Abstract

Tezin Adı
: 32CrMoV çeliğinin aşınma direncini arttırmak için yeni bir ısıl işlem
metodunun geliştirilmesi / Development of a novel heat treatment method for enhancing the wear
resistance of 32CrMoV steel
Yazarı
: Hande ÖZCAN
Yılı
: 2013
Danışman Adı-Soyadı : Yrd.Doç.Dr. Benat KOÇKAR
Öz
: Borlama yönteminde çelik malzemeler borca zengin bir ortamda belirli
sıcaklıkta ve süre ile tutulur ve borun yüzeyden içeriye penetre ederek çelik yüzeyinde FeB ve Fe2B
gibi yüksek sertliklere (1500HV-2000HV [1]) sahip ikincil fazların oluşması sağlanır [2-5]. Bu tezde
borlama işlemleri olarak hem toz borlama hem de pasta borlama uygulanmıştır. Bor pastası kullanılarak
ısıl işlem yapılması ile yüzeyde koruyucu bir tabaka oluşmuştur ve böylece malzeme oksitlenmeye karşı
korunmuştur. Fakat toz borlama yönteminde oksitlenmeyi önlemek için, atmosfer kontrollü bir ortamda
deneyler gerçekleştirilmiştir ve bu tezde atmosfer kontrolü, inert bir gaz olan argon gazı kullanılarak
sağlanmıştır [6]. Her iki yöntemde de malzeme, ısıl işleme tabi tutulduktan sonra su verme ile aniden
soğutulmuştur. Bunun nedeni ise oluşan mikroyapının ani soğutma ile sabitlenmesidir. Toz borlama
yönteminden farklı olarak, fırının soğuk bölgesinde soğutma işlemi de denenmiştir. Su verme ile ani
soğutmanın öncesinde, malzemenin saniyelerle sınırlı da olsa açık atmosferde oksitlenme riskinin
olduğu düşünüldüğünden dolayı, argon atmosferinde bulunan, fırının soğuk bölgesinde soğutma
işleminin yapılması gerçekleştirilmiştir. Ardından malzeme ortadan ikiye kesilerek borun yüzeydeki
difüzyonu incelenmiştir. Bunun için malzeme ilk olarak kabadan inceye doğru zımparalanmış, ardından
elmas süspansiyon yardımı ile parlatma işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra hacimce \%2'lik nital
solüsyonu ile dağlama işlemi yapılmıştır. Dağlama işlemi, mikroyapının ortaya çıkması için uygulanan
bir yöntemdir. Dağlanan malzemelerin optik mikroskop yardımı ile mikroyapıları incelenmiştir ve daha
yüksek büyütmede mikroyapı incelemeleri için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) yöntemi
kullanılmıştır. Yüzeyde oluşan fazların tayini için X-Işını Kırınımı Yöntemi (XRD) ile malzemeler
analiz edilmiştir.
Karbürleme deneyleri inert atmosfer kullanılmaksızın gerçekleştirilmiştir. Bunun nedeni karbürleme
reaksiyonu için karbon içeren toz malzemede öncelikle bir reaksiyon oluşması gerekliliği ve çıkan
karbonmonoksitin karbon difüzyonunu sağlamasıdır. Karbon tozu olarak, ticari olarak satılan odun
kömürü kullanılmıştır. Odun kömürü agat havanda öğütülmüş ve toz haline getirilmiştir. Karbürleme
işlemi için de yukarıda anlatılan bütün adımlar aynı şekilde uygulanmıştır.
Bu tezde, literatürde daha önce denenmemiş yeni bir yöntem olan borokarbürleme işlemi
gerçekleştirilmiştir. Borokarbürleme işlemi, karbon ve bor tozunun eşit oranda karıştırılması ile
malzemeye uygulanan bir ısıl işlem ile yüzey sertleştirme yöntemidir. Borokarbürleme deneyleri de inert
atmosfer kullanılmaksızın gerçekleştirilmiş ve borlama yönteminde anlatılan tüm adımlar sıra ile
uygulanmıştır.
Borlama, karbürleme ve borokarbürleme işlemleri sonrasındaki malzemedeki mikroyapı evrimi
incelenmiş ve üç işlem sonrasında malzemenin sertliğindeki artış kıyaslanmıştır. Buna göre borlama
yönteminde en yüksek yüzey sertliği elde edilmiştir ve yüzey sertliği 1800HV'lere kadar çıkarılmıştır
[7]. Karbürizasyon ile elde edilen yüzey sertlikleri, borlama ile elde edilene göre daha düşüktür. Bazı
sıcaklıklarda yüzey sertliği, ana malzemenin matris sertliğinden de düşük olmaktadır. Bunun nedeni
ortamdaki karbon oranın malzemedeki karbon oranından düşük olması ve malzemeden karbon çekilerek
dekarbürizasyon olmasıdır. Borokarbürleme deney sonuçlarındaki yüzey sertliğinin de borlama
deneyleri kadar yüksek olmadığı gözlemlenmiştir. Öteyandan borokarbürleme deneylerindeki,
yüzeyden matrise doğru olan mikrosertlik profilindeki düşüşün, borlamadaki kadar sert bir düşüş
olmadığı görülmüştür.
Yapılan borlama, karbürleme ve borokarbürleme deney sonuçlarına göre parametrelerin optimize
edilmesinin ardınan, gerçek ölçekte namlu deneyleri yapılmıştır. Namluya uygulanabilirliği en uygun
olan, yiv setlerini geometrik açıdan bozmayacak ve namlu yüzey pürüzlülük kalitesini düşürmeyecek
yöntem olarak toz borlama seçilmiş ve MKE'den tedarik edilen MP5 namlu üzerinde bu yöntem
uygulanmıştır. Namluya yapılan toz borlama işlemlerinden sonra, 1000'lik atış testleri MKE tarafından
gerçekleştirilmiş ve atış testi sonrası namluların mikrosertlik ve mikroyapı karakterizasyonları
yapılmıştır. Buna göre, atış sonrası malzemede mikroyapı ve mikrosertlik açısından herhangi bir
değişim olmadığı gözlemlenmiştir.
Abstract
: In the boriding process, steel materials are kept in the boron-rich media during
a certain period of time at a given temperature in order to form very hard second phaseses such as FeB
and Fe2B (1500HV-2000HV [1]) on the surface of the steel by penetrating the boron into the material
[2-5]. In this thesis, both powder boronizing and paste boronizing are applied in the boriding process.
Using the boron paste, the protective layer is formed during the heat treatment, and thus the material is
protected against oxidation. On the other hand, in powder boronizing, the experiments are conducted in
a controlled atmospheric environment to prevent oxidation and in this thesis, atmosphere control is
performed by using the inert gas argon [6]. In both methods, after the heat treatment, the material is
cooled rapidly by water quenching. This is due to the stabilization of the microstructure by rapid cooling.
Different from the powder boronizing, the cooling process is also carried out in the cold part of the oven.
Then, the material is cut in half to analyze the diffusion of boron to the surface. The material is first
grinded using rough to fine SiC papers, and then the polishing process is performed with diamond
suspension. The material is further etched with \%2 nital solution in volume. Etching is a process for
revealing the microstructure. The microstructures of etched materials are analyzed with optical
microscope and Scanning Electron Microscope (SEM) is further utilized for observing the
microstructures at higher magnification. To determine the phases formed on the surface, the materials
are analyzed by X-Ray Diffraction (XRD) method.
Carburizing experiments are conducted without the use of inert atmosphere. The reason is that for the
carburizing reaction, the initial reaction is needed in carbon-containing power material and the resulting
CO provides the diffusion of carbon atom into the material. Commercially available charcoal, is used as
a carbon powder for the carburizing process, all the steps described above are applied in the same
fashion.
In this thesis, a new method borocarburizing is applied and to the best of our knowledge, this method is
not performed in the literature before. Borocarburizing process is a surface hardening heat treatment
method by mixing equal proportion of carbon and boron powder. Borocarburizing experiments are also
carried out without using inert atmosphere and all steps described in boronizing process are applied in
order.
After boriding, carburizing and borocarburizing processes, the microstructural evolution of the material
is analyzed and the increase in the surface hardness of the material after these three processes is
compared. According to this comparision, the highest surface hardness is achieved in boriding process
and the surface hardness increases up to 1800HV [7]. The surface hardness obtained by carburizing is
less than that of obtained with boriding. In some temperatures, the surface hardness is lower than the
matrix hardness of the base material. This is because the carbon content in the atmosphere. Since carbon
content is less than the material carbon content, diffusion process develops from material surface
through the atmosphere. This is called decarburization. The borocarburizing experiments show that the
surface hardness are not as high as which is observed in boriding experiments. On the other hand, it is
observed that decrease in microhardness profile from surface to the matrix in borocarburizing
experiments is not as sharp as the decrease which is observed in boriding.
After optimizing the process parameters according to the experimental results of boriding, carburizing
and borocarburizing, the barrel experiments are carried out in real scale. Powder boronizing is chosen
as the most appropriate method which is applicable to the barrel, does not change the geometry of the
thread sets and does not reduce the quality of roughness of the surface. This method is applied to MP5
barrel supplied from MKE. After powder boronizing process of the barrels, fire tests of 1000 rounds are
conducted by MKE and after the fire test, microhardness and microstructure characterization of the
barrels are performed. Accordingly, after the fire tests, it is observed that there is no change in terms of
microstructure and microhardness of the material.