Bilyalı dövme ve plazma nitrürleme ile modifiye edilen AISI 4340 çeliğinin yapısal, tribolojik ve elektrokimyasal davranışının incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, ferrit ve perlit esaslı mikroyapıya sahip AISI 4340 çeliğinin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla bilyalı dövme (BD), plazma nitrürleme (PN) ve bilyalı dövme + plazma nitrürleme (BD+PN) işlemlerinin mikroyapısal, mekanik, tribolojik ve elektrokimyasal özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. BD işlemi 16A, 20A ve 24A Almen şiddetlerinde %200 örtme oranıyla uygulanmıştır. PN işlemi hacimce %20 N2 + %80 H2 atmosferinde 450, 500 ve 540 °C’de 12 saat süreyle gerçekleştirilmiş; ayrıca 540 °C’de hacimce %80 N2 + %20 H2 atmosferinin etkisi incelenmiştir. Nitrürleme sıcaklığının artmasıyla beyaz tabaka kalınlığı, difüzyon tabakası derinliği ve yüzey sertliği genel olarak artmıştır. PN1, PN2 ve PN3’ün yüzey sertlikleri sırasıyla 643 ± 4,2; 718 ± 14,1 ve 771 ± 23,3 HV0,05 olarak belirlenmiş, PN3’te 738,6 ± 26 µm ile en yüksek difüzyon tabakası kalınlığı elde edilmiştir. PN3 tamamen γ′-Fe4N fazından oluşmuş ve -4,07 GPa ile en yüksek bası kalıntı gerilmesini göstermiştir. PN4’te ise 8,39 ± 1,69 µm kalınlığında γ′-Fe4N + ε-Fe2-3N çift fazlı beyaz tabaka oluşmuştur. BD ön işlemi bazı koşullarda nitrürlenmiş tabakanın gelişimini desteklemiş; BD3+PN3’te 853 ± 32,5 HV0,05 yüzey sertliği ve 764,6 ± 12 µm difüzyon tabakası elde edilmiştir. Tribolojik sonuçlar, performansın sertlik, faz yapısı, tabaka bütünlüğü, yüzey altı yük taşıma kapasitesi, kalıntı gerilme ve yüzey pürüzlülüğünün ortak etkisiyle belirlendiğini göstermiştir. PN2 ve PN3 darbeli aşınmada düşük hacim kayıpları sağlarken, kuru kaymada PN4 en düşük aşınma hacmi ve sürtünme katsayısını göstermiştir. Darbeli-kayma koşullarında PN3 kayma bölgesinde, PN4 ise darbe bölgesi ve toplam aşınmada üstün performans sergilemiştir. %3,5 NaCl çözeltisinde en yüksek korozyon direnci, 4,06 × 10-6 A cm-2 korozyon akım yoğunluğu ve 1,79 mpy korozyon hızıyla PN2’de elde edilmiştir. Kavitasyon sonuçları da performansın nitrür tabakasının yapısal ve mekanik özelliklerine bağlı olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak, optimum yüzey performansının servis koşullarına bağlı yapı-özellik dengesiyle sağlanabileceği ortaya konmuştur.In this thesis, the effects of shot peening (SP), plasma nitriding (PN), and combined shot peening + plasma nitriding (SP+PN) treatments on the microstructural, mechanical, tribological, and electrochemical properties of AISI 4340 steel with a ferritic–pearlitic microstructure were investigated with the aim of improving its surface properties. SP was performed at Almen intensities of 16A, 20A, and 24A with 200% coverage. PN was carried out for 12 h at 450, 500, and 540 °C in an atmosphere containing 20 vol.% N2 + 80 vol.% H2. In addition, the effect of gas composition was investigated at 540 °C using an atmosphere containing 80 vol.% N2 + 20 vol.% H2. Increasing the nitriding temperature generally increased the compound layer thickness, diffusion layer depth, and surface hardness. The surface hardness values of PN1, PN2, and PN3 were 643 ± 4.2, 718 ± 14.1, and 771 ± 23.3 HV0.05, respectively, while PN3 exhibited the greatest diffusion layer depth of 738.6 ± 26 µm. PN3 exhibited a fully γ′-Fe4N compound layer and the highest compressive residual stress of -4.07 GPa. In contrast, PN4 developed a 8.39 ± 1.69 µm-thick dual-phase compound layer consisting of γ′-Fe4N + ε-Fe2-3N. SP pretreatment promoted the development of the nitrided layer under certain conditions; BD3+PN3 exhibited a surface hardness of 853 ± 32.5 HV0.05 and a diffusion layer depth of 764.6 ± 12 µm. The tribological results demonstrated that performance was governed by the combined effects of hardness, phase constitution, layer integrity, subsurface load-bearing capacity, residual stress, and surface roughness. PN2 and PN3 exhibited low volume losses under impact wear, whereas PN4 showed the lowest wear volume and coefficient of friction under dry sliding conditions. Under impact-sliding conditions, PN3 exhibited superior performance in the sliding region, while PN4 performed best in the impact region and in terms of total wear. In 3.5 wt.% NaCl solution, PN2 exhibited the highest corrosion resistance, with a corrosion current density of 4.06 × 10-6 A cm-2 and a corrosion rate of 1.79 mpy. The cavitation results further demonstrated that performance depended on the structural and mechanical characteristics of the nitrided layer. Overall, the results revealed that optimum surface performance can be achieved by establishing an appropriate structure-property balance tailored to the intended service conditions.