TARIFNAME TITANYUM YÜZEYLERIN KUTU BORLANMASI IÇIN TOZ KARISIMI Bulusun Ilgili Oldugu Teknik Alan Bulus; makine ve biyomedikal sanayiinde titanyum veya titanyum alasimindan mamul eleman ve parçalarin sertligini ve asinma dayanimini yükselten böylece mekanik dayanimlarini gelistiren, düsük maliyetli kati hal borlama karisimi ile ilgilidir. Söz konusu titanyum ve alasimlarindan mamul yüzeylerin borlanmasinda kullanilacak borlama karisimi toz formda olup, bor kaynagi, aktivatör ve deoksidan-dolgu malzemesi içermektedir. Teknigin Bilinen Durumu Endüstriyel uygulamalarinda malzemelerin çalistigi ortamlar ile temasinda çalisma ömrü ve performansini arttirmak ve daha gelismis yüzey özelliklerine ulasmak için uygulanan yüzey mühendisligi çalismalarinda birçok yüzey teknolojisi gelistirilmistir. Makine ve ekipmanlarinin mekanik parçalarinda servis sirasinda yüzey özelliklerini iyilestirmek, yüzey kalitesini arttirmak için kullanilan yöntemlerden biri de borlamadir. Borlama metalik malzemelerin yüzey sertliklerini arttirarak asinma dayanimini gelistiren ve korozyon dayanimini arttiran bir termo-kimyasal yüzey islemi olup, yüksek sicakliklarda uygulanan bu islem ile bor atomlari altlik malzeme yüzeyine yayinarak yüzeylerde sert borür tabakalari olusumu saglanir. Borlama islemi endüstriyel olarak demir esasli malzemeler yaninda titanyum, krom, tungsten, molibden, manganez, hafniyum, zirkonyum ve nikel esasli alasimlara da basariyla uygulanabilir. Malzemelerin borlanmasi ile yüzeylerde olusan borürtabakalari yüksek sertlik, asinma dayanimi, gelismis korozyon direnci ve kimyasal kararlilik gibi özellikler ile malzemelerin kullanim alanini da genisletmektedir. Günümüzde çelikten sonra borlama isleminin en çok uygulandigi malzemeler titanyum ve alasimlaridir. Basta havacilik ve biyomedikal uygulamalar olmak üzere otomotiv, petrokimya gibi birçok endüstride yüksek spesifik mukavemet, mükemmel korozyon dayanimi gibi özelliklerden dolayi titanyum ve alasimlarinin kullanimi sürekli artis göstermektedir. Titanyum ve alasimlari insan vücudunda minimal yan etkilere neden oldugu, kimyasal reaksiyona girmedigi ve mekanik uyumlulugu nedeniyle çesitli biyomedikal uygulamalarda yaygin olarak kullanilabilmektedir. Ancak, titanyum ve alasimlarinin sahip oldugu zayif asinma davranisi ve yüksek sürtünme katsayisi gibi kötü tribolojik özellikler titanyumun uygulama alanlarin da kisitlamalara neden olmaktadir. Bu nedenle titanyum esasli malzemelerin yüzeyine borlama gibi bir yüzey islemi uygulanarak altlik malzemeden daha gelismis özelliklerin elde edilmesine yönelik çalismalar yapilmaktadir. Uygulanan yüzey islemleri ile malzemelerin yüzey sertligi arttirilarak, abrazif ve adhezif asinma dirençlerinin de artmasi saglanmaktadir. Bu amaçla, çesitli borlama ajanlarinn kullanildigi kati hal borlama isleminde titanyum numuneler borlama karisimindan olusan ortam içerisinde belirli sicaklik ve sürelerde bor atomlari altlik yüzeyine difüzyonu ile yüzeylerde borür tabakalarinin gelismesi saglanir. Borür tabakasinin kalinligi proses parametreleri ve borlanacak malzemenin kimyasal bilesimi ile yakindan iliskilidir. Teknigin bilinen durumunda titanyum malzemelerin yüzeyinde borür tabakalari gelistirmek için uygulanan kati hal borlama karisimlari ve bu karisimlarin elde edilme basvurusunda, titanyum malzemelerin %50 amorf bor, %15 sodyum karbonat, %35 karbondan olusan karisim içerisinde 850 °C'de 24 saat borlanmasi sonucu TIB monoborür tabakasinin elde edildigi açiklanmakta olup, titanyum yüzeylerin borlanmasi, daha sonra çok çesitli uygulamalarda yararli olan titanyumun yüzey Özelliklerini iyilestirmek için nispeten ucuz ve etkili bir islem sagladigi anlatilmaktadir. Tekniginin bilinen durumunda CN10251754ZB sayili patent dokümaninda, metalik titanyum yüzeylerinin borlanmasi için bir borlama maddesi açiklanmaktadir. Borlama potasyum klorür, %15-25 sodyum klorür, %1-5 potasyum borflorür'den olusmaktadir. CN102517542 B dokümaninin kullandigi borlama teknigi ise, metalik titanyum numunesinin yüzeyinde bir borlama tabakasi olusturmak için sicakligi bir süre muhafaza ederek, özel bilesenlerle kaynasmis bir borlama maddesi kütlesine bir metalik titanyum numunesi koyulmasi, daha sonra metalik titanyum numunesinin yüzeyinde yüksek sertlik ve iyi baglanma kuvvetine sahip kalin ve muntazam bir borlama tabakasi elde etmek için borlama tabakasini sertlestirmek için bir su verme isleminin gerçeklestirilmesi ve metalik titanyum numunesinin yüzeyindeki erimis tuzun islenmesi islem adimlarini içermektedir. Ancak belirtilen bu içerik ile borlanan yüzeylerde 78 pm kalinliginda tabaka ve yaklasik 550 HV sertlik elde edilmistir. titanyum ve alasimlarindan imal edilen mamüllerin yüzeylerinin, borlama yöntemi kullanilarak sertlestirilmesinde kullanilacak borlama karisimi anlatilmaktadir. Borlama karisimi, belli oranlarda, bor kaynagi olarak amorf bor, aktivatör olarak susuz boraks ve deoksidan-dolgu malzemesi olarak aktif karbon içermektedir. Basvuru kapsamindaki borlama karisimi ile uygulanan borlama yöntemi sonucu titanyum ve alasimlarindan imal edilen mamüllerin yüzeyinde yüksek sertlik ve asinma dayanimina sahip borür tabakalari olusmaktadir. Titanyum malzemelerin sertlik, asinma dayanimi ve kullanim ömürlerini gelistirmek için uygulanan borlama isleminde hatasiz, yüksek tabaka kalinligina sahip ve yüzeyleri daha temiz ürünlerin elde edilmesi amaciyla ilgili teknik alanda bir gelistirme yapilmasi gerekli kilinmistir. Bulusun Amaci ve Avantajlari Mevcut bulus, titanyum veya alasimindan mamul eleman ve parçalarin yüzey sertligini ve asinma dayanimini yükselten böylece mekanik dayanimlarinin uzatan, düsük maliyetli kati hal borlama karisimi ile ilgilidir. Bu borlama karisimi kati hal borlama yönteminde kullanilan toz formundadir. Toz haldeki borlama karisimi bor kaynagi, aktivatör ve deoksidan-dolgu malzemesinden olusmaktadir. Bor kaynagi olarak amorf bor, aktivatör olarak susuz boraks (Na2B4O7) ve deoksidan-dolgu malzemesi olarak da alüminyum oksit (AlzOs) içermektedir. Makine ve biyomedikal sanayiinde kullanilan titanyum veya alasimindan mamul eleman ve parçalarin yüzeyleri borlanarak mekanik dayanimlari iyilestirilip kullanim ömürleri arttirilmaktadir. Bulusun en önemli amaci, titanyum veya titanyum alasimindan mamul parçalarin yüzeyinde yüksek sertlik ve yüksek kalinlikta, asinmaya dayanikli borür tabakasi elde edilmesinde kullanilacak bir borlama karisimi elde edilmesidir. Bulusa konu borlama karisimi, içerdigi bor kaynagi olarak amorf bor, aktivatör olarak susuz boraks (NazB407) ve deoksidan-dolgu malzemesi olarak da alüminyum oksit (Al203) sayesinde monolitik TiBz tabakasinin 4000 HV,in üzerinde sertlik degerine ve 21 pm kalinliga sahip oldugu ölçümlenmistir. 4000 HV'in üzerinde sertlik degerine sahip kalin monolitik TiB2 tabakasi sayesinde titanyum veya titanyum alasimindan mamul is parçasinin sertligi ve asinma dayanimi çok yüksek artis göstermistir. Bulusun bir diger önemli amaci, makine imalat ve medikal sektöründe kullanilan titanyum veya titanyum alasimindan mamul parçalardaki borlanacak yüzeyin ortamda bulunan diger malzemelerce kirlenmesinin önlendigi, oksijenin tutularak redükleyici bir ortamin olusturuldugu ve verimli borlama isleminin yapilmasini saglayan bir borlama karisimi elde edilmesidir. Bulusa konu karisimda deoksidan-dolgu malzemesi olarak boraks (Na2B4O7) kullanilmasi sayesinde borlama isil islemi sirasinda susuz boraks (NazB407) tabakanin düzenli büyümesini saglarken, alüminyum oksit (AlzOs) islem sicakliginda oksijeni tutarak redükleyici bir ortam olusturmakta ve ortamdaki malzemelerin titanyum ve titanyum alasimlarindan mamul yüzeylere yapismasini önlemektedirler. Bulusun bir diger önemli amaci, düsük maliyetli karisim ve yöntemler kullanarak kati borlama isleminin ekonomik gerçeklestirilebilmesinin saglanmasidir. Bulusta kullanilan susuz boraks (Na2B407) ve alüminyum oksit (AI203) maddeleri diger birtakim aktivatör veya dolgu maddesi olarak görev yapan maddelere nispeten piyasada oldukça rahat ve ucuz bulunabilen içeriklerdir. Sekillerin Açiklamasi Sekil 1: %35 amorf bori %5 susuz boraks ve %60 alüminyum oksitten olusan karisim ile numunenin taramali elektron mikroskopu mikrografi (2000 büyütme) Sekil 2: %35 amorf bor, %5 susuz boraks ve %60 alüminyum oksitten olusan karisim ile numunenin taramali elektron mikroskopu mikrografi (2000 büyütme) Sekil 3: %35 amorf bor, %5 susuz boraks ve %60 alüminyum oksitten olusan karisim ile numunenin x-isinlari kirinimi grafigi Sekil 4: %35 amorf bor, %5 susuz boraks ve %60 alüminyum oksitten olusan karisim ile numunenin yüzeyden derinlik boyunca sertlik degisimini gösterir grafik Bulusun Ayrintili Açiklamasi Mevcut bulus; makine ve biyomedikal sanayiinde kullanilan titanyum ve titanyum alasimindan mamul eleman ve parçalarin mekanik dayanimlarinin iyilestirilmesi, kullanim ömürlerinin arttirilmasi Için gelistirilmis atmosferik sartlarda uygulanan düsük maliyetli kati hal borlama karisimi ile ilgilidir. Söz konusu, titanyum ve alasimlarindan mamul yüzeylerin borlanmasinda kullanilacak borlama karisimidir. Bu borlama karisimi kati hal borlama yönteminde kullanilan toz formundadir. Toz haldeki borlama karisimi bor kaynagi, aktivatör ve deoksidan-dolgu malzemesinden olusmaktadir. Bor kaynagi olarak amorf bor, aktivatör olarak susuz boraks (Na28407) ve deoksidan-dolgu malzemesi olarak da alüminyum oksit (AI203) kullanilmaktadir. Bulus endüstriyel olarak kullanilan tüm titanyum alasimlarina uygulanabilir. Bu titanyum alasimlari temel olarak üç farkli gruba ayrilmaktadir. Bu gruplar ve bazi örnek alasimlari su sekilde verilebilir; 0 tip alasimlar (örnek; Grade 1, Grade 2, Grade 5 titanyum alasimlari), ßtip titanyum alasimlari (örnek; Ti-6AI-4V, Ti-6AI-6V-28n, Ti-BAI- 7Nb ), (oi + B) tip titanyum alasimlari (örnek; Ti-13Nb-1SZr, Ti-8Mo-8V-2Fe-3AI, Ti-SAI- 8V-60r-4Mo-4Zr ). Bulusa konu borlama karisimi agirlikça %35- 40 amorf bor, %5- 10 susuz boraks Karisimda kullanilan aktivatör ve aktivatörün belirtilen oranda karisim içerisinde bulunmasi, borlama sirasinda, bor atomlarinin difüzyonu ile yüzeyde bor bilesikleri olusmasi esnasinda mobiliteyi artirmaktadir. Susuz boraksin (NazB4O7) kullanilmamasi veya belirtilen degerlerin disinda kullanilmasi halinde bor difüzyonu azalmakta, borür tabakasinin özellikleri degismektedir. Karisimda kullanilan deoksidan-dolgu malzemesi de hem oksijeni tutarak yüzeylere yayinimini engellemekte hem de borlanan parçanin borlama karisimindan temiz sekilde çikarilmasini saglamaktadir. Karisimda deoksidan-dolgu malzemesi olarak agirlikça (Na28407) kullanilmasi sayesinde borlama islemi sirasinda susuz boraks (NazB4O7) tabakanin düzenli büyümesini saglarken, alüminyum oksit (AI203) islem sicakliginda oksijeni tutarak redükleyici bir ortam olusturmakta ve ortamdaki borlama bilesenlerinin titanyum ve titanyum alasimlarindan mamul yüzeylere yapismasini önlemektedirier. Borlama için kullanilan bilesim oranlari olusan borürlerin morfoloji, kalinliklarina ve is parçasi yüzey temizligine etki etmektedir. Öyle ki, susuz boraks (Na28407) oraninin indirilmesi is parçasi yüzey temizligini olumsuz etkileyerek borlama bilesenlerinin yüzeye yapismasina neden olmaktadir. Alüminyum oksit (Al203) orani yükseldikçe is parçasi yüzey temizligi daha da artmaktadir. Metal yüzeyinde borlama islemi ile olusturulan borür tabakasinin kalinligini etkileyen faktörler borlayici ortamin bilesimi ve konsantrasyonu, islem sicakligi ve süresi, altlik malzeme bilesimidir. Bu sebeple, karisimda bulus kapsamindaki agirlikça %5- 10 oranda susuz boraks (NazB4OT) kullanilmasi durumunda 21 iJm'a kadar borür tabakasi kalinligi elde edilebilmektedir. Kalinligin artmasi sayesinde titanyum veya titanyum alasimindan mamul eleman ve parçalarin kullanim ömürlerinin arttirilmasi saglanmaktadir. Yüksek tabaka kalinliklari parçalarin asinma ömrünü arttirarak kullanim performansini gelistirmektedir. Ancak belirtilen oranlarin disinda susuz boraks (Na2B4O7) kullanilmasi durumunda olusan borlama tabakasi kalinligi azalarakve asinma ömründe düsüs meydana gelmektedir. Bulusa konu borlama karisimi içerigi ve oranlari sayesinde daha düsük oranda aktivatör kullanilmasina ragmen daha yüksek oranlarda aktivatör kullanildigi durumlara göre daha yüksek borlama tabakasi elde edilebilmektedir. Detaylari önceden belirtildigi üzere borlama islemi, termo-kimyasal bir yüzey sertlestirme islemidir. Borlama, bor elementinin yüksek sicaklikta metal yüzeyine yayilmasi ile gerçeklestirilmekte olup anilan yüksek sicaklik degerleri 850°C ve üzeri degerlere tekabül etmektedir. Bulusa konu karisim ile borlama islemi kapsaminda elde edilen önemli bir bulguya göre 950 °C gibi nispeten düsük sicaklikta dahi yapilan borlama isleminde yüksek kalinliklarda borürtabakasi elde edilebildigi gözlenmistir. Bu durum, bulusa konu karisim, karisim içerigindeki bilesen ve bilesenlerin oraninin difüzyona katkisinin yüksek oldugunu göstermektedir. Ayrica alüminyum oksidin difüzyona olumsuz bir etkisinin olmadigini da göstermektedir. Bulus kapsamindaki karisim ile, normalde 1000 °C üzerindeki sicakliklarda elde edilen yüksek borür tabakasi kalinligi nispeten düsük sicakliklarda dahi elde edilebilmektedir. Bu bulus ile elde edilen önemli bir bulgu da deoksidan-dolgu malzemesi orani %60'a kadar çikarilsa dahi borür tabakalarinda kirik, çatlak, por olusumu gibi herhangi bir süreksizlik meydana gelmemesidir. Alüminyum oksidin diger deoksidan-dolgu malzemelerine göre (aktif karbon, silisyum karbür gibi) kirilganligi arttirici bir etkisinin olmadigi tespit edilmistir. Borlama karisimiyla titanyum ve titanyum alasimindan mamul bir is parçasi üzerinde bir borlama uygulamasi gerçeklestirilmistir. Medikal sektöründe en yaygin kullanilan titanyum alasimi ticari safliktaki Grade 2 (Gr-2) titanyum alasimi oldugu için örnek çalisma bu alasim kullanilarak yapilmistir. Bu uygulamaya göre, borlama karisimi, oksit (AI203) içerecek sekilde hazirlandiktan sonra 0,5 saat mekanik olarak karistirilmis, is parçasi yüzeyi 1200 no'ya kadar zimparalanarak istenen yüzey temizligi ve yüzey pürüzlülügü saglanmistir. Ardindan borlama islemi paslanmaz veya alümina esasli pota kullanilarak uygulanmis, pota içerisine yerlestirilen is parçasinin yüzeyi en az 20 mm'lik bir kalinlikta borlama karisimi ile doldurulmustur. Atmosferik izolasyon için pota kapagi siki bir sekilde kapatilmis ve kapak çevresi seramik monolitik bir pasta ile sivanarak pota borlama islemi için hazir duruma getirilmistir. Is parçasi ve borlama karisimi ile hazir hale getirilen potaya 850 °C - 1200 °C sicaklik araliginda atmosferik kosullarda 3 saatten 48 saate kadar degisen sürelerde borlama islemi uygulanmistir. Borlama sonucu titanyum ve titanyum alasimindan mamul yüzeylerinde en üstte monolitik titanyum diborür (TiBz) ve altinda visker formunda titanyum monoborür (TIB) fazlarindan meydana gelen borür tabakalari olusmustur. Uygulanan sicaklik ve süre elde edilen borür tabakasini olusturan faz morfolojisi ve tabaka kalinliklarini belirledigi 950 °C'ye kadar uygulanan sicakliklarda monolitik tabaka, onun altinda yüksek en boy morfolojisine sahip viskerler meydana geldigi tespit edilmistir. Artan sicaklik ile monolitik tabaka kalinlasirken viskerlerin eninde kalinlasma boylarinda kisalma meydana gelmis, monolitik TiBz tabakasinin 4000 HV'in üzerinde sertlik degerine sahip oldugu ölçümlenmistir. 4000 HV'in üzerinde sertlik degerine sahip monolitik TiBz tabakasi sayesinde titanyum veya titanyum alasimindan mamul is parçasinin sertligi ve asinma dayanimi çok yüksek artis göstermistir. Bulusa konu borlama karisiminin bir diger uygulamasinda karisim agirlikça %35 amorf hazirlanmistir. Borlama islemi için titanyum veya titanyum alasimindan mamul is parçalari 1200 noilu zimparaya kadar kademeli olarak zimparalanmistir. Is parçalari bir paslanmaz çelik pota içerisine yerlestirilmis ve yüzeylerine en az 20 mm kalinliginda borlama karisimi doldurulup potanin agzi bir kapak ile kapatilmistir. Borlama islemine hazir hale getirilen iki ayni ayni içerige sahip pota firin içerisine yerlestirilerek ayri ayri 950°C ve 1100 °C'Ierde 24 saat borlama islemine tabi tutulmustur. Borlama sonucu is parçasi yüzeylerinde olusan borür tabakalarinin taramali elektron mikroskopu fotograflari Sekil 1 ve 2`de gösterilmistir. 950 °C'de 24 saat uygulanan borlama sonucu ortalama 7 um kalinliginda monolitik tabaka, onun altinda yüksek en boy morfolojisine sahip viskerler içeren ortalama 120 pm kalinliginda toplam borür tabakasi meydana gelmistir. 1100 °C"de 24 saat borlama ile olusan monolitik tabaka kalinligi ortalama 21 pm, toplam tabaka kalinligi ise 47 um'dur. Borlama ile olusan fazlari gösteren x-isinlari kirinimi grafigi Sekil 3'te verilmektedir. Bu sekilde borlanan titanyum numunenin yüzeyinde olusan borür tabakalarinin titanyum diborür (TiBz) ve titanyum monoborür (TIB) fazlarindan meydana geldigi görülmektedir. Borür tabakalarinda yüzeyden itibaren derinlik boyunca sertlik degisimi de Sekil 4'te verilmektedir. Bu sekillere göre monolitik titanyum diborür (TiBz) tabakasi 4000 HV`in üzerinde sertlik degerine sahip olup sertlik degeri belirli bir kalinliga kadar ayni degerini korurken titanyum altliga dogru asamali olarak azalmaktadir. Bulusta kullanilan susuz boraks (Na2B407) ve alüminyum oksit (AlzOs) maddeleri diger birtakim aktivatör veya dolgu maddesi olarak görev yapan maddelere nispeten piyasada oldukça rahat ve ucuz bulunabilen içeriklerdir. Böylece, düsük maliyetli karisim ve yöntemler kullanarak kati borlama isleminin ekonomik gerçeklestirilebilmesi saglanmaktadir. Titanyum veya alasimlarindan mamul is parçalari, dis implantlari ve protezlerin yüzey sertlik ve asinma dayanimlarini arttirmak için makine imalat ve medikal sanayilerinde kullanilabilir. TR TR TR