Nitrasyon ve fiziksel buhar depolama (PVD) yöntemleri ilekaplanmış küresel grafitli dökme demirlerin mekanik, aşınma ve korozyon özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Çeşitli mühendislik uygulamaları ve makine parçalarındaki en büyük sorun malzemelerin aşınması ve korozyona uğramasıdır. Korozyon ve aşınma malzemenin yüzeyinde meydana gelmektedir. Fakat çeşitli yüzey modifikasyonları ile malzemelerin aşınma ve korozyon özelliklerinin iyileştirilebilmesi mümkündür. Bu çalışmada GGG50 (EN-GJS-500-7) ve GGG70 (EN-GJS-700-2) kalite küresel grafitli dökme demir malzemelere ayrı ayrı; akımsız Ni-B kaplama, TiN PVD kaplama, gaz nitrasyonu ve plazma nitrasyonu işlemleri uygulanmıştır. GGG50 numunelerin gaz nitrasyon ile kaplama işlemi sonucunda yüzeylerinde oluşan nitrür tabakanın kalınlığı ~8,9±0,5 μm iken plazma nitrasyon ile kaplama sonucunda yüzeylerinde ~6,6±0,4 μm kalınlıkta nitrür tabaka oluştuğu gözlemlenmiştir. GGG70 numunesinin gaz ve plazma nitrasyon ile kaplanmaları ile yüzeylerinde oluşan nitrür tabaka kalınlıkları ise sırası ile ~7,0±0,3 μm ve ~3,9±0,4 μm olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar GGG50 ve GGG70 küresel grafitli dökme demirlerin gaz ve plazma nitrasyon işlemleri ile başarılı bir şekilde kaplandıklarını göstermektedir. Her bir uygulama sonrası numunelerin; mikroyapısal, sertlik, aşınma ve korozyon özellikleri incelenmiştir. Kaplama sonucunda numune yüzeyinde oluşacak fazların belirlenmesi için yapılan XRD analizleri sonuçlarına göre nitrasyon yapılan numunelerde Fe3N ve Fe4N fazları, akımsız Ni-B kaplamada NiB3 fazı, PVD kaplamada ise TiN fazının oluştuğu tespit edilmiştir. Kaplanmamış GGG50 küresel grafitli dökme demir 178 HB sertliğe sahipken bu numunelerin gaz ve plazma nitrasyon ile kaplanmaları sonucunda ortalama sertlik değerlerinin sırası ile 838±23 HB ve 809±14 HB'ye yükseldiği gözlemlenmiştir. Benzer şekilde kaplanmamış halde 222 HB sertliğe sahip GGG70 numunesinin sertlik değerinin gaz nitrasyon ile kaplama sonucunda 817±19 HB ve plazma nitrasyonla kaplama ile 832±27 HB değerine arttığı belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre her iki kaplama türünün de küresel grafitli dökme demirlerin sertlik değerlerinde önemli artışa sebep oldukları görülmüştür. Ayrıca nitrürlenmiş numuneler işlem öncesi ve sonrası çekme testine tabi tutulmuştur. Çekme testleri ile gaz nitrürleme işleminden sonra numunelerin yüzeyinde oluşan sert nitrür tabakasının akma dayanımını arttırdığı, çekme dayanımı ve uzama değerlerini önemli ölçüde düşürdüğü gözlenmiştir. Numunelerin aşınma dirençleri kıyasladığında ise TiN PVD kaplanmış numunelerin aşınma direncinin iyileştiği gözlemlenirken Ni-B kaplama sonrasında numunelerin aşınma direncinde önemli bir iyileştirme görülmemiştir. Yapılan çekme testleri ile gaz nitrasyon işlemi sonrası numunelerin yüzeyinde oluşan sert nitrür tabakanın akma dayanımını arttırdığı, çekme dayanımı ve uzama değerlerini ise belirgin oranda azalttığı gözlemlenmiştir. Kısacası numuneler bir miktar kırılganlaşmıştır. Yapılan korozyon testleri neticesinde GGG50 ve GGG70 kalite Sfero malzemelerin kaplama sonrası farklı korozyon dirençleri gösterdiği tespit edilmiştir. Bu çalışmada yapılan uygulamalar içerisinde GGG50 kalite numunelerde akımsız Ni-B kaplama en düşük korozyon direncine sahip iken, GGG70 kalite numunelerde akımsız Ni-B kaplama yapılmış numune yüksek korozyon direncine sahip olduğu tespit edilmiştir.

The biggest problem in various engineering applications and machine parts is the wear and corrosion of materials. Corrosion and wear occur on the surface of the material. However, it is possible to improve the wear and corrosion properties of materials with various surface modifications. In this study, GGG50 (EN-GJS-500-7) and GGG70 (EN-GJS-700-2) quality spheroidal graphite cast iron materials were examined separately; Electroless Ni-B coating, TiN PVD coating, gas nitriding and plasma nitriding processes were applied. While the thickness of the nitride layer formed on the surfaces of GGG50 samples as a result of gas nitriding coating was ~8.9±0.5 μm, it was observed that a ~6.6±0.4 μm thick nitride layer was formed on their surfaces as a result of plasma nitriding coating. The nitride layer thicknesses formed on the surfaces of the GGG70 sample by coating it with gas and plasma nitriding were determined as ~7.0±0.3 μm and ~3.9±0.4 μm, respectively. These results show that GGG50 and GGG70 spherical graphite cast irons were successfully coated by gas and plasma nitriding processes. After each application, the samples; microstructural, hardness, wear and corrosion properties were examined. According to the results of the XRD analysis performed to determine the phases that will form on the sample surface as a result of the coating, it was determined that Fe3N and Fe4N phases were formed in the nitrided samples, NiB3 phase was formed in the electroless Ni-B coating, and TiN phase was formed in the PVD coating. While uncoated GGG50 spheroidal graphite cast iron has a hardness of 178 HB, it was observed that as a result of coating these samples with gas and plasma nitriding, the average hardness values increased to 838±23 HB and 809±14 HB, respectively. Similarly, it was determined that the hardness value of the GGG70 sample, which had a hardness of 222 HB in its uncoated state, increased to 817±19 HB after coating with gas nitriding and to 832±27 HB after coating with plasma nitriding. According to these results, it was observed that both coating types caused a significant increase in the hardness values of spheroidal graphite cast irons. In addition, nitrided samples were subjected to tensile testing before and after the process. It was observed through tensile tests that the hard nitride layer formed on the surface of the samples after the gas nitriding process increased the yield strength and significantly reduced the tensile strength and elongation values. When the wear resistance of the samples was compared, it was observed that the wear resistance of the TiN PVD coated samples improved, while there was no significant improvement in the wear resistance of the samples after Ni-B coating. With the tensile tests, it was observed that the hard nitride layer formed on the surface of the samples after the gas nitriding process increased the yield strength and significantly reduced the tensile strength and elongation values. In short, the samples have become somewhat brittle. As a result of the corrosion tests, it was determined that GGG50 and GGG70 quality ductile iron materials showed different corrosion resistance after coating. Among the applications carried out in this study, it was determined that the electroless Ni-B coating on GGG50 quality samples had the lowest corrosion resistance, while the electroless Ni-B coating on GGG70 quality samples had the highest corrosion resistance.