Farklı plazma nitrürleme koşulları ve gaz nitrokarbürlemenin AISI H13 sıcak iş takım çeliğinin yüzey özellikleri ve darbeli-kayma aşınma davranışına etkisi

Abstract

Bu çalışmada, plazma nitrürleme ve gaz nitrokarbürleme işlemlerinin AISI H13 sıcak iş takım çeliğinin yüzey özellikleri ile darbeli-kayma aşınma davranışı üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Isıl işlem görmemiş AISI H13 çeliğine, 12 saat süreyle 450, 500 ve 540 °C sıcaklıklarda, hacimce %20 N2 + %80 H2 ve %80 N2 + %20 H2 gaz karışımlarında plazma nitrürleme uygulanmıştır. Ayrıca ısıl işlem görmemiş ve su verilmiş-temperlenmiş AISI H13 çelikleri endüstriyel gaz nitrokarbürleme işlemine tabi tutulmuştur. Numunelerin mikroyapıları, beyaz tabaka ve difüzyon tabakası kalınlıkları, faz bileşimleri, sertlik profilleri, kristalografik özellikleri, kalıntı gerilmeleri ve yüzey pürüzlülükleri incelenmiş; tribolojik davranışları darbeli-kayma aşınma deneyleriyle belirlenmiştir. Su verme ve temperleme işlemi, başlangıç çeliğinin sertliğini 259 ± 8,6 HV0,05’ten 406 ± 16,1 HV0,05’e yükseltmiş ve toplam aşınma hızını %68,1 azaltmıştır. Gaz nitrokarbürleme sonucunda, ısıl işlem görmemiş ve su verilmiş-temperlenmiş çeliklerde yaklaşık 7 µm kalınlığında sürekli beyaz tabakalar ve 100 µm’den daha kalın difüzyon tabakaları oluşmuştur. Su verilmiş-temperlenmiş ve gaz nitrokarbürlenmiş çeliğin toplam aşınma hızı, su verilmiş-temperlenmiş çeliğe göre %34,7 azalmıştır. Plazma nitrürlemede işlem sıcaklığının yükselmesi, her iki gaz karışımında da beyaz tabaka, difüzyon tabakası ve etkin nitrürleme derinliğini artırmıştır. Hacimce %20 N2 + %80 H2 atmosferinde sıcaklığın artmasıyla γ′-Fe4N fazının göreceli oranı ve yüzey sertliği yükselmiş; en yüksek yüzey sertliği 1325 ± 4,94 HV0,05 ile 540 °C’de nitrürlenen numunede elde edilmiştir. Hacimce %80 N2 + %20 H2 atmosferinde ise 540 °C’de 13,00 ± 1,61 µm beyaz tabaka, 166,2 ± 9,3 µm difüzyon tabakası ve 192,1 µm etkin nitrürleme derinliği elde edilmiştir. Bu numunede γ′-Fe4N fazı baskın hâle gelmiştir. En düşük toplam aşınma hızları, hacimce %20 N2 + %80 H2 atmosferinde 540 °C’de nitrürlenen numunede 0,61 × 10-5 mm3/çevrim ve hacimce %80 N2 + %20 H2 atmosferinde 540 °C’de nitrürlenen numunede 0,64 × 10-5 mm3/çevrim olarak belirlenmiştir. Bu değerler, ısıl işlem görmemiş çeliğe göre sırasıyla %89,7 ve %89,2 oranında azalmaya karşılık gelmektedir. Sonuçlar, AISI H13 çeliğinin darbeli-kayma aşınma direncinin yalnızca yüzey sertliği veya tabaka kalınlığıyla değil; nitrür fazlarının dengesi, sertlik gradyanı, etkin nitrürleme derinliği, kalıntı bası gerilmesi ve altlık desteğinin ortak etkisiyle belirlendiğini göstermiştir.

In this study, the effects of plasma nitriding and gas nitrocarburizing on the surface properties and impact-sliding wear behavior of AISI H13 hot-work tool steel were comparatively investigated. Untreated AISI H13 steel was plasma-nitrided for 12 h at 450, 500, and 540 °C using gas mixtures containing 20 vol.% N2 + 80 vol.% H2 and 80 vol.% N2 + 20 vol.% H2. In addition, untreated and quenched-and-tempered AISI H13 steels were subjected to industrial gas nitrocarburizing. The microstructures, compound-layer and diffusion-zone thicknesses, phase compositions, hardness profiles, crystallographic characteristics, residual stresses, and surface roughness values of the specimens were examined. Their tribological behavior was evaluated using impact-sliding wear tests. Quenching and tempering increased the hardness of the untreated steel from 259 ± 8.6 HV0.05 to 406 ± 16.1 HV0.05 and reduced its total wear rate by 68.1%. Gas nitrocarburizing produced continuous compound layers approximately 7 µm thick and diffusion zones exceeding 100 µm in both untreated and quenched-and-tempered steels. The total wear rate of the quenched-and-tempered and gas-nitrocarburized steel was 34.7% lower than that of the quenched-and-tempered steel. Increasing the plasma-nitriding temperature increased the compound-layer thickness, diffusion-zone thickness, and effective nitriding depth for both gas mixtures. In the 20 vol.% N2 + 80 vol.% H2 atmosphere, the relative fraction of the γ′-Fe4N phase and surface hardness increased with temperature. The highest surface hardness, 1325 ± 4.94 HV0.05, was obtained for the specimen nitrided at 540 °C. In the 80 vol.% N2 + 20 vol.% H2 atmosphere, nitriding at 540 °C produced a compound layer of 13.00 ± 1.61 µm, a diffusion zone of 166.2 ± 9.3 µm, and an effective nitriding depth of 192.1 µm. The γ′-Fe4N phase became dominant in this specimen. The lowest total wear rates were 0.61 × 10⁻⁵ mm³/cycle for the specimen nitrided at 540 °C in the 20 vol.% N₂ + 80 vol.% H₂ atmosphere and 0.64 × 10⁻⁵ mm³/cycle for the specimen nitrided at 540 °C in the 80 vol.% N2 + 20 vol.% H2 atmosphere. These values corresponded to reductions of 89.7% and 89.2%, respectively, compared with the untreated steel. The results demonstrated that the impact-sliding wear resistance of AISI H13 steel was governed not by surface hardness or layer thickness alone, but by the combined effects of nitride-phase balance, hardness gradient, effective nitriding depth, compressive residual stress, and substrate support.