Bor Çelikleri

Hazırlayan Ferdi ÖNEN

ANKARA 2012

2

GİRİŞ

Endüstriyel uygulamalarda kullanılan malzemelerin korozyon, sürtünme ve aşınma gibi

tribolojik etkiler neticesinde azalan kullanım ömürlerinin arttırılması yüzey bölgesinin iyileştirilmesi ile

mümkündür. Aşınma ve korozyondan dolayı dünya da her yıl önemli malzeme kayıplar olmaktadır.

Ülkelerin korozyon nedeniyle kayıpları gayri safi milli hasılatlarının %3.5-5'i arasında değişmektedir.

Yalnız Türkiye'deki 1991 yılı kaybı 4.5 milyar dolar olarak tahmin edilmektedir.

Borlama işlemi uzun bir geçmişe sahiptir. Çeliklerde bor yayınımıyla yüzey sertleştirme, ilk kez

1895 yılında Moissan tarafından yapılmıştır. 1970'li yıllardan itibaren borlama konusunda çalışmalar

hızlanmıştır. Günümüzde borlama, teknolojik olarak gelişmiş ve endüstride, özellikle alternatif bir

yüzey sertleştirme yöntemidir. Almanya'da katı ortamda borlama, Rusya'da ise sıvı ortamda borlama

bir çok endüstriyel alanda başarıyla kullanılmaktadır.

Nitrürasyon, karbürizasyon v.b. konvansiyonal yüzey sertleştirme işlemlerinde (600-1100)

HV'lik bir yüzey sertliği elde edilirken, borla yüzey sertleştirmede (borlama ) 1500-2000 HV'lik sertliğin

yanında çok düşük sürtünme katsayıları elde edilmektedir. Borlama, yüksek sıcaklıkta çelik malzeme

yüzeyinde bor difüzyonuyla Fe2B ve/veya FeB gibi bileşiklerin elde edilmesidir. Endüstriyel

uygulamalarda, hem daha az gevrek olması ve hem de borlama sonrası ısıl işlemlere izin vermesi

bakımından Fe2B'den oluşan tek fazlı borür tabakaları tercih edilir.

Tek başına dünya Bor rezervlerinin yaklaşık % 70'ini elinde bulunduran ülkemiz, bu

cevherlerin değerlendirilmesinde yetersiz durumdadır. Bir çok bilim adamının "21. yüzyılın petrolü"

olarak tanımladığı ve uzay teknolojisinden, bilişim sektörüne, metalürjiden nükleer teknolojiye kadar

daha sayamadığımız pek çok sanayi dalında kullanılan Bor mineralleri ülkemizin elinde bulunan en

stratejik varlık konumundadır (Çınkı, 2001)

Ülkemizde bor minerallerinden rafine ürün olarak boraks pentahidrat, boraks dekahidrat, susuz

boraks, borik asit ve sodyum perborat üretilmektedir. Bu ürünler dışında genellikle ileri teknoloji

gerektiren yöntemler ile dünyada ticari olarak üretilen ve değişik kullanım alanları olan 250'den fazla

özel bor ürünü mevcuttur. En yaygın kullanım alanı olan özel bor ürünleri susuz borik asit, elementer

bor, çinko borat, ferrobor, bor kabür, bor nitrür olarak sayabiliriz.

Genel literatür incelendiğinde endüstriyel banyo bileşimlerinin patentlerle korunduğu,

akademik çalışmalarda kullanılan borlama ortamları bileşimlerinin ise ülkemizde üretilmeyen pahalı

kaynaklardan oluştuğu görülmüştür. Bu nedenle ülkemiz kaynaklarının değerlendirilmesinden yola

çıkılarak borlama ortamı bileşimleri olarak ülkemizde üretilen susuz boraks ve ferro silis seçilerek katı

ortamda borlama yöntemi ile Ç1040 çeliği borlanmıştır.

3

BOR NEDİR

Periyodik tabloda ‘B’ simgesiyle gösterilen, atom numarası 5, atom ağırlığı 10,81, yoğunluğu

2,84 gr/cm3, ergime noktası 2300 oC ve kaynama noktası 2550

oC olan, metalle ametal arası yarı

iletken özelliklere sahip bir elementtir. Genellikle doğada tek başına değil, başka elementlerle bileşikler

halinde bulunur. Tabiatta yaklaşık 230 çeşit bor minerali vardır.

Bunlardan bazıları şöyledir ; Kolemanit,Tinkal,Üleksit,Pandermit,Kernit,Sasolit,Ascharit ve

Datolit mineraller halinde bulunurlar ve çeşitlenirler.Bunlardan ülkemizde Pandermit, Kolemanit, Tinkal

ve Üleksit mineralleri ülkemizde bulunmaktadır.

Oksijenle bağ yapmaya yatkın olması sebebiyle pek çok değişik Bor-oksijen bileşimi

bulunmaktadır. Bor-oksijen bileşimlerinin genel adı borattır.

Borun Tarihçesi;

Bor'un en çok kullanılan türü olan Boraks binlerce yıldan beri bilinmektedir. Mısırlılar ve

Mezopotamya Uygarlıklarının, bazı hastalıkların tedavisi ve ölülerin mumyalanmasında, Çinlilerin

porselenlerinin cilalanmasında, Babillilerin kıymetli metallerinin ergitilmesinde boraks kullandıkları

bilinmektedir.

Modern bor endüstrisi ise 13. yy.'da boraksın Marco Polo tarafından Tibet'den Avrupa'ya

getirilmesiyle başlamıştır. 1771 yılında, İtalya'nın Tuscani bölgesindeki sıcak su kaynaklarında Sassolit

bulunduğu anlaşılmış, 1852' de Şili'de endüstriyel anlamda ilk boraks madenciliği başlamıştır. Nevada,

California, Caliko Mountain ve Kramer yöresindeki yatakların bulunarak işletilmeye alınmasıyla ABD

Dünya bor gereksinimini karşılayan birinci ülke haline gelmiştir. Türkiye' de ilk işletmenin, 1861 yılında

çıkartılan "Maadin Nizannamesi" uyarınca 1865 yılında bir Fransız şirketine İşletme imtiyazı

verilmesiyle, başladığı bilinmektedir.

Bor; temiz elementer yapısına kavuşmadan birçok kimyager tarafından eş zamanlarda keşfedilmeye

başlanmıştır (1808). Fransız kimyagerler Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) ve Louis Jacques

Thénard (1777-1857) elementi ilk olarak bortrioxid ve kaliumdan elde etmişlerdir. Sir Humphrey Davy

ise Boru; Bor asitin elektrolizinden elde etmeyi başarmıştır. Davy bu buluşunun ismini "boracium"

olarak adlandırsa da sonradan "boron" olarak kısaltılmıştır. Bu buluşun elementer kısaltmasını ise

J.J.Berzelius 1814 yılında yapmıştır. Borun tam anlamıyla temiz ve saf olarak elde edilmesi ise

Amerikan kimyageri W.Weintraub tarafından bortrioxidin su bazıyla redüksiyonundan meydana

gelmiştir (1909) .

4

Soldan sağa doğru Bor'un kaşifleri: (Joseph Gay-Lussac, Louis Jacques Thénard ve

Sir Humphrey Davy)

BOR BİLEŞİKLERİNİN GENEL ÖZELLİKLERİ

Boraks Dekahidrat : Teknolojik olarak alkali metal boratlarının en önemlilerinden biri,

disodyum tetraborat dekahidrat (Na2B4O7.10H2O) olarak da adlandırılan boraks dekahidrattır ve

tabiatta tinkal minerali olarak bulunur. Molekül ağırlığı 381,4 gr./mol, özgül ağırlığı 1,71 (20°C), özgül

ısısı 0,385 kcal/gr/°C ( 25-50°C), oluşum ısısı -1497,2 kcal/mol' dür. Renksiz monoklinik kristal

yapısında bir tuzdur. Sulu çözeltileri yaklaşık, konsantrasyondan bağımsız olarak hafif alkali reaksiyon

gösterir. (pH=9,2). Doygun boraks çözeltisi 105°C' de kaynar.

Boraks Pentahidrat : Disodyum tetraborat pentahidratın (Na2B4O7.5H2O) molekül ağırlığı

291,35 gr/mol, özgül ağırlığı 1.88, özgül ısısı 0,316 kcal /gr/°C ve oluşum ısısı , -1143,5 kcal/mol' dür.

Mineral adı tinkalkonit olan pentahidrat boraksın dehidrasyonundan oluşan birikintiler halinde bulunur.

Doymuş boraks çözüntüsünün 60°C' nin üzerinde kristallenmesi ile oluşur.

Susuz Boraks : Disodyum tetraborat (Na2B4O7) molekül ağırlığı 201,27 gr/mol, özgül ağırlığı

2,3 gr/cm3, oluşum ısısı, -783,2 kcal/mol olan renksiz ve çok sert bir kristaldir. Kolay öğütülebilir

kristalin bir kütle olarak bulunur. Ergime derecesi 741°C' dir. Hiğroskopiktir. Boraks hidratların 600-

700°C' de dehidrasyonu ile stabil yapıda susuz boraks üretimi sağlanabilmektedir.

Borik Asit : Borik asit(H3BO3) molekül ağırlığı 61,83 gr/mol, B2O3 içeriği %56.3,ergime

noktası 169°C, özgül ağırlığı 1.44, oluşum ısısı , -1089 kJ/mol, çözünme ısısı 22,2 kJ/mol olan kristal

yapılı bir maddedir. Oda sıcaklığında sudaki çözünürlüğü az olmasına rağmen, sıcaklık yükseldikçe

çözünürlüğü de önemli ölçüde artmaktadır. Bu nedenle sanayide borik asidi kristallendirmek için

genellikle doygun çözeltiyi 80°C' den 40°C' ye soğutmak yeterli olmaktadır. Bor minerallerinden geniş

ölçüde üretilen borik asit başlıca; cam,seramik ve cam yünü sanayiinde kullanılmakta olup, kullanım

5

alanları çok çeşitlidir. Borik asit, bor minerallerinin genel olarak sülfürik asit ile asitlendirilmesi ile elde

edilmektedir.

Bor Oksit (susuz borik asit) : Ticari bor oksit, B2O3 'tür ve genellikle %1 su içerir. Genellikle

borik asitten uygun sıcaklıkta su kaybettirilerek elde edilir. Renksiz cam görünüşlüdür. Oda

sıcaklığında higroskopiktir. Bor oksit ve susuz boraks cam sanayiinde çok kullanılır. Yüksek sıcaklıkta

borik asitten su buharlaşırken B2O3 kaybı artmaktadır. Cam üretim prosesinde, borik asit yerine, bor

oksit kullanılması enerji ve hammadde avantajı sağlamaktadır (Kocakuşak vd., 1986). Bor oksit

porselen sırlarının hazırlanmasında, çeşitli camlarda, ergitme işlemlerinde, seramik kaplamalarda

kullanılır. Ayrıca pek çok organik reaksiyonun katalizörüdür. Pek çok bor bileşiğinde başlangıç

maddesidir.

Sodyum Perborat : Sodyum perborat (NaBO2H2O23H2O) genellikle tetrahidrat yapısındadır.

Perborat üretiminde %33 B2O3 içeren boraks minerali kullanılmaktadır. Sodyum perborat, Bandırma'

daki Eti Bor A.Ş. Boraks ve Asit Fabrikaları İşletmeleri tarafından üretilmektedir. (Kocakuşak vd.,

1986). Sodyum perborat, ağartıcı etkisi dolayısıyla yaygın olarak sabun ve deterjan sanayiinde

kullanılmaktadır. Ayrıca kozmetik maddelerin yapımında, tekstil endüstrisinde, mum, reçine, tutkal ve

sünger sanayiinde katkı maddesi olarak kullanılmaktadır .

Bor Karbür : Bor-karbon sistemindeki tek bileşik olan bor karbür, genellikle granür katı olarak

elde edilir. Masif ürün olarak elde edilmek istendiğinde, 1800-2000°C' de garafit kalıplarda preslenir.

Saf bor karbür kristalleri hafif parlak görünümdedir. Yoğunluğu 2,52 gr/cm3 , ergime sıcaklığı 2450°C'

dir. Sıcak preslenmiş bor karbür, aşındırıcı parçalarda, contalarda, seramik zırhlı yüzeylerin

yapılmasında kullanılır. 2000°C 'nin üzerindeki sıcaklıkların ölçülmesinde termoçift olarak kullanılır.

Sertliği nedeniyle abrasiv malzeme yapımında kullanılır, ayrıca nükleer reaktörlerde nötron yakalama

kapasitesi, kimyasal inertliği ve radyasyon stabilitesi gibi özelliklerinden yararlanılır.

Bor Nitrit : Bor nitrit genellikle hegzagonal yapıda oluşur. Hegzagonal sistemde iken beyaz,

talk' a benzeyen, 2,27 gr/cm3 yoğunluğunda bir tozdur. Kübik sistemde ise oldukça serttir. Teorik

yoğunluğu 3,45 gr/cm3 ' tür ve iyi bir elektrik izolatörüdür. Ergitilerek masifleştirilmiş bor nitrit büyük bir

kimyasal dirence sahiptir. Kübik yapıdaki bor nitrit çok iyi bir abrasiv malzemedir. Bu özelliğinden

dolayı, kesici aletlerin yapımında ve sert alaşımların işlenmesinde kullanılır.

Bor Halojenürler : Borun flor, klor, brom, iyot gibi halojenlerle yaptığı bileşiklerdir. Bor oksitin

derişik sülfirik asit ve florit, klorit, bromit, iyodit gibi halojenlerle ısıtılmasıyla elde edilir. Bor klorür,

düşük viskoziteli, renksiz, ışığı kıran bir sıvıdır ve %95' i bor-fiber üretiminde kullanılır. Bor florür ise

renksiz, boğucu kokulu, yanıcı olmayan bir gazdır. Bor iyodür katıdır ve kuvvetli nem çekicidir, oksijen

akımında yanar.

Metalik karaktere sahip bor bileşikleridir. Metallerle veya metaloksitler ile borun reaksiyonu

sonucu elde edilirler. Ticari olarak metal karışımların ve borun ; alüminyum, magnezyum veya karbon

ile indirgenmesi ile elde edilirler. Boridler yüksek ergime noktasına, yüksek sertliğe ve iyi bir kimyasal

stabiliteye sahiptirler. Oksidasyona karşı dirençlidirler. Bu nedenle, metal yüzeylerinin kaplanmasında,

6

ısıya dayanıklı kazan ve buhar kazanları yapımında, korozyona dayanıklı malzeme üretiminde ve

elektronik sanayinde kullanılırlar.

Bor Kullanım Alanları

Bor mineralleri ve bileşikleri çeşitli endüstri dallarında çok farklı malzeme ve ürünlerin

üretiminde kullanılmaktadır. Metalik malzemeler üzerine bor kaplama işlemi ve bor bileşiklerinin

kullanımı, insanlık tarihin en eski teknolojilerinden olup günümüze kadar kullanıla gelmiştir.

Günümüzde bu kullanım sahaları çok daha fazla genişlemektedir, özellikle 400'den fazla endüstriyel

alanlarda uygulama alanı bilinmektedir (Çalık, 2002).

Bor ve ürünlerinin kullanım alanlarını aşağıdaki gruplarda toplamak mümkündür:

• Cam Sanayi: Borsilikat Camları, İzole Cam Elyafı, Tekstil Cam Elyafı,Optik Lifler,Cam

Seramikleri, Şişe ve Diğer Düz Camlar,

• Seramik Sanayi: Emaye ve Sır Porselen Boyaları vb.

• Nükleer Sanayi: Reaktör Kontrol Çubukları, Nükleer Kazalarda Güvenlik Amaçlı ve Nükleer

Atık Depolayıcı olarak,

• Uzay ve Havacılık Sanayi: Sürtünmeye-Aşınmaya ve Isıya Dayanıklı Malzemeler, Roket Yakıtı

• Askeri ve Zırhlı Araçlar: Zırh Plakalar vb.

• Elekronik - Elektrik ve Bilgisayar Sanayiinde: Bilgisayarların Mikro chiplerinde, CD-

Sürücülerinde,Bilgisayar Ağlarında; Isıya ve Aşınmaya Dayanıklı Fiber Optik Kablolar, Yarı

İletkenler, Vakum Tüpler, Dielektrik Malzemeler, Elektrik Kondansatörleri, Gecikmeli

Sigortalar, vb.

• İletişim Araçlarında: Cep Telefonları, Modemler, Televizyonlar vb.

• İnşaat Çimento Sektöründe: Mukavemet Artırıcı ve İzolasyon Amaçlı olarak,

• Metalurji: Paslanmaz ve Alaşımlı Çelik, Sürtünmeye-Aşınmaya Karşı Dayanıklı Malzemeler,

Metalurjik Flaks, Refrakterler, Briket Malzemeleri, Lehimleme, Döküm Malzemelerinde Katkı

Maddesi olarak, Kesiciler vb.

• Enerji Sektörü: Güneş Enerjisinin Depolanması, Güneş Pillerinde Koruyucu olarak vb.

• Otomobil Sanayi: Hava Yastıklarında, Hidroliklerde, Plastik Aksamda, Yağlarda ve Metal

Aksamlarda, Isı ve Yalıtımı Sağlamak Amacıyla Antifrizler vb.

• Tekstil Sektörü: Isıya Dayanıklı Kumaşlar, Yanmayı Geciktirici ve Önleyici Selülozik

Malzemeler, Yalıtım Malzemeleri, Tekstil Boyaları Deri Renklendiricileri, Suni İpek Parlatma

Malzemeleri, vb.

• İlaç ve Kozmetik Sanayi: Dezenfekte Ediciler, Antiseptikler, Diş Macunları, vb.

• Tıp: Ostrepoz Tedavilerinde, Alerjik Hastalıklarda, Psikiyatride, Kemik Gelişiminde ve Artiretti,

Menopoz Tedavisinde Beyin Kanserlerinin Tedavisinde vb.

• Kimya Sanayi: Bazı Kimyasalların İndirgenmesi, Elektrolitik İşlemler, Flatasyon İlaçları, Banyo

Çözeltileri, Katalizörler, Atık Temizleme Amaçlı olarak, Petrol Boyaları, Yanmayan ve

Erimeyen Boyalar, Tekstil Boyaları vb.

7

• Temizleme ve Beyazlatma Sanayi:Toz Deterjanlar,Toz Beyazlatıcılar, Parlatıcılar vb.

• Tarım Sektörü: Gübreler Böcek-Bitki Öldürücüler, vb.

• Kağıt Sanayi: Beyazlatıcı olarak.

• Kauçuk ve Plastik Sanayi: Naylon vb. , Plastik Malzemeler vb.

• Koruyucu: Ahşap Malzemeler ve Ağaçlarda Koruyucu olarak Boya ve vernik Kurutucularında

vb.

• Patlayıcı Maddeler: Fişek vb.

• Fotoğrafçılık

• Zımpara ve Aşındırıcılar

• Yapıştırıcılar

• Kompozit malzemeler

• Spor Malzemeleri

• Manyetik Cihazlar

• Mumyalama

Savunma Sanayii

'Boron Carbide' bileşeninin olağanüstü sertliğinden dolayı tank zırhında ve kurşun geçirmez

yeleklerde kullanılmaktadır. Mohs sertlik skalasında 9.5 derecesi vardır, elmastan sonra bilinen en sert

malzemelerden biridir.

Cam Sanayii

Bor; pencere camı, şişe camı v.b. sanayilerde ender hallerde kullanılmaktadır. Özel camlarda

ise borik asit vazgeçilemeyen bir unsur olup, rafine sulu/susuz boraks, borik asit veya

kolemanit/boraks gibi doğal haliyle kullanılmaktadır. Çok özel durumlarda potasyum pentaborat ve bor

oksitler kullanılmaktadır. Bor, ergimiş haldeki cam ara mamulüne katıldığında onun viskozitesini, yüzey

sertliğini ve dayanıklılığını artırdığından ısıya karşı izolasyonunun gerekli görüldüğü cam mamüllerine

katılmaktadır.

Cam Elyafı

Ergimiş cama % 7 borik oksit verecek şekilde boraks pentahidrat veya üleksit- probertit

katılmaktadır. Maliyetine bağlı olarak sulu veya susuz tipleri kullanılmakta, bazı hallerde de borik

asitten yararlanılmaktadır. Arzulanan yalıtım derecesine göre çeşitli spesifikasyonlar tanımlanır: R-1,

R-7 v.b. gibi. Roll, loft veya sünger halinde imal edilmektedir. Binalarda yalıtım amacıyla kullanılmaya

başlanmıştır.Hafifliği, fiyatının düşüklüğü, gerilmeye olan direnci ve kimyasal etkilere dayanıklılığı

nedeniyle plastiklerde, sınai elyaf v.b. de, lastik ve kağıtta yer edinmiş olan cam elyaf, kullanıldığı

malzemelere sertlik ve dayanıklılık kazandırmaktadır. Böylece sertleşmiş plastikler otomotiv, uçak

sanayilerinde, çelik ve diğer metalleri ikame etmeye başlamıştır. Ayrıca spor malzemelerinde de

8

(kayaklar, tenis raketleri v.b.) kullanılmaktadır. Yapılmakta olan araştırmalar yeni kullanım alanlarının

da olacağını göstermektedir. Trafik işaretleri, karayolu onarımı birer örnek olarak verilebilir. Bu gibi

mamullerde E camı kullanıldığından, rafine kolemanit tercih edilmektedir. E tipi cam elyafı, en çok

kullanılan tür olup % 90 uygulamada tercih edilmektedir. İngiltere'de oto başına 75 kg. cam yünü

tüketilmektedir. Fransa'da Renault firması, üzerine poliyester paneller monte edilen metal şasi

imalatına girişmiştir. B2O3'e olan toplam talebin A.B.D.'de % 13'ü, B.Avrupa'da % 7'si bu tür elyaftan

karşılanmaktadır. Otomobillerde borun kullanılması, arabaların ağırlığını azaltmakta ve dolayısıyla

yakıt tüketimini azaltmaktadır. Ayrıca, araçlarda paslanmayı geciktirmektedir.

Optik Cam Elyafı

Işık fotonlarının etkin biçimde transferini sağlamaktadır. İngiliz Felecon'un ürettiği yeni bir elyaf

saniyede 140 milyon baytı 27 km. uzağa taşıyabilmektedir. Bu lifler % 6 borik asit ihtiva etmektedir.

Phillips'in Hollanda'daki fabrikasında bu lifler üretilmektedir.

Borosilikat Camlar: Camın ısıya dayanmasını, cam imalatı sırasında çabuk ergimesini ve

devitrifikasyonun önlenmesini sağlayan bor; yansıtma, kırma, parlama gibi özelliklerini de

arttırmaktadır. Bor, camı asite ve çizilmeye karşı korur. Cam tipine bağlı olarak; cam eriğinin % 0.5

ile % 0.23'ü bor oksitten oluşmaktadır. Örneğin Pyrex'de % 13.5 B2O3 vardır. Genellikle cama boraks,

kolemanit, borik asit halinde karma olarak ilave edilmektedir. Otolar, fırınlar, çamaşır makinaları,

çanak/çömlek v.b. de bu tür camlar tercih edilmektedir. A.B.D.'de bu tür cam üreten 100'e yakın firma

vardır. Biri de Corning Glass Works'dur. General Electric, Andron Hocking önemliler arasında yer

almaktadır.

Seramik Sanayii

Emayelerin vizkozitesini ve doygunlaşma ısısını azaltan borik oksit % 20'ye kadar

kullanılabilmektedir. Özellikle emayeye katılan hammaddelerin % 17-32'si borik oksit olup, sulu boraks

tercih edilir. Bazı hallerde borik oksit veya susuz boraks da kullanılır. Metalle kaplanan emaye onun

paslanmasını önler ve görünüşüne güzellik katar. Çelik, aluminyum, bakır, altın ve gümüş emaye ile

kaplanabilir. Emaye asite karşı dayanıklılığı arttırır. Mutfak aletlerinin çoğu emaye kaplamalıdır.

Banyolar, kimya sanayi teçhizatı, su tankları, silahlar v.b. de kaplanır. 1997 yılında Batı 'nın seramik

endüstrisinin borat tüketimi 69.000 ton civarında gerçekleşmiştir. Seramiği çizilmeye karşı dayanıklı

kılan bor, % 3-24 miktarında kolemanit halinde sırlara katılır.

Temizleme ve Beyazlatma Sanayii

Sabun ve deterjanlara mikrop öldürücü (jermisit) ve su yumuşatıcı etkisi nedeniyle % 10

boraks dekahidrat ve beyazlatıcı etkisini artırmak için toz deterjanlara % 10-20 oranında sodyum

perborat katılmaktadır.

9

Çamaşır yıkamada kullanılan deterjanlara katılan sodyum perborat (NaBO2H2O2.3H2O)

aktifbir oksijen kaynağı olduğundan etkili bir ağartıcıdır. Perboratların çamaşır yıkamada klorlu

temizleyicilerin yerini alması sıcak veya soğuk su kullanımına bağlıdır. Çünkü perboratlar

ancak55 °C'nin üstünde aktif hale geçerler. Ancak, ABD’de kullanılan

aktivatör(tetracetylethylenediamine) kullanımı ile bu sorun giderilmeye çalışılmıştır. 1997 yılı deterjan

sanayiindeki bor tüketimi; Batı Avrupa’da 242.000 ton ve Kuzey Amerika’da ise 21.000 ton’dur. Batı

Avrupa’da tüketilen borun % 35’i, Doğu Avrupa’da ise %5’i deterjan sanayiinde kullanılmaktadır.

Dünya perborat talebinin %86’sı Batı Avrupa tarafından tüketilmektedir.

Yanmayı Önleyici (Geciktirici) Maddeler

Borik asit ve boratlar selülozik maddelere, ateşe karşı dayanıklılık sağlarlar. Tutuşma

sıcaklığına gelmeden selülozdaki su moleküllerini uzaklaştırırlar ve oluşan kömürün yüzeyini

kaplayarak daha ileri bir yanmayı engellerler.Ateşe dayanıklı madde olarak selülozik yalıtım

maddelerinin kullanımı borik asit artmasına yol açmıştır. A.B.D.'de kullanılmakla birlikte, son yıllarda

çok fazla yaygınlaşmamıştır.Bor bileşikleri plastiklerde yanmayı önleyici olarak giderek artan oranlarda

kullanılmaktadır. Bu amaç için kullanılan bor bileşiklerinin başında çinko borat, baryum metaborat,

borfosfatlar ve amonyum fluoborat gelir.

Tarım

Bor mineralleri bitki örtüsünün gelişmesini artırmak veya önlemek maksadıyla kullanılmaktadır.

Bor, değişken ölçülerde, birçok bitkinin temel besin maddesidir. Bor eksikliği görülen bitkiler arasında

yumru köklü bitkiler (özellikle şeker pancarı) kaba yoncalar, alfaalfalar, meyva ağaçları, üzüm, zeytin,

kahve, tütün ve pamuk sayılmaktadır. Bu gibi hallerde susuz boraks ve boraks pentahidrat içeren

karışık bir gübre kullanılmaktadır. Bu da, suda çok eriyebilen sodyum pentaborat (NaB5O8.5H2O)

veya disodyum oktaboratın (Na2B8O13) mahsulün üzerine püskürtülmesi suretiyle uygulanmaktadır.

Bor, sodyum klorat ve bromosol gibi bileşiklerle birlikte otların temizlenmesi veya toprağın

sterilleştirilmesi gereken durumlarda da kullanılmaktadır.

Metalurji

Boratlar yüksek sıcaklıklarda düzgün, yapışkan, koruyucu ve temiz, çapaksız bir sıvı

oluşturma özelliği nedeniyle demir dışı metal sanayiinde koruyucu bir cüruf oluşturucu ve ergitmeyi

hızlandırıcı madde olarak kullanılmaktadır.

Bor bileşikleri, elektrolit kaplama sanayiinde, elektrolit elde edilmesinde sarf edilmektedir.

Borik asit nikel kaplamada, fluoboratlar ve fluoborik asitler ise; kalay kurşun, bakır, nikel gibi demir dışı

metaller için elektrolit olarak kullanılmaktadır.Alaşımlarda, özellikle çeliğin sertliğini artırıcı olarak

kullanılmaktadır. Bu konuda ferrobor oldukça önem kazanmıştır. Çelik üretiminde 50 ppm bor ilavesi

çeliğin sertleştirilebilme niteliğini geliştirmektedir.

10

Nükleer Uygulamalar

Atom reaktörlerinde borlu çelikler, bor karbürler ve titanbor alaşımları kullanılır. Paslanmaz

borlu çelik, nötron absorbanı olarak tercih edilmektedir. Yaklaşık her bir bor atomu bir nötron absorbe

etmektedir.

Atom reaktörlerinin kontrol sistemleri ile soğutma havuzlarında ve reaktörün alarm ile

kapatılmasında (B10) bor kullanılır.Ayrıca, nükleer atıkların depolanması için kolemanit

kullanılmaktadır.

Enerji Depolama

Termal storage pillerindeki, Sodyum Sülfat ve su ile yaklaşık %3 ağırlıktaki boraks

dekahidratın kimyasal karışımı gündüz güneş enerjisini depolayıp, gece ısınma amacıyla

kullanılabilmektedir. Ayrıca, binalarda tavan malzemesine konulduğu taktirde güneş ışınlarını emerek,

evlerin ısınmasını sağlayabilmektedir.

Ayrıca, bor, demir ve nadir toprak elementleri kombinasyonu (METGLAS) % 70 enerji

tasarrufu sağlamaktadır. Bu güçlü manyetik ürün; bilgisayar disk sürücüleri, otomobillerde direk akım-

motorları ve ev eşyaları ile portatif güç aletlerinde kullanılmaktadır.

Otomobil Havayastıkları, antifriz Bor hava yastıklarının hemen şişmesini sağlamak amacıyla

kullanılmaktadır. Çarpma anında, elementel bor ile potasyum nitrat toz karışımı elektronik sensör ile

harekete geçirilir. Sistemin harekete geçirilmesi ve hava yastıklarının harekete geçirilmesi için geçen

toplam zaman 40 milisaniyedir. Ayrıca otomobillerde antifriz olarak ve hidrolik sistemlerde de

kullanılmaktadır.

Atık Temizleme

Sodyum borohidrat, atık sulardaki civa, kurşun, gümüş gibi ağır metallerin sulardan

temizlenmesi amacıyla kullanılmaktadır.

Yakıt

Sodyum tetraborat, özel uygulamalarda yakıt katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Daha

önce Amerikan Donanması tarafından uçuş yakıtı olarak kullanılmıştır. Karboranlar için Amerikan

Deniz Araştırma Ofisi ve Amerikan Ordusu tarafından katı roket yakıtı olarak kullanılması için

araştırmalar yapılmıştır. Şu anda Amerikan askeri ihtiyacı ise Callery Chemical Co. tarafından

işletilmekte olan tesisten karşılanmaktadır. Dibor, B2H6 ve B5H9 gibi bor hidratlar; uçaklarda yüksek

performanslı potansiyel yakıt olarak araştırılmışlardır. Boraneler Hidrojenle karşılaştırıldığında daha

yüksek performansla yanmaktadır. Fakat onlar, pahalı, toksik ve yakıldığında açığa çıkan bor oksit

11

çevresel açıdan uygun değildir. Amerikan Hükümeti, 1950 sonlarında borlu yakıtlar için 300 milyon US

$ ayırmıştır, ancak program 1960 başlarında iptal edilmiştir.

Sağlık

BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) kanser tedavisinde kullanılmaktadır. Özellikle; beyin

kanserlerinin tedavisinde hasta hücrelerin seçilerek imha edilmesinde kullanılmakta ve sağlıklı

hücrelere zararının minimum düzeyde olması nedeniyle tercih nedeni olabilmektedir. Ayrıca, insan

vücudunda normalde bulunan bor, bazı ülkelerde tabletler şeklinde üretilmeye başlanmıştır.

Diğer Kullanım Alanları

Ahşap malzeme korunması için sodyum oktaborat kullanılır. % 30'luk sodyum oktaborat

çözeltisi ile muamele görmüş tahta malzeme yavaş yavaş kurutulursa bozunmadan ve küllenmeden

uzun süre kullanılabilir.

Silisyum üretiminde bor triklorür, polimer sanayiinde, esterleme ve alkilleme işlemlerinde ve

etil benzen üretiminde bor trifluorür katalizör olarak kullanılmaktadır.

Bor karbür ve bor nitrür; döküm çeperlerinde yüksek sıcaklığa dayanıklı (refrakter) malzeme

püskürtme memelerinde de aşınmaya dayanıklı (abrasif) malzeme olarak kullanılan önemli

bileşiklerdir.

Araçların soğutma sistemlerinde korozyonu önlemek üzere boraks, antifiriz karışımına katkı

maddesi olarak da kullanılır.

Tekstil sanayiinde, nişastalı yapıştırıcıların viskozitlerinin ayarlanmasında, kazeinli

yapıştırıcıların çözücülerinde, proteinlerin ayrıştırılmasında yardımcı madde boru ve tel çekmede

akıcılığı sağlayıcı madde, dericilikte kireç çöktürücü madde olarak boraks kullanılmaktadır.

Gelişen teknolojiler, Bor kullanımını ve Bor' a bağımlılığını artırmakta, borun stratejik mineral

olma özelliği giderek daha da belirginleşmektedir. Dünyada üretilen bor minerallerinin %10'a yakın bir

bölümü doğrudan mineral olarak, geriye kalan kısmı rafine ürünler elde etmek için tüketilmektedir.

BORLAMA VE YÖNTEMLERİ

BORLAMA;

Borlama, diffüzyon mekanizmasıyla gerçekleştirilen yüzey sertleştirme işlemlerindendir.

Borlama, metalik malzemenin yüzeyine Borun yayındırıldığı termo kimyasal bir işlemdir. Borla yüzey

sertleştirme, esas olarak borun yüksek sıcaklıkta çeliğe yayınımı olayıdır. Demir ve demir dışı birçok

alaşım ile sinterkarbür ve seramik malzemelere uygulanabilir. Borlanacak malzemeler, özelliklerine

göre 700-1000 oC sıcaklık aralığında, yaklaşık 1-12 saat süre ile katı, macun (pasta), sıvı veya gaz

fazındaki bor verici ortamlarda bekletmek suretiyle yapılan bir işlemdir.

12

Borlu tabakanın özellikleri, borlanan çeliğin bileşimine, borlama sıcaklığına, süresine ve ısıl

işleme bağlıdır. Borlamayla çelik yüzeyinde oluşan tabaka çok sert olup ayrıca sementasyon da

olduğu gibi sertleştirmeye gerek kalmaz. Borlu tabakada bor Fe2B ve FeB şeklinde bulunur. Bor,

çeliklerde alaşım elementi ve yüzey sertleştirici ve ayrıca çelik üretiminde cüruf yapıcı olarak kullanılır.

Borlanabilen Malzemeler

Borlama işlemi gerek toz ve gerekse diğer metotlarla üretilen bütün ferro alaşımlara

uygulanabilmektedir. Refrakter metaller (W, Ta, Mo, Zr, Hf, Nb), karbürler (özellikle Co ile bağlı WC)

ve nikel esaslı alaşımlara başarı ile uygulanarak özel yapıda borlu tabakalar elde edilebilmektedir. Ti

ve Ti esaslı alaşımlara bor yayınımı ile aşınmaya dayanıklı TiB2 tabakası elde edilebilmektedir.

Yeni geliştirilen metotlarla Cu ve alaşımlarına da tatbik edilebilmektedir, fakat düşük ergime

sıcaklığına sahip Zn ve Al'a uygulanamamaktadır (Meriç ve Şahin 2002).

Aşağıda çeşitli metallerde elde edilen borür fazları ve mikrosertlikleri verilmiştir.***********

Borlanan alt yüzey Borür tabakasındaki fazlar Borür tabakasının sertliği

(HV)

Fe

FeB

Fe2B

1900-2100

1800-2000

Co

CoB

Co2B

Co3B

1850

1500-1600

700-800

Ni M4B3 900-1600

Mo

Mo2B

MoB2

Mo2B5

1660

2330

2400-2700

W W2B 2600

Ti

TiB

TiB2

2500

3370

Nb

NbB2

NbB4

2200

Ta

Ta2B

TaB2

2500

Hf HfB2 2900

Zr ZrB2 2250

Re ReB 2700-2900

Borlama Yöntemleri

13

Esas itibariyle bir yayınma işlemi olan borlama, karbürleme ve nitrürlemeye benzer. Difüzyon

yöntemi olan borlama termokimyasal bir işlemdir. Uygun işlem sıcaklıklarında metal malzemenin

yüzeyine yayınan bor, metal ile bir ve birkaç inter metalik fazdan meydana gelen bir tabaka

oluştururlar. Bu işlemin esası borla metalin bir arada bulunduğu bor verici ortamda kimyasal veya

elektro-kimyasal reaksiyonlar neticesinde borun metal yüzeyine yayınması olayıdır. Borlama ortamı

ise, bor kaynağı (bor veya bileşikleri), aktivatör, dolgu veya deoksidontlardan 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.

Borlama sonucu oluşan borür tabakasının özelliklerini şöyle sıralayabiliriz.

1- Çok yüksek sertlik.

2- Yüksek ısınma direnci.

3- Alt yüzeye iyi tutunma özelliği.

4- Yüksek sıcaklık dayanımı.

5- Yüksek ısılarda sertliğini koruma özelliği.

6- Demir malzemelerinkine uygun genleşme kat sayısı.

Fe-B ikili denge diyagramı

Katı (Toz) Ortamda Borlama

14

Yüzeyi borlanacak malzeme, toz halindeki bor verici ortam içinde 800-1000°C sıcaklıklarda 4-

10 saat bekletilerek borlama işlemi yapılır. Borlama tozu ısıya dayanıklı çelik saç 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 önceden belirli bir sıcaklığa ısıtılmış fırına konur. Ve

fırın kapağı kapatılarak fırın içi sıcaklığı borlama sıcaklığına yükseltilir. Bir süre bekletildikten sonra

kutu fırından alınarak soğutulur ve parça içinden çıkarılır. Bu sırada çelik kutunun kapağı kutunun

üzerinde kendi ağırlığı ile durmalıdır. Sementasyonda olduğu gibi sıkıca kapatılmasına gerek yoktur.

Eğer işlem normal atmosfer de yapılacaksa kapak sıkıca kapatılır. Bu yöntem koruyucu gaz atmosferi

içinde de yapılabilir. Yöntem ucuzdur ve özel bir teknik gerektirmez.

Borlama ortamının ana bileşini borkarbür, ferrobor ve amorf bordur. Bor karbür 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 bor karbür ise

amorf bor ve ferrobordan ucuz olup, bileşimi zamana göre sabittir. Elverişli tane boyutunun ve etkin

aktivatörün seçimi ile iyi sonuçlar alınmıştır. Bütün bunlara rağmen amorf bor tuzuna aktivatör olarak

amonyum klorür eklenerek yapılabilir. Ferrobor ortamında yapılan borlama sonucu elde edilen tabaka

teknik açıdan kullanılamaz. Aktivatör dolgu maddeleri ile kullanılabilir.

Katı ortam borlamasında kullanılan bazı borlama bileşiklerine ait örnekler % ağırlık olarak

aşağıda verilmiştir.

1. % 60 B4C + %5 B203 + %5 NaF + %3O Demir oksit

2. % 50 Amorf bor + %l NH4F.HF + %49Al203

3. %100 B4C

4. %(7,5-40) B4C + % (2,5-10) KBF4 + %(50-90) SiC

5. %84 B4C + %16 Na2B407

6. %95 Amorf bor+%5 KBF4

7. %20 B4C + %5 KBF4 + %75 Grafit

8. %(40-80) B4C + %(20-60) Fe203

9. %80 B4C + %20 Na2C03

Bortec firmasının üretimindeki borlama malzemeleri

15

Borlama

Malzemesi

Tane Büyüklüğü Açıklamalar

Ekabor®1 <150 En yüksek kalitede yüzey elde edilebilir.

Ekabor®2 <850 Çok iyi kalitede yüzey elde edilebilir, işlem sonrası

parçalar kolay temizlenir.

Ekabor®3 <1400 Çok iyi kalitede yüzey elde edilebilir. Isıl işlem sonrası

tozlar hala akışkandır (topaklanma olmaz).

Ekabor®HM <150 Sert metaller, küçük delikli parçalarda ve kalın tabaka

istenen durumlarda kullanılabilir.

Ekabor®-Paste Üniversal olarak uygulanabilir. Daldırmayla,

fırçayla veya püskürtmeyle uygulanabilir. İşlem için

asal gaz atmosferi gereklidir.

Ekabor®WB 220-230 Oksijensiz gaz atmosferinde akışkan yatakta

kullanılır.

Ekabor®Ni <150 Nikel bazlı malzemeler için kullanılır.

Ekrit® <420 Dolgu malzemesidir. Katı borlama maddesi ile

borlama esnasında oksijen geçişini önler.

Katı borlamanın avantaj ve dezavantajları:

Avantajları:

- Sistem ucuzdur,

- Özel teknik gerektirmez,

- Kolay elde edilebilir,

- Toz terkibi değiştirilebilir,

- Minimum ekipman ve düşük maliyet, olarak sıralanabilir.

Dezavantajları:

- Büyük boyutlu parçaların borlanmasında uygulama zorluğu vardır.

Macunlama (Pasta) İle 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 taktirde macun üzerine

tekrar birkaç kez daha sürülebilir. Kurutma işleminden sonra macun ile kaplanmış parçalar önceden

ısıtılmış fırına konur ve fırın ağzı kapatılarak borlama sıcaklığına ısıtılır. Belirli süre bu sıcaklıkta

tutulan parçalar dışarı alınır. Ve soğumaya terk edilir. Parçalar soğuduktan sonra yüzeyinde yapışmış

olan artıklar temizlenir ve böylece borlama yapılmış olur.

16

Bu yöntemle borlama mutlaka koruyucu gaz ortamında yapılması gerekir. Aksi takdirde kötü

bir borür tabakası oluşur. Bu yöntemle kısmi borlama yapılabilir. Bor korbür ( B4C ), kriyolit (

Na3AIF6 ) ve bağlayıcı olarak da hidrolize edilmiş etilsilikat karışımından macun yaparak borlama

yapılmıştır. Bu yöntemde kullanılan koruyucu gazlar; Argon, Formier Gazı, NH3 ve saf azottur.

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 eriği içinde elektrolitli veya 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'in katı fazı ile sıvı sodyum klorit (NaC1) den ibarettir. Bu da boraksın viskozite

azaltma yöntemleriyle elektrolit olarak erimesi esasına dayanır .

Ortamın esas bileşemi boraks olup, aktivatör olarak B4C, SiC, Zr, B, vs. kullanılır. Klorürlerin

karışımı veya klorürler ile floritlerin karışımına bor karbür ilavesi ile yada 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 uygulanmaması, metodun kötü

yönleridir. Çalışma sıcaklığı 800-1000°C ve borlama süresi 2-6 saattir.

Sıvı ortamda borlamanın avantaj ve dezavantajları

Avantajları:

- İşlem ucuzdur (normal sıvı ortamda),

- Fazla ihtisas istemez.

Dezavantajları:

- Yüksek viskoziteli ergimiş boraksla 850°C' nin altında borlama yapmak kesinlikle imkansızdır. Bu

sıcaklığın üzerinde bile bor banyosu içerisindeki sıcaklığın eşit dağılımına ulaşmak çok zordur.

- Özellikle kompleks parçalarda bu farklı yoğunluk akımları bor tabakasının farklı kalınlıklarda

olmasına neden olmaktadır.

- Sıkı bir şekilde yapışmış tuz tabakası iş parçaları üzerinde oluşur ve bu oluşan tabakaların borlama

işlemi tamamlandıktan sonra uzaklaştırılması maliyeti oldukça arttırır.

- Büyük boyutlu ve kompleks parçalara uygulanamaz.

- Tesisatı pahalıdır (elektroliz yönteminde).

Elektroliz Yöntemi

Yüksek sıcaklıkta tuz banyosu, elektrolit iş parçası katot ve grafit çubuk anot olarak işlem

gerçekleştirilir. Tuz banyosu ise ergitilmiş borakstır. Bu yöntem laboratuar çalışmalarında gayet iyi

17

sonuçlar vermiştir. Ancak ergimiş boraksın viskozitesinin çok yüksek olması, endüstriyel

uygulamalarda sıcaklığın homojenliğini engeller yani boraks eriğinin yüksek viskozitesi 850°C' nin

altında borlamayı pratik olarak imkansız kılar. 850°C' nin üzerinde ise banyodaki düzgün sıcaklık

dağılımı oldukça güçleşir.

Farklı akım şiddetleri, özellikle karmaşık şekilli parçalarda borür tabakasının kalınlığının

düzgün olmasına neden olur. Bu yöntemde iş parçası bir tuz tabakasıyla kaplanır ki bunu temizlemek

oldukça masraflıdır. Elektrolizle borlama da anodun bir tarafında ince borür tabakası oluşur. Bu da

gölge etkisi yaparak değişik ve düzensiz kalınlıklara sebep olur. Sodyum klorür ve borasit anhidritin

karışımı ile yapılan çalışma sonucu banyodaki sıcaklık dağılımının eşit olduğu, parçaların daha kolay

yıkandığı ve viskozitenin azaldığı görülmektedir. Ayrıca NaC1, B4C ve NaBF bileşiminden oluşan tuz

eriğinde diğer problemler çıkmaktadır. Bu yöntemin tesisatı pahalıdır. Karışık şekilli parçalarda

homojen kalınlıklı tabaka oluşumu oldukça zordur. İşlem 800-1000°C arasında 0,5-5 saat süre ile

yapılır. Banyo bileşimlerinde 0.2 A/cm2 akım yoğunluğu, 600-700°C sıcaklık ve 2-6 süre şartlarını

kullanarak sade karbonlu çelikte 15-70um kalınlıkta borlu tabaka elde edilmiştir .

Elektrolizin ana bileşimi boraks ve borik asittir. Ana bileşene ilaveten NaF, NaC1 gibi aktivatörler

kullanır. Bu aktivatörlerden ayrıca banyonun akışkanlığını artırması istenir.

Derişik Çözeltide Borlama

Boraks ve Borasitli anhidriti içeren derişik ortamlarda yüksek frekanslı ısıtmayla deneyler

yapılmıştır. Belli bir bor difüzyonu sağlandığı halde birleşik tabakalar elde edilememiştir. Boraks ve

borasidi 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 oluşumları

altında su ile kuvvetli reaksiyona girerler. Bu sebeple derişik çözeltide borlama başarılı olmamıştır

(Selçuk, 1994).

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 B2H6 ve organik bor

bileşikleri kullanılır. Bu bor vericilerden BF3 , BCI3 , BBr3 saf veya su ile; B2H6 su ile ve (CH3)3

B/(C2H5^B olarak kullanılırlar. Bunlardan diboran (B2H6) ile beraber bor halojenleri kullanılırsa çok

olumlu sonuçlar elde edilir. Fakat diboran zehirli ve patlayıcıdır. Ayrıca diboranın hidrojen ile

inceltilmesi çok pahalı olup 150°C 'ye yakın sıcaklıklarda ayrışır. Bu nedenle 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.

18

Gaz ortamda borlama ünitesinin şematik şekli

Organik bileşiklerden bortrimetil ve bortrietil yüksek oranda karbon ihtiva ettikleri için, borlama

sonucu oluşan borür tabakası yanı sıra yüksek karbonlu bir tabakada oluşur. Böylece borlama ile

yayılan karbon oluşan tabaka kalıntısını bozar. Bor halojenleri ise uygun halojen bileşimlerinin

teşekkülü ile korozyona neden olurlar.

Amerika'da geliştirilen bir yöntem ise bor ve borkarbürden ayrışan bir gaz fazıyla yapılan

borlamadır. Bunun esasını ise , bortriklorit ile hidrojen karıştırılarak 1300-1500°C de sıcak grafit çubuk

üzerine gönderilir ve bor karbür oluşumu sağlanır. Bu yöntem ilk etapta daha yüksek ergime

sıcaklığına sahip malzemelere uygulanmaktadır. Bu yöntemle Fe esaslı malzemeler yanı sıra silika,

mullite,Ti,Ni,Co ve W başarıyla borlanmıştır .

Bor triklorit ile yapılan borlama esnasında ayrışarak serbest kalan klor, ortamdaki mevcut

hidrojen ile birleşerek HC1 oluşturur. Oluşan klor ve HC1, atmosfer ve sıcaklık oranlarına göre

borlanan demir ile reaksiyona girer. Bu durum ise gaz ile borlamada asıl problemi teşkil eder. Çünkü

borlama çelikte yapıldığında demir klorit oluşur. Bu ise demir brorürün oluşumunu engeller ve böylece

korozyona neden olur.

Eğer işlem gazı %150 oranında Azot ve geri kalanı Hidrojenden olursa az miktardaki

bortriklorit aktif bor taşıyıcı olarak etkide bulunur. Bunun sonucu olarak da borür tabakasının yapısı

pratik olarak atmosferde en az miktarda bulunan BC1

'ten dolayı BC13 'ün miktarından bağımsızdır. Bu yöntemde ise sürelerin kısa olması gerekir. Gaz

ortamda borlama esnasında bor verici olarak Hidrojen ve Azottan oluşan taşıyıcı gaz içindeki

19

bortriklorit olursa ve BC13 ile Hidrojen oranları ayarlanırsa işlem hacmi HC1 ve H2 'den oluşan gaz ile

dolarsa parça yüzeyi korozyona uğramaz. Aşağıdaki gaz bileşenleri kullanılarak borlama yapılabilir.

1. BCl3 /H2 =1/15

2. B2H6

3. B2H6 /H2 =1/50

4. BCl3 + H2

5. (C2H5 ) 3 B

6. (CH3 ) 3 B

Gaz halindeki borlayıcı bileşikleri ve bazı özellikleri

Malzeme Formül Teorik bor miktarı (%) Donma noktası

CQ

Bor triflorid BF3 15,95 -128,8

Bor triklorid BC13 9,23 -107,3

Bor tribromid BBr3 4,32 -46

Di-boran B2H6 39,08 -165

Bor trimetil (CH3)3B 19,35 -161

Bor trietil (C2H5)3B 11,04 -94

Gaz ortamda borlamanın avantaj ve dezavantajları:

Avantajları:

- Gaz sirkülasyonunun bir sonucu olarak borun daha çok yayınması,

- Katı borlama işlemine göre gelişmiş sıcaklık kararlılığı ve elde etme kolaylığı.

Dezavantajları:

- Trimetil bor, borlama ile birlikte C yayınımına da neden olarak tabaka kalitesini bozar,

- Tesisatı pahalıdır,

- Ortam zehirlidir,

- Patlama tehlikesi büyüktür.

Plazma (İyon) Borlama

Gaz ortamda 300-700 Pa basınçla borlama yapmak mümkündür. İşlem sıcaklığı diğer borlama

yöntemlerine kıyasla düşmekle ve borlama süresi kısalmaktadır. Reaktif gazın daha iyi kullanımı ile

işlem atmosferinde BC13 buharının miktarı azaltılır. Bu yöntemde işlenen parça yüzeyinin aktiflenmesi

katodik püskürtmeden dolayı ( özellikle işlemin başlangıç aşamasında , yani ısınma esnasında ) akkor

ışık ile başarılır.

Yüzey diffüzyonu ve kimyasal emilme gibi yüzey işlemlerinin büyük ölçüde yükseltilmiş yüzey

enerjisinden dolayı yüzeydeki kimyasal reaksiyonlar katalitik etki ile hızlanırlar. Bunun sonucu oluşan

20

iyon ve elektronlar elektrik alanına etkide bulunurlar. Sistemi besleyen enerji, bu iyon ve elektronlar

tarafından iletilir. Elektriksel alanın etkisi altında iyon ve elektronlar gaz moleküllerin 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

portiküller (iyonlar, atomlar, moleküller)'in uygun sayıları yüksek enerji ile mevcut olduklarından ve

atmosferdeki bu sıcaklıkta dengeli enerji dağılımını anormal akkor ışık saçılımı olmadan

karşılanabildiği için başarılır.

Gaz ortamda termik aktiflenme sonucu meydana gelen kimyasal reaksiyonlar aktiflenmiş

malzeme yüzeyinin katalitik etkisi ile hızlanırlar. Bu yöntem genelde BC13 - buharı ile hidrojenin

oluşturduğu gaz karışımında yapılmaktadır. Bu ortamda BC13 - buharı ve hidrojenden oluşan atmosfer

içinde plazma ( iyon ) borlama esnasında kloritin hidrojen ile indirgenmesi borür tabakasının

oluşumuna ait ayrıntılı rolü oynar. İlgili reaksiyon , indirgenme reaksiyonunun tahrik edildiği katodik

bölge içindeki atomik hidrojenin varlığına bağlı olarak akkor ışık saçılımı ile oluşur. Reaksiyon sonucu

açığa çıkan bor katodik püskürtme ile aktiflenen malzeme yüzeyine emdirilir. Reaksiyon gidişinin

yükseltilmiş hızı gaz karışımındaki fazla hidrojene bağlıdır.

BC13 - buharı ve hidrojen karışımının kullanılmasında hacmin %10'unu teşkil eden BC13 -

miktarı ile gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlar ile kimyasal emilmiş bor miktarı ve hatta iş parçasının

kenar tabakasına borun yayınması arasındaki dinamiksel denge elde edilir. Karışımda BC13 - buhar

kısmının artması gevrek ve gözenekli tabakaların oluşmasına neden olur.

Plazma borlamanın avantaj ve dezavantajları:

Avantajları:

- Borlanan tabakanın bileşim ve derinlik kontrolünün yapılabilmesi,

- Bor potansiyelinin yüksek olması,

- Daha ince borlu tabakaların elde edilebilmesi,

- Kullanılan sıcaklık ve işlem süresinin kısalığı,

- Yüksek sıcaklık fırınlarına ve aksesuarlara ihtiyaç olmaması.

Dezavantajları:

- Kullanılan atmosferin aşırı zehirli olmasıdır.

Borlu tabakanın yapısı ve bileşenleri

Borür tabakası

Demir borürler, termal ve elektrik iletkenliği gibi özelliklerinden başka yüksek sertlik gibi tipik

seramik özellikleri de gösteren bileşiklerdir. Tane sınırları, dislokasyonlar, atom boşlukları gibi mikro

hatalar ile yüzey pürüzlülükleri ve çizikler gibi yüzeyin daha reaktif olduğu yerler borür tabakası

oluşumunun başlangıç noktalarıdır. Bu noktalarda Fe2B çekirdekleri oluşur ve gelişir Borlamanın birinci

aşamasında borlayıcı ortam ve nesnenin yüzeyindeki reaksiyon bileşenleri arasında reaksiyon oluşur.

21

Taneler yüzeyde çekirdek oluşturmaktadır. Borlama süresi ile çekirdek oluşumu artar ve ince bir bor

tabakası elde edilir. Bor, Fe2B ve FeB yapısında çeliğin yüzeyine yayılır. Borlama işlemi sırasında, ilk

borür çekirdeği numunenin yüzeyinde oluşmaktadır.Aşağıda borlama sırasında borür tabakasının

oluşum aşaması verilmiştir .

Şekil 1.5 Borlama sırasında borür tabakasının oluşum aşaması

Oluşan ilk borür çekirdeği numune içinde büyür. Bor atomları kafes yapının [001] doğrultusunda

daha hızlı yayıldığı için FeB ve Fe2B [001] boyunca yönlenir. Bu yüzden borür taneleri [001 ] yönünde

yüzeye dik daha hızlı büyür. Borür tanelerinin diğer yönlerde büyümesi daha yavaştır. Bu nedenle

kolonsal yapı oluşur. Önce Fe2B fazı oluşur, ortamda yeterince bor konsantrasyonu varsa FeB fazı da

oluşur. İlk önce oluşan Fe2B fazı uzun bir sürede büyümektedir. Borür tabakaları çeliğin yüzeyinden

içeriye doğru FeBX, FeB, Fe2B yapısında oluşur. Borlamanın son aşamasında sadece FeB fazı oluşur.

FeB fazı, Fe2B fazından daha kısa sürede büyür. Bu yüzden FeB fazının dokusu Fe2B fazı kadar güçlü

değildir.

Taramalı elektron mikroskobunda elde edilen; borlanmış bir çeliğin %18 hidroklorik çözeltisi içinde

birkaç saat kaynatılması sonrası çözünmüş, yaklaşık 120 um uzunluğunda diş biçimli demirborür

kristalleri (Fe2B) Şekil 1.6' da görülmektedir.

Şekil 1.6 Diş biçimli demirborür kristalleri (Fe2B) (Karaman 2003)

Borlamada oluşan Fe2B ve FeB' ye ait bazı özellikler Tablo 1.7' de verilmiştir

Çeşitli borlama yöntemleri ile 14 farklı yapıda borür tabakası elde edilebilmektedir. Sistematik

sınıflandırma Şekil 1.7' de gösterilmiştir (Matuschka 1980).

22

Borür tabakalarının yapısı; borlama yöntemine, borlanan malzemenin bileşimine, borlama ortamına

ve işlem şartlarına bağlı olarak düz bir formda veya parmaksı formda olabilir. Tabaka tiplerinden

hareketle bazı tabaka özelliklerinin belirlenebileceğini söylemek mümkündür. Bu özel tabaka tipleri

Şekil 1.7' deki gibi karakterize edilebilir. Endüstride E ve F tipi yani tek fazlı borür tabakası (Fe2B)

tercih edilmektedir. Bu tabakalar, düşük kırılganlık değerine sahiptir ve ana malzemeye, borlu

tabakanın özelliklerini olumsuz yönde etkilemeden; borlama sonrası ısıl işlemler uygulanabilir.

Borür tabakasının özelliklerini bu sınıflama ile belirlemek mümkün değildir. Bu değerlendirme

sistemi, borür tabakasının görünümünü ve borlama işleminin uygunluğuna karar vermeyi sağlar.

Tablo1.7 Fe2B ve FeB'nin bazı özellikleri

Özellik Fe2B FeB

Ergime Sıcaklığı (°C) 1390 1550

Mikrosertlik (HV) 1600-2000 1600-2400

Uzama Katsayısı (1000 °C) 8.10-6

1/K 10-16.10-6

1/K

Termal İletkenlik (1000°C) 0,2-0,3 W/(cm°C) 0,1-0,2 W/(cm°C)

Curie Sıcaklığı (°C) 742 325

Yoğunluk (g/cm ) 7 6,3

Kristal Sistem Tetragonal hacim merkezli Ortorombik

Kafes Parametreleri (Â) a: 5,078, b: 4,249 a: 4,053, b: 5,495, c: 2,496

Şekil 1.7 Borür tabakası çeşitleri

A: Tek fazlı tabaka, sadece FeB

B: İki fazlı tabaka, Fe2B ve FeB

C: İki fazlı tabaka, B' dekinden daha ince bir FeB tabaka

D: İki fazlı tabaka, yalnız FeB dişleri izole edilmiş

23

E: Tek fazlı tabaka, sadece Fe2B, kuvvetli dişler

F: Tek fazlı tabaka, sadece Fe2B, daha az kuvvetli dişler

G: Fe2B dişli özel tabaka

H: Fe2B dişleri çok izole edilmiş tabaka

I: Geçiş bölgesi

K: Bozulmuş tabaka

L: İki fazlı tabaka; düz, yani parmaksı değil

M: Tek fazlı tabaka, FeB ve Fe2B, düz

Borür tabakasının kalınlığı, borlanan parçanın kullanım şartlarına göre; borlanan malzemenin cinsi,

borlayıcı ortamın bileşimi, işlem süresi ve borlama sıcaklığına bağlı olarak belirli sınırlar dâhilinde

istenilen kalınlıkta ayarlanabilir. Genellikle eroziv aşınmaya maruz tabakaların, kalın (örnek olarak,

seramik endüstrisinde kullanılan pres takımları vb), adhesiv aşınmaya maruz tabakaların, ince (zımba

takımları vb) olması istenir (Uzun 2002).

Teorik olarak, adheziv aşınmayı önlemek için 5 um' lik tabaka kalınlığı yeterlidir. Ancak, alaşımsız

ve az alaşımlı çeliklerde olduğu gibi tabaka geometrisinin parmaksı olduğu durumlarda, bu kalınlıkta

bir tabaka elde etmek mümkün değildir. Takım çeliklerinde, tabaka kalınlığının 75-100 um' yi

geçmemesi önerilir. Tabaka kalınlığı arttıkça tabakanın gevrekliği de artacağı için, özellikle çift fazlı

(Fe2B+FeB) tabakalarda, tabakanın çok kalın olmamasına dikkat edilmelidir. Alaşım elementlerinin

oranı arttıkça çelik içerisine bor yayınımı güçleşmektedir. Ayrıca, yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan

borür dişleri daha yoğun, daha üniform ve kapalıdır .

Borlanan malzemenin cinsi, borlayıcı ortamın bileşimi, işlem şekli, sıcaklık ve süre borür

tabakasının kalınlığına etki eden faktörlerdir. Teorik olarak tabaka kalınlığı sınırsızdır. Bu ise işlem

sıcaklığı ve süresinin artmasıyla mümkündür. İşlem sıcaklığının Fe-B denge diyagramındaki ötektik

sıcaklığın (1177°C) altında olması gerekir. Bu sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda bölgesel ergimeler

meydana gelerek malzeme yüzeyini bozabilir (Bozkurt 1984). Zaman faktörü ise, belli bir değeri

aşması ekonomik açıdan uygun olmayacaktır.

Alaşımsız çeliklerde borlama şartlarına bağlı olarak tek fazlı (Fe2B) ya da (FeB+Fe2B) borür

tabakası oluşur. Borlama ortamındaki bor miktarı Fe2B fazı oluşumu için gerekli olan miktardan fazla

ise uygun sıcaklık ve zaman şartlarında borür tabakasında Fe2B fazına ilaveten FeB fazı da oluşur

(Palombarini ve Carbucicchio 1987). Alaşımlı çeliklerde ise bunlara ilaveten alaşım elementine bağlı

olarak Cr2B,TiB2, NiB2, CoB gibi bileşiklerden biri veya birkaçı oluşabilir.

İki fazlı borür tabakalarında, farklı genleşme katsayılarına sahip iki faz arasında önemli ölçüde iç

gerilmeler meydana gelir. Borlama işleminden sonra parçaların soğuması sırasında Fe2B fazında

basma, FeB fazında ise çekme gerilmeleri meydana gelir. Bu gerilmeler, hızlı soğutulma ya da

mekanik zorlanmalar esnasında çatlak oluşumuna sebep olabilir.

Geçiş Bölgesi

Geçiş bölgesi, borlanmış metal borür tabakası ile ana metal arasındaki ara bölgeyi tanımlar. Geçiş

bölgesi ile ilgili farklı görüşler olmakla birlikte yaygın olan görüş; borlama sonucu oluşan borür

24

tabakasında karbon çözünemediği için metalin yapısında bulunan karbon, bor difüzyonu sırasında

yüzeyden iç kısımlara itilir.Bunun sonucu olarak karbonca zengin geçiş bölgesi oluşur.

Geçiş bölgesi hakkında başka bir görüş; bu bölgedeki borun çeliklerde alaşım elementi olarak

gösterdiği etkiyi göstermesinden kaynaklanan farklı özelliklere sahip olmasıdır. Bu bölgenin ısıl işlem

hassasiyeti, borun ostenit dönüşümünü yavaşlatmasındandır. Ayrıca bu bölgede gözlenen ostenit tane

irileşmesi de, borun alaşım elementi olarak çeliklerde gösterdiği tipik özelliklerdendir.

Geçiş bölgesinin kalınlığı konusunda da farklı değerlendirmeler mevcuttur. Bazı araştırıcılar geçiş

bölgesi kalınlığını borür tabakasının 3-4 katı olarak bildirirken, bazı araştırmacılar bu oranın 10-15 kat

olduğunu tespit etmişlerdir.

1.3.4. Bor tabakası özellikleri

1.3.4.1. Bor tabakasının kalınlığı

Teorik olarak tabaka kalınlığı sınırsızdır. Bu da işlem süresinin ve/veya sıcaklığın artması

sayesinde olur. İşlem sıcaklığının Fe-B denge diyagramındaki ötektik sıcaklığının (1177°C) altında

olması gerekir. Bu sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklar bölgesel ergimeler yaparak malzeme yüzeyinin

bozulmasına neden olur. Zaman faktörünün de ekonomik yönden mantıksal bir değeri geçmemesi

gerekmektedir.

Borlanmış tabakanın kırılganlığı, kalınlık arttıkça artar. Dolayısıyla çelik esaslı malzemeler için 20-

200 um' lik kalınlık, kullanma şartlarına, su verilip verilmeme ve borlanan malzeme cinsine göre

ayarlanır. Kırılganlık yönünden alaşımlı çeliklerde maksimum 100um, alaşımsız çeliklerde 15-200 um

kalınlığa; hatta darbesiz aşınmaya maruz kalacak parçalarda su verme koşulu ile 400 um' lik kalınlığa

kadar çıkılabilmektedir. Borlama sıcaklığının artması, tabaka kalınlığını arttırmasının yanında

poroziteyi de arttırarak tabakanın gevrek olmasına neden olur.

1.3.4.2. Sertlik

Borlamanın en büyük etkisi sertlik üzerine olup, ana malzeme cinsine ve yüzeyde oluşacak borür

fazlarına bağlıdır. FeB fazı, Fe2B fazından daha sert ve gevrektir (Atik 1997). Borlama ile elde edilen

sertlik; karbon çeliklerinde 1600-2000 HV, alaşımlı çeliklerde 2100-2800 HV, titanyumda ise 3000 HV

civarındadır (Bozkurt 1984). Şekil 1.8' de borlu ve sementasyonlu tabakalardaki sertlik dağılımları

görülmektedir.

25

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Yüzeyden mesafe (mm)

Şekil 1.8 Borlu ve sementasyonlu tabakalardaki sertlik dağılımları

Sertlik ölçümleri mikrosertlik yöntemi ile Vickers veya Knoop uçları kullanılarak yapılır. Ölçümlerde

büyük yüklerin kullanılması çatlama ve dökülme gibi nedenlerden dolayı hatalı sonuçlara sebep olur.

Ayrıca büyük yükler tabakaların bozulmasına ve tabakanın altındaki bölgenin deformasyonuna sebep

olabilir.

Sertlik yönünden borlu tabakanın diğer bir özelliği de, borlamadan sonra yapılan ısıl işlemlerin

sonunda sertliğini korumasıdır (Atik ve Meriç 1999).

Tablo 1.8' de borlama ve diğer metotlarla sertleştirilmiş tabakaların sertlik kıyaslamaları yapılmıştır.

Tablo 1.8 Borlama ve diğer işlemlerle elde edilmiş yüzeylerin sertlik değerleri

Malzeme 2

Mikrosertlik (kg/mm )

Nitrürlenmiş yüzey 610-940

Gaz ile karbürize edilmiş yüzey 700-820

Sert krom kaplı yüzey 950-1100

WC+%13 Co sinter malzeme 1300

Borlu karbon çeliği 1600

Borlu AISI H13 (X40CrMoV5-1) çeliği 1800

Borlu AISI A2 (X100CrMoV5-1) çeliği 1900

.3.4.3. Aşınma

Sürtünme katsayısı ve aşınma dayanımı bir sistem özelliği olmakla birlikte, genellikle yüksek

aşınma direnci için malzemenin aşındırıcıdan daha sert ve sürtünme katsayısının düşük olması istenir.

Borlama ile bu özellikler büyük ölçüde sağlanır. Borlanmış yüzeylerde PTFE' e yakın sürtünme

katsayısı elde edilebilmektedir.

26

Borun oksijene karşı ilgisi fazla olduğundan yüzeyde koruyucu, ince bir oksit filmi oluşturmakta, bu

oksit filmi yüzeyde yağlayıcı vazifesi görerek sürtünme katsayısını düşürmek suretiyle yüzeylerin

birbirine kaynamasını önlemektedir. Tablo 1.9' da bazı malzemelerin borlanmış ve borlanmamış

durumdaki sürtünme katsayıları verilmiştir.

Tablo 1.9 Bazı malzemelerin borlanmış ve borlanmamış durumdaki sürtünme katsayıları

Malzeme Sürtünme Katsayısı

Borlu Borsuz

Düşük karbonlu çelik 0,17-0,19 0,585-0,595

Takım çeliği 0,07-0,04 0,16-0,18

WC+Co sinter malzeme 0,1939-0,2335 0,2617-0,2773

Darbesiz aşınmanın yer aldığı uygulamalarda, borla yüzeyi sertleştirilmiş malzemeler başarılı bir

şekilde kullanılmaktadır. Borlu takım çeliğinin, su ile sertleştirilmiş durumdan 3 kat daha aşınmaya

dayanıklı olduğu söylenmektedir (Bozkurt 1984). Paslanmaz çelik için derin çekme kalıbı 60 HRC

sertlik ve yüzeyi 0,005-0,008 mm sert kromla kaplı AISI A6 çeliğinden yapıldığında tahrip olmadan 200

parça, aynı çelik yüzeyi borlandığı zaman ise 50000 parça üretildiği iddia edilmektedir.

Borlanmış çeliklerin aşınma dirençleri sementasyon, nitrürasyon, sert krom kaplama ve su vererek

sertleştirme ile elde edilen yüzeylere göre oldukça yüksektir. Şekil 1.9' da bu durum görülmektedir.

Kaymalı sürtünmelerde açığa çıkan ısı, sementasyon ile sertleştirilmiş tabakanın yumuşamasına

sebep olurken borlu tabakaya etki etmez. Borlu tabakanın 900-1000°C sıcaklıklara kadar sertliğini

koruması, aşınma direncini yüksek sıcaklıklarda da muhafaza ettirebilmektedir.

1.3.4.4. Korozyon özellikleri

Borür tabakasının suya ve atmosfere karşı korozyon direnci düşük olmasına karşılık, bazı asitlere

ve sıvı metallere karşı iyi direnç gösterir. Özellikle HCl, H2SO4 ve H3PO4 gibi asitlerle alüminyum,

kurşun ve çinko gibi metallerin sıvı banyolarında borlu malzemelerin korozyon direnci çok yüksektir.

Yüksek kromlu çeliklerde borlama ile koruyucu krom oksit yerine daha az koruyucu olan krom borür

meydana gelir. Bu bakımdan yüksek alaşımlı malzemelerin borlanmasıyla daha iyi korozyon özelliği

her zaman elde edilmeyebilir.

27

Şekil 1.9

1.3.4.5. Bor tabakasının özelliklerine etki eden faktörler

Borlama esnasında uygulanan yöntem, kullanılan borlama maddesi, borlanan malzemenin cinsi ve

işlem parametreleri, oluşan borür tabakasının şekline ve özelliklerine etki eden faktörlerdir. Metal

yüzeyinde borlama işlemi ile oluşturulan borür tabakasının kalınlığını etkileyen faktörler borlayıcı

ortamın bileşimi ve konsantrasyonu, işlem sıcaklığı ve süresi, alt tabaka metal bileşimidir.

Alaşım Elementlerinin Borlamaya Etkisi

Genel olarak bütün alaşım elementlerinin ilavesi, tabaka kalınlığında azalmaya sebep olduğu tespit

edilmiştir. Alaşım elementleri bor difüzyonunu azaltmakta, ana malzeme ve borür tabakasının

özelliklerini değiştirmektedir. Şekil 1.10'da alaşım elementlerinin borür tabakası kalınlığına etkisi

görülmektedir.

Alaşım elementlerinin bir diğer etkisi de, borür tabakasının sertliğini arttırması ve Fe-B denge

diyagramındaki ötektik noktayı aşağıya kaydırmasıdır. Fe-B sisteminde %1C, ötektik sıcaklığını 50°C

kadar düşürmektedir (Taşçı 1993).

Şekil 10

Ana malzeme içerisindeki karbon oranının artması Şekil 1.10' dan da anlaşıldığı gibi tabaka

kalınlığını azaltmaktadır. Karbon FeB ve Fe2B gibi fazlarda çözünmediğinden, karbon fazlalığının

sonucu borür tabakası altında geçiş bölgesi meydana gelmektedir (Matuschka 1980). Bu bölgedeki

karbonun, Fe3C, Cr3C, Fe6C3 gibi karbürler oluşturarak borlama mekanizmasını etkilediği ve borür

tabakasını daha sık ve sert yaptığı düşünülmektedir. Artan krom miktarı tabaka kalınlığında ve ara

yüzeyde oluşan girintili çıkıntılı yapıda azalmaya sebep olur. %4Cr içeren çeliklerde kolonsal

karakterde ve 65-95 um kalınlıkta borür tabakası elde edilirken, %12 Cr içeren çeliklerde ise 65 um

kalınlıkta daha düz karakterde borür tabakası elde edilmiştir. %26 Cr içeren çeliklerde ise borür

tabakasının kalınlığı genel olarak 5 um'yi aşmamaktadır.

28

Mangan ve nikel borür tabaka kalınlığını fazla etkilememektedir (Matuschka 1980). Buna karşılık

yüksek nikel oranı borür tabakasının kolonsal yapısını azaltmakta, yüksek poroziteyi ve kötü mekanik

özellikleri beraberinde getirmektedir.

Silisyum, borür tabakası sertliğini etkilemez, ancak geçiş bölgesinin sertliği Si artışı ile artar.

Silisyum, borür tabakasının gevrekliğini arttırdığı için %1'in üzerinde silisyum içeren çelikler borlamaya

uygun değildir.

Wolfram, molibden, vanadyum miktarının çelikte artmasıyla tabaka kalınlığı azalır ve kolonsal yapı

düzleşir. Borlanacak malzemelerde vanadyum miktarının %0,15' i geçmemesi istenir.

Titanyum, FeB'de çözünür ve FeB'nin sertliğini arttırır. Ayrıca geçiş bölgesinde tane irileşmesini

önleyici rol oynar.

1.3.4.6. Bor tabakasındaki artık gerilmeler

Borür tabakasının mekanik özellikleri artık gerilmelerle ilgilidir. Isıl işlem, malzeme cinsi ve borlama

şartlarına bağlı olarak, borür tabakası ve tabaka ana metal ara yüzeyinde iç gerilmeler oluşur.

Tabakanın faz yapısı (çift fazlı Fe2B+FeB, tek fazlı FeB) ve geometrisi (girintili veya düz oluşu), iç

gerilmelerin tabakada yapacağı hasara etki etmektedir. İdeal tabaka için tek faz (Fe2B) ve iç

gerilmenin daha geniş bir alana yayılması için tabaka geometrisinin girintili çıkıntılı olması arzu

edilmektedir. Tabakanın Fe2B yanında FeB de içermesinin sakıncası, iki tabakada da farklı yönlenmiş

iç gerilmelerin oluşmasıdır. İç gerilmeler Fe2B'de basma, FeB'de ise çekme gerilmesi şeklindedir. Fe2B

ile FeB arasında -90 kg/mm2 kadar bir basma gerilmesi oluşabilmektedir. Bu tür gerilmeler tabakanın

çatlamasına ve FeB tabakasının dökülerek malzeme yüzeyinin bozulmasına neden olur. İç

gerilmelerin nedeni FeB, Fe2B ve ana malzemenin termal uzama katsayılarının farklılığındandır.

1.3.5. Horlanmış malzemelerin ısıl işlemleri

Borür tabakasının Fe2B fazı genleşme katsayısı çelik grubu malzemelerin ortalama genleşme

katsayılarına yakın olduğundan, bu tür malzemelere borür tabakasına zarar vermeden alışılagelmiş

metotlarla ısıl işlem uygulanabilmektedir. Ostenitleme, 1150°C'nin üstüne çıkmama koşulu ile nötr

atmosferde yapılmalıdır.

Yüksek basınçlara maruz kalacak borlanmış parçalar ısıl işleme tabi tutulmadan kullanılmamalıdır.

Borlu tabakanın altı yumuşaksa, lokal basınçlar yüzünden tabaka çökmesi ve dökülmesi gibi etkiler

görülebilir.

Bütün difüzyon yöntemlerinde olduğu gibi borür tabakasının oluşumunda da bir hacim artışı

olmaktadır. Boyut değişimi, tabaka kalınlığı ve kullanılan malzemeye bağlıdır. Boyut artışı genel olarak

tabaka kalınlığının %20'si kadardır (Biddulph 1977). Alaşımlı çeliklerde ise bu değer %80'lere kadar

çıkabilmektedir.

1.3.6. Borlama işleminin getirdikleri

Borlu tabakalar, klasik olarak sertleştirilmiş tabakalara göre özel avantajları olan çok sayıda

karakteristik özelliğe sahiptir. Borlu tabakanın temel bir avantajı, yüksek ergime noktalı bileşik fazların,

29

yüksek sertlik değerlerine sahip olmasıdır. Borlanmış çeliklerin diğer çeliklerden ve diğer sert

malzemelerden yüzey sertlik değerleri bakımından karşılaştırılması Tablo 1.10'da verilmiştir. Bu tablo,

karbon çelikleri üzerinde uygulanmış olan borlu tabakanın sertliğinin, uygulanmakta olan klasik yüzey

sertleştirme işlemleri ile üretilenlerden çok daha iyi olduğunu açıkça gösterir. Borlu tabakaların sertliği,

sertleştirilmiş olan takım çeliği ve sert krom kaplanmış parçaların sertliğinden daha fazladır. Yüksek

yüzey sertliği ve borlu tabakanın düşük sürtünme katsayısı temel aşınma mekanizmalarını (yapışma,

sürtünme oksidasyonu vb) yavaşlatır.

Borlama işlemi ile gerçekleştirilen önemli bir avantaj, ürünlerin ve takım ömrünün arttırılmasıdır.

Borlama işlemi ile makinelerde oldukça pahalı olan parçalar yerine daha ucuz olan daha iyi

performans gösteren borlanmış parçalar kullanıldığında makinelerin maliyetlerinde azalma meydana

gelmektedir. Borlama işleminin yaygın olarak kullanıldığı ülkelerde, makinelerin pahalı orijinal parçaları

borlanmış parçalarla değiştirilmektedir. Bu sayede büyük maddi kazançlar sağlanmaktadır (Andrew

1974).

Saygın (2006) yaptığı çalışmasında AISI 1020 çeliğinde yaptığı değişik özelliklerdeki borlama

işlemlerinin hepsinin eğilme-yorulma dayanımında azalma olduğunu gözlemlemiştir.

Çelikler ve demir olmayan alaşımlardan, borlama işlemi sayesinde malzemeden beklenen

özelliklerin çok üzerinde özellikler kazanan parçaların üretilmesi mümkün olmaktadır. Aynı zamanda

borlama işlemi WC'ün sertliğine yakın bir sertlik ve PTFE'in sürtünme katsayısına yakın bir sürtünme

elde edilmesini sağlar.

Tablo 1.10 Diğer ısıl işlemler ve sert malzemeler ile borlanmış çeliklerin tipik yüzey sertliğinin

karşılaştırılması

Malzeme Mikrosertlik, HV

Borlu yumuşak çelik 1600

Borlanmış AISI H13 takım çeliği 1800

Borlanmış X100CrMoV51 (AISI A2) çeliği 1900

Sertleştirilmiş ve temperlenmiş X100CrMoV51 (AISI

A2) takım çeliği

630-700

Yüksek hız çeliği 900-910

Nitrürasyon çelikleri 650-1700

Karbürlenmiş düşük alaşımlı çelikler 650-950

Sert krom kaplama 1000-1200

B4C 5000

SiC 4000

TiC 3500

Elmas > 10000

Borlanmış malzemelerin avantajları ve dezavantajları;

30

Avantajları:

- Yüksek sertlik ve aşınma dayanımı,

- Nitrürleme ve sementasyon ile karşılaştırıldığında borlanmış tabaka sertliğini yüksek sıcaklıklarda da

koruması,

- Bu yöntemle çok geniş bir aralıktaki çeliklerin borlanabilmesi,

- Gaz karbürleme ve plazma nitrürleme işlemi ile kıyas edildiğinde, esnek olmaması ve yoğun işçilik

gerektirmesi bu yöntemin daha pahalı olduğunu ortaya çıkarmaktadır,

- Borlama sonucu az da olsa hacimsel boyut değişimi,

- Borlanmış malzeme yüzeyinden hassas işleme gerektiğinde, bu sadece elmas lepleme ile yapılması

gerekliliği (konvansiyonel taşlama yöntemleri borlanmış tabakaların çatlamasına yol açabilmektedir),

- Genel olarak, borlanmış çelik alaşımlarının karbürlenmiş ve nitrürlenmiş çeliklere göre dönmeye

çalışan ve noktasal yorulmaya çalışan parçaların dayanımlarının düşük oluşu (bu sebeple dişlilerin ve

vidaların borlanması oldukça sınırlıdır),

- Çoğunlukla borlamadan sonra borlanmış tabakanın bütünlüğünü korumak için takımları

temperlemek ve/veya sertleştirmek gerekliliği.

2. LİTERATÜR BİLGİSİ VE BORLAMA İŞLEMİNİN ENDÜSTRİYEL UYGULAMA ÖRNEKLERİ

Borlama konusunda Matuschka (1980), Boronizing adlı bir kitap yazmıştır. Bu kitapta, borlama, bor

tabakası özellikleri ve borlama işlemi uygulamalarına örnekler yer almaktadır. 1895-1980 yılları

arasında yapılmış çalışmaların geniş bir araştırmasını yaparak derlemiştir.

Bindal (1991) çalışmasında 3 ticari karbon çeliği (AISI 1020, 1040 ve 1050) ile özel olarak

hazırlanmış 6 adet az alaşımlı çelik malzemeleri 940°C' de değişik sürelerde borlayarak fiziksel ve

kimyasal bazı parametrelerin değişimini incelemiştir. Borlama süresi ile borür tabakası kalınlığının

azalan bir hızla arttığı, sertlik ve kırılma tokluğu gibi mekanik parametrelerin borlama süresinden çok

oluşan borür bileşiğinin cinsiyle ilişkili olduğu sonucuna ulaşmıştır. Ayrıca sertlik ve kırılma tokluğu, Mn

ilavesi ile Cr ilavesine göre nispi bir artış gösterdiğini ve korozyon davranışlarının da alaşım

elementlerinin ilavesi ile iyileştiğini Mn' ın bu hususta daha etkili olduğunu tespit etmiştir.

Tezcan (1996) borlama işleminin endüstriyel uygulamaları hakkında bir literatür taraması yapmıştır.

Çalışmasında ülkemizde borlamanın laboratuar ortamında ve deneysel olarak çalışıldığından, ancak

endüstriyel alanda yaygın kullanılmadığından bahsetmektedir.

Selam (1996) çalışmasında borlanmış gri dökme demirlerin aşınma davranışlarını araştırmıştır.

Borlama işlemlerini sıcaklığı sabit tutarak süreleri değiştirme ve süreyi sabit tutarak sıcaklığı

değiştirme şeklinde yapmıştır. Borlama neticesinde borlanmış numunelerde aşınma dayanımının

31

yükseldiğini tespit etmiştir. Aşınma deneylerinde kayma yolunun artmasıyla sürtünme katsayısının da

artış gösterdiğini belirlemiştir.

Selçuk (1994) çalışmasında AISI 1020 ve AISI 5115 çeliklerinin sürtünme aşınma davranışlarını

incelemiştir. AISI 1020 çeliğinin düşük yüklerde semente edilmiş AISI 5115 çeliğinin yerine kam mili ve

diğer kullanım alanlarında kullanılabileceği sonucuna ulaşmıştır.

Akgündüz (1991) "Çelikte Alaşım Elementi Olarak Bor ve Borlama ile Yüzey Sertleştirme" isimli

çalışma yapmış ve borlamanın yüksek aşınma dayanımı, düşük sürtünme katsayısı, asitli ortamlarda

korozif dayanım ve yüksek sıcaklıklarda sertliği muhafaza etme konularında büyük üstünlük

sağladığını belirtmiştir.

Karaman (2003), "Endüstriyel Borlama ve Tekstil Endüstrisinde Bir Uygulama" isimli çalışma

yapmıştır. Çalışmasında, ülkemizde ve dünyada borlama işlemi ile ilgi firmaları araştırmış ve ticarî

borlama malzemeleri hakkında bilgiler vermiştir. Ayrıca S235 (St 37) çeliğinden imal edilmiş iplik

kılavuzlarının borlama ile kullanım ömürlerinin 8 kat arttırılabileceğini ifade etmiştir.

Genel vd (2002) çalışmalarında AISI W1 malzemesinin değişik sıcaklık ve sürelerde borlanmasını,

yapay sinir ağları metodunu kullanarak karşılaştırmışlardır. Sonuç olarak, bu yöntemle borlama

özellikleri hakkında %95 oranında tahmin yapılabileceği sonucuna ulaşmışlardır.

30MnCrTi5 (En18A) malzemesini eğmek üzere, X32CrMoV33 (BH10) çeliğinden yapılmış bir eğme

kalıbının (Şekil 2.1), çeşitli radyüslerinin üzerindeki aşınmalar ölçülmüş ve borlamanın aşınmayı

azaltıcı en etkili yöntem olduğu tespit edilmiştir (Nair ve Karamış 2000).

Borlama yoluyla sertleştirilen küresel valf parçalarında abrasif aşınmaya karşı son derece etkin

koruma sağlamıştır. Bu tür valfler (Şekil 2.2) petrol endüstrisinde olduğu gibi yüksek oranda katı

abrasif tanecik içeren gaz ya da sıvıları taşıma sistemlerinde kullanılmaktadır (Hunger ve Trute 1994).

32

Şekil 2.1 Eğme kalıbı (Nair ve Karamı ş 2000).

Şekil 2.2 Borlanmış küresel valf ve metal sızdırmazlık elemanları (Hunger ve Trute1994)

42CrMo4 (AISI 4140) çeliğinden yapılan ve termal yöntemle 50-52 HRC sertleştirilen bir

püskürtme lülesi (Şekil 2.3) incelenmiştir. Lülede 7 bar basınçta ve 183 kg/h debide SiC tanecikleri

taşınmaktadır. Lüleler bu şartlar altında yaklaşık 30 saat'lik bir kullanımdan sonra kullanılmaz hale

gelmektedir. Bu lüle, borlanabilirlik bakımından uygun nitelikler taşıyan C20 (AISI 1020) çeliğinden

imal edilerek 970°C'de 7 saat borlanmış ve yaklaşık 1400 HV0,06 sertliğinde ve yaklaşık 70 um

kalınlığında borür tabakası elde edilmiştir. Aynı çalışma şartlarında püskürtme aşınmasına maruz

33

kalan bu parçaların 600 saat'lik bir çalışma ömrüne ulaştığı tespit edilmiştir. Böylece, daha düşük

dayanımlı bir malzeme ile 20 katlık bir ömür artışı sağlanmıştır (Nair ve Karamı ş 1999).

Şekil 2.3 Hasara uğramış püskürtme lülesi

Borlanmış yüzeylerin soğuk kaynak eğiliminin çok düşük olması adhesiv aşınmayı azaltmada iyi

sonuçlar vermektedir. Şekil 2.4'de Farklı yüzey işlemi görmüş alüminyum derin çekme kalıbında işlem

sayısına (n) bağlı olarak kalıp yüzey kalitesinin değişimi verilmiştir.

34

Şekil 2.4 Farklı yüzey işlemi görmüş alüminyum derin çekme kalıbında işlem sayısına (n) bağlı olarak

kalıp yüzey kalitesinin değişimi (Hunger ve Trute 1994)

Mineral katkılı plastik granüllerin taşıma ekipmanları da borlanabilmektedir (Sinha 1991).

Şekil 2.5'de borlanmış bir taşıma bandı görülmektedir.

Şekil 2.5 Borlanmış bir taşıma bandı (Anonymous 1998)

Volkswagen firmasının araçlarında kullanmış olduğu parçalarda borlama işleminin uygulanabilmesi

üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Bu firma halen kullandığı yağ pompası dişlilerini Bortec firmasında

borlama işlemi yaptırarak kullanmaktadır (Karaman 2003).

°/o3 Ni, %1 Cr ve %0,5 Mo alaşımlı çelikten imal edilen tren vagonlarının alt düzen süspansiyon

parçaları, 100.000 km yol kat edilmesi sonrası kullanım ömrünü tamamlamaktadır. Parçaların

değiştirilmesi için bütün vagonu kaldırmak gerektiğinden, çok masraflı olmaktadır. Vagon alt düzen

süspansiyon parçaları 900°C' de 4 saat borlandığında, 200.000 km yol kat ettikten sonra halen

kullanılabilmektedir (Karaman2003).

Şekil 2.6' da abrasif tanecikleri sınıflandırmada kullanın bir eleme cihazına ait yatak plakaları

görülmektedir. SiC hazırlamada kullanılan St30 çeliğinden imal edilen yatak plakalarının yağlama

kanalları, normal şartlarda 3000 saat çalışmadan sonra aşınarak kaybolmaktadır. Aynı plaka 200um

tabaka kalınlığı elde edilecek şekilde borlandığında çalışma ömründe 5 katlık bir artış sağlanarak

15000 saat çalışmıştır (Nair ve Karamış2000).

35

Şekil 2.6 Aynı işlem zamanına sahip borlanmış ve borlanmamış yatak plakaları

(Nair ve Karamış 2000)

Cam sanayinde kullanılan X210Cr12 (1.2080) çeliğinden imal edilen mastörler (Şekil 2.7)

borlandığında aşınma dirençleri artmakla birlikte ergimiş camın üzerine yapışmasına izin

vermemektedirler. Ayrıca borlanmamış şişe kalıplarının ömrü 1 milyon şişe olmakta ve 8 saatte bir

kalıpların yüzeyinde aşınmalar olduğu için değiştirilmek zorunda kalınmaktadır. Borlama sonrası

aşınma miktarı azalan kalıpların kullanım ömürleri yaklaşık 4-5 kat artış göstermiştir (Karaman 2003).

Şekil 2.7 Cam sanayi mastörleri

36

Çimento sanayinde kullanılan fanlar (Şekil 2.8), trasfer ettikleri havada aşırı miktarda aşındırıcı

partikül bulunduğundan ötürü, kısa zamanda kanatları aşınmaktadır. Ancak, borlama işlemi sonrası

çalışma ömürleri belirgin bir biçimde artış göstermiştir.

Şekil 2.8 Çimento fabrikasında kullanılan fan (Karaman 2003)