Plazma nitrürlenmiş soğuk iş takım çeliklerinin sürtünme aşınma davranışları

Abstract

Bu tez çalışmasında endüstride sıkça kullanılan D2, D6, Calmax, Hws Rovalma ve Vanadis4 gibi soğuk iş takım çeliklerinin plazma nitrürleme işleme öncesi ve sonrası sürtünme-aşınma davranışları incelenmiştir. Çalışma kapsamında çeliklere vakum fırınında ısıl işlem, yüzey taşlama ve plazma nitrürleme (%75 N2 + %25 H2 ortamında, 450 °C ve 2 mbar basınçta 12 saat süre ile) uygulanmış ve akabinde yüzey pürüzlülük ölçümü, kesit mikroyapısı, mikro sertlik ve sürtünme katsayısı değerleri elde edilmiştir. Numunelerin sürtünme aşınma karakteristikleri kuru sürtünme ortamında ball on-disc testiyle elde edilmiştir. Plazma nitrürlemenin numunelerin yüzey pürüzlülüğünü artırdığı belirlenmiştir. Ancak bu etkinin nitrürlenmemiş numunenin yüzey pürüzlülüğünün artması ile azaldığı görülmüştür. X-Işını Difraksiyonu (XRD) testi sonucunda numunelerin yüzeyinde Fe4N (γ'), Fe3N (ε) and CrN gibi nitrür fazları olduğu tespit edilmiştir. D2 ve D6 çeliklerinde plazma nitrürleme sonrası yüksek yüzey sertliği elde edilmiştir. Ball-on disc aşınma düzeneğinde kayda değer bir kütle kaybı elde edilmemiş ve Hws Rovalma- Vanadis4 çeliklerinde pin-on disc düzeneğinde çalışılmıştır. Ball-on disc düzeneğinde aşınmış bölgeler Taramalı Elektron Mikroskobunda (SEM) incelenmiştir. Plazma nitrürleme aşınma dayanımını artırarak sürtünme katsayısını düşürmüştür. Plazma nitrürlenmiş D2 çeliği en yüksek aşınma dayanımına sahipken, Calmax çeliği en düşük aşınma dayanımına sahiptir. Ancak plazma nitrürlenmiş Calmax çeliği diğerlerine göre daha düşük sürtünme katsayısına sahiptir. Genel olarak gevrek tabaka/faz kırılmaları sürtünme katsayısını belirlemiştir. Pin-on disc düzeneğinde anlamlı sonuçlar elde edilmiştir. Pin-on disc test sonuçlarına göre Vanadis4 çeliği aşınma dayanımı Hws Rovalma çeliğine göre yüksek çıkmıştır.

In this thesis, different types of cold work tool steels (D2, D6, Calmax, Hws Rovalma and Vanadis4 tool steels) were used. These cold work tool steels were heat treated in vacuum hardening, grinded and plasma nitrided in 75% N2 + 25% H2 atmosphere at 450 °C for 12 h at a pressure of 2 mbar. Characterization of all plasma nitrided samples has been carried out by means of surface roughness measurement, cross-sectional microstructure, microhardness and friction coefficient. Wear and friction characteristics of the samples have been investigated using a ball-on-disc friction and wear tester with a WC-Co ball as the counterface under dry sliding conditions. Plasma nitriding increased the surface roughness of the samples. However, this effect decreased with increasing the surface roughness of the base metal. Fe4N (γ'), Fe3N (ε) and CrN phases were generally obtained on the surfaces of the samples via X-Ray Diffraction (XRD) method. Higher surface hardness was obtained in the plasma nitrided D2 and D6 steels. No significant mass loss was observed in the ball on-disc tribosystem and pin-on disc tests were conducted for Hws Rovalma and Vanadis4. The wear of the ball-on disc samples was characterized with the worn surfaces using a scanning electron microscope (SEM). Plasma nitriding improved the wear resistance and decreased the friction coefficient of the tool steels. Plasma nitrided D2 steel showed the highest wear resistance, whereas plasma nitrided Calmax steel exhibited the lowest wear resistance. However, plasma nitrided Calmax tool steel had relatively lower friction coefficient than the other plasma nitrided tool steels. In general, brittle nitride layer fractures have determined the friction coefficient. Pin-on disc tribosystem gave meaningful results which give possibility to evaluate wear resistance. According to pin-on disc test results, wear resistance of Vanadis4 is higher than Hws Rovalma.