The Effect of Oxidation Process After Nitrocarburization on Tribological Properties of AISI 4140 Steel

Öz

In this study, microstructure, microhardness and tribological properties were investigated after nitrocarburisation process (on the AISI 4140 steel) which was the oxidation processes based on simultaneous diffusion of carbon and nitrogen atoms. Although the nitrocarburisation process has many advantages, different post-treatment heat treatment techniques are needed to improve the corrosion and tribological properties of the materials in particular. As a result of the nitrocarburization + oxidation processes, 3 different zones were formed on the outermost surface of the material. These zones were obtaining of respectively as; about 5 mm thick oxide layer, just below it, about 5 mm thick compound layer consisting of nitride and carbides and diffusion zone rich in carbide. Wear behavior on the entire surface of the material was improved by means of a harder diffusion zone, nitrocarburization and oxidation layers than the main phase. Thus, the wear resistance is also improved, as well as the coefficient of friction.

Anahtar Kelimeler

• Nitrocarburization,oxidation,tribology,wear

Nitrokarbürizasyon Sonrası Oksidasyon İşlemlerinin AISI 4140 Çeliğinin Tribolojik Özelliklerine Etkisi

Öz

Bu çalışmada, karbon ve azot atomlarının eşzamanlı difüzyonu temeline dayanan nitrokarbürizasyon sonrası oksidasyon işlemlerinin AISI 4140 çeliğinin mikroyapı, mikrosertlik ve tribolojik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Nitrokarbürizasyon işleminin birçok avantajı olmasına rağmen özellikle malzemelerin korozyon ve tribolojik özelliklerini iyileştirilmek için işlem sonrası farklı ısıl işlem tekniklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Nitrokarbürizasyon + oksidasyon işlemleri sonucunda malzeme yüzeyinin en dışında yaklaşık 5µm kalınlığında oksit tabakası, hemen altında nitrür ve karbürlerden oluşan yaklaşık 5µm kalınlığında bileşik tabaka ve karbürce zengin difüzyon bölgesi olmak üzere 3 farklı bölge oluşmuştur. Ana fazdan daha sert difüzyon bölgesi, nitrokarbürizasyon ve oksidasyon katmanları sayesinde malzemenin tüm yüzeyinde aşınma davranışları iyileştirilmiştir. Böylece aşınma direnci ile birlikte aynı zamanda sürtünme katsayısı da iyileştirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Nitrokarbürizasyon,Oksidasyon,Triboloji,Aşınma

Kaynakça

1. [1] Avner S.H., “Introduction to Physical Metallurgy”, McGraw Hill Book Company, 2.ed., New York, 315-336, (1986).
2. [2] Park H., Lee H., Moon K., & Lee B., “Wear Properties of a Sulfnitrided Layer Formed on AISI 4140 Steel by Using Plasma Treatments”, Journal of the Korean Physical Society, 74(9), 880-884, (2019).
3. [3] Medina A., Aguilar C., Béjar L., Oseguera J., Ruíz A., & Huape E., “Effects of post-discharge nitriding on the structural and corrosion properties of 4140 alloyed steel”, Surface and Coatings Technology, (2019).
4. [4] Kızılkaya E., Ovalı İ. “AISI 4140 Çeliğine Uygulanan Sığ Kriyojenik İşleminin Mekanik Özellikler Üzerindeki Etkisi”, Gazi Üniversitesi Fenbilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, (6)1: 137-148, (2018).
5. [5] Doğancan Çelik, “SAE 4340 çeliğinde ısıl işlem parametrelerinin yorulma ve mikro yapı üzerine etkisi”, Y.L. Tezi, Makine Mühendisliği anabilimdalı, Isparta, (2018).
6. [6] Karakan, M., “Plazma nitrokarbürlenen AISI 4140 ve 1020 çeliklerinin yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerinin araştırılması”, Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Erzurum, (2004).
7. [7] Sun H. Z., Zheng J., Song Y., Chi J., & Fu Y. D. “Effect of the deformation on nitrocarburizing microstructure of the cold deformed Ti-6Al-4V alloy”, Surface and Coatings Technology, 362, 234-238, (2019).
8. [8] Fontes M.A., Scheid V.H.B., Machado D.D.S., Casteletti L.C., & Nascente P.A.D.P. “Morphology of the DIN 100Cr6 Case Hardened Steel after Plasma Nitrocarburizing Process”, Materials Research, 22(3), (2019).

9. [9] Altakan C., “AISI 1010 ve 1040 Çeliklerine Nikel ve Krom Yayındırılarak Yuzey Ozelliklerin Geliştirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, YTU, Fen Bilimleri Enstitusu, İstanbul, (2011).
10. [10] Wang L., Lu J., Lu K., “Chromizing Behaviors of a Low Carbon Steel Processed by Means of Surface Mechanical Attrition Treatment”, Acta Materialia, 53:2081–2089, (2005).
11. [11] Xi W., Ding W., Yu S., Lin N., Meng T., Guo Q., & Liu X., “Corrosion behavior of TaC/Ta composite coatings on C17200 alloy by plasma surface alloying and CVD carburizing”, Surface and Coatings Technology, 359, 426-432, (2019).
12. [12] Chen G., Wang J., Fan H., Wang D., Li X., & Dong H., “Combat molten aluminum corrosion of AISI H13 steel by low-temperature liquid nitrocarburizing”, Journal of Alloys and Compounds, 776, 702-711, (2019).
13. [13] Sicoe G.M., “Researches on the Diffusion Phenomena in the Thermo-Chemical Treatment of Oxy-nitrocarburizing of Some Grey Cast Irons”, REVISTA DE CHIMIE, 69 (12), 3367-3371, (2018).
14. [14] Bell T., Sun Y. and Suhadi A., “Enviromental and technical aspects of plasma nitrocarburising”, Vacuum, 59, 14-23, (2000).
15. [15] Sun Y.,. Structures and properties of oxide films formed on plasma nitrocarburized steels by post-oxidation treatments. Heat Treatment of Metals,15-19, (2002).
16. [16] Esfahani A., Sohi M.H., Rassizadehghani J. and Mahboubi F., Effect of treating atmosphere in plasma post-oxidation of nitrocarburized AISI 5115 steel. Vacuum, 82, 346-351, (2008).
17. [17] Ludema, C. K., “Friction, Wear, Lubrication”, A Textbook in Tribology”, 107-108, (1996).
18. [18] Owsalou, R. G., “Aşınmaya maruz parçaların aşınma dayanımlarının araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, İzmir, (2012).
19. [19] Kaplan, Y., “İmplant yapımında kullanılan Ti6Al4V titanyum alaşımının mekanik özelliklerine ve biyouyumluluğuna borlama işleminin etkisi” Doktora Tezi, Pamukkale Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, Denizli, (2017).
20. [20] Sudarshan, Surappa M.K., “Dry Sliding Wear of Fly Ash Particle Reinforced A356 Al Composites”, Wear, In Press, (2008).
21. [21] Şimşek İ., Yıldırım M., Özyürek D., Tunçay T., “AA7075 Alaşımının T6 Isıl İşleminde Yaşlandırma Süresinin Aşınma Davranışı Üzerine Etkisi”, İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 7:1, 42-49, (2018).
22. [22] Aksöz S., Bostan B. “AA2014/B4C MMK yapının döküm ve döküm sonrası sinterleme işlemleri ile üretiminin aşınma davranışlarına etkileri”, BORON 3 (2), 132 - 137, (2018).
23. [23] Aksöz S., “Wear Behavior of Hot Forged NiTi Parts Produced by PM Technique”, Trans Indian Inst Met, https://doi.org/10.1007/s12666-019-01671-7 (2019).
24. [24] Şimşek İ., Yıldırım M.,Özyürek D. ve Şimşek D., “Basınçsız infiltrasyon yöntemiyle üretilen SiO2 takviyeli alüminyum kompozitlerin aşınma davranışlarının incelenmesi”, Politeknik Dergisi, 22(1): 81-85, (2019).
25. [25] Saka N., Eleiche A. M. and Suh N. P., “Wear of metals at high sliding speeds”, Wear, 44(1): 109-125, (2003).
26. [26] Aksöz S., Bican O., Çalın R., Bostan B., “Effect of T7 heat treatment on the dry sliding friction and wear properties of the SiC-reinforced AA 2014 aluminium matrix composites produced by vacuum infiltration”, Proc IMechE Part J: J Engineering Tribology, 228(3) 312–319 (2014).
27. [27] Özyürek D., Çiftçi İ., Tuncay T., “The effect of aging and sliding speed on wear behaviour of Cu-Cr-Zr alloy”, Materials Testing, 55(6), 468-471, (2013).