Borlanmış DIN 1.2738 Kalıp Çeliğinin Yüzey Özelliklerinin ve Borlama Kinetiğinin İncelenmesi

Year 2023, Volume: 23 Issue: 2, 474 - 486, 03.05.2023

İlyas Türkmen

Abstract

Bu çalışmada ticari borlama karışımlarına alternatif olabilecek ve borik asit içeren bir borlama karışımı
kullanılarak DIN 1.2738 plastik kalıp çeliği 1123, 1173 ve 1223 K sıcaklıklarında ve 3, 6 ve 9 saat
sürelerinde borlanmıştır. Borlama işlemleri sonrasında altlık malzemelerin yüzeyinde oluşan borür
tabakasının morfolojisi ve kalınlığı optik ve taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir. Testere dişi
morfolojisinde, malzeme yüzeyine homojen dağılmış ve yaklaşık olarak 33 ile 148 m aralığında değişen
kalınlık değerine sahip tabakalar elde edilmiştir. X-ışını kırınımı ve enerji dağılımlı x-ışını spektroskopisi
analizleri ile borür tabakasının kimyasal analizi yapılmıştır. Sadece Fe2B fazı içeren tek fazlı bir borür
tabakası oluşumu tüm numunelerde tespit edilmiştir. Borlanmış numunelere difüzyon kinetiği ile ilgili
hesaplamalar yapılarak büyüme kinetiği parametreleri elde edilmiştir. Bu parametreler kullanılarak bir
ampirik denklem elde edilmiştir. Bu denklem ile borür tabaka kalınlığının farklı işlem parametrelerine
bağlı olarak tahmin edilebilirliği üzerine çalışmalar yapılmıştır. Ayrıca işlem parametreleri
değerlendirilerek bir regresyon modeli oluşturulmuş ve borür tabaka kalınlığının tahmini için alternatif
bir denklem daha elde edilmiştir. Altlık malzeme için aktivasyon enerjisinin değeri 204,07 kJ/mol olarak
tahmin edilmiştir. Sıcaklık ve zamanın bir fonksiyonu olarak borür tabakasının kalınlığını tahmin etmek
için kontur diyagramları çizilmiştir. Borür tabakalarının yapışma karakteristiği Daimler-Benz Rockwell-C
adhezyon testi ile incelenmiştir. Sonuç olarak altlık malzeme ile borür tabakaları arasındaki ara yüzey
bağının sağlam olduğu görülmüştür.

Keywords

Kutu Borlama, DIN 1.2738, Borik Asit, Difüzyon Kinetiği, Regresyon Analizi, Rockwell C Adhezyon Test

Supporting Institution

Manisa Celal Bayar Üniversitesi

Project Number

2022-030

Thanks

Bu çalışma Manisa Celal Bayar Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından desteklenmiştir. Proje Numarası: 2022-030.

Investigation of Surface Properties and Boronizing Kinetics of Boronized DIN 1.2738 Mold Steel

Abstract

In this study, DIN 1.2738 steel was boronized at temperatures of 1123, 1173 and 1223 K and for 3, 6
and 9 hours using a boronizing mixture containing boric acid, which can be an alternative to commercial
boronizing mixtures. The morphology and thickness of the boride layer formed on the surface of the
substrates after boronizing processes were investigated by OM and SEM. The boride layers with a sawtooth morphology, homogeneously distributed on the surface of the material and with thicknesses
ranging from approximately 33 to 148 μm were obtained. Chemical analysis of the layer was performed
by XRD and EDS analyses. The formation of a single-phase layer containing only Fe2B phase was
detected in all samples. The growth kinetic parameters were obtained by making calculations about the
diffusion kinetics of the boronized samples. An empirical equation was obtained using these
parameters. With this equation, the studies were carried out on the predictability of layer thickness
depending on different process parameters. In addition, a regression model was created by evaluating
the process parameters and another equation was obtained for the estimation of the layer thickness.
The value of activation energy for the substrate was estimated as 204.07 kJ/mol. Contour diagrams
were drawn to estimate the thickness of the layer as a function of temperature and time. The adhesion
characteristics of the layers were investigated by the Daimler-Benz Rockwell-C adhesion test. As a
result, it was determined that the interfacial bond between the substrate material and the layers was
strong.

Keywords

Powder-Pack Boronizing, DIN 1.2738, Boric Acid, Difusion Kinetics, Regression Analysis, Rockwell C Adhesion Test

Project Number

2022-030

References

• Allaoui, O., Bouaouadja, N. and Saindernan, G., 2006. Characterization of boronized layers on a XC38 steel. Surface and Coatings Technology, 201(6), 3475-3482.
• Barut, N., Yavuz, D. ve Kayalı, Y., 2014. Borlanmış AISI 5140 ve AISI 420 Çeliklerinin Difüzyon ve Adhezyon Davranışlarının İncelenmesi. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(1), 1–8.
• Boonplook, Y. and Juijerm, P., 2014. Prediction of Boride Thickness on Tool Steels AISI D2 and AISI H13 Using Boriding Kinetics. Advanced Materials Research, 931, 296–300.
• Campos-Silva, I., Hernandez-Sanchez, E., Rodríguez-Castro, G., Cimenoglu, H., Nava-Sánchez, J. L., Meneses-Amador, A. and Carrera-Espinoza, R., 2013. A study of indentation for mechanical characterization of the Fe2B layer. Surface and Coatings Technology, 232, 173-181.
• Campos, I., Bautista, O., Ramírez, G., Islas, M., De La Parra, J. and Zúñiga, L., 2005. Effect of boron paste thickness on the growth kinetics of Fe2B boride layers during the boriding process. Applied Surface Science, 243(1-4), 429-436.
• Erdem, E. 2021. Kalıp Çeliklerinde Aşınma Davranışlarının İyileştirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 113.
• Gómez-Vargas, O. A., Keddam, M. and Ortiz-Domínguez, M., 2017. Kinetics and tribological characterization of pack-borided AISI 1025 steel. High Temperature Materials and Processes, 36(3), 197-208.
• Türkmen, İ. 2018. Farklı Bor Türevleri ile Alternatif Borlama Bileşimlerinin Geliştirilmesi ve Karakterizasyonu. Doktora Tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa, 175.
• Kabadayı, E. 2013. Yüksek Krom ve Nikelli Dökme Çeliklerin Mekanik ve Korozyon Özelliklerine Yaşlandırma ve Borlama Isıl İşleminin Etkisi. Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 135.
• Kaouka, A., Allaoui, O. and Keddam, M., 2013. Growth kinetics of the boride layers formed on SAE 1035 steel. Matériaux & Techniques, 101(7), 705.
• Kara, R., Çolak, F. and Kayali, Y., 2016. Investigation of wear and adhesion behaviors of borided steels. Transactions of the Indian Institute of Metals, 69(6), 1169-1177.
• Kayali, Y., 2013. Investigation of the diffusion kinetics of borided stainless steels. The physics of metals and metallography, 114(12), 1061-1068.
• Kayalı, Y., 2015. Investigation of diffusion kinetics of borided AISI P20 steel in micro-wave furnace. Vacuum, 121, 129–134.
• Öztürk K. 2021. Plasti̇k kalip çeliklerinin korozyona karşı korunmasında kutu borlama işleminin etkileri. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 124.
• Mathew, M. and Rajendrakumar, P. K., 2014. Effect of precarburization on growth kinetics and mechanical properties of borided low-carbon steel. Materials and Manufacturing Processes, 29(9), 1073-1084.
• Medvedovski, E., 2016. Formation of Corrosion‐Resistant Thermal Diffusion Boride Coatings. Advanced Engineering Materials, 18(1), 11-33.
• Keddam, M., Elias-Espinosa, M., Ortiz-Domínguez, M., Simón-Marmolejo, I. and Zuno-Silva, J., 2017. Pack-boriding of AISI P20 steel: Estimation of boron diffusion coefficients in the Fe2B layers and tribological behaviour. International Journal of Surface Science and Engineering, 11(6), 563-585.
• Ozbek, I., Sen, S., Ipek, M., Bindal, C., Zeytin, S. and Ucisik, A. H., 2004. A mechanical aspect of borides formed on the AISI 440C stainless-steel. Vacuum, 73(3-4), 643-648.
• Palombarini, G. and Carbucicchio, M., 1987. Growth of boride coatings on iron. Journal of Materials Science Letters, 6(4), 415-416.
• Taktak, S., 2006. A study on the diffusion kinetics of borides on boronized Cr-based steels. Journal of materials science, 41(22), 7590-7596.
• Topuz, P., 2016. DIN 1.2842 çeliğinin borlanması ile oluşan borür tabakası üzerine borlama sıcaklık ve süresinin etkileri. Journal of Boron, 1(1), 15-19.
• Türkmen, İ. and Yalamac, E., 2018. Growth of the Fe2B layer on SAE 1020 steel employed a boron source of H3BO3 during the powder-pack boriding method. Journal of Alloys and Compounds, 744, 658-666.
• Türkmen, İ. and Yalamaç, E., 2022. Effect of Alternative Boronizing Mixtures on Boride Layer and Tribological Behaviour of Boronized SAE 1020 Steel. Metals and Materials International, 28(5), 1114-1128.
• Uslu, I., Comert, H., Ipek, M., Ozdemir, O. and Bindal, C., 2007. Evaluation of borides formed on AISI P20 steel. Materials & Design, 28(1), 55-61.
• Vidakis, N., Antoniadis, A. and Bilalis, N., 2003. The VDI 3198 indentation test evaluation of a reliable qualitative control for layered compounds. Journal of materials processing technology, 143, 481-485.
• Kayali, Y., Barut, N., Talaş, Ş. and Büyüksağiş, A., 2018. Investigation of corrosion and wear behavior of borided AISI P20 steel in micro-wave furnace. Materials Research Express, 6(1), 016421.
• Zuno-Silva, J., Ortiz-Domínguez, M., Keddam, M., Elias-Espinosa, M., Damián-Mejía, O., Cardoso-Legorreta, E. and Abreu-Quijano, M., 2014. Boriding kinetics of Fe2B layers formed on AISI 1045 steel. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, 50(2), 101-101.