185

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Plazma Nitrürlenmiş AISI 4140 Malzemenin Dinamik Özelliklerinin İncelenmesi
M. Raci AYDIN*
Atatürk Üniversitesi
Erzurum
Halim KOVACI†
Atatürk Üniversitesi
Erzurum
Ömer GÜNDOĞDU‡
Atatürk Üniversitesi
Erzurum
Özet— Plazma nitrürleme, malzemelerin ve makine
elemanlarının aşınma, yorulma ve korozyon özelliklerini
iyileştirmek
amacıyla
sıklıkla
kullanılan
bir
termokimyasal yüzey işlemidir. Bu işlemin malzemelerin
mekanik, yapısal ve kimyasal özellikleri üzerine etkileri
pek çok çalışmada deneysel ve teorik olarak
incelenmiştir. Buna karşın plazma nitrürleme işleminin
malzemelerin dinamik özellikleri üzerindeki etkileri net
olarak
bilinmemektedir.
Bu
çalışmada,
farklı
kalınlıklarda prizmatik AISI 4140 malzemeler işlem
görecek şekilde, 500 °C’de 2 saat süre ile plazma
nitrürlenmiştir. Plazma nitrürleme işlemi sonucunda,
işlem gören numuneler ile işlem görmemiş numunelerin,
serbest-serbest sınır şartı için doğal frekans ve sönüm
oranları tespit edilmiştir. Bu sayede plazma
nitrürlemenin, farklı parametreler için, malzemenin
dinamik özellikleri üzerine etkileri belirlenmiştir.
I. Giriş
Teknolojik gelişmelere paralel olarak mühendislik
malzemelerinden beklenen performans, her geçen gün
artmakta ve bunun sonucunda geleneksel mühendislik
malzemeleri çoğu uygulamada yetersiz kalabilmektedir.
Yeni nesil malzemelerin üretiminde yaşanan en büyük
zorluklar üretim teknolojisinin yetersiz kalabilmesi ve
yüksek üretim maliyetleridir. Bu sebeple, mevcut
malzemelerin performanslarının arttırılarak kullanılması
zorunluluğu ortaya çıkmaktadır.
Malzemelerde karşılaşılan hasarların büyük bir kısmını
aşınma, korozyon ve yorulma oluşturmaktadır. Bu
hasarların oluşması durumunda ise çoğu malzeme ve
makine elemanı işlevini yerine getirememekte ve
kendilerinden beklenen performansı gösterememektedir.
Geleneksel mühendislik malzemelerinin kullanımı
esnasında yaşanan bu sorunlar ve karşılaşılan
problemlerin hepsi yüzey özellikleriyle ilgilidir. Bu
noktadan hareketle, bir malzemede yüzey özelliklerinin
iyileştirilmesi ile performansının artırılması fikri ortaya
çıkmıştır. Malzeme yüzeyini modifiye ederek sert,
aşınmaya, korozyona ve yorulmaya karşı dayanıklı hale
getirme işlemine; yüzey modifikasyonu veya yüzey
işlemi adı verilmektedir. Yüzey işlemleri temel olarak;
termokimyasal, mikro yapısal ve yüzey kaplama işlemleri
olarak sınıflandırılabilir [1].
Termokimyasal yüzey modifikasyon tekniklerinden biri
olan
plazma
nitrürleme
işlemi,
mühendislik
malzemelerinin yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi
amacıyla sıklıkla kullanılmaktadır. Bu işlem; malzeme
yüzeyinin plazma ortamında, bir ara yer atomu olan
azotun (N) difüzyonu ile sertleştirilmesi prensibine
dayanmaktadır. Plazma ortamında iyonize olan N
atomları, malzeme yüzeyinden iç kısımlara difüze olup
demir atomları ile birleşerek demir nitrür fazlarını
oluşturur [2, 3]. Seramik yapıda olan bu fazlar malzeme
yüzeyinde ve yüzey altında dağılarak malzemenin yüzey
sertliğinin artmasına sebep olmaktadır. Plazma ile
nitrürleme işlemi sonrası malzeme yüzeyinde beyaz
tabaka ve onun hemen altında da difüzyon tabakası
olarak adlandırılan yapılar oluşur [1, 3].
Anahtar kelimeler: plazma nitrürleme, AISI 4140, doğal frekans,
sönüm oranı
Abstract— Plasma nitriding is a thermochemical
surface treatment often applied to enhance wear, fatigue
and corrosion behavior of materials used in machine
elements. Effects of this treatment on mechanical,
structural and chemical properties of materials are
investigated theoretically and experimentally. However,
effects of plasma nitriding on the dynamic properties of
materials are not exactly known. In this study, prismatic
AISI 4140 materials at different thicknesses are plasma
nitrided at 500 °C for 2 hours in a treatment. At the end
of plasma nitriding treatment, natural frequency and
damping ratio of treated samples and untreated samples
are determined for free-free boundary conditions. In this
way, effects of plasma nitriding on the dynamic
properties of material for different parameters are
determined.
Keywords:
damping ratio
plasma nitriding, AISI 4140, natural frequency,
[email protected]
[email protected] *
†
‡
*§
[email protected]
[email protected]
1
Ayhan ÇELİK §
Atatürk Üniversitesi
Erzurum
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
nitrürleme işlemi sonrasında malzemenin yapısal
özelliklerindeki değişimler XRD ve mikrosertlik cihazları
kullanılarak belirlenmiştir. Malzemelerin dinamik
özellikleri ise serbest-serbest sınır şartında serbest
titreşime maruz bırakılarak tespit edilmiştir.
Plazma nitrürleme işlemi, özellikle çelik malzemelerde
yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla sıklıkla
kullanılmaktadır. Bu işlemin malzemelerin mekanik,
yapısal ve kimyasal özellikleri üzerine etkileri pek çok
çalışmada deneysel ve teorik olarak incelenmiştir [2-15].
Ancak plazma nitrürleme işleminin malzemelerin doğal
frekans ve sönüm oranları üzerine etkilerinin araştırıldığı
çalışmalara rastlanmamıştır. Bu sebeple; bu çalışmada,
plazma ile nitrürleme işleminin malzemelerin doğal
frekans ve sönüm oranları üzerine etkisi araştırılmıştır.
Bu amaçla, makine elemanlarının yapımında ve havacılık
uygulamalarında sıklıkla kullanılan düşük alaşımlı AISI
4140 çelik malzeme plazma ile nitrürlenmiştir. Plazma
II. Materyal ve Metod
Yapılan çalışmada yüzey alanı 100x20 mm ve kalınlıkları
3, 4 ve 5 mm olan AISI 4140 numuneler kullanılmıştır.
Bu malzemenin kimyasal özellikleri Tablo 1’de
verilmiştir.
C
Mn
Cr
Si
Ni
Mo
V
S
Cu
Fe
0.36
0.80
0.014
0.005
0.30
0.85
0.075
0.07
0.143
Kalan
TABLO 1. AISI 4140 çelik malzemenin kimyasal kompozisyonu (Ağırlıkça %)
Numunelerin bütün yüzeyleri, 220-1200 grit zımpara ile
zımparalanmış ve 1 μm tane boyutunda alümina ile
parlatılmıştır. Etanol ile temizlenen numuneler plazma
işlem ünitesine yerleştirilerek 15 dakika süre ile 500V
gerilim ve 5x102 Pa basınçta, H2 ile yüzey temizleme
işlemine tabi tutulmuştur. Bu aşamadan sonra, numuneler
500 °C ve 2 saat süre ile %50 N2 + %50 H2 atmosferinde
plazma ile nitrürlenmiştir. İşlem, farklı kalınlıklardaki her
bir numune grubu nitrürlenecek şekilde tekrarlanmıştır.
Böylelikle yüzeyleri plazma ile nitrürlenerek işlem
görmüş ve işlem görmemiş 3, 4 ve 5 mm kalınlığında
toplam 6 grup numune elde edilmiştir. Plazma ile
nitrürlenmiş numune grubunun sertliği Bruker Universal
Mechanical Tester-UMT® sertlik cihazı ile 25 gr yük
altında 15 s bekleme süresi ile ölçülmüştür. Faz analizleri
XRD-Panalytical/Empyrean® kullanılarak 30 kV ve 30
mA
şartları
altında
CuKα
kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Dinamik ölçümler için ise, serbestserbest sınır şartlarında numunelere darbe çekici ile
tahrik kuvveti uygulanarak, numuneler serbest titreşime
maruz bırakılmıştır. Titreşim cevabı ME’SCOPE VES®
modal analiz vasıtasıyla elde edilmiştir. Doğal frekans ve
sönüm oranları çok kanallı bilgisayar tabanlı modüler
yapıya sahip bir analiz sistemi olan PULSE® titreşim
ölçüm sistemi ile belirlenmiştir.
fazından oluşmaktadır. Plazma nitrürleme işlemi
sonrasında ise, γ′-Fe4N ve ε-Fe2-3N fazlarının oluştuğu
gözlemlenmiştir.
Şekil. 1. Numunelere ait XRD grafiği
Numunelerin kesitleri boyunca iç kısma doğru alınan
mikro sertlik ölçümleri Şekil 2’de gösterilmiştir. Şekilde
görüldüğü üzere, yüzeyden iç kısma doğru azot
atomlarının yayınımı sonucunda bir sertlik gradyanı
oluştuğu gözlemlenmiştir. Yüzeyde sertliğin yüksek
olmasının sebebi γ′-Fe4N ve ε-Fe2-3N sert seramik
fazlarının varlığıdır. Numunenin iç kısmına doğru bu
fazların yoğunluğu azalmaktadır. Ayrıca N atomunun
kafes yapısı içerisinde ara yer boşluklarına yayılarak katı
hal çözeltisi meydana getirmesi de bu duruma katkı
sağlamaktadır.
III. Araştırma Bulguları ve Tartışma
Plazma ile nitrürlenmiş ve işlemsiz numunelerin XRD
sonuçları Şekil 1’de verilmiştir. İşlemsiz numuneler α-Fe
2
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Kaynakça
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Şekil. 2. Numunelerin yüzeyden iç kısma doğru doğru sertlik değişimi
Şekilden de görüleceği üzere, difüzyon derinliği yaklaşık
olarak 325 μm’dir.
Ayrıca yapılan deneyler sonucunda elde edilen doğal
frekans ve sönüm oranları Tablo 2’de verilmiştir. [9]
[10]
[11]
Serbest–Serbest Sınır Şartı İçin Ortalama Değerler
İşlemsiz
İşlem Görmüş
Doğal
Sönüm
Doğal
Sönüm
Numune Frekans Oranı Frekans
Oranı
(Hz)
(%)
(Hz)
(%)
[12]
[13]
[14]
3 mm
1700
0.144
1575
0.134
4 mm
2188
0.217
2175
0.093
5 mm
2644
0.104
2606
0.079
[15]
TABLO 2. Numunelerin doğal frekans ve sönüm oranları
Plazma nitrürleme işlemi sonucunda, hem doğal
frekansta hem de sönüm oranında düşüş tespit edilmiştir.
İşlem görmüş numunelerin dış yüzeylerinde oluşan ve
ana malzemeye göre daha sert olan plazma nitrürlenmiş
yapının buna sebep olduğu düşünülmektedir.
3
Alsaran, A., et al., Yüzey mühendisliğinde yeni bir yaklaşım;
dubleks yüzey işlemi. Pamukkale University Journal of
Engineering Sciences, 9(1), 2011.
Edenhofer, B., Physical and Metallurgical Aspects of Ionitriding.
Pt. 1. Heat Treatment Metals, (1): p. 23-28, 1974.
Edenhofer, B., Physical and Metallurgical Aspects of Ionitriding.
Pt. 2. Heat Treatment Metals, (1): p. 59-67, 1974.
Alsaran, A., M. Karakan, and A. Çelik, The investigation of
mechanical properties of ion-nitrided AISI 5140 low-alloy steel.
Materials characterization, 48(4): p. 323-327, 2002.
Celik, A. and S. Karadeniz, Improvement of the fatigue strength
of AISI 4140 steel by an ion nitriding process. Surface and
Coatings Technology, 72(3): p. 169-173, 1995.
Corengia, P., et al., Microstructural and topographical studies of
DC-pulsed plasma nitrided AISI 4140 low-alloy steel. Surface and
Coatings Technology, 200(7): p. 2391-2397, 2005.
Ebrahimi, M., et al., Effect of plasma nitriding temperature on the
corrosion behavior of AISI 4140 steel before and after oxidation.
Surface and Coatings Technology, 205: p. S261-S266, 2010.
Genel, K., M. Demirkol, and M. Çapa, Effect of ion nitriding on
fatigue behaviour of AISI 4140 steel. Materials Science and
Engineering: A, 279(1): p. 207-216, 2000.
Genel, K., M. Demirkol, and T. Gülmez, Corrosion fatigue
behaviour of ion nitrided AISI 4140 steel. Materials Science and
Engineering: A, 288(1): p. 91-100, 2000.
Karakan, M., A. Alsaran, and A. Celik, Effects of various gas
mixtures on plasma nitriding behavior of AISI 5140 steel.
Materials Characterization, 49(3): p. 241-246, 2002.
Mittelstädt, F., et al., Plasma surface treatment of AISI 4140 steel
for improved corrosion resistance. Journal of materials science,
31(2): p. 431-435, 1996.
Podgornik, B. and J. Vižintin, Wear resistance of pulse plasma
nitrided AISI 4140 and A355 steels. Materials Science and
Engineering: A, 315(1): p. 28-34, 2001.
Podgornik, B., et al., Tribological properties of plasma nitrided
and hard coated AISI 4140 steel. Wear, 249(3): p. 254-259, 2001.
Sun, Y. and T. Bell, Plasma surface engineering of low alloy steel.
Materials Science and Engineering: A, 140: p. 419-434, 1991.
Yildiz, F., et al., Plasma nitriding behavior of Ti6Al4V orthopedic
alloy. Surface and Coatings Technology. 202(11): p. 2471-2476,
2008.