine kam mili ve
diğer kullanım alanlarında kullanılabileceği sonucuna ulaşmıştır.
Akgündüz (1991) "Çelikte Alaşım Elementi Olarak Bor ve Borlama ile Yüzey Sertleştirme" isimli
çalışma yapmış ve borlamanın yüksek aşınma dayanımı, düşük sürtünme katsayısı, asitli ortamlarda
korozif dayanım ve yüksek sıcaklıklarda sertliği muhafaza etme konularında büyük üstünlük
sağladığını belirtmiştir.
Karaman (2003), "Endüstriyel Borlama ve Tekstil Endüstrisinde Bir Uygulama" isimli çalışma
yapmıştır. Çalışmasında, ülkemizde ve dünyada borlama işlemi ile ilgi firmaları araştırmış ve ticarî
borlama malzemeleri hakkında bilgiler vermiştir. Ayrıca S235 (St 37) çeliğinden imal edilmiş iplik
kılavuzlarının borlama ile kullanım ömürlerinin 8 kat arttırılabileceğini ifade etmiştir.
Genel vd (2002) çalışmalarında AISI W1 malzemesinin değişik sıcaklık ve sürelerde borlanmasını,
yapay sinir ağları metodunu kullanarak karşılaştırmışlardır. Sonuç olarak, bu yöntemle borlama
özellikleri hakkında %95 oranında tahmin yapılabileceği sonucuna ulaşmışlardır.
30MnCrTi5 (En18A) malzemesini eğmek üzere, X32CrMoV33 (BH10) çeliğinden yapılmış bir eğme
kalıbının (Şekil 2.1), çeşitli radyüslerinin üzerindeki aşınmalar ölçülmüş ve borlamanın aşınmayı
azaltıcı en etkili yöntem olduğu tespit edilmiştir (Nair ve Karamış 2000).
Borlama yoluyla sertleştirilen küresel valf parçalarında abrasif aşınmaya karşı son derece etkin
koruma sağlamıştır. Bu tür valfler (Şekil 2.2) petrol endüstrisinde olduğu gibi yüksek oranda katı
abrasif tanecik içeren gaz ya da sıvıları taşıma sistemlerinde kullanılmaktadır (Hunger ve Trute 1994).
32
Şekil 2.1 Eğme kalıbı (Nair ve Karamı ş 2000).
Şekil 2.2 Borlanmış küresel valf ve metal sızdırmazlık elemanları (Hunger ve Trute1994)
42CrMo4 (AISI 4140) çeliğinden yapılan ve termal yöntemle 50-52 HRC sertleştirilen bir
püskürtme lülesi (Şekil 2.3) incelenmiştir. Lülede 7 bar basınçta ve 183 kg/h debide SiC tanecikleri
taşınmaktadır. Lüleler bu şartlar altında yaklaşık 30 saat'lik bir kullanımdan sonra kullanılmaz hale
gelmektedir. Bu lüle, borlanabilirlik bakımından uygun nitelikler taşıyan C20 (AISI 1020) çeliğinden
imal edilerek 970°C'de 7 saat borlanmış ve yaklaşık 1400 HV0,06 sertliğinde ve yaklaşık 70 um
kalınlığında borür tabakası elde edilmiştir. Aynı çalışma şartlarında püskürtme aşınmasına maruz
33
kalan bu parçaların 600 saat'lik bir çalışma ömrüne ulaştığı tespit edilmiştir. Böylece, daha düşük
dayanımlı bir malzeme ile 20 katlık bir ömür artışı sağlanmıştır (Nair ve Karamı ş 1999).
Şekil 2.3 Hasara uğramış püskürtme lülesi
Borlanmış yüzeylerin soğuk kaynak eğiliminin çok düşük olması adhesiv aşınmayı azaltmada iyi
sonuçlar vermektedir. Şekil 2.4'de Farklı yüzey işlemi görmüş alüminyum derin çekme kalıbında işlem
sayısına (n) bağlı olarak kalıp yüzey kalitesinin değişimi verilmiştir.
34
Şekil 2.4 Farklı yüzey işlemi görmüş alüminyum derin çekme kalıbında işlem sayısına (n) bağlı olarak
kalıp yüzey kalitesinin değişimi (Hunger ve Trute 1994)
Mineral katkılı plastik granüllerin taşıma ekipmanları da borlanabilmektedir (Sinha 1991).
Şekil 2.5'de borlanmış bir taşıma bandı görülmektedir.
Şekil 2.5 Borlanmış bir taşıma bandı (Anonymous 1998)
Volkswagen firmasının araçlarında kullanmış olduğu parçalarda borlama işleminin uygulanabilmesi
üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Bu firma halen kullandığı yağ pompası dişlilerini Bortec firmasında
borlama işlemi yaptırarak kullanmaktadır (Karaman 2003).
°/o3 Ni, %1 Cr ve %0,5 Mo alaşımlı çelikten imal edilen tren vagonlarının alt düzen süspansiyon
parçaları, 100.000 km yol kat edilmesi sonrası kullanım ömrünü tamamlamaktadır. Parçaların
değiştirilmesi için bütün vagonu kaldırmak gerektiğinden, çok masraflı olmaktadır. Vagon alt düzen
süspansiyon parçaları 900°C' de 4 saat borlandığında, 200.000 km yol kat ettikten sonra halen
kullanılabilmektedir (Karaman2003).
Şekil 2.6' da abrasif tanecikleri sınıflandırmada kullanın bir eleme cihazına ait yatak plakaları
görülmektedir. SiC hazırlamada kullanılan St30 çeliğinden imal edilen yatak plakalarının yağlama
kanalları, normal şartlarda 3000 saat çalışmadan sonra aşınarak kaybolmaktadır. Aynı plaka 200um
tabaka kalınlığı elde edilecek şekilde borlandığında çalışma ömründe 5 katlık bir artış sağlanarak
15000 saat çalışmıştır (Nair ve Karamış2000).
35
Şekil 2.6 Aynı işlem zamanına sahip borlanmış ve borlanmamış yatak plakaları
(Nair ve Karamış 2000)
Cam sanayinde kullanılan X210Cr12 (1.2080) çeliğinden imal edilen mastörler (Şekil 2.7)
borlandığında aşınma dirençleri artmakla birlikte ergimiş camın üzerine yapışmasına izin
vermemektedirler. Ayrıca borlanmamış şişe kalıplarının ömrü 1 milyon şişe olmakta ve 8 saatte bir
kalıpların yüzeyinde aşınmalar olduğu için değiştirilmek zorunda kalınmaktadır. Borlama sonrası
aşınma miktarı azalan kalıpların kullanım ömürleri yaklaşık 4-5 kat artış göstermiştir (Karaman 2003).
Şekil 2.7 Cam sanayi mastörleri
36
Çimento sanayinde kullanılan fanlar (Şekil 2.8), trasfer ettikleri havada aşırı miktarda aşındırıcı
partikül bulunduğundan ötürü, kısa zamanda kanatları aşınmaktadır. Ancak, borlama işlemi sonrası
çalışma ömürleri belirgin bir biçimde artış göstermiştir.
Şekil 2.8 Çimento fabrikasında kullanılan fan (Karaman 2003)