Borlama Yöntemi ile Çelik Yüzey Sertleştirme

Esas itibari ile bir yayınma işlemi olan borlama, karbürleme ve nitrürlemeye benzer. Difüzyon yöntemi olan borlama termokimyasal bir işlemdir. Termokimyasal işlem süresince bir metal yüzeyinin bor ile zenginleştirilmesi olayına borlama denir. Uygun işlem sıcaklıklarında metal malzemenin yüzeyine yayınan bor, metal ile bir ve birkaç intermetalik fazdan meydana gelen bir tabaka oluştururlar. Bu işlemin esası, borla metalin bir arada bulunduğu bor verici ortamda kimyasal veya elektro-kimyasal reaksiyonlar neticesinde boyun metal yüzeyine yayınması olayıdır. Bu olayda bor kaynağının fiziksel durumu katı, sıvı veya gaz olabilir. Borlama ortamının sıcaklığı 800-1000 °C arasında değişir. Borlama ortamı ise, bor kaynağı (bor veya bileşikleri), aktivatör, dolgu veya deoksidantlardan oluşur. Aktivatörler tabakanın düzenli büyümesine ve oluşumuna etki ederler. Dolgu ve deoksidantlar ise borlama sıcaklığında oksijeni tutarak redükleyici bir ortam oluştururlar ve ayrıca borlama maddelerinin ana malzemeye yapışmalarını önlerler.

Bor ile yüzey sertleştirme termokimyasal bir ısıl işlem olup, esas olarak bor elementinin yüksek sıcaklıkta çeliğe difüze edilmelidir. Bor kaynağı olarak (borlama banyosu veya ortamı) herhangi bir bor bileşiği kullanılabilir. Kullanılan bor bileşiğinin fiziki durumu, katı, sıvı, gaz veya plazma fazında bulunabilir. Borlama yöntemleri kullanılan bar kaynağının fiziki durumuna göre belirlenir.

Borlamada amaç borlanan malzeme yüzeyinde tek fazlı demir-borür tabakası oluşturulmasıdır. 900-1100 °C arasındaki sıcaklıklarda, 2-6 saat arasında değişen sürelerde gerçekleştirilen borlama işlemi sonucunda elde edilen demir-borür tabakası (Fe₂B) çok sert olup, başta çeliğin aşınma mukavemetini arttırmakla birlikte, birçok yüzey özelliğini olumlu yönde etkiler. 

Demir- borür tabakasının özellikleri, kullanılan bor kaynağının fiziki durumuna, borlama sıcaklığına, borlama süresine ve borlanan çeliğin özelliklerine göre değişir. Eğer aşırı bor mevcut veya ana malzeme çok fazla alaşım elemanına sahipse Fe₂B fazı yanında borca zengin FeB fazı meydana gelebilir. Bu faz malzeme yüzeyinde bazı istenmeyen özellikler sergiler. 

Borlama tekniği ile çelik yüzey sertleştirmenin diğer yöntemlere göre üstünlüğü; yüzey tabakasının çok sert olmasının yanı sıra, sürtünme katsayısının düşük olması, bazı asit, baz, metal eriyikleri ve yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı direnç göstermesidir. Ayrıca borlama işleminin alaşımsız çeliklere uygulanabilmesi maliyet açıdan bir üstünlük teşkil etmektedir.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için ıpn çelik profil fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Element olarak peryodik sistemin 3. grubunda bulunan borun atom numarası 5, atom ağırlığı 10.82, atom çapı 1.78 A° ve ergime noktası 2400 °C'tır. 

Bor, 2.33±0.02 gr/cm³ yoğunluklu kristal ve 2,3 gr/cm³ yoğunluklu amorf olmak üzere iki şekilde bulunur. 

Doğal bor elementi %18.83 oranında B¹⁰ ile % 81.17oranında B¹¹ izotoplarının karışımıdır. 

Çeliklerde Bor Bileşikleri

Çeliklerde Bor Erirliği 

Boran atom çapı demirinkinden %25 daha küçük olduğundan bu elementte katı eriyik yapar. Demirde sıcaklığa bağlı olarak bor erirliği 20-80 ppm östenitte ise 55-260 ppm. kadardır. Bor östenitte arayer katı eriyiği, alfa demirinde ise yer alan katı eriyiği yapar. 

Çeliklerde Borür ve Bor-Karbürler 

Çeliklerde alaşım elementlerine bağlı olarak birçok bor-karbür oluşur. Bor bileşiklerinin oluşumunda, atom çapı faktörü valans faktöründen daha etkindir. Bunun nedeni, borun atom çapının diğer arayer atomlarından (C, N, H) daha büyük oluşudur. Çeliklerde bor konsantrasyonu yeterli ise B-B bağı oluşur ve bu bağın konfigürasyonu borür fazınınn kristal yapısını kontrol eder.

Yüksek karbonlu çelik ve dökme demirlerde Fe₃ (B,C) ve Fe₂₃(BC)₆ formülündeki bor-karbür fazları oluşabilir. Bu fazlarda C ve B oranı değişebilmektedir.Fe₃ (B,C), Fe₃C' ye benzer olup ortarombik sistemdedir. 

Alaşımlı çeliklerdeki borlu tabaka, kafesteki demir atomunun yerini alan alaşım elementlerini içerir. Bu tür çelikler yukardaki bileşikler yanında, alaşım elementlerine bağlı olarak Cr₂B, CoB, CoB₂, TiB₂, NiB₂ ve kafes parametresi 10.6±0.02 A° olan kübik yapılı M₂₃(B,C)₆ (M:Metal) bileşiklerini de içerirler. 
 

Borlama işleminde borun yüzeye yayınması sonucu borlanan parçanın en üst yüzeyinde bileşik tabaka adı verilen borürlü bölge, onun hemen altında yer alan yayınma (difüzyon) bölgesi ve en iç kısımda ise çekirdek bölgesi yer alır.

Bileşik Tabaka 

Borlama işlemi ile elde edilen borürlü yani bileşik tabaka Fe esaslı malzemelerde en dışta koyu renkli FeB ve onun altında da açık renkli Fe₂B fazlarından meydana gelir. Bu tabakanın görünüşü genellikle diş şeklindedir.

Yüksek bor potansiyeline sahip olan borlama maddesi ile çalışıldığında tabaka 2 fazlı teşekkül eder. Bu fazlardan dıştaki FeB bor atomlarınca zengin, Fe₂B ise daha az bor ihtiva eder. FeB fazı Fe₂B fazına oranla daha serttir, fakat oldukça gevrektir. Yüksek iç gerilmeye sahip olduğundan ve Fe₂B tabakasından kavlayarak döküldüğünden FeB fazı arzu edilmez. Fakat böyle durumlarda difüzyon tavlamasına gidilebilir.

Yapıdaki bor miktarı (FeB/Fe₂B) oranına borlama süresine ve borlama sıcaklığına bağlıdır. Tabakarın ve asıl malzemenin dişlenme derecesi ayrıca alaşım elementinin miktarına da bağlıdır. Kuvvetli dişlenmeler karbonlu çeliklerde ve düşük alaşımlı çeliklerde ortaya çıkmaktadır. Alaşımlı çeliklerde ise alaşım elementleri oranına bağlı olarak değişmektedir. Alaşım elementleri oranı arttıkça dişlenme azalmaktadır. Borürlü tabakalar diş şekilli olmalarından dolayı ana metale daha iyi bağlanırlar. Alaşımlı çeliklerde bu tabaka daha incedir hatta bazen hiç yoktur. 

Borürlü tabakanın kalınlığını sınırlayan faktörler alaşım elementlerinin yanış ıra borürlü tabakanın gevrekliğidir. Borlanmış tabakanın kırılganlığı kalınlık arttıkça artar. 

Yayınma (difüzyon) Tabakası 

Bu bölgeye geçiş bölgesi de denilmektedir. Düşük konsantrasyondaki borun analiz zorluğu ve geçiş bölgesinin optik mikroskopta görülmemesi nedeniyle bu tabaka birçok araştırmacı tarafından fark edilememiştir. Bu bölge C'un borür tabakasından içeri itilerek oluştuğu görüşü hakimdir.
 

Korozyon Özellikleri 

Borlu tabakanın suya ve atmosfere karşı korozyon direnci düşüktür. H₂SO₄ gibi oksitlenmeyen asitlere karşı korozyon direnci iyi, HNO₃ gibi oksitlenen asitlere karşı kötüdür. Borlu tabakaların korozyon direncini ölçmek için yapılan bir deneyde, Ck 45 malzemesinden borlanmış ve borlanmamış numuneler hazırlanarak %20 lik tuz asidi ortamında 8 saat bekletilmişler, bu süreden sonra borlanmamış numunelerde 320 mg/cm², borlanmışlarda ise 3.2 mg/cm²'lik ağırlık kaybı tespit edilmiş. Böylece, aşınma oranının 0.01 olduğu görülmüştür. Aynı çelikler %30'luk fosforik asit içinde 0.02 ve %10' lük sülfürik asit içinde ise 0.03' lük bir korozif aşınma kayıp oranı göstermişlerdir. Yüksek alaşımlı çeliklerde yukarıda belirtilen ortamlarda korozif aşınmaya tabi tutulmuşlar ve sülfürik asidin aşındırmasının fosforik aside göre daha az olduğu görülmüştür. Borlanmamış numunenin tuz asidi içindeki korozif kaybı 143 mg / cm², borlu numunede 0.9 mg/cm² ve kayıp oranı 0.006 olarak tespit edilmiştir. Borlu numuneler için, sülfürik asitte 3.8-5.55 mg/cm² fosforik asitte ise 0.01 mg/cm²lik bir aşınma tespit edilmiş olup bunun sebebinin borlu tabakada yer alan kromborit olduğu sanılmaktadır. 

Tribolojik Özellikleri 

Borlanmış çelikler yüksek sertliklerinden dolayı abrasiv aşınmaya karşı çok iyi direnç gösterirler. Abrasiv aşınmanın meydana geldiği ve borlama ile önemli ölçüde düşürüldüğü sistemlere; pönomatik transport sistemleri, plastik işleme makina parçaları, haddeleme elemanları, pompalar ve valfler örnek verilebilir. Yüksek abrasiv aşınma dirençleri yanında önemli bir özellikleri soğuk kaynağa eğilimlerinin düşük olmasıdır. Bu özellik adesiv aşınmayı önlemede büyük yarar sağlar ve soğuk metal işlemede borlanmış takımların niçin tercih edildiğini izah eder. Alüminyumun derin çekilmesinde de borlanmış takımlar kullanılarak alüminyum yüzeylerin kalitesi iyileştirilir. Adesif aşınmaya direnç bakımından borlu tabakaların diğer kaplamalara nazaran açık üstünlüğü, özellikle yüksek sıcaklıklarda, yağlamasız şişirme testinde ortaya çıkar. 

İyon implantasyonu ile borlanan paslanmaz çeliklerde, bor iyonunun bir kimyasal stabilizatör olarak davranmadığı, bor implante edilmiş 304 paslanmaz çeliğinin aşınma direncini iyileştiren yapının, implantasyonla sağlanan martenzitik yapı olduğu ifade edilmektedir. Ayrıca azot implantasyonunda olduğu gibi aşınma direncini iyileştiren çökelmeler de değildir. Fakat bor atomlarının dağılması ile dislakasyonların etkileşimi olabilir. İlave olarak aynı literatürde aşınma direncindeki iyileşmenin implante olmuş tabaka kalınlığına bağlı olduğu gözlenmiştir. Ayrıca yapıda bulunan alaşım elemanlarının miktarı da aşınma dayanımına etkide bulunmaktadır, Alaşım elemanlarının normalden az veya çok olması aşınmayı hızlandırmaktadır. 

Paslanmaz çelikte bulunan krom (Fe,Cr)B ve (Fe,Cr)₂B şeklinde yer alır ve kromun tetragonal Fe₂B fazında maksimum çözünebilirliği %15 dir. Eğer matriksdeki krom ihtivası daha da yükselirse (Fe,Cr)₂B yanı sıra rombik y-Cr₂B boridleri çökelir. Krom ihtivası arttıkça mümkün olan tabaka kalınlığı azalır. Matriks ve borlu tabaka arasındaki faz ara yüzeyi, Fe₂B kafesindeki boyun anizotrop difüzyonunu azalttığı için gittikçe düzleşir. Kromun bulunuşu ile etkilenen tabaka kalınlığındaki azalma aynı miktardaki nikelin sebep olduğu azalmadan daha fazladır. Bor tabakasındaki nikel matrikstekinden düşüktür. Nikel faz ara yüzeyinde düzleşmeye sebep olur. 

BN implante edilmiş 440C ve 304 paslanmaz çelikleri ve titanyum alaşımlarının elmas ile çizilme testleri yapılmış ve metal yüzeylerdeki BN filmlerinin plastik davranışlarının metalin sert katılarla temasındaki gibi olduğu belirlenmiştir. Fakat yük belirli bir kritik değeri geçtiği zaman metalik yüzey üzerinde BN filminde yüzey altı çatlağı ve lokal olarak yüzey ezilmesi meydana gelir. Kritik kırılma yükü ana malzemenin cinsine bağlıdır. Bu yük 440 ve 304 Paslanmaz çelikleri ile titanyum üzerindeki BN filmlerinde sırası ile 11 - 7 - 8 N olarak tespit edilmiştir. 

Bor difüze edilmiş çeliklerden ,100 Cr 6 çeliğinin aşınma direncinde borlanmamış haline göre iki kat iyileşme görülürken 4x1017/cm²'lik bir yoğunlukla borlanmış X 90 Cr Mo V 18 martenzitik çeliğin aşınma direncinde 60 katlık bir iyileşme sağlandığı ifade edilmektedir.

Çeşitli bilim adamları tarafından yapılan aşmma testleri göstermiştir ki, borlanmış yüzeyler normal çelik yüzeylerle karşılaştırıldığında çok yüksek aşınma direncine sahiptirler. 
 

Katı Ortamda Borlama 

Katı ortamda borlama iki farklı şekilde yapılmaktadır. Bunun biri toz ortam, diğeriyse macunlama (pastalama) yöntemidir. Bu iki yöntemde de kullanılan bor verici ortam aynıdır. Toz ortamda kullanılanlar en ince taneden oluşmaktadır. Macunlamada ise aynı maddeler macun haline getirilmiştir. Her iki tarzda da kullanılan borlama maddelerine ekabor adı verilmektedir. 

Toz Ortamda Borlama 

Yüzeyi borlanacak malzeme, toz halindeki bor verici ortam içinde 800-1000 °C sıcaklıklarda 4-10 saat bekletilerek borlama işlemi yapılır. Borlama tozu suya dayanıklı çelik sac kutu içine konur ve borlanacak parça bu tozun içine gömülür. Bu toz, parçanın tüm yüzeylerinde en az 10 mm kalınlığında olmalıdır. Kutuların ağzı bir kapak ile kapatılarak fırın içi sıcaklığı borlama sıcaklığına getirilir. Bir süre bekletildikten sonra kutu fırından alınarak soğutulur ve parça içinden çıkarılır. Bu sırada çelik kutunun kapağı, kutunun üzerinde kendi ağırlığı ile durmalıdır. Yani sementasyonda olduğu gibi sıkıca kapatılmasına gerek yoktur. Eğer işlem normal atmosferde yapılacak ise kapak sıkıca kapatılmalıdır. Bu yöntem koruyucu gaz atmosferi içinde de yapılabilir. Yöntem ucuzdur ve özel bir teknik gerektirmez.
 
Borlama ortamının ana bileşeni borkarbür, ferrobor ve amorf bordur. Borkarbür diğerlerine göre ucuzdur. Amorf borun saf halinin çok pahalı oluşu ve saf ferroborun eldesinin endüstriyel olarak çok zor olması bu metotların bırakılmasına neden olmuştur. Diğer bor verici toz ortam borkarbür ise, amorf bor ve ferrobordan ucuz olup, bileşimi zamana göre sabittir. Elverişli tane boyutunun ve etkin aktivatörün seçimiyle iyi sonuçlar alınmıştır. Bütün bunlara rağmen amorf bor tozuna aktivatör olarak amonyumklörür eklenerek yapılabilir. Ferrobor ortamında yapılan borlama sonucu elde edilen tabaka teknik açıdan kullanılamaz. Aktivatör dolgu maddeleri ile kullanılabilir. 

Macun ile Borlama
 
Borlama için kullanılacak tozlar macun haline getirilir ve borlanacak parçanın üzerine 2 mm kalınlıkta sürülür. Parça yüzeyine sürülen macun derhal sıcak hava akımında, ön ısıtma odasında veya kurutma fırınında maksimum 150 °C'de kurutulması gerekir. Gerektiği takdirde macun üzerine tekrar birkaç kez daha sürülebilir. Kurutma işleminden sonra macun ile kaplanmış parçalar önceden ısıtılmış firma konulur ve fırın ağzı kapatılarak borlama sıcaklığına ısıtılır. Belirli süre bu sıcaklıkta tutulan parçalar dışarı alınır ve soğumaya terk edilir. Bu yöntemle borlama mutlaka koruyucu gaz ortamında yapılması gerekir, aksi takdirde kötü bir borür tabakası oluşur. Bu yöntemle kısmi borlama yapılabilir.
 
Sıvı Ortamda Borlama 

Borlama şartlarında ortam sıvıdır. Borlanacak malzeme 800-1000 °C arasındaki sıcaklığa sahip sıvı bir borlu ortam içinde 2-6 saat bekletilerek bor yayınımı gerçekleştirilir. 

Sıvı ortamda borlama tuz eriyiği içinde elektrolitli ve elektrolitsiz (daldırma) ve derişik çözeltide olmak üzere yapılabilir.

Daldırma Yöntemi 

Elektrolizsiz ergitilmiş tuz eriyiği veya normal sıvı ortam borlaması olarak da adlandırılır. Bu yöntem genelde B₄C'nin katı fazı ile sıvı sodyum klorit (NaCl) den ibarettir. Bu da boraksın viskozite azaltma yöntemleriyle elektrolit olarak erimesi esasına dayanır. 

Ortamın esas bileşimi boraks olup, aktivatör olarak B₄C, SiC, Zr, B, vs. kullanılır. Kloriklerin karışımı veya klorürler ile floritlerin karışımına bor karbür ilavesi ile veya erimiş boraks banyolarına bor karbür ilave edilerek yapılır. Bu yöntem ucuz ve fazla ihtisas istemez. Fakat termal şok, borlamadan sonra parçanın temizlenmesi, büyük boyutlu ve kompleks parçalara uygulanamaması metodun kötü yönlerindendir. Çalışma sıcaklığı 800-1000 °C ve borlama süresi de 2 saattir. 

Elektroliz Yöntemi 

Yüksek sıcaklıkta tuz banyosu, iş parçası katot ve grafit çubuk anot olarak işlem gerçekleştirilir. Tuz banyosu ise ergitilmiş borakstır. Bu yöntem laboratuvar çalışmalarında gayet iyi sonuçlar vermiştir. Ancak ergimiş boraksın viskozitesinin çok yüksek olması, endüstriyel uygulamalarda sıcaklığın homojenliğini engeller yani boraks eriyiğinin yüksek viskozitesi 850 °C'nin altındaki borlamayı pratik olarak imkansız kılar. 850 °C'nin üzerinde ise banyodaki düzgün sıcaklık dağılımı oldukça zorlaşır. 

Farklı akım şiddetleri, özellikle karmaşık şekilli parçalarda borür tabakası kalınlığının düzgün olmasına sebep olur. Bu yöntemde iş parçası bir tuz tabakasıyla kaplanır ki bunu temizlemek oldukça masraflıdır. 
Elektrolizle borlamada anodun bir tarafında ince borür tabakası oluşur. Bu da gölge etkisi yaparak değişik ve düzensiz kalınlıklara sebep olur. 

Derişik Çözeltilerde Borlama 

Boraks ve borasiti anhidriti içeren derişik ortamlarda yüksek frekanslı ısıtmayla deneyler yapılmıştır. Belli bir bor difüzyonu sağlandığı halde birleşik tabakalar elde edilememiştir. Boraks ve borasiti anhidriti içeren değişik miktarlı çözeltilerde yapılan deneyler kapalı borür tabakası vermemiş ve 1000 °C de 10 dakika süre ile 0,1 A/cm² ve 450 kHz frekans ile doymuş boraks çözeltisinde tabakalar elde edilmiştir. Bu yöntem esnasında açığa çıkan bor halojenleri ilgili (uygun) asit oluşumlar altında su ile kuvvetli reaksiyona girerler. Bu sebeple de borlama derişik çözeltide başarılı olmamıştır.

Gaz Ortamda Borlama
 
Gaz ortamın bileşimi, basıncı ve gazın tanktan akış hızı borlamaya etki eden faktörlerdir. Gaz ortamda borlama yapmak için bor verici ortam olarak bor halojenleri, diboran ve organik bor bileşikleri kullanılır. Bu bor vericilerden BF₃ , BCl₃ , BBr₃ ya saf veya su ile; B₂H₆ su ile ve (CH₃)₃ B/(C₂H₅)₃B olarak kullanırlar. Bunlardan diboran (B₂H₆) ile beraber bor halojenleri kullanılırsa çok olumlu sonuçlar elde edilir. Fakat diboran zehirli ve patlayıcıdır. Diboranın hidrojen ile inceltilmesi çok pahalıdır. Ayrıca diboran 150 °C'ye yakın sıcaklıklarda ayrışır. Bu neden ile de sıcak bir parça üzerine uygulamak için soğutmak gerekir. Bu da işlemi karışık hale getirir. Bütün bunlara rağmen birçok araştırmacı diboran ve su ile gaz ortamda borlamayı yapmışlardır.

Plazma (İyon) Borlama 

Gaz ortamda 300-700 Pa basınçla borlama yapmak mümkündür. İşlem sıcaklığı diğer borlama yöntemlerine kıyasla düşmekte ve borlama süresi kısalmaktadır. Reaktif gazın daha iyi kullanımı ile işlem atmosferinde BCl₃ buharının miktarı azaltılır. Bu yöntemde işlenen parça yüzeyinin aktiflenmesi katodik püskürtmeden dolayı (özellikle işlemin başlangıç aşamasında, yani ısınma esnasında) akkor ışık ile başarılır.

Yüzey difüzyonu ve kimyasal emilme gibi yüzey işlemlerinin büyük ölçüde yükseltilmiş yüzey enerjisinden dolayı yüzeydeki kimyasal reaksiyonlar katalitik etki ile hızlanırlar. Bunun sonucu oluşan iyon ve elektrotlar ise elektrik alanına etkide buluntular. Sistemi besleyen enerji, bu iyon ve elektrotlar tarafından iletilir. Elektriksel alanın etkisi altında iyon ve elektronlar gaz moleküllerinin bu sıcaklığa ait ortalama enerjisinden daha yüksek bir enerji kazanırlar. Elektronlar ile moleküllerin çarpışmasında sonuç olarak moleküllerin bir kısım enerjisi iletilir. Bu durum, bu şartlar altında, sistem içindeki partiküller (iyonlar, atomlar, moleküller) 'in uygun sayılan yüksek enerji ile mevcut olduklarından ve atmosferdeki bu sıcaklıkta dengeli enerji dağılımını anormal akkor ışık saçılımı olmadan karşılanabildiği için başarılır.