Farklı bir yüzey sertleştirme yön temi: BORLAMA

[Hale]

Farklı bir yüzey sertleştirme yön temi: BORLAMA


           Ülkemizde makina sanayii, çok önemli gelişmeler kaydetmiş ve gelişmiş ülkelerde kullanılan birçok teknolojiyi rahatlıkla  uygulayabilmektedir. Makina üretiminde kullanılan malzemelerin seçimi ve bu malzemelere uygulanan ısıl işlemler de teknolojiye paralel olarak oldukça gelişmiştir. Makina elemanlarına uygun malzeme seçimi ve yapılan ısıl işlemler bu   gelişmelere rağmen yeni gereksinimleri ve araştırmaları da gerektirmektedir. Klasik ısıl işlemlerin yanı sıra artık ileri  teknoloji gerektiren yüzey işlemleri de başarıyla uygulanmaktadır. Yüksek yüzey sertliği ve düşük sürtünme katsayısıyla  aşınma dayanımını arttırmasının yanında, bir çok korozif ortama da dayanıklı olan borlama, dünya bor kaynaklarının  önemli bir kısmını oluşturan ülkemizde de geliştirilmeli ve kullanımı yaygınlaştırılmalıdır.           


1.GİRİŞ
        Makina elemanlarının üretiminde uygun malzeme seçimi kadar, uygulanacak ısıl işlemler de önemlidir. Malzeme seçimi,  elemanın taşıdığı gerilme, çalışma şartları, çalışma ortamı,imalat yöntemi, gerekli ısıl işleme uygunluğu gibi birçok faktöre bağlıdır. Uygulanacak ısıl işlem hem malzemenin iç yapısını iyileştirmeli, hem de malzeme yüzeyine uygun özellikleri  kazandırmalıdır. Isıl işlemler ve yüzey işlemleri, malzemeye ve bu elemandan beklenen performansa uygun olarak  yapılmaktadır. Sementasyon, nitrürasyon, YVD, CVD, implantasyon gibi uygulana gelen ısıl işlemler genellikle istenen özellikleri sağlamaktadır. Bu işlemlerden sonra malzemenin iç yapısını etkileyecek ısıl işlemleri uygulamak sınırlı oranlarda  mümkün olmaktadır. Borlamada ise yüzeye kazandırılan iyi özelliklerin yanı sıra, asıl malzemeye, yani iç bölgelere de  gerekli özellikleri kazandıracak ısıl işlemleri, borlama sırasında veya sonradan yapabilme olanağı bulunmaktadır. Ayrıca  borlama sonunda parça boyutlarının değişmemesi de, borlamadan sonra herhangi bir işlemeye ihtiyaç bırakmamaktadır.

  2.BORLAMA
           Bir termo-kimyasal yüzey işlemi olarak tanımlanan borlama, ısı enerjisi ile parçanın yüzeyindeki metalik kafese bor atomlarının difüze olmasıdır. Bu yolla çelik yüzeyinde diş şeklinde demir boridlermeydana gelmektedir. Demir-bor denge diyagramında ağırlıkça %8,83 bor oranında Fe2B, yine ağılıkça %16,23 bor oranında FeB arabileşikleri meydana gelmektedir. Ağırlıkça %3,8 bor oranında erime sıcaklığı 1149º olan ötektik faz oluşmaktadır (Şekil 1).
         
     Dolayısıyla borlanmış yüzey bu sıcaklığa kadar ısıdan etkilenmemektedir.Borlamada, bor verici olarak herhangi bir bor bileşiği  kullanılabilir. Borlama ortamı diğer katkılarla birlikte katı, sıvı veya gaz halinde  olabilir. Bu ortamlarda çeliklere bor difüzyonu ile genellikle yüzeyde tek fazlı Fe2B (Demir Borür) tabakası (Şekil 2) elde edilmesi amaçlanır (1-4). Bu tabakanın elde edilmesi için uygun borlama ortamının bileşimi konusundaki  araştırmalar hâlâ devam etmektedir.


 

Şekil 1.Demir-Bor denge diyagramı(4,6).

  Boraks esaslı elektrolitik veya elektrolitik olmayan sıvı ortam ve diboran gibi hidrojen bileşimli gaz ortamlarda yapılan  borlama işlemlerinde parça yüzeyinin kirlenmesi, pratik uygulamalar açısından bir dezavantaj olarak görülmektedir.  (1,2,4,5). Genellikle aktive edilmiş bor karbür (B4C) içeren katı ortam borlamasının teknik uygulamalarda daha uygun  olduğu belirtilmektedir(2).

 2.1.Borlama İşlemine Uygun Malzemeler
Yapı çelikleri, sementasyon çelikleri, temperlenmiş çelikler, takım çelikleri, korozyona dayanıklı çelikler, Armco demiri, gri dökme demir, küresel grafitli dökme demir, sinterlenmiş demir ve çelikler borlama işlemi için uygun malzemelerdir. 
 
Şekil 2.Katı ortamda 900ºC`ta 6 saat borlanmış SAE 1040  çeliğinin mikroyapı fotoğrafı.





Bu malzemelerden yapılan pimler, burçlar, fan kanatları, pompa milleri, püskürtme ağızlıkları, döküm gömlekler, valfler, pres kalıpları, enjeksiyon pistonları, soğuk hadde çekme kalıpları, rulman bilyaları, supaplar, elek saçları, vana gövdeleri, ekstruder vidaları, dişli çarklar, tekstil makineleri parçaları, bazı kalıplar borlama işleminin başarıyla uygulandığı makine parçalarıdır(Şekil 3).

Borlama, işleminin uygulanabileceği malzemelerden, sadece yüzey sertliğinin gerekli olduğu elemanlarda pahalı ve işlenmesi zor yüksek alaşımlı çelikler yerine, düşük alaşımlı çelikler kullanılması avantajıyla ilgi çeken bir işlemdir. Aluminyum alaşımlı çeliklerde ve ağırlıkça %0,5`ten daha fazla Si içeren çeliklerde borlama işlemi uygun sonuçlar vermemektedir(2,4). Yüksek hız çelikleri de borlama için uygun olmayan çeliklerdir(7).

2.2. Borlamanın Makina Sanayiindeki Uygulamaları:

Yukarıda sözü edilen elemanlardan borlama işlemiyle oldukça iyi sonuç alınan uygulamalardan bazıları şöyledir: Ck 45 çeliğinden yapılmış kahve öğütme diskleri, 2 saat 850ºC`ta 6 saat borlanarak uzun süre kullanılmıştır. Abraziv aşınmaya maruz çuval doldurma nozulları 900ºC`ta 5 saat borlanmış ve olumlu sonuç alınmıştır.Gelişmiş ülkelerde geniş kullanım alanı olan borlama, bazı otomobillerin dizel motorlarındaki yağ pompası dişlileri 90ºC`ta 1,5 saat borlanmıştır.

 
Şekil 3.Borlamanın uygulandığı bazı makine parçaları

42 Cr Mo 4 çeliğinden yapılan ve birbirlerine 110º açıyla temas eden bu spiral dişlilerin çalışma ömürlerinde oldukça yüksek başarılar sağlanmıştır. Kimya sanayiinde 8 bar`a kadar basınçlarda kullanılan gaz nozullarında başarıyla uygulanmıştır. Yine kimya fabrikalarında dört yollu su dağıtma valflerinde borlamadan sonra operasyon sayısında 4 kat artış sağlanmıştır. Boru klipsi imalinde kullanılan ve sert krom kaplanan 1.2842 (AISI 02) çeliğinden yapılan kalıplar 10.000 parçada aşınırken, aynı malzemeden yapılan ve 900ºC`ta 6 saat borlanan kalıplar 20.000 parça bastıktan sonra bile yüzey parlaklığını ve boyut hassasiyetini korumuştur. Dolgulu plastiklerin ekstrüzyonunda kullanılan 42 Cr Mo 4 çeliğinden yapılan ekstruder vidası ve uçlarında 920ºC`ta 4 saat borlamayla büyük başarı sağlanmıştır(2,4).

2.3. Borlama Isıl İşlem Şartları:

Borlama işlemi katı, sıvı, gaz ortamlarda yapılabilmektedir(2,3,4). Sıvı ortam borlamasında, işlemin sonunda borlayıcı ortam bileşenlerinin parça yüzeyine yapışması ve bunların temizlenmesi için ek bir işlem gerekmesi(1) sıvı borlamanın bir olumsuzluğudur. Ancak ülkemizdeki bor kaynaklarıyla ekonomik olarak sıvı ortam borlayıcıları(1,3) elde etmek mümkündür. Bunların geliştirilmesiyle yüzeydeki yapışma da ortadan kaldırılabilir. Katı ortam borlayıcıları, üretici firmalar tarafından bileşimleri patentlerle korunmaktadır. Bu borlayıcılarla, işlem şartları kolayca kontrol edilerek makina parçaları borlanmaktadır. Katı ortam borlamasında yüzey oldukça temiz çıkmakta, ayrıca temizleme işlemine gerek kalmamaktadır. Borlama sıcaklığı, borlanacak malzemenin bileşimine bağlı olarak belirlenmektedir. Gri dökme demir, tungsten karbür ve diğer karbürler hariç bu sıcaklık 800-1050ºC arasındadır. Gri dökme demir 850-880ºC`ı geçmeyen sıcaklıklarda borlanmalıdır. Tungsten ve diğer karbürler 900ºC`ın altındaki sıcaklıklarda borlanmalıdır(2,4). Borlama işlem süresi 1 ile 8 saat arasındadır. Borlanmış tabakanın sertliği ve kalınlığı da borlama sıcaklığı ve süresine bağlı olarak değişmektedir(Şekil 4, 5). Borlama işleminin en önemli üstünlüklerinden biri de, borlamadan sonra matriks malzemesine istenilen ısıl işlemin yapılabilmesidir. Matriks malzemesinin mekanik özelliklerini iyileştirmek için yapılacak ısıl işlemlerin koruyucu gaz, vakum veya nötr tuz banyolarında yapılması önerilmektedir. Bu ısıl işlemler, eğer katı borlama yapılmışsa borlama kutusuyla birlikte, borlama işleminin ardından hızlı soğutma olarak yapılabilir. Ayrıca ılık banyo ve basınçlı gazda hızlı soğutma, ardından temperleme, ostonitleme veya matriks malzemesini homojenleştirme (Şekil 6) gibi işlemler yapılabilir(2,4).

2.4. Borid Tabakasının Özellikleri:

Borlanmış tabakanın sertliği demir esaslı malzemelerde, alüminyum oksit sertliği civarında olup, 1800 ile 2100 HV (veya HK 0.025) aralığındadır. Bu sertlik değerleri yüksek alışımlı çeliklerde 2400 HK 0,25`e kadar çıkmaktadır. Kaynaklarda FeB fazının sertliği 1990-2100 HK,  Fe2B fazının sertliği ise 1800-200 HK olarak verilmektedir(4). Ancak yüzey çatlamalarını önlemek amacıyla, bor difüzyonu ile yüzeyde Fe2B`dan oluşan tek fazlı yapının elde edilmesi tercih edilmektedir.

Ülkemizde bulunan bor verici kaynaklarla (Boraks, Borik, Asit v.s.), sertliği 230 HV olan C45 çeliği, sıvı ortamda borlanmıştır. Borlamadan sonra yüzey sertliği 1800 HV`ye kadar çıkmıştır(1). Yukarıda da belirtildiği gibi, borlamadan sonra parça yüzeyinde az da olsa borlama bileşenleri kalmıştır. Uygun borlama bileşenleriyle bu yapışmanın ortadan kaldırılmasının veya ek işlemle temizlenmesi mümkün olduğu ifade edilmektedir(3). Yine demir tozlarının sinterlenmesiyle elde edilen 155 HV sertliğindeki parçalar, katı ortamda borlanarak yüzeyinde 755 HV sertlikte borlanmış tabaka elde edilmiştir. Bu konudaki çalışmalar devam etmektedir(9). Bu sonuçlar bile sinterlenmiş demir esaslı tozlardan üretilen dişli çark v.s. gibi karışık şekilli parçaların borlanarak sertleştirilebileceğini göstermektedir.
 
Şekil 4.Dört ayrı çeliğe uygulanan ısıl işlem ve borlama sonucunda elde edilen sertlik değerleri (S:Sementasyon, N: Nitrürasyon, TH: Dönüşüm sertleştirmesi, B: Borlama)
 
Şekil 5.Farklı çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin ve borlamanın tabaka kalınlığına etkileri (S: Sementasyon, N: Nitrürasyon, DS: Dönüşüm Sertleştirmesi, B: Borlama)(



 
Şekil 6.Borlamadan sonra yapılabilen ısıl işlem örnekleri(2,4)








2.5. Korozyon Dayanımı:

Bazı makine parçalarında korozyon direnci oldukça önemlidir. Borlanmış düşük alaşımlı çeliklerde asitlere karşı yüksek korozyon dayanımı sağlanmıştır. HC1, H3PO4, H2SO4 gibi asitlere karşı borlamanın oldukça yüksek korozyon direnci sağladığı belirlenmiştir(8, 10)

(Şekil 6). 
Şekil 6.Isıl işlemlerin ve borlamanın %10`luk H2SO4 ortamında korozyon testi sonuçları
2.6. Aşınma Dayanımı:

Sürtünmeye maruz kalan yüzeylerde aşınma dayanımı oldukça önemlidir. Aşınma dayanımı bir tribolojik sistem özelliği olduğu için doğrudan doğruya sertlikle ilişkilendirilemez. Ancak borlamayla elde edilen yüksek yüzey sertlikleri ve düşük sürtünme atsayısı genellikle abarziv aşınmaya, borlanmış tabakanın arabileşik yapısı da ahheziv aşınmaya karşı direnci arttırmaktadır. Bu nedenle borlama, bilinen klasik yüzey sertleştirme yöntemlerine göre aşınma dayanımı açısından büyük üstünlük sağlamaktadır (Şekil 7). Unutulmamalıdır ki, borlanacak yüzeyler oldukça yüksek yüzey kalitesinde işlenmeli ve darbeli çalışma şartlarında kullanılmamalıdır. Borlama dökme demirlerde de iyi sonuçlar vermektedir. Lamel ve küresel grafitli dökme demirlerin borlanması sonunda elde edilen tabaka kalınlıklarının, borlama zamanıyla değişimi Şekil 8`de görülmektedir.
 




                                         

Şekil 8.Küresel grafitli (a) ve lamel grafitli (b) dökme demirde, sıcaklık ve zamana bağlı olarak borlama tabakası kalınlığı(11).

3.SONUÇ
Makina sanayiinde uygulana gelen bir çok ısıl işlem türü vardır. Son zamanlarda özellikle yüzey modifikasyonlarının yapıldığı ileri teknoloji gerektiren uygulamalar da yaygınlaşmaktadır. Birçok uygulamada iyi sonuçlar verdiği belirlenen borlama konusunda üniversitelerimizde tamamlanmış ve devam eden çok sayıda çalışan olmasına rağmen (bu çalışmalardan bazı örnekler:1, 3, 5, 8, 11, 17), sanayiimizde pek uygulanmamaktadır. Ülkemiz dünyanın en zengin bor rezervlerine sahiptir. Gelişiş ülkeler, ülkemizden ithal ettikleri bor cevherlerini işleyerek sanayiinin birçok alanında kullanmaktadırlar. Bu alanlardan biri de metallerin ve özellikle çeliklerin borlanmasıdır. Yüksek yüzey sertliği, düşük sürtünme katsayısı, yüksek korozyon direnci sağlayan ve matriks malzemesine sonradan ısıl işlem uygulanabilmesine olanak veren borlamanın ülkemizde de yaygınlaşması önemli ekonomik kazançlar sağlayacaktır. Bu nedenle, öncelikle bor kaynaklarımızdan uygun borlama bileşenleri üretilmeli, daha sonra bu bileşenler kullanılarak makine parçaları borlanmalı ve borlama sanayiimize tanıtılarak yaygınlaştırılmalıdır.