Passive Layers For Preventing Gas Nitriding

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Dizel motorun mevcut özelliklerini geliştirmek, egzoz emisyonu, yanma gürültüsünü ve yakıt tasarrufunu sağlayabilmek için yakıt enjeksiyon teknolojisi yakıtın yanmasını ve buharlaşmasını geliştirmeli ve bu sistemler yüksek basınca dayanıklı olmalıdır. Daha verimli yanma için geliştirilmekte olan yeni nesil enjeksiyon sistemlerinin yüksek basıç dayanımına sahip olmaları gerekmektedir. Gaz nitrürleme enjektörün yüksek basınca ve yorulmaya karşı dayanımı açısından performansını geliştirmede önemli bir yere sahiptir. Bunun yanında korozyon direncinin artmasını da sağlayabilmektedir. Diğer taraftan enjektör gövdelerinde gaz nitrasyonu bazı hassas bölgeler yaratmaktadır ve bu bölgelerin nitrürleme etkisinden korunması gerekmektedir. Enjektör üretimde, vida dişleri veya sızdırmazlık bölgeleri gibi, nitrürlenmesi istenmeyen yüzey alanları mevcuttur. Bu bölgelerde nitrürleme sonucu görülen gerilmeyi azaltmak amacıyla, nitrürlenmeyi engelleyici, pasif yüzeylere ihtiyaç duyulmaktadır. Günümüzde stop off (durdurucu) pastaları olarak tanınan bir çok nitrürlemeyi engelleyici ürün bulunmaktadır. Fakat enjektör gövdesinin karmaşık yapıda olması durdurucu pastaların homojen uygulanmasında zorluklara neden olmaktadır. Ayrıca bu ürünlerin nitrürleme sonrası yapıdan uzaklaştırılmasının gerekmesi proses içerisinde özellikle montaj sırasında bir çok soruna yolaçmaktadır. Uzaklaştırma sırasında durdurucu pastaların parça yüzeyinde partikül bırakması ve homojen uygulanamaması bu yöntemin en büyük sorunlarıdır. Gaz nitrasyonu öncesi yıkama prosesi de önemli bir yere sahiptir. Parça yüzeyinde kalan yağ ve kimyasal kalıntıları nitrürleme sonrası bölgesel nitrür almayan bölgeler yaratmaktadır. Literatürde yıkama kimyasallarının nitrürlemeye etkilerinin araştırıldığı çalışmalar mevcuttur. Surtec firmasının yaptığı çalışmalarda iki ticari yıkama kimyasalının etkisi araştırılmış ve gaz nitrasyonu üzerinde farklı etkiler yarattığı gözlemlenmiştir. Bu parçaların bileşik tabaka kalınlıkları, diffüzyon tabakası kalınlıkları ve sertlik değerleri ölçülmüştür Surtec 042 isimli yıkama kimyasalının bileşik tabaka kalınlığını arttırdığı, yüzeyi daha iyi temizlediği “aktive” ettiği, Surtec 101 kimyasalının ise bileşik tabaka kalınlığını azalttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma kapsamında ise söz konusu iki kimyasal yanında RBTR’de kullanılan diğer yüzey temizleme kimyasalları da kullanılmıştır ve gaz nitrasyonu öncesi kullanılan yıkama kimyasallarının nitrürlemeye olabilecek etkileri incelenmiştir. Alınan sonuçlar ile fabrika için bir veri tabanı oluşturulması amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında ayrıca nitrürlemeyi engelleyecek pasif yüzeylerin geliştirilmesi ve denenmesi amaçlanmaktadır. Endüstride de kullanılan nikel ve bakır elektrolitik kaplamalar ve durdurucu pastalar olarak nitelendirilen ürünler denenmiştir. Bu yöntemlerin yanı sıra Titanyum bazlı Sol-jel kaplamalar da olası bir yöntem olarak incelenmiştir. Uygulanacak yöntemin ekonomik, seri üretime uygun ve kolay adapte edilebilen bir yöntem olması gözönüne alınmıştır. Çalışma kapsamında yeni nesil enjektörlerde kullanılmayı planlanan 50CrMo4 malzemesi seçilmiştir, ayrıca iki farklı geometriye sahip numunelerin kullanımı tercih edilmiştir. Gerçek enjektör gövdeleri hem ekonomik kazanç sağlamak hem de analiz zorluğu nedeniyle kullanılmamıştır. Deneysel çalışma sonucunda seçilen yöntemin daha sonra gerçek ürün üzerinde denenmesi planlanmıştır. Gaz nitrasyon işlemi tüm numunelerde 520°C 10 saat ve KN 2 nitrasyon potansiyelinde yapılmıştır. Nitrürleme sonrası tüm numunelerin sertlik, difüzyon ve bileşik tabaka kalınlık ölçümleri yapılmıştır. Böylelikle pasivasyon etkisinin gözlemlenmesi amaçlanmıştır. Yıkama kimyasallarının nitrasyon işlemine bir etkisinin olup olmadığını incelemek amacı ile yapılan denemelerde yıkama parametreleri sabit tutulup (65°C, 10 dakika ) sadece farklı temizleme kimyasalları ile yıkamalar yapılmıştır. Nitrürleme sonrası parçaların mikro sertlik cihazı ile sertlik ölçümleri ve optik mikroskop ile difüzyon tabakası kalınlığı ve bileşik tabaka kalınlığı ölçümleri yapılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda yıkama kimyasallarının difüzyon tabakası ve sertlik sonuçlarının birbirine yakın değelerde olduğu görülmüştür. Sadece Surtec 042 kimyasalının bileşik tabaka kalınlığı diğer temizleme kimyasallarına göre farklılık göstermektedir. Bu farklılık yüzeyin daha aktif temizlendiği olarak yorumlanmaktadır. Nikel ve bakır elektrolitik kaplamalar, Watts nikel banyosu ve asidik bakır banyosu kullanılarak farklı kaplama sürelerinde kaplanmıştır. Kaplama kalınlığının bu süre ile değişimi incelenmiştir. Nitrürleme sonrası hangi kaplama kalınlığının daha etkili olduğu araştırılmıştır. Yapılan denemeler sonrası 3,5µm kalınlığının üzerinde nikel kaplamanın nitrürlemeyi engelleyici etki gösterdiği gözlemlenmiştir. Bakır kaplamada ise homojen bir kaplama elde edilememiştir. Altlık malzemesine bakırın yapışmamasından dolayı bazı bölgelerde nitrürleme sonrası bileşik ve difüzyon tabakaları görülmüştür, ayrıca homojen bir kaplama elde edilemediğinden etkin kaplama kalınlığı ölçülememiştir. Farklı durdurucu pastalar 50CrMo4 plakalar üzerine eşit miktarda uygulanarak gaz nitrürlemeye olan etkileri incelenmiştir. Kullanılan iki tür durdurucu pasta da, nitrürlemeyi tamamen engellemiştir. Nitrürleme sonrası bileşik tabaka ve difüzyon tabakası gözlemlenmemiş ayrıca sertlik değerlerinin düşük olduğu görülmüştür. Fakat uygulanan pastalar nitrürleme sonrası parça yüzeyinde partikül bırakmıştır. Bu da durdurucu pastaların en büyük problemidir. Titana bazlı Sol-jel kaplamalar genellikle korozyonu engellemek amaçlı kullanılmaktadır. Titanyum oksit tabanlı Sol-jel kaplama bu çalışmada daldırma yöntemi ile 50CrMo4 plakalar üzerine uygulanmıştır. Daldırma işlemi iki farklı hızda yapılmıştır. Gaz nitrasyonu sonrası yapılan XRD ve mikro Raman sonuçlarında yapıda anataz ve Fe4N, Fe3N fazları gözlemlenmiştir. Anataz fazı amonyak ile bir faz oluşturmamasına rağmen Sol-jel kaplamaların gözenekli ve ince yapısı yüzünden azotun çelik içerisine yayındığı gözlemlenmiştir. Yapıda bileşik ve difüzyon tabakası da ışık mikroskobu ile bakıldığında gözlemlenmiştir. Parçaların sertliğinin yüksek olduğu da görülmüştür. Yapılan denemeler sonucunda endüstride de kullanımı bulunan elektrolitik nikel ve bakır kaplamaların gaz nitrürlemeyi engelleyici en etkili yollar olduğu görülmüştür. Ayrıca RBTR içerisinde kullanılan yıkama kimyasallarınınyapılan deneysel çalışma içerisinde gaz nitrürleme prosesine büyük bir etkisi olmadığı gözlemlenmiştirFuel injection technology represents one of the main drivers towards improving current characteristics of diesel engines and identifying future enhancements aiming reduction of exhaust emission, combustion noise and fuel consumption. New generation injection systems should be resistant to high pressure to improve combustion and vaporization of the fuel. In order to increase the performance of injectors in terms of fatigue resistance, gas nitriding is one of the effective methods. Beside in the past corrosion resistance increase on nitrided injector bodies is experienced [1]. Cleaning is a very important process before heat treatment processes, since residual films from cleaning chemicals and also ineffective cleaning create local passivation and cloudy surfaces after gas nitriding. In the light of the results of former experiments, it is shown that some of cleaning chemicals create an undesired passivation on the sample surface. One of the aim of this project is to investigate different cleaning chemicals for their positive or negative effects on nitriding. In some sensitive locations on components, nitriding is needed to be eliminated for avoiding premature failures. There is a clear need for totally/partially passive surfaces to prevent formation of nitrided layers on stress sensitive locations of the parts, namely threads and sealing surfaces. However, the complex geometry of injector parts, makes the applicaiton of passive surface layers on stress sensitive locations of the injector more important. Today’s most preffered protective methods are nickel, copper electroplating and stop off masks. However the most preffered stop off masks, are difficult to handle and creates risk of particle formation after nitriding The main aim of this project is to develop and investigate protective layers to prevent nitriding locally on CR injector parts with the help of chemical, electrochemical or Sol-Gel coating technologies. The developed methodology needs to be economically feasible and technically applicable in a serial production and easy to integrate into the production chain. For this study, samples with two different geometries are used. These samples are made of 50CrMo4, since this material is a promising material for new generation CR-injector. The real CR components were not used in order to reduce cost and for the ease of analysis. All Samples were nitrided at 520°C for 10 hours at KN 2 nitriding potential and after nitriding the diffusion layer, compound layer thickness and hardness measurements were conducted . In this project, the efficinecy of different cleaning chemicals on gas nitriding process were investigated. Samples were cleaned with different cleaning chemicals at same conditions (65°C, 10 minutes). After cleaning parts were nitriding in the same batch. With the help of light microscope compound layer diffusion layer thickness measurements were measured ,and also hardness measurements were done. According to the observations done after nitriding, no significant differences were seen on the compound layer thickness and hardness values of the samples which were cleaned with different cleaning chemicals. Only Surtec 042 has higher compound (white) layer thickness than the other cleaning chemicals as defined active surfaces in literature and Surtec 101 had lower compound layer as defined passive [18]. On the other hand four different methods were investigated to create passive layers on surfaces for preventing gas nitriding. One of them was stop off masks, which is currently used in the industry and generally based on the mixture of refractory oxides and binder chemicals. Two different types of stop off masks were applied at the same thickness on 50CrMo4 sheets in order to compared which one is more effective. According to the results, no diffusion and compound layer formation were seen on samples and additionally hardness values were comparable with core hardness. Although, stop off maskings exhibited excellent performance to prevent gas nitriding, their application on small areas is difficult and they leave residual particles even after nitriding, which can cause problems on injector performance during assembly and can cause problems on motor performance. Nickel and copper electroplatings are effective methods to create a homogenous passive layer to prevent gas nitriding. There are some special applications such as brush plating for small and selective areas. Samples were coated with nickel by electroplating in Watts type bath and copper coated in acidic copper sulfate type bath for different durations, and coating thicknesses to investigate its effectiveness. According to the observation performed after nitriding, nickel electoplating with thickness above 3.5 µm provided a good performance for preventing gas nitriding. In copper electroplating, adhesion problems due to unsufficient surface have been encountered. On areas without adhesion problems exist efficient screening is provided for gas nitriding. The minimum thickness required for stopping nitriding was not efficiently analysed for copper electrodeposited parts because of adhesion problem. The potential of Sol-Gel coatings for preventing gas nitriding has also been tested within the scope of the work. For this purpose titania base Sol-Gel coatings are applied on steel parts by dipping process. However, these coatings did not show any nitriding prevention effect highly probaely due to their high porosity and insufficient thickness. Micro Raman and XRD investigations of the surfaces revealed the presence of anatase and Fe4N or Fe3N phases after nitriding experiments. The results of this study showed that the already applied industrial techniques namely, stop off masks and copper or nickel electroplating are still the most efficient techniques for prevention of nitriding. Cleaning chemicals using in RBTR are not effective on gas nitriding process. Further studies are required for selection of the appropriate process on real injector parts.Yüksek LisansM.Sc