Bilyalı dövme ve plazma nitrürleme işlemlerinin AISI 8620 çeliğinin mikroyapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerine etkisi

Abstract

Bu çalışmada, AISI 8620 çeliğine uygulanan bilyalı dövme (BD), plazma nitrürleme (PN) ve ardışık BD+PN yüzey işlemlerinin mikroyapısal, mekanik, tribolojik ve elektrokimyasal özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. BD işlemleri %200 yüzey örtme oranında 16A (BD1), 20A (BD2) ve 24A (BD3) Almen şiddetlerinde uygulanmıştır. PN işlemleri ise 12 saat süreyle hacimce %20 N2 + %80 H2 gaz karışımında 450 °C (PN1), 500 °C (PN2) ve 540 °C (PN3) sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Numuneler optik mikroskop, X-ışını difraksiyonu, mikrosertlik, kalıntı gerilme ve yüzey pürüzlülüğü analizleriyle karakterize edilmiştir. Tribolojik davranış darbeli, kuru kayma ve darbeli-kayma aşınma deneyleriyle; elektrokimyasal davranış ise potansiyodinamik polarizasyon ve kavitasyon erozyonu deneyleriyle incelenmiştir. İşlem görmemiş AISI 8620 çeliğinin ferrit-perlit mikroyapısına sahip olduğu belirlenmiştir. BD işlemi yüzeyde plastik deformasyon oluştururken, ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) 0,04 µm’den BD1, BD2 ve BD3 için sırasıyla 4,5; 5,4 ve 5,7 µm’ye yükselmiştir. PN sonucunda beyaz tabaka ve difüzyon bölgesi oluşmuştur. Nitrürleme sıcaklığının 450 °C’den 540 °C’ye yükselmesiyle beyaz tabaka kalınlığı 2,24 ± 0,46 µm’den 5,28 ± 0,73 µm’ye, difüzyon bölgesi derinliği ise 201,6 ± 1,2 µm’den 430,6 ± 7,5 µm’ye ulaşmıştır. İşlem görmemiş çelikte 234 ± 8,7 HV0,05 olan yüzey sertliği PN sonrasında 574-615 HV0,05 aralığına yükselmiştir. XRD analizlerinde PN1 ve PN2’de α-Fe, ε-Fe2-3N ve γ′-Fe4N fazları belirlenirken, PN3’te γ′-Fe4N baskın yapı elde edilmiştir. Bası kalıntı gerilmesinin mutlak değeri PN3’te 5,78 GPa’a ulaşmıştır. Kuru kaymada en düşük aşınma hızı 3,96×10-5 mm3/Nm ile PN2’de elde edilmiştir. Darbeli ve darbeli-kayma koşullarında PN3 en başarılı sonucu vermiş; darbeli-kayma aşınma hızı işlem görmemiş çeliğe göre yaklaşık %87,9 azalmıştır. BD ön işleminin bazı koşullarda azot difüzyonunu artırmasına rağmen oluşturduğu yüksek pürüzlülük, dubleks işlemin tribolojik avantajını sınırlandırmıştır. PN işlemi korozyon potansiyelini daha asil değerlere taşımış, ancak korozyon hızını işlem görmemiş çeliğin altına düşürmemiştir. Kavitasyon deneylerinde PN yüzeylerinde büyük ölçekli krater oluşumunun sınırlandığı gözlenmiştir. Sonuç olarak yüzey performansının sertliğin yanı sıra faz yapısı, tabaka özellikleri, difüzyon derinliği, bası kalıntı gerilmesi ve yüzey pürüzlülüğü arasındaki dengeyle belirlendiği ortaya konmuştur. Mevcut koşullarda PN2 kuru kayma, PN3 ise darbeli ve darbeli-kayma yüklemeleri için en uygun yüzey durumunu sağlamıştır.This study investigated the effects of shot peening (SP), plasma nitriding (PN), and sequential SP+PN surface treatments on the microstructural, mechanical, tribological, and electrochemical properties of AISI 8620 steel. SP was performed at Almen intensities of 16A (SP1), 20A (SP2), and 24A (SP3) with a constant surface coverage of 200%. PN was conducted for 12 h in a gas mixture of 20 vol.% N2 + 80 vol.% H2 at 450 °C (PN1), 500 °C (PN2), and 540 °C (PN3). The specimens were characterized by optical microscopy, X-ray diffraction, microhardness, residual stress, and surface roughness measurements. Tribological behavior was evaluated by impact, dry sliding, and impact-sliding wear tests, while electrochemical behavior was assessed by potentiodynamic polarization and cavitation erosion tests. The untreated AISI 8620 steel exhibited a ferritic-pearlitic microstructure. SP induced surface plastic deformation and increased the average surface roughness (Ra) from 0.04 µm to 4.5, 5.4, and 5.7 µm for SP1, SP2, and SP3, respectively. PN produced a compound layer and an underlying diffusion zone. Increasing the nitriding temperature from 450 to 540 °C increased the compound-layer thickness from 2.24 ± 0.46 to 5.28 ± 0.73 µm and the diffusion-zone depth from 201.6 ± 1.2 to 430.6 ± 7.5 µm. Surface hardness increased from 234 ± 8.7 HV0.05 for the untreated steel to 574-615 HV0.05 after PN. XRD analyses revealed α-Fe, ε-Fe2-3N, and γ′-Fe4N phases in PN1 and PN2, whereas PN3 exhibited a γ′-Fe4N-dominated structure. The magnitude of compressive residual stress reached 5.78 GPa in PN3. Under dry sliding conditions, PN2 exhibited the lowest wear rate of 3.96×10-5 mm3/Nm. PN3 provided the best performance under impact and impact-sliding conditions, reducing the impact-sliding wear rate by approximately 87.9% compared with the untreated steel. Although SP pretreatment enhanced nitrogen diffusion under certain conditions, the resulting high surface roughness limited the tribological benefit of the duplex treatment. PN shifted the corrosion potential toward more noble values but did not reduce the corrosion rate below that of the untreated steel. Cavitation tests showed that PN limited large-scale crater formation. Overall, surface performance was governed by the balance among phase constitution, layer characteristics, diffusion depth, compressive residual stress, surface hardness, and surface roughness. Under the present experimental conditions, PN2 provided the optimum dry sliding performance, whereas PN3 was the most favorable condition for impact and impact-sliding loading.