FARKLI YÖNTEMLER İLE STELLİTE KAPLANAN YAPI ÇELİĞİNİN MİKROYAPI VE AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ. Serkan APAY DOKTORA TEZİ METAL EĞİTİMİ

Transkript

1 FARKLI YÖNTEMLER İLE STELLİTE KAPLANAN YAPI ÇELİĞİNİN MİKROYAPI VE AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Serkan APAY DOKTORA TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMMUZ 2013 ANKARA

2 Serkan APAY tarafından hazırlanan FARKLI YÖNTEMLER İLE STELLİTE KAPLANAN YAPI ÇELİĞİNİN MİKROYAPI VE AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ adlı bu tezin Doktora tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. Behçet GÜLENÇ. Tez Danışmanı, Metalürji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Metal Eğitimi Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Süleyman GÜNDÜZ İmalat Müh. Anabilim Dalı, Karabük Üniversitesi Doç. Dr. Behçet GÜLENÇ Metalürji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı, G.Ü. Prof. Dr. Süleyman TEKELİ Metalürji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı, G.Ü.... Prof. Dr. Halil ARIK Metalürji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı, G.Ü.. Prof. Dr. Nizamettin KAHRAMAN İmalat Müh. Anabilim Dalı, Karabük Üniversitesi Tez Savunma Tarihi: 05/07/2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Serkan APAY

4 iv FARKLI YÖNTEMLER İLE STELLİTE KAPLANAN YAPI ÇELİĞİNİN MİKROYAPI VE AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ (Doktora Tezi) Serkan APAY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Temmuz 2013 ÖZET Bu çalışmada imalat sektöründe sıklıkla kullanılan düşük karbonlu AISI 1015 yapı çeliği üst yüzeyi üzerine lazer kaynak, plazma transfer ark (PTA) ve TIG kaynak yöntemiyle, kobalt esaslı Stellite 6 alaşımı kaplanmıştır. Yüzeyleri Stellite 6 alaşımı ile kaplı numunelerden mikroyapı görüntüleri çekilerek ana metal, ısı tesiri altındaki bölge, kaplamanın ana metale nüfuziyet miktarı ve kaplama mikroyapısı incelenmiştir. Burada amaç uygulanan kaplama yöntemlerinin, nüfuziyet miktarına kaplama kalınlığının ve bu kalınlığın mekanik zorlamalara etkisinin belirlenmesidir. Mekanik etkileri belirlemek için numunelere aşınma deneyleri ve mikro sertlik ölçümleri yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar neticesinde belirlenen uygun kaynak parametreleri ile kaplanan numuneler 10N, 25N ve 40N yük altında, oda sıcaklığında 1200 kumluk aşındırıcı zımpara kâğıdı üzerinde 5000 metre boyunca aşındırılmıştır. Numunelerin ağırlık kayıpları her 1000 metrede bir ölçülerek aşınma dirençleri incelenmiştir. Ayrıca numune kaplaması üst yüzeyden ana malzeme içine doğru mikro sertlik ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler üst yüzeyden itibaren her 0,2 mm aralıklarda yapılmıştır.

5 v Yapılan aşınma deneyleri sonucunda, en yüksek aşınma direncine lazer kaynak yöntemi ile kaplanmış numune sahip olurken, en düşük aşınma direncine ise TIG kaynak yöntemi ile kaplanmış numune sahip olmuştur. Mikrosertlik sonuçları da aşınma deneyi sonuçlarını desteklemektedir. Lazer kaynak yöntemi ile kaplanan numunede en yüksek sertlik değeri ölçülürken, TIG kaynak yöntemi ile yapılan kaplamada en düşük sertlik değeri elde edilmiştir. Yapılan çalışmalarda alaşımların içerdiği özellikle Co, Cr ve C elementlerinin aşınma direncini ve mikrosertlik değerini arttırdığı görülmüştür. Ayrıca numunelere korozyon deneyi uygulanmıştır. Lazer kaynak ile yapılan kaplama, korozyon direnci en fazla olan numune olmuştur. En düşük korozyon direnci TIG kaynak kaplamalı numunede olmuştur. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Stellite 6, Kaplama, Abrasif Aşınma, Lazer Kaynağı, PTA Kaynağı, TIG Kaynağı, Mikroyapı. Sayfa Adedi : 164 Tez Yöneticisi : Doç. Dr. Behçet GÜLENÇ

6 vi INVESTIGATION OF MICROSTRUCTURE AND WEAR PROPERTIES OF STELLITE COATED STRUCTURAL STEEL WITH DIFFERENT METHODS (Ph.D Thesis) Serkan APAY GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES July 2013 ABSTRACT In this study, the top surface of the AISI 1015 low carbon structural steel used in the manufacturing sector was coated by the cobalt-based alloy Stellite 6 with using laser welding, plasma transfer arc (PTA) and the TIG welding method. Microphotos were obtained fort he samples coated with Stellite 6. From those microphotos, as-received samples, HAZ, the amount of penetration and coating microstructure were investigated. The aim of this work is to determine the effect of coating methods on the amount of penetration, coating thickness and mechanical properties of steel. Wear test and hardness measurment were carried out to measure the mechanical properties. Wear test was applied to the sample coated with appropriate welding parameters under load of 10N, 25N and 40N for 5000 meters. Sliding distance on 1200 mesh emery paper at room temperature. Wear resistance of the samples were determined by measuring the weight loss per 1000 meters. In addition, microhardness measurments were made from the coated surface to the inside of the materials. Measurements were made at intervals of 0,2 mm starting from the upper surface.

7 vii As a result of the wear tests, the sample coated by the laser welding method the highest wear resistance, while the lowest wear resistance was obtained for the sample coated with TIG welding method. This is consistent with the results obtained by microhardness. The sample is coated with the laser welding method revealed the highest hardness values. However samples coated with TIG welding method showed the lowest hardness values. The results indicated that Co, Cr and C alloying elements in alloy increased wear resistance and microhardness of steel. In addition to applied corrosion test samples. Laser welding with coated, corrosion resistance has been the highest sample. TIG welding has been coated sample, the lowest corrosion resistance. Science Code : Key Words : Stellite 6, Coating, Abrasive Wear, Laser Welding, PTA Welding, TIG Welding, Microstructure. Page Number : 164 Adviser : Assoc. Prof. Dr. Behçet GÜLENÇ

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli katkılarıyla beni yönlendiren danışmanım sayın Doç. Dr. Behçet GÜLENÇ e, teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca çalışmalarımda desteklerini esirgemeyen Sayın Prof. Dr. Süleyman GÜNDÜZ, Sayın Prof. Dr. Süleyman TEKELİ hocalarıma ve Sayın Yrd. Doç. Dr. Uğur ARABACI ya, ayrıca; değerli mesai arkadaşlarıma sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarımda teknik ve teorik destek sağlayan AEC METALURJİ A.Ş. çalışanları ile Metalurji ve Malzeme Mühendisi Şeref REKA ya teşekkür ederim. Sadece akademik çalışmam süresince değil, hayatım boyunca maddi-manevi tüm destek ve yardımlarını esirgemeyen, bugünlere gelmemde büyük emeği olan başta annem, babam, kardeşim, eşim ve kızım olmak üzere çok değerli APAY ailesine sonsuz şükran ve minnetlerimi sunarım.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xiv RESİMLERİN LİSTESİ... xvii SİMGELER VE KISALTMALAR... xx 1. GİRİŞ YÜZEY KAPLAMA Yüzey Kaplamanın Tanımı Buhar Fazı Yöntemleri Sol - Jel Yöntemi Kaplama ve Anotlama Yöntemleri (Elektrolitik Kaplama) Isıl püskürtme yöntemleri (Termal Sprey) Alevle püskürtme yöntemleri Plazma püskürtme yöntemi Patlamalı püskürtme ( D-Gun) Elektrik (tel) ark ile püskürtme Yüksek hızlı oksi yakıt (HVOF) püskürtme yöntemi Ergitme Yöntemleri Plazma sprey kaplama yöntemi... 23

10 x Sayfa Plazma kaplama sistemi Plazma kaplama teknolojisinin fiziksel esasları Plazma sprey kaplamaların temel özellikleri Yüzey Hazırlama Ön Isıtma ve Soğutma Kaplama İşleminin Gerçekleştirilmesi Plazma Kaplama Yöntemleri Plazma Sprey Kaplamaların Uygulama Alanları Lazer Yüzey Kaplama Yöntemi Yüzey Kaplama Malzemeleri Nikel esaslı alaşımlar Kobalt esaslı alaşımlar SÜRTÜNME VE AŞINMA Sürtünme Genel tarif ve sınıflandırma Sürtünme kanunları Sürtünme katsayısı Aşınma Aşınma hasarları Aşınma türleri Aşınma deneyleri ve ölçüm yöntemleri ALAŞIMSIZ ÇELİKLER Alaşımsız Çeliklerin Kimyasal Bileşimine Göre Sınıflandırması... 78

11 xi Sayfa 4.2. Alaşımsız Çelikte Elementler Karbon Silisyum Mangan Fosfor Kükürt Azot (Nitrojen) Oksijen Hidrojen Alaşım Elementlerinin Çeliklerin Özelliklerine Etkileri Yapı değişiklikleri Alaşım elementlerinin çeliklerin kaynaklanabilirliğine olan etkileri Alaşım elementlerinin diğer etkileri Düşük Karbonlu Çeliklerde Kaynak Metali Östenit Tane Yapısının Değerlendirilmesi Kaynak Metalinde İnklüzyon Oluşumu Kaynak metali mikroyapısı YAPILAN BENZER ÇALIŞMALAR DENEYSEL ÇALIŞMALAR Malzeme AISI 1015 Yapı çeliği Kaplama malzemesi Metot... 96

12 xii Sayfa Deney numunelerinin kaplanması Metalografik çalışmalar Tarama elektron mikroskop çalışmaları (SEM) ve EDS analizleri X-Işınları kırınım (XRD) analizleri Sertlik deneyleri Aşınma deneyleri Korozyon deneyleri DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA Mikroyapı Görüntüleri SEM Görüntüleri ve EDS Analizleri TIG Kaynak kaplamalı numune SEM görüntüsü ve EDS analizi PTA Kaynak kaplamalı numune SEM görüntüsü ve EDS analizi Lazer Kaynak kaplamalı numune SEM görüntüsü ve EDS analizi XRD Analizi Sonuçları Sertlik Deneyi Sonuçları Aşınma Deneyleri Korozyon Deneyleri SONUÇ ve ÖNERİLER Sonuç Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ

13 xiii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Çizelge 2.2. Çizelge 2.3. Çizelge 2.4. Çizelge 2.5. Çizelge 2.6. Çizelge 2.7. Çizelge 2.8. Çizelge 3.1. Çizelge 3.2. Çizelge 4.1. Çizelge 6.1. Çizelge 6.2. Çizelge 6.3. Çizelge 6.4. Çizelge 6.5. Çizelge 6.6. Çizelge 7.1. HVOF kaplamaların kullanılmasının getirdiği yararlar...22 Plazma gazlarının kimyasal özellikleri...27 Stellite 1 e ait kimyasal kompozisyon...41 Stellite 12 ye ait kimyasal kompozisyon...41 Eatonite 6 ya ait kimyasal kompozisyon...42 Nikel 60 a ait kimyasal kompozisyon...42 Stellite 6 ya ait kimyasal kompozisyon...43 Stellite F e ait kimyasal kompozisyon...43 Metallerin adhesyonunu etkileyen faktörler...66 Abrasiv aşınma proseslerinin içerdiği tipik aşınma hızları...69 Alaşımsız ve alaşımlı çeliklerin sınıflandırılması için sınır değerler..78 Deneylerde kullanılan AISI 1015 çeliğinin kimyasal bileşimi...95 Stellite 6 kaplama alaşımına ait kimyasal bileşim tablosu...96 TIG Kaplamada kullanılan parametre verileri...98 PTA Kaplamada kullanılan parametre verileri...99 Lazer kaynak kaplamada kullanılan parametre verileri Korozyon deneyi parametre verileri Mikrosertlik ölçüm sonuçları...131

14 xiv ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Termal püskürtme yöntemlerinin temel oluşum aşamalarının gösterilişi...9 Şekil 2.2. Alevle püskürtme yönteminin şematik gösterilişi...11 Şekil 2.3. Alevle püskürtme yönteminin torna tezgahı kullanılarak uygulanması...12 Şekil 2.4. Eksenel toz enjeksiyonlu plazma püskürtme yöntemi...13 Şekil 2.5. Dikey toz beslemeli plazma püskürtme yöntemi...14 Şekil 2.6. Patlamalı püskürtme işlemi ile termal sprey kaplama...15 Şekil 2.7. Elektrik arkı ile püskürtme...18 Şekil 2.8. HVOF ısıl püskürtme düzeneğinin şematik gösterimi...20 Şekil 2.9. DJ HVOF Sprey tabancasının enine kesitinin şematik görünüşü...21 Şekil Plazma kaplama sistemi...24 Şekil Plazma sprey tabancasının şematik görünüşü...25 Şekil Plazma kaplama...26 Şekil Kaplamaların kullanıldığı genel endüstri dalları...35 Şekil Plazma sprey kaplamaların başlıca uygulama alanları...36 Şekil Kobalt bazlı sert dolgu tozu ile CO2 lazer kullanarak kaplama işlemi...36 Şekil Lazer yüzey kaplama tekniği...37 Şekil Lazer yüzey kaplama için alaşım tozlarının gösterimi...38 Şekil 3.1. Sürtünme çeşitleri...44 Şekil 3.2. Kuru sürtünme modeli...46 Şekil 3.3. Kuru sürtünme halinde yüzeylerin durumu...46 Şekil 3.4. Mikro kaynakların oluşması...47

15 xv Şekil Sayfa Şekil 3.5. Sınır sürtünmesi...50 Şekil 3.6. Sıvı sürtünme...51 Şekil 3.7. Hidrodinamik sıvı sürtünmesi...53 Şekil 3.8. Sürtünme katsayısının değişimi...54 Şekil 3.9. Hidrostatik sıvı sürtünme...54 Şekil Yuvarlanma sürtünmesi...55 Şekil Elastohidrodinamik sürtünmesi...56 Şekil Statik ve dinamik sürtünme katsayıları...58 Şekil Tribolojik bir sistemin şematik olarak gösterimi...59 Şekil Adhesiv aşınmada oluşan kaynak bağı...62 Şekil Kaynak bağlarının kopması ve malzeme transferi...63 Şekil Üç cisimli abrasiv aşınma mekanizması...68 Şekil Abrasiv tane boyutunun fonksiyonu olarak iki metalin aşınma oranı...68 Şekil Kazımadan kaynaklanan toplam ağırlık kaybında, toplam yer değiştirme miktarının etkisi...73 Şekil Yağlamalı ve yağlamasız adhesiv aşınma deney yöntemleri...74 Şekil Abrasiv aşınma deneylerinde kullanılan yöntemler...75 Şekil 4.1. Östenitik çelik tipi şeması ferrit oluşturucuların dolayı sıkıştırılmış bölge...83 Şekil 4.2. Ferritik çelik tipi şeması...83 Şekil 4.3. Kaynak sıvı metalinin a) δ ferrit ve b) östenit olarak katılaşması durumunda büyük inklüzyonların yerleşme durumu...85 Şekil 4.4. Sıcaklık ve zamana bağlı inklüzyon oluşumu...86 Şekil 4.5. Düşük karbonlu çelikte kaynak metalinde oluşabilecek mikroyapılar...88

16 xvi Şekil Sayfa Şekil 4.6. Kaynak metalinde mikro yapı gelişiminin şematik görünümü...89 Şekil 4.7. Widmanstatten ferritin değişik morfolojileri...91 Şekil 6.1. Aşınma numuneleri Şekil 7.1. TIG kaynak numunesi çizgi analizi ve analiz grafiği Şekil 7.2. TIG kaynak numunesi çizgi analizi EDS analiz grafiği Şekil 7.3. PTA kaynak numunesi çizgi analizi ve analiz grafiği Şekil 7.4. PTA kaynak numunesi çizgi analizi EDS analiz grafiği Şekil 7.5. Lazer kaynak numunesi çizgi analizi ve analiz grafiği Şekil 7.6. Lazer kaynak numunesi çizgi analizi EDS analiz grafiği Şekil 7.7. TIG kaynakla Stellite 6 kaplı numune XRD analizi diyagramı Şekil 7.8. PTA kaynakla Stellite 6 kaplı numune XRD analizi diyagramı Şekil 7.9. Lazer kaynakla Stellite 6 kaplı numune XRD analizi diyagramı Şekil Numunelerin kaplama yüzeyinden merkezine doğru sertlik değerleri..130 Şekil N Yük, 300 dev/dk aşınma deneyi sonuçları Şekil N Yük, 300 dev/dk aşınma deneyi sonuçları Şekil N Yük, 300 dev/dk aşınma deneyi sonuçları Şekil Korozyon deneyi sonucunda numunelerde ağırlık kayıpları...149

17 xvii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 6.1. AISI 1015 düşük karbonlu yapı çeliği numuneleri...95 Resim 6.2. Kaplama işlemlerinde kullanılan TIG kaynak makinesi...98 Resim 6.3. PTA kaplama işlemi, a) Kaynağın yapıldığı PTA Kaynak makinesi, b) PTA Kaplama İşlemi...99 Resim 6.4. Lazer Kaplama, a) Kaynağın yapıldığı Lazer kaynak makinesi, b) Kaplama işlemi Resim 6.5. LEO marka 1430 VP model tarama elektron mikroskobu (SEM) Resim 6.6. SHIMADZU marka XRD-6000 model X-Işınları kırınım cihazı Resim 6.7. SHIMADZU mikrosertlik ölçüm cihazı Resim 6.8. Sartorius BP 210 S hassas terazi Resim 6.9. Oda sıcaklığında numunelere uygulanan abrasif aşınma deneyi Resim Korozyon deneyi öncesi numuneler. (P=PTA kaynaklı, L=Lazer kaynaklı, T=TIG kaynaklı) Resim SAL 600 TL tipi, tuzlu sis korozyon cihazı Resim 7.1. TIG kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (500x), b) Stellite 6 kaplama (1000x) görüntüsü Resim 7.2. PTA kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (500x), b) Stellite 6 kaplama (500x) görüntüsü Resim 7.3. Lazer mikro kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi(500x), b) Stellite 6 kaplama (1000x) görüntüsü Resim 7.4. TIG kaynak ile Stellite 6 kaplı numune SEM görüntüsü Resim 7.5. TIG kaynak ile Stellite 6 kaplı numune kaplama SEM görüntüsü Resim 7.6. TIG kaynak ile Stellite 6 kaplı numune ana malzeme SEM görüntüsü...115

18 xviii Resim Sayfa Resim 7.7. TIG kaynak EDS element harita analizi Resim 7.8. PTA kaynak ile Stellite 6 kaplı numune SEM görüntüsü Resim 7.9. PTA kaynak ile Stellite 6 kaplı numune kaplama SEM görüntüsü Resim PTA kaynak ile Stellite 6 kaplı numune ana malzeme SEM görüntüsü Resim PTA kaynak EDS element harita analizi Resim Lazer kaynak ile Stellite 6 kaplı numune SEM görüntüsü Resim Lazer kaynak ile Stellite 6 kaplı numune kaplama SEM görüntüsü Resim Lazer kaynak ile Stellite 6 kaplı numune ana malzeme SEM görüntüsü Resim Lazer kaynak EDS element harita analizi Resim N aşınma deneyi SEM görüntüleri Resim N aşınma deneyi SEM görüntüleri Resim N aşınma deneyi SEM görüntüleri Resim Krozyon deneyleri sonucunda numunelerin genel görüntüsü Resim Korozyon deneyleri öncesi numune mikroyapıları. a) Lazer kaynaklı numune, b) PTA kaynaklı numune, c) TIG kaynaklı numune Resim saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda TIG kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi...144

19 xix Resim Sayfa Resim saat sonunda TIG kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi Resim saat sonunda TIG kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi...148

20 xx SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simge ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklamalar Ar B C Co Cr Cu Fe H He Mn Mo Ni N O S Si Ti V W α γ δ aw HRC HV Argon Bor Karbon Kobalt Krom Bakır Demir Hidrojen Helyum Mangan Molibden Nikel Azot Oksijen Kükürt Silisyum Titanyum Vanadyum Wolfram Alfa ferrit Östenit Delta ferrit Widmastatten ferrit Rockwell sertlik değeri Vickers sertlik değeri

21 xxi Simgeler Açıklamalar F n F S F A g a τ km ko τ ko kf R t1 ve R t2 U h M sr Ø s Hm Ha nm µm Mikrometre mm Milimetre cm Santimetre km Kilometre m Metre m/s Metre/saat g/s Gram/saat ml Mililitre mg Miligram gr Gram Normal kuvvet Sürtünme katsayısı Sürtünme kuvveti Kuvvet Temas alanı Metalik bağ yüzdesi Kesme mukavemeti Kopma mukavemeti Kayma mukavemeti Yağ tabakası kopma mukavemeti Her iki yüzeyin maksimum pürüzlülüğü Tabaka hızı Yükseklik Yuvarlanma sürtünme momenti Çap Statik sürtünme katsayısı Aşınan malzeme sertliği Aşındırıcı sertliği Nanometre

22 xxii Simgeler Açıklamalar kg kw s W a W r G M MPa S d V s dev dk Hz J A V N Kilogram Kilowatt Saat Aşınma oranı Ters aşınma oranı Ağırlık kaybı Yükleme ağırlığı Megapascal Aşınma yolu Yoğunluk Bir km aşınma yoluna tekabül eden yükseklik kaybı Devir Dakika Hertz Joule Amper Volt Newton Kısaltmalar Açıklamalar AISI APS ASTM AWS CVD DLC DIN EDS EDX Amerikan çelik standardı Atmosferik plazma sprey Amerika standardı Amerika kaynak standardı Kimyasal buhar biriktirme Sert amorf karbon Alman normu Enerji Dispersif Spektrometresi Edax Analizi

23 xxiii Kısaltmalar Açıklamalar EN HVOF IPS ITAB MIG-MAG NSS PTA PVD SAE SEM SPS TS TIG VPS XRD Avrupa normları High Velocity Oxy-Fuel (Yüksek Hızlı Oksi-Yakıt) İnert plazma sprey Isı tesiri altındaki bölge Metal Inert Gas (Gazaltı Kaynak Yöntemi) Nötral Tuz Püskürtme Testi Plazma transfer ark kaynak yöntemi Fiziksel buhar biriktirme Çelik standardı Scanning Electron Microscope Sualtı plazma sprey Türk standartları Tungsten Inert Gas (Argon Kaynak Yöntemi) Vakum plazma sprey X - Işınları Difraksiyon

24 1 1. GİRİŞ Günümüz şartlarında, metal teknolojilerinde yüzey kaplama işlemleri önemli bir yer tutmaktadır. Yüzey kaplama işlemleri uygulama yöntemleri olarak farklılıklar gösteriyor olsa da uygulama mantığı prensipte aynıdır. Bu mantık, metal veya diğer malzeme yüzeyleri üzerine mekanik veya fiziksel özellikleri ana malzemeden farklı olan kaplama ile yüzeyin tamamen örtülmesidir. Yüzey kaplama işlemlerinin amacı, kaplanan yüzeyin modifikasyonu ile önceki özelliklerinin iyileştirilmesi, hatta geliştirilmesidir. Kaplama uygulamalarında kullanılan yöntemlerin farklı olması, malzemede değişik ısı girdilerine sebep olmaktadır. Bazı yöntemlerde yüksek ısı girdileri oluşmasına rağmen (örn, tozaltı kaynak yöntemi) bazı yöntemlerde ise düşük ısı girdileri oluşmaktadır. (örn, TIG, lazer kaynak) Isı girdilerindeki bu değişiklik malzemede sertlik özelliklerinden, ilave metalin yüzey üzerine kaplanmasındaki nüfuziyet miktarına kadar birçok konuda etkisi olmaktadır. Genellikle mühendislikte kullanılan malzemelerin istenilen mukavemete sahip olması ve uygulanan yükleri taşıması gerekmektedir. Bu tür özelikler malzemenin kendisi ile doğrudan ilgilidir. Ayrıca, malzemelerin verimli olarak kullanılabilmesi için gerekli bazı yüzey özeliklerini de taşıması gerekir. Bu özelikler elektrik, optik ve ısıl özelikler olabileceği gibi malzemenin kullanım süresi ile yakından ilgili olan korozyon ve aşınma direnci gibi özellikler de olabilir. Yukarda sayılan tüm bu özellikleri (mekanik ve yüzey) tek bir malzemede bulmak olanaksız veya çok pahalı olmaktadır. Bu nedenle mühendislik malzemelerinin gerekli yapısal özelikleri sağlayan ucuz bir malzemeden seçilmesi ve diğer yüzey özeliklerinin ise yüzey işlemleri ile sağlanması en uygun çözümdür [1]. Mali değeri yüksek olan bazı makine parçaları, dozer çeneleri ve taş kırıcı silindirler gibi sürekli aşınmaya maruz kalan iş parçalarının aşınma nedeniyle kullanılamayacak hale gelmeleri sonucu yerine yenilerinin takılması mali olarak her zaman kurtarıcı bir çözüm olmamaktadır.

25 2 Maddi imkânları sonuna kadar kullanılarak hazırlanan konstrüksiyonlar da herhangi bir parçanın kırılması veya aşınması, işletmenin günlerce veya haftalarca atıl kalmasına neden olabilir. Bu durumu engellemek amacıyla çeşitli aşınma türleri ve zorlanma şartlarıyla karşılaşan, parçalar kullanılamaz hale gelmeden önce aşınan kısmın uygun kaynak yöntemiyle doldurulması sonucu hem ilk fonksiyonunu yerine getirecek hem de aşınmalara karşı daha dirençli bir hal alacaktır. Bu gibi durumlarda iş parçasını yenilemek yerine tamir ederek tekrar kullanıma hazır hale getirmek hem maliyeti azaltacak hem de iş parçasına istenilen aşınma özellikleri kazandırılarak iş parçasının çalışma ömrü uzatılacaktır. Böylece mali yönden ve çok değerli olan zamandan kazanç sağlanacaktır. Hatta bazı makine parçalarının yenisinin veya yedeğinin ülke dışından getirtilmesi durumlarından kurtularak işletme büyük ölçüde iş ve zaman kaybından korunacaktır. Makine parçasının aşınan kısımlarının tamiratı esnasında uygulanacak kaynak yönteminin özenle seçilmesinin de önemi büyüktür. Seçilen kaynak yönteminin önemini maliyet ve zaman açısından değerlendirmek en doğru yaklaşımdır. Dikkatsiz, plansız ve programsız seçilen kaynak yöntemi maliyet ve zaman kaybına neden olabilir [2]. Yüzey kaplama işlemleri farklı yöntemlerle uygulansa da sıklıkla karşımıza çıkan uygulamalarda kaynaklı birleştirme yöntemleri ile uygulandığı görülmektedir. Oksigaz kaynak yöntemi, elektrik ark kaynak yöntemi, MIG-MAG kaynak yöntemi, TIG kaynak yöntemi, tozaltı kaynak yöntemi kaplama işlemlerinde uygulanan yöntemlerden bazılarıdır. Bu yöntemlere ek olarak lazer kaynak ile kaplama ve plazma transfer ark (PTA) kaynak yöntemleri de uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Kaplama işlemi uygulanmasında bazı yöntemlerde ilave tele ihtiyaç varken, bazı yöntemlerde ise toz bileşenler kullanılmaktadır. İlave tel ve toz ile yapılan kaplama işlemleri koruyucu gaz atmosferi altında yapılmaktadır. Seçilen kaynak yönteminin yanı sıra, kaynaklı birleştirme veya dolgu kaynağı için seçilecek elektrot da diğer büyük önem arz eden bir maddedir. Aşınma değeri yüksek

26 3 olan bir bölgenin doldurulması için aşınma mukavemeti yok denecek kadar az olan elektrot kullanılması yine maliyeti ve zamanı büyük ölçüde etkileyecektir. Aşınan bölge belirli bir süre kullanıldıktan sonra tekrar aşınacak ve yeniden parça sökülerek yeniden dolgu kaynağı uygulanacaktır. Bu çalışmada, TIG, Plazma kaynak (PTA) ve Lazer mikro kaynak yöntemleri ile Deloro Stellite Group şirketi tarafından üretilen, kobalt bazlı dolgu malzemesi Stellite 6 ile yapısal çelik üzerine kaplama yapılmıştır. Yapılan kaplama işlemi sonucunda, kaplanan yüzeylerin mikroyapıları incelenmiştir. SEM görüntüleri alınıp, EDX ve XRD analizler yapılmıştır. Çizgi analizi yöntemi ve element haritası analizleri ile Stellite 6 alaşımından numuneye krom ve kobalt difüzyonu incelenmiştir. Mekanik test olarak numunelere mikro sertlik ölçümleri ve aşınma deneyleri uygulanmıştır. Ayırca numuneler %5 NaCl deniz suyu ortamındada 35 o C sıcaklıkta korozyon deneylerine tabitutulmuştur. Deneylerden elde edilen sonuçlarda önce numuneler birbirleri ile karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Sonra literatür çalışmalarından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak yorumlar desteklenmiştir.

27 4 2. YÜZEY KAPLAMA 2.1. Yüzey Kaplamanın Tanımı Yüzey kaplama; yeni bir yüzey tabakası elde etmek amacıyla kimyasal bileşimi bilinen bir metal veya alaşımın kaynak yöntemleri kullanılarak farklı özellikte başka bir malzeme yüzeyine kaplanması işlemidir. Kaplama sonrası malzeme yüzeyinde aşınma direnci, sertlik artışı ve korozyon direnci gibi tribolojik olaylara karşı daha dayanıklı bir tabaka elde edilir. Kaplamalar malzeme özelliklerini geliştirmek amacıyla yapılır. Kaplama işlemi; Buhar Fazı Yöntemleri, Sol-Jel Yöntemi, Kaplama ve Anotlama Yöntemleri (Elektrolitik Kaplama) ve Ergitme Yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilir. Kaynak ve termal püskürtme ile kaplanmış yüzeylere alevle sertleştirme, endüksiyonla sertleştirme, nitrürasyon ve sementasyon gibi yüzey sertleştirme işlemleri uygulanamaz. Kaplama malzemesinin ana metalden daha üstün korozyon, mukavemet ve aşınma direncine sahip olması gerekir. Günümüzde dört çeşit sert yüzey kaplama yöntemi uygulanır. Bunlar sert yüzey kaplama, dolgu kaplama, koruyucu kaplama ve kademeli kaplama olarak adlandırılır [3]. Yüzey kaplama işlemi uygulamalarında çeşitli metal ve alaşımlar kullanılır. Bu kaplama malzemelerinden birisi de Stellite olarak bilinen kobalt esaslı sert dolgu alaşımlardır. Kobalt esaslı yüzey kaplama alaşımları yüksek sıcaklık dahil, iyi derecede aşınma ve korozyon direnci gerektiren uygulamaların bir çoğunda kullanılır. Bu alaşımlar, yüksek hacim oranlarında karbür içerdikleri için yüksek sertliğe sahiptirler. Ağır ve mekanik darbeli çalışma ortamlarında da yüksek tokluğa sahip olmaları nedeniyle başarılı bir şekilde kullanılırlar. Bu alaşımlar aynı zamanda yüksek çalışma sıcaklıklarındaki dayanımlarının ve korozyon dirençlerinin yüksek olması nedeniyle jet motorları, rotor, türbin kanatları, valfler, dişçilik ve cerrahi aletler, egzoz çıkış boruları yapımında kullanılırlar. Yüzey kaplama alaşımları mikroyapısal olarak genellikle borürler ve karbürler gibi sert çökelti fazları içerirler ve bu çökelti fazları demir, nikel veya kobalt esaslı alaşımlardan oluşan daha yumuşak bir matris içinde yer alırlar. Karbürler, demir ve

28 5 kobalt esaslı yüzey kaplama alaşımlarında sert faz olarak bulunurlar. Demir ve kobalt esaslı sert yüzey kaplama alaşımlarında, karbon oranı ağırlıkça % 4, diğer alaşımlarda karbon ve bor elementlerinin birlikte bulunması durumunda, karbon ve borun toplam ağırlıkça oranının % 5 civarında olması gerekir [1]. Kobalt, nikel ve demir esaslı yüzey kaplama alaşımlarının birçoğunun matrisi genellikle % 35 den fazla Cr, % 30 den fazla Mo ve % 13 ün üzerinde W ve az miktarda silisyum ve mangan içerir. Kobalt esaslı yüzey kaplama alaşımlarının karbür içerikli alaşımlar ve Laves fazı içerikli alaşımlar olmak üzere farklı karbürler içeren ticari iki türü vardır [6,7]. Bu alaşımlardan ilk geliştirileni kobalt esaslı Co-28Cr-4W 1,1C alaşımı olup, bu alaşımın içinde farklı karbürler bulunur. Karbür içeren kobalt esaslı alaşımlar arasındaki temel fark bunların karbon oranlarının farklı olmasıdır. Yüksek oranda tungsten içeren alaşımlarda tungstence zengin M 6 C karbüründen başka kromca zengin M 7 C 3 karbürü de bulunur. Düşük karbonlu alaşımlarda ise daha çok kromca zengin M 23 C 6 karbürü bulunur [3,4]. Co-esaslı alaşımlarda karbürler kimyasal bileşime bağlı olarak oluşurlar. Karbür dağılımının düzenlenip kararlı hale getirilmesi, alaşımın özelliklerinin iyileştirilmesi ve özellikle yüksek sıcaklıkta sürünme dayanımının artırılması için alaşım elementi oranları çok hassas bir şekilde ayarlanmalıdır. Krom oranının yüksek olması nedeniyle (Cr oranı> %20), bu alaşımlarda M 7 C 3 ve M 3 C 2 karbürleri nadiren oluşurlar, oluşmaları durumunda da yaşlandırma sonucunda çözünürler. Alaşımda bulunan Cr elementi en yaygın olan M 23 C 6 türü karbürlerin oluşumunu sağlar. M 23 C 6 tipi karbürün kimyasal bileşimi alaşımın kimyasal bileşimine bağlıdır. MM 509 türü bir alaşımda bu karbür [Cr.77Co.27W.03(Ni+Ta).03] 23 C 6 formunda bulunur ve [Cr18Co4(W,Ta)1]C 6 formülüyle gösterilebilir. Alaşıma Mo ve W katıldığında yapıda M 6 C tipi karbür oluşur. Kobalt karbür oluşturmaz ancak alaşımda bulunan % 0,2-1 C, %10-30 Cr kararlı M 23 C 6 karbürünü oluştururlar.

29 6 Makina elemanları mümkün olan en düşük maliyetli malzemeden üretilmeye çalışılır. Daha sonra yüzeyi arzu edilen başka bir malzeme ile kaplanabilir. Çünkü büyük boyutlarda bir makine elemanının sadece kobalt esaslı alaşım kullanılarak üretilmesi hem zor hem de çok pahalıdır. Üretim aşamasındaki zorluk özellikle kaplama alaşımlarının plastik deformasyon özelliklerinin yetersiz ve normal şartlarda sertliklerinin yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Oysa kobalt esaslı alaşımlar yüksek çalışma sıcaklıklarına, aşınmaya ve korozyona karşı dayanıklı olmaları nedeniyle bir yüzey kaplama malzemesi olarak kullanılabilir. Bu alaşımlar ileri sanayi ülkelerinde çok iyi bilinmelerine rağmen ülkemizde henüz yakın zamanlarda bir kaplama malzemesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu nedenle bu çalışmanın amacı endüstride çokça kullanılan veya aşınarak hurdaya ayrılma durumuna gelmiş demir esaslı motor elemanlarının yeniden kazanımı için aşınan yüzeylerin yüksek sertliğe ve korozyon direncine sahip kobalt esaslı alaşımlarla kaplanabilirliğinin araştırılmasıdır [3,4] Buhar Fazı Yöntemleri Bu yöntemlerde; malzemelerin yüzeylerinde sert kaplamalar elde etmek için, çeşitli yöntemlerle elde edilen kaplama malzemesi buharları iş parçası yüzeyinde biriktirilir. Buhar fazı yöntemleri fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) olup, bu iki temel yöntemin çeşitli varyasyonları mevcuttur [5]. Bu yöntemler temelde üç adımda gerçekleşir. Bu adımlar; 1. Kaplama malzemesinin buhar fazının oluşturulması: Buhar fazı lazer yoluyla, elektrolitik yöntemle, plazma püskürtmeyle ve patlamalı püskürtme yöntemiyle sağlanabilir. 2. Oluşan buharın kaplanacak malzemeye taşınması ve 3. Buhar fazın malzeme üzerinde yoğunlaşması ve ince katı filmin büyümesidir. PVD işlemlerinde kaplama buharı; kaplama malzemesinin ısıtılması ile yapılan buharlaştırma ile ya da kaplama malzemesinin yüksek enerjili partiküllerle

30 7 bombardımanı sonucunda malzemeden kopan ve yerinden çıkan partiküllerle sağlanan iyon söktürme işlemleriyle oluşturulur. Bazı PVD işlemlerinde buhar iyonize olur veya gaz ya da plazma ile tepkimeye girerek ana malzemeye bu şekilde ulaşır. Böylece oluşturulan film tabakanın bileşimi ya da yapısı değiştirilir. CVD işlemlerinde ise, kolay buharlaşan bir kaplama malzemesi ile bir gaz, termal ya da diğer yöntemlerle malzemenin yakınında tepkimeye sokulur. Oluşan buhar, katı bir şekilde sıcak ana malzeme üzerinde biriktirilir [5]. PVD ve CVD metotları kullanılarak metaller, alaşımlar ve refrakter bileşikler gibi çok geniş aralıktaki bir malzeme grubuna değişik kaplamaların yapılması mümkündür. Buhar biriktirme ile aşınma direncini artırmak için yapılan sert kaplamalar içinde en popüler olanları titanyum nitrür, sert amorf karbon (DLC) ve titanyum karbürdür. Bu yöntemlerde biriktirme miktarı, diğer kaplama işlemlerine göre biraz düşüktür. Bazı iyon demetli söktürme ya da iyon kaplama işlemleri için biriktirme miktarı < 0,1 µm/dak olurken, CVD işlemleri ya da aktivasyonu arttırılmış buharlaştırmalar için bu değer 25 µm/dak ya kadar çıkmaktadır. PVD işlemlerinin çoğu vakum altında yapılır. CVD işlemleri ise atmosferik basınçtaki bir reaksiyon kutusunda yapılabilir [6-8] Sol - Jel Yöntemi Sol-jel teknolojisi yüksek kaliteli camları ve seramikleri üretmekte kullanılan önemli bir tekniktir. Sol-jel yöntemi; farklı alt tabaka malzemeleri ve karmaşık geometrili malzemelerin kaplanmasında sağladığı kolaylık, düşük işlem maliyeti ve düşük çalışma sıcaklığı gibi avantajlara sahiptir [5]. Filmler, bir alt tabaka üzerine sol-jel çözeltisinde derin ve ağ biçimli çöktürme ve püskürtme (sprey) ile oluşturulabilir. Organik bileşenlerden uzak bir jel tabakası için ince film 70 o C de kurutulur ve oluşan kristal tabaka, amorf tabaka ve kalıntı organik bileşenleri pirolize etmek için o C sıcaklık aralığına kadar ısıtılır [9]. Sol-jel teknolojisi önceden hazırlanmış bir tabakanın hidrolizinin oluşumu ve kısmen hidrolize olmuş ürünlerin bir oksit ağıyla birlikte yoğunlaşması esasına dayanan iki ana kimyasal reaksiyon içerir. Çözelti bir jel haline dönüştükten sonra kurutularak ve ısıl işlemden geçirilerek son yapı elde edilir. Sol-jel kaplamaların oluşturulmasında

31 8 öncelikle ön çözelti ince bir tabaka şeklinde kaplama yüzeyine dağıtılır ve sol-jel dönüşümü başlar. Jel tabakası termal işlemlerle kuruma ve yoğunlaşma/kristalleşme aşamalarından geçirilir [5]. Klasik sol-jel kaplama metotları karmaşık metal parçaların kaplanmasında yeterli olmamaktadır. Kaplama kalınlıkları tek daldırma ya da spin kaplamalarda nm düzeylerinde olmaktadır [10] Kaplama ve Anotlama Yöntemleri (Elektrolitik Kaplama) Kaplama ve anotlama yöntemleri metal yüzeylerine koruyucu ikinci bir metal film veya tabaka ile kaplama yöntemlerinin uygulandığı metotlardır. Elektrolitik kaplama altı yöntem ile yapılabilir. Bunlar; Isıl püskürtme yöntemleri, alevle püskürtme yöntemleri, plazma püskürtme yöntemi, patlamalı püskürtme, elektrik ark ile püskürtme ve yüksek hızlı oksit yakıt (HVOF) püskürtme yöntemleridir Isıl püskürtme yöntemleri (Termal Sprey) Termal püskürtme kaplama yönteminde; tel, çubuk veya toz şeklindeki kaplama malzemeleri bir püskürtme tabancasında yanıcı, yakıcı ve taşıyıcı gazların yardımıyla püskürtülerek malzeme yüzeyinde bir kaplama katı oluşturulur. İşlemin yapılışı ve kullanılan malzemeye göre değişen farklı uygulamalar mevcuttur. Bunların arasında toz-tel alev püskürtme, elektrik ark püskürtme, plazma püskürtme, patlamalı püskürtme (D-Gun) ve yüksek hızlı oksi-yakıt (HVOF) püskürtme bulunmaktadır [5]. Bu yöntemlerle tungsten, alümina, krom karbür, nikel, titanyum ve demir esaslı tozlar gibi geniş bir aralıktaki kaplama malzemeleri kullanılmaktadır. Nikel ve kobalt esaslı krom, bor ve silisyum alaşımları, tungsten karbürlü benzer malzemeler aşınma problemine karşı büyük gelişmeler sağlamıştır. Bu yöntemlerle aşınmaya karşı koruma, tamir amaçlı yüzey kalitesinin düzeltilmesi ve orijinal parça üretimi yapılabilmektedir. Termal püskürtme yöntemleri, havacılıkta (kompresör, yanma odaları), kimya-petrokimyada (pompa, valf, kılavuz ve hadde parçalarında), otomotivde (piston, segman yatakları) ve medikal uygulamalarda (implant) yaygın olarak kullanılmaktadır [11-14].

32 9 Termal püskürtme işlemleri; metaller, seramikler ve polimerler gibi çok çeşitli kaplama malzemelerinin çok farklı ana malzemeler üzerine yapılabildiği kaplama yöntemlerini içerir. İşlem yapılırken kaplama malzemesinden ısı yoluyla elde edilen ergimiş ya da yarı ergimiş partiküller malzeme yüzeyine doğru hızlı bir şekilde gönderilir. Sonuçta yüzeyde oluşan bağlanma ve hızlı katılaşma ile bir kaplama yapısı oluşur [5]. Kaplamanın sertliği işlem parametrelerine, kullanılan kaplama malzemesinin türüne ve ana malzemeye göre değişmektedir. Termal püskürtme yöntemleri farklı enerji kaynakları ve uygulama metotlarına sahip olmasına karşın, temelde dört ana kısımdan oluşur. Bunlar; ergimiş/yarı ergimiş partikülün taşınması, kaplama malzemesiyle temas, alt tabakaya ısı transferi ve kaplama tabakalarının katılaşması ve birbirine tutunmasıdır (Şekil 2.1) [6]. Şekil 2.1. Termal püskürtme yöntemlerinin temel oluşum aşamalarının gösterilişi [6]. Termal sprey yöntemlerine etki eden başlıca faktörler şunlardır: 1. Termal kinetik enerjinin oluşturulması, 2. Sprey malzemesinin enerji etkileşimi, 3. Sprey partiküllerinin kaplanacak malzemeyle etkileşimi. 4. Sprey akışının (alev, plazma vb.); bileşim, sıcaklık, hız, sprey mesafesi, dış ortam ve çalkantı (türbülans) etkileri, 5. Malzeme beslemenin; Partikül ya da tel boyutu ve şekli, ilerleme, enjeksiyon metodu ve geometrisi, taşıyıcı gaz, akış şekli ve hızı, kimyasal ve fiziksel özellikleri. 6. Kaplanacak malzemenin; yüzey bileşimi, yüzey profili, sıcaklık, kimyasal ve fiziksel özellikleri, sprey tabancasına göre hızı. 7. Sprey tabancasının; lüle geometrisi, gücü, gaz akışları ve gaz bileşiminin

33 10 kaplamaya önemli etkilerinin olduğu unutulmamalıdır Alevle püskürtme yöntemleri Alevle püskürtme yolu ile toz esaslı malzemelerin bir malzeme yüzeyine kaplanması mümkündür. Ekonomik olmasının yanı sıra geniş bir malzeme grubuna uygulanabilmesi nedeniyle, sıklıkla tercih edilen bir tekniktir. Püskürtme yöntemlerinde nikel esaslı alaşımların iyi aşınma direnci sağlamaları, oksidasyona ve yüksek sıcaklık korozyonuna dayanıklı olmaları ve uygulamalara daha iyi yatkınlıkları nedeniyle büyük miktarlarda kullanılmaktadır. Alevle püskürtme; hadde merdanelerinde, pompaların bazı kısımlarında ve aşınmaya dayanıklı plakalarda kullanılmaktadır. Alevle püskürtmede kaplama katının gözenekliliği yüksek (% 10-20), ana malzemeye bağlanma yeteneği sınırlıdır [5]. Tabakaların yeniden ergitilmesi; gözenekliliği azaltmakta, daha iyi bir metalürjik bağ oluşumunu sağlamakta ve kaplama tanecikleri arasında daha iyi bir bağın oluşumunu sağlamaktadır. Alevle püskürtmede ergitme işlemi; indüksiyonla, fırında ve oksiasetilenle yapılabilir. Özellikle oksi-asetilen ucuz oluşu nedeniyle sıklıkla kullanılsa da, endüstriyel uygulamalarda hassas bir kontrol mümkün değildir. Yöntemin yeterliliği hakkında herhangi bir garanti verilememektedir [15]. Alevle püskürtmede kaplama malzemesi olarak toz kullanıldığında önce oksi-gaz esaslı yakıt ortamı içinde tozlar ergitilir. Alev ve hava hüzmeleri ile iş parçasına taşınır. Partikül hızları küçüktür (<100 m/s) ve kaplamaların bağlanma mukavemeti düşük olmaktadır. Gözeneklilik yüksek ve yapışma mukavemeti azdır. Kaplama miktarları 0,59 kg/h aralığında olmakta ve düşük ergime noktasına sahip malzemelerde bu oranlar büyük artış göstermektedir. Kaplanan malzemede yüzey sıcaklıkları alev etkisi nedeniyle çok yükselmektedir. Kaplama malzemesi olarak sürekli bir tel kullanıldığında ise alev bu teli ergitmektedir. Hava akışı ile atomize olan ergimiş malzeme iş parçasına yönlendirilir. Paslanmaz çelik gibi malzemeler için kaplama miktarları tel kullanılan yöntemle aynıdır. Çinko ve kalay gibi düşük ergime noktalı malzemelerde verim çok daha yüksek olmaktadır. Kaplanan malzeme sıcaklığı C arasında bulunur [5]. Termal sprey yöntemlerinin pek çoğunda

34 11 verilen enerjinin %10 nundan daha az bir kısmı kaplama malzemesinin ergitilmesinde harcanmaktadır [11]. Alevle sprey püskürtme yönteminde, toz ya da tel malzeme yanma ile elde edilen bir kimyasal enerjiyle ergitilmektedir. Yakıt gazı (ya da sıvısı) oksijen veya sıkıştırılmış hava ile yakılmaktadır. Düşük maliyeti ve yüksek yanma sıcaklığı nedeniyle asetilen gazı tercih edilir. Ayrıca propan, hidrojen ve doğal gaz da yaygın olarak kullanılmaktadır. Alevle ergitilen malzeme hızlandırılır ve ergimiş partiküller haline getirilir. Hızlandırma için sıkıştırılmış hava kullanılsa da oksidasyondan kaçınmak için argon ya da azot tercih edilir. Alevle püskürtme yöntemi için kullanılan cihazlar genellikle ucuzdur ve taşınabilirdir. Basit bir düzenek için alev sprey lülesi, oksijen desteği ve yakıt gazı gerekir [5]. Güvenliği arttırmak için kapalı sprey başlığı ve egzoz kullanılabilir. Partikül hızlarının diğer termal sprey yöntemlerine göre düşük olması nedeniyle bu yöntemle elde edilen kaplamalar düşük kaliteli, yüksek gözeneklilik ve iyi bağlanma mukavemetlerine sahip olmaktadır. Bu tekniğin dezavantajı kaplanan malzemeye uygulanan yüksek sıcaklığın deformasyona neden olma tehlikesinin bulunmasıdır [16]. Şekil 2.2. Alevle püskürtme yönteminin şematik gösterilişi [17].

35 12 Şekil 2.3. Alevle püskürtme yönteminin torna tezgahı kullanılarak uygulanması [15] Plazma püskürtme yöntemi Plazma püskürtme yöntemi diğer termal püskürtme yöntemleri ile karşılaştırıldığında oldukça esnek ve çok çeşitli kaplama malzemelerinin kullanıldığı bir yöntemdir. Plazma püskürtme yönteminin yüksek sıcaklıkları sıvı bölgesine yakın aralıklarda çalışma olanağı sağlamaktadır. Yüksek sıcaklıklarda korozyon ve aşınma direncine karşı kullanıldığı gibi; termal koruma, elektrik ve biyomedikal alanlarında da özel uygulama şansı bulmuştur. Yüksek frekanslı bir kıvılcımla elde edilen elektrik arkı plazma püskürtme yönteminin enerji kaynağını oluşturur. DC plazma tabancalarında ark, bir lüle içerisindeki silindirik tungsten bir katotla, buna dik bakır bir anot arasında oluşturulur. Bu lülelerde argon, helyum, azot gazları veya bu gazların karışımları kullanılmaktadır. Bu gazlar ark üzerinden geçtiğinde, katodik kaynaktan gelen elektronlarla gaz molekülleri ve/veya atomları arasında reaksiyonlar başlar ve sonuçta gaz iyonize olarak bir plazma oluşturur. Ark üzerinden geçerek ısıtılmış olan gazlar eksenel ve yatay yönde genleşerek lüle çıkışına doğru hızlanır. Bunu atom ve moleküllerin ekzotermik reaksiyonu takip eder ve oluşan ısı ve radyasyon nedeniyle merkez bölgesindeki sıcaklık 9727 ºC e kadar ve hatta bu sınırın üzerine çıkabilir [5]. Plazmanın enerji içeriği ve sıcaklığı, büyük oranda kullanılan gaz ya da karışımlarının fiziksel özelliklerine bağlıdır. Kullanılan toz

36 13 kaplama malzemesi bir taşıyıcı gaz ile akışkan hale getirilir ve yüksek enerjili plazma jetinin içerisine enjekte edilir. Enjeksiyon noktası plazma yakıcısının tasarımına bağlıdır. İçeride ya da dışarıda yer alan toz kanalları plazma jet eksenine göre çeşitli açılarda yerleştirilebilir. Partikül hızları işlem tasarımına, plazma gazlarına ve kaplama malzemesine göre m/s arasında değişmektedir. Radyal ve eksenel yöndeki hızlarla toz malzemesinin özellikleri (boyut dağılımı, yoğunluk vb.) birleşince plazma jeti boyunca farklı yörüngelerde partiküller oluşur. Bu durum tozların davranışına etki eder [5, 6]. Şekil 2.4. Eksenel toz enjeksiyonlu plazma püskürtme yöntemi [14]. Plazma püskürtme yönteminde termal enerji bir elektrik arkıyla (40 kw ya da 80 kw) oluşturulmakta ve partiküller 600 m/s hızlarla kaplanacak yüzeye yönlendirilmektedir [5]. Bu yöntemde çok yüksek sıcaklıklar ( C) oluşmaktadır. Kaplama malzemesi genellikle toz olmakta ve elde edilen kaplamalar yüksek bağlanma mukavemeti göstermektedir [18]. Plazma püskürtme yöntemi, diğer plazma esaslı kaplama metotlarından farklıdır. Bu yöntemde kaplama malzemesi atomlar ya da iyonlardan çok, ergimiş damlacıklar halinde malzeme yüzeyine geçiştirilir. Kaplama malzemesi plazma aleviyle ergitilerek iş parçası yüzeyine yönlendirilir. Plazma alev sıcaklığı C gibi yüksek sıcaklıklara ulaştığından her türlü kaplama malzemesi ergitilebilir [5]. En yüksek sıcaklıklar argon ve helyum gibi tek atomlu taşıyıcı gazlarla elde edilmiştir. Moleküler yapıdaki hidrojen ve azot gazları ısıl kapasiteleri düşük olduğundan daha küçük plazma sıcaklıkları oluşturur. Plazma püskürtme yöntemi ile refrakter

37 14 bileşiklerle kalın ve sert yüzeyli kaplamalar hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Alevle püskürtme ile karşılaştırıldığında partikül hızları çok yüksek olduğundan kaplama yüzeye çok iyi bağlanmakta ve yoğunluğu da daha yüksek olmaktadır. Plazma püskürtme de bir soy gazın kullanılması yüksek saflık getirmekte ve oksit içermeyen kaplamaların yapılmasına olanak sağlamaktadır. Plazma püskürtme; yataklar, valf yuvaları, uçak motorları, maden makineleri ve zirai araçlar gibi aşınma ve korozyon direnci aranan yüzeylerde yaygın olarak kullanılmaktadır [5]. Şekil 2.5. de toz beslemenin plazmaya dikey olarak yapıldığı bir sistem şematik olarak gösterilmiştir [19]. Şekil 2.5. Dikey toz beslemeli plazma püskürtme yöntemi [19]. Plazma püskürtme yönteminde tel biçimindeki kaplama malzemesi kullanımı da mümkündür. Geniş bir aralıkta yüksek ergime noktalı malzemelerin ve oksit seramikler gibi ısıya dayanıklı malzemelerin üstünlüğünden yararlanmak için çokça toz biçimindeki kaplama malzemesi de kullanılmaktadır. Bu yöntem ile; 70 MPa dan fazla bağ mukavemetli % 2-5 boşluklu ve % 2-5 aralığında oksit bileşenli kaplamalar üretilebilmektedir. Plazma püskürtme yöntemi, ergime sıcaklığı ne olursa olsun yüksek kaliteli kaplamaların üretimini sağladığından; makina parçalarının yüzey özelliklerinin değiştirilmesinde veya iyileştirilmesinde başarı ile kullanılmaktadır [5].

38 Patlamalı püskürtme ( D-Gun) Patlamalı püskürtme (D-Gun) yöntemi, bir seri patlamalarla ergimiş ve hızlandırılmış partiküllerin kaplanacak malzemeye yönlendirilmesiyle elde edilir [5]. Bir kapsül içindeki toz karışımı ve oksi-asetilen gazı tutuşturulur. Tutuşmadan sonra bir patlama dalgası içine giren toz partiküller hızlanır ve yüksek sıcaklıklara ulaşır. Her patlamadan sonra, kapsül içine azot püskürtülerek temizleme yapılır ve işlem saniyede birkaç kez tekrarlanır. Patlamalı püskürtmeyle elde edilen kaplamaların kalitesi oldukça yüksektir. Partikül hızları yüksek ve sonuçta oluşan kaplamalar yoğun ve yüksek bağlanma mukavemetine sahiptir. Yöntemin uygulanmasının kısmen pahalı olması en önemli kısıtlarından biridir [5]. Ayrıca 140 desibel gibi yüksek gürültü oluşturması nedeniyle özel ses yalıtımı ve patlamaya dayanıklı hücreler gerektirmesi, yöntemin dezavantajları arasındadır [16]. Patlamalı püskürtme ve HVOF yöntemleri arasında başlıca farklar; farklı yakıt gazları kullanılması, soğutma sistemleri ve patlamalı püskürtmede yanmanın zaman ayarlı bir bujiyle yapılmasıdır. Bunların dışında, ilke olarak her iki yöntem de aynıdır [20]. Şekil 2.6. Patlamalı püskürtme işlemi ile termal sprey kaplama [5, 6]. Bu yöntemde patlamayla oluşan alev sıcaklığı ile toz partiküller yaklaşık ºC ısıtılır, esas malzemenin sıcaklığı ise CO 2 soğutma sistemi ile 150 ºC nin altında olup ergimiş damlaların hızı 800 m/s dolaylarında bulunur. Bu şekildeki yüksek hızlı damlalar, esas metal üzerinde boşluk seviyesi düşük (% 0.5-1) ve iyi bağlanmış kaplamalar meydana getirir. Bu yöntemle tungsten karbür gibi refrakter

39 16 malzemelerin çok yüksek yoğunluklu kaplamaları yapılabilir [21]. Patlamalı püskürtme yönteminde, her vuruşta yaklaşık bir metre uzunluğundaki uzun bir hazne içine belirli miktarda kaplama tozu alınarak, oksijen ve genellikle yakıcı gaz olarak asetilen karıştırılır. Karışım bir buji ile tutuşturularak kontrollü bir patlama gerçekleştirilir ve bunun hazne boyunca yayılması sağlanır. Patlamayla partiküller, üzerinde yüksek sıcaklıklar ve basınçlar (1 MPa) oluşturularak haznenin sonunda kaplanacak malzemeye doğru yönlendirilir. Bu yöntemle çok yüksek bağlanma mukavemetleri ve yoğunlukların yanı sıra düşük oksitlenme derecesi elde edilmektedir [11]. Patlamalı püskürtme yöntemi, sadece kaplanacak malzeme yüzeyinde gördüğü belli bir alana işlem yapabilen bir yöntemdir. Her bir patlamada yaklaşık 2,5 cm çapında ve 2 µm kalınlığında daire şeklinde bir kaplama bölgesi oluşturulur. Kaplamalar bu nedenle, sıkı paketlenmiş mercimek tanelerine benzer bir yapıda yüzeye kuvvetli bir bağla bağlanmaktadır. Yeni tabancalarla geliştirilen kaplamalar aşınma direncini geliştirirken yorulma performansına etki etmemektedir. Bu sistemler yorulmaya karşı hassas olan uçak parçalarında kullanılmaktadır [16]. Yüksek hızlı alevle püskürtme yöntemlerinin geliştirilmesinde başlangıç noktası olan patlamalı püskürtme kaplamaları, Union Carbide firması tarafından bulunmuştur. Yöntemde her patlamadan sonra, yanma odası bir temizleyici gaz (argon, azot) ile temizlenir. Saniye başına yaklaşık 4-8 patlama gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemde partiküllerin çok yüksek kinetik enerjileri nedeniyle sprey partikülleri arasında çok iyi bir temas sağlanmakta; yüzeyde kısmi kaynaklanma, kaplanacak malzemenin ve partiküllerin bir arada erimesi sonucunda çok yoğun ve yüksek bağlanma mukavemetine sahip yapılar oluşmaktadır [6]. Patlamalı püskürtmede kullanılan tabanca uzun bir hazneye sahip olması nedeniyle diğer tabancalardan kolaylıkla ayırt edilebilir. Patlama sonrası partiküllerin sıcaklıklarının 4500 C ye kadar çıktığı ve süpersonik hızlara ulaşıldığı bilinmektedir [5]. Plazma spreyle karşılaştırıldığında düzgün, sıkı ve katmanlı bir kaplama tabakası oluşur. İşlemin çoklu tekrarlamasıyla 0,5 mm kalınlıkta ve yüksek sertlikte

40 17 kaplamalar elde edilmektedir [18] Elektrik (tel) ark ile püskürtme Elektrik arkı ile püskürtme yönteminde kaplama malzemeleri tel şeklindedir ve çeşitli alt tabakalara uygulanabilmektedir. Motorlar iki adet elektriksel yüklü (potansiyel farkı volt) tele hareket vererek bunları kaplama tabancasının ucundaki bir arka doğru yönlendirir. Ark oluşturulduğunda sıcaklıklar 6000 C nin üzerine kadar çıkmaktadır [5]. Sıkıştırılmış hava ergimiş malzemeyi atomize ederek kaplama malzemesinin yüzeyine doğru yönlendirir. Bu işlemde kısmen sünek ve elektriksel iletkenliğe sahip kaplama malzemeleri kullanılabilmektedir [18]. Elektrik ark püskürtme yönteminde diğer termal püskürtme yöntemlerinde olduğu gibi ayrıca bir ısı kaynağına (alev ya da elektrikle oluşturulmuş plazma gibi) ihtiyaç yoktur. Bu yöntemde iki tel elektrot bir elektrik arkı oluşturur ve yüksek ark sıcaklığında ergime meydana gelir. Ergimiş partiküller atomize bir halde sıkıştırılmış hava ile hızlandırılarak kaplanacak malzemeye yönlendirilir. İşlemde bir soy gaz kullanılması durumunda oksidasyondan etkilenmeyen daha iyi kaplamaların elde edilmesi mümkündür. Teller sürekli olarak püskürtülen kaplama malzemesini dengede tutmaktadır. Kaplanacak malzemeye herhangi bir alev tesiri olmadığından bu bölgede sıcaklık çok düşük olmaktadır. Aynı şartlarda yapılan diğer alev püskürtme yöntemlerine göre bağlanma çok daha iyi olmaktadır. Bu yöntemle karıştırılmış metallerin, bakırın ve paslanmaz çeliğin kaplamasını yapmak mümkündür. Yöntem uygulanışı Şekil 2.7. de şematik olarak gösterilmiştir [19].

41 18 Şekil 2.7. Elektrik arkı ile püskürtme [19]. Bu yöntemde atomizasyon için genellikle sıkıştırılmış hava kullanılsa da argon ya da azot gibi soy gazlarında kullanıldığı görülmektedir. Sıkıştırılmış hava metal partiküllerin oksitlenmesine neden olur ve kaplamada büyük miktarlarda metal oksitler bulunur. Bu şekilde oluşan kaplamalar çok daha sert ve işlenmeleri çok güç olmaktadır. Bu durum bazı kaplamalar için bir dezavantaj gibi gözükse de, artan sertlik aşınma direncini olumlu yönde etkilemektedir. Ark sıcaklığı kaplama malzemesinin ergime sıcaklığının çok üstünde olursa aşırı ısıtılmış partiküller oluşacaktır. Böylece, bölgesel metalurjik etkileşimler ya da difüzyon bölgeleri artacak, sonuçta iyi bir çekme ve bağlanma mukavemeti oluşacaktır [5]. Elektrik ark ya da tel ark püskürtme diğer püskürtme yöntemlerine göre daha yüksek kaplama miktarlarına ulaşmaktadır. Püskürtme miktarının uygulanan akıma bağlı olarak değiştirilebilmesi, yöntemi kısmen ekonomik yapmaktadır [16]. Elektrik arkı ile püskürtme; korozyon, erozyon ve aşınma direnci için µm kalınlık aralığında ince metalik kaplamalar için geleneksel bir kaplama yöntemidir. Yöntem, bir motor ile iletilen iki telin yüzeye çöktürülmesi işlemidir. Teller kritik bir bölgeye ulaştıklarında bir elektrik arkı biçimlenir. Ark tellerin ucunu ergitir ve uygun bir gaz atomizasyonu ile ergiyik haldeki metal tel uçları, damlalar şeklinde metal yüzeyine doğru hızlanır, yüzeyde soğur ve kaplama tabakası meydana getirir. Şekil 2.7 de elektrik ark ile püskürtmenin çalışma ilkesi görülmektedir. Elektrik ark püskürtme 1-10 g/s ergiyik akış oranına sahiptir [22]. Elektrik ark yönteminde ana malzemenin yüksek sıcaklıklara maruz kalmaması nedeniyle mikroyapı değişiklikleri ve bozulmalar az olmaktadır. Elektrik arkı ile

42 19 elde edilmiş kaplamalar, bu yönteme eşdeğer olan yanma ile püskürtülmüş kaplamalardan daha yoğun ve serttir. Düşük çalışma maliyetleri, yüksek püskürtme oranları ve verimliliği diğer yöntemlere göre yüksektir. Bu yöntemde kaplama malzemesi olarak sadece iletken tellerin kullanılması ve bazı kaplamalarda yüzeyin ısıtılması için ayrıca bir ısı kaynağı gerektirmesi yöntemin dezavantajlarını oluşturmaktadır Yüksek hızlı oksi yakıt (HVOF) püskürtme yöntemi Yüksek hızlı oksi-yakıt püskürtme yöntemi (HVOF), kısmen ısıl püskürtme teknikleri arasında yer alan önemli bir yöntemdir. Diğer ısıl püskürtme yöntemleriyle karşılaştırıldığında bu yöntemde kaplama, alt tabakaya daha iyi bağlanmakta, yüksek sertlik değerleri elde edilmekte ve daha az gözeneklilik meydana gelmektedir. Yöntemin; gaz türbinleri, petrol, otomotiv ve imalat sektöründe pek çok uygulaması vardır [20]. Şekil 2.8 de HVOF sisteminin prensip şeması gösterilmiştir.

43 20 Şekil 2.8. HVOF ısıl püskürtme düzeneğinin şematik gösterimi [20]. HVOF tekniği, kolay uygulanması ve üretilen kaplamanın özelliklerinin çok iyi olması nedeniyle, pek çok alanda kendisine uygulama alanı bulmuştur. HVOF termal sprey yöntemi, alevle spreyleme yönteminin bir çeşidi olup çoğunlukla kaplama malzemesi olarak toz kullanılan bir yöntemdir. Nadiren tel ya da çubuk kaplama malzemesi kullanılmaktadır. HVOF termal spreyleme; oksijen ve bir yakıt gazının yanmasıyla ergitilen toz malzemenin basınçlı hava kullanılarak yüksek hızda malzeme yüzeyine gönderilmesinden oluşan bir alevle biriktirme tekniğidir (Şekil 2.9). Yanma bölgesinde toz malzeme alev içine girerek malzemenin geliş hızına ve

44 21 ergime sıcaklığına bağlı olarak ergimeye başlar ya da yarı ergimiş bir hale gelir. HVOF işleminde alev sıcaklığı C arasındadır. Ergimiş ya da yarı ergimiş partiküller, tabanca nozulundan kaplanacak malzemeye ya da şekillendirici kalıba doğru 1350 m/s nin üzerindeki süpersonik hızlarda yönlendirilirler [18]. Şekil 2.9. DJ HVOF Sprey tabancasının enine kesitinin şematik görünüşü [18]. HVOF Yönteminin avantaj ve dezavantajları şunlardır: Yanma bölgesindeki partiküllerin yüksek türbülansı sonucunda daha düzgün ve etkili partikül sıcaklığı elde edilir. Yüksek partikül hızı nedeniyle uçuş esnasında partiküllerin soğuma süresi daha kısadır. Diğer termal sprey yöntemleriyle karşılaştırıldığında, partikülün daha kısa sürede yüzeye ulaşması nedeniyle, daha az oksidasyon oluşumu gözlenir. Partiküller ve jet, tabancadan ayrıldığında nemli hava ile karışma daha az olmaktadır. Diğer yöntemlere göre daha düşük partikül sıcaklıkları oluşmaktadır. Plazma ya da ark tabancalarında operasyon sıcaklıkları 1600 ve 6000 C iken HVOF da bu sıcaklık değeri 3000 C (oksijen/propilen karışımı) dolaylarında olmaktadır [18].

45 22 HVOF yöntemiyle yüksek kalitede kaplamaların elde edilmesinin nedenleri Çizelge 2.1. de özetlenmiştir. Çizelge 2.1. HVOF kaplamaların kullanılmasının getirdiği yararlar [20]. Kaplamanın yararı Yüksek yoğunluk (Düşük gözeneklilik) Gelişmiş korozyon engeli Yüksek sertlik değerleri Gelişmiş aşınma direnci Bu yararın ana nedeni Daha yüksek darbe enerjisi Az gözeneklilik Daha iyi bağlanma, az küçülme Daha sert ve tok kaplama Daha iyi bağ ve birleşme mukavemetleri Daha az oksit bileşimi Daha az ergimemiş partikül içeriği Daha iyi kimyasal ve faz kararlılığı Daha kalın kaplamalar (geçiş başına ve toplamda) Spreylenmiş yüzeylerde düzgünlük Gelişmiş partikül bağlanması Havada daha az uçuşla, oksijenden az etkilenme Partiküllerin daha iyi ısıtılması Yüksek sıcaklıklarda kalma zamanında azalma Az kalıntı gerilme Daha yüksek darbe enerjileri Plazma sprey gibi diğer termal sprey yöntemleriyle karşılaştırıldığında DJ HVOF yöntemi daha düşük termal gerilmeler oluşturduğundan daha büyük kalınlıklardaki kaplamaların yapılmasına olanak sağlar. DJ HVOF yöntemi daha yüksek kinetik enerjiye sahip partiküllerin yüzeye gönderilmesine imkan verdiğinden diğer tüm termal sprey yöntemlerinden daha iyi bağlanma mukavemeti ve en az gözenekliliği ortaya koymaktadır [18].

46 Ergitme Yöntemleri Plazma sprey kaplama yöntemi Plazma; eşit sayıda serbest elektron ve pozitif iyon bulunduran, genellikle maddenin dördüncü hali olarak adlandırılan yoğunlaştırılmış bir gazdır. Plazmanın başlıca iki önemli avantajı vardır. Birincisi, bilinen bütün malzemeleri eritebilecek derecede yüksek sıcaklık eldesinin mümkün olması, ikincisi ise diğer malzemelere daha iyi ısı transferi sağlamasıdır. Plazma sprey tekniğinin yüksek işlem sıcaklığı, ergime noktası yüksek metal ve alaşımlarla çalışmaya imkân sağlamaktadır. Ayrıca, inert ortamlarda kullanılabilmesi yöntemin avantajlarındandır. Toz formunda ve belirli tane boyutlarında üretilen tüm malzemeler bu işlemde başarıyla kullanılabilmektedir. Plazma sprey yöntemiyle gerçekleştirilen seramik kaplamalar birçok metalden daha iyi aşınma ve erozyon direncine sahiptirler ve dizel motorları da dahil erozyon ve aşınma dirençli uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Bununla beraber, alevle spreydeki kadar olmasa da, poroziteler nedeniyle plazma spreyle oluşturulan kaplamalar korozyon için yetersiz kalabilmektedir [23]. Plazma sprey kaplama yöntemi, metallerin çeşitli tozlarla kaplanarak aşınmaya, oksitlenmeye, korozyona ve ısıya dayanıklı hale getirilmesinde yaygın olarak kullanılan bir termal sprey kaplama yöntemidir. Bu yöntemle gerçekleştirilen ince bir kaplama sayesinde belirtilen özellikler elde edildiği gibi, ana malzemenin üstün özelliklerinden tokluk ve kolay şekillendirilebilme özellikleri de korunmaktadır. Böylece plazma sprey kaplama, metal ve seramiklerin üstün özelliklerinin yeni bir malzemede toplanmasına imkân sağlamaktadır [24] Plazma kaplama sistemi Plazma sprey tekniğindeki ana düşünce; pahalı olmayan bir ana malzeme üzerine ince ve koruyucu değeri yüksek bir tabaka meydana getirmektir. İşlem, iyonize olmuş bir gaz içinde erimiş olan toz formundaki malzemenin, kaplanacak yüzeye çok

47 24 hızlı bir şekilde püskürtülmesi şeklinde uygulanmaktadır. Plazma kaplama sisteminin şematik görüntüsü Şekil 2.10 da verilmiştir. Bu şematik görünüşte, plazma kaplama sistemi; Sprey tabancası (plazma üfleci), Güç ünitesi, Gaz besleme ünitesi, Toz besleme ünitesi, Soğutma ünitesi ve Kontrol ünitesinden meydana gelmektedir. Şekil Plazma kaplama sistemi [24]. Sprey tabancası, kaplama sisteminin en önemli çalışma ünitesidir ve Şekil 2.11 'de şematik olarak verilmiştir. Anot olarak saf Cu ve katot olarak da %2 ThO 2 katkılı W'ın kullanıldığı tabancada plazma, bu iki elektrot arasındaki elektrik arkında plazma gazlarının iyonizasyonuyla elde edilir. Kullanılan plazma gazlan, katottun etrafından ve aynı zamanda nozul görevini de gören anodun içerisinden geçirilir. Doğru akım arkı, genellikle yüksek frekans akışı ile başlar ve elektrotlar ile devam eder. Katot boyunca verilen plazma gazı, bu ark içersinde ısıtılmakta ve plazma sıcaklığına erişen gaz, nozul anottan plazma alevi olarak püskürtülmektedir.

48 25 Ark akımı ve voltajı: anot/katot dizaynı, gaz akış hızı ve gaz bileşimi gibi değişkenlere bağlı olarak değişmektedir. Ark genelde, anot-katot temasıyla ateşlenir. Uygulamada nötr plazma gerektiği için, anot boş bir nozul şeklinde dizayn edilmiş ve ark devresinin nozul içinde tamamlanması sağlanmıştır. Böylece, serbest halde elde edilen plazma, elektrik akımını iletmemektedir. Kaplama işleminde gerçekleşen bütün olaylar (disosasyon, iyonizasyon, plazma hali gibi) sprey tabancası içerisinde meydana gelmektedir. Şekil Plazma sprey tabancasının şematik görünüşü [25]. Tabancaya beslenen plazma gazları, yüksek gerilim veya yüksek frekans yardımıyla tutuşturulur. Plazma gazları, kaplama tozları, çalışma voltajı ve arkı ile ilgili bütün ayarlamalar kontrol ünitesinde manuel olarak veya bilgisayar yardımıyla yapılır. Plazma spreyle üretilen kaplamaların özellikleri ile güç ünitesinin kapasitesi arasında önemli bir ilişki mevcuttur. Plazma sprey işleminde ana malzeme üzerine püskürtülen partiküllerin hızı, güç kaynağının gücüne bağlıdır. Konvansiyonel kaplama sistemlerinin gücü 40 kw iken günümüzde 80 ve 120 kw'lık sistemler kullanılmakta ve bu sayede partikül hızı artırılarak porozitesi düşük, üstün mekanik özellikli yoğun kaplamalar elde edilmektedir. Şekil 2.12 de döner disk üzerine bağlanmış, silindirik malzeme yüzeyi üzerine plazma kaplama yapıldığı görülmektedir.

49 26 Plazma gazlarını oluşturan N 2, Ar, H 2 ve He un işlem parametrelerine uygun karışımlar ve akış hızları, gaz besleme ünitesinde ayarlanır. Bu şekilde plazma huzmesinin sıcaklığı, büyüklüğü ve arkın stabilizasyonu kaplama tozlarına bağlı olarak kontrol edilmiş olur. Şekil Plazma kaplama [25] Plazma kaplama teknolojisinin fiziksel esasları Plazma, eşit sayıda serbest elektron ile iyon bulunduran ve genellikle maddenin 4. hali olarak adlandırılan yoğunlaştırılmış bir gazdır. Langmuir e göre ise plazma terimi; içerisinde molekül, atom, iyon, elektron ve kuantum bulunduran malzemenin iyonize edilmiş halini ifade eder. Plazma oluşturmak amacıyla yaygın olarak kullanılan gazlar tek atomlu Ar ve He ile iki atomlu N 2 ve H 2 dir. Bu gazlara ait temel fiziksel ve kimyasal özellikler Tablo 1 de verilmiştir. Plazma oluşturucu olarak hangi gazın seçileceği, plazma alevi için

50 27 arzulanan sıcaklık ve hız değerleri ile kaplama malzemesi ve ana malzemenin kararlılıklarına bağlıdır. Plazma gazları tek tek kullanılabildikleri gibi çoğunlukla belli oranlarda karışımlar halinde kullanılırlar. Burada amaç, plazma alevinin entalpisini ve hızını artırmaktır. Ar+H 2 ve Ar+N 2 sistemleri, yaygın olarak kullanılan gaz karışımlarıdır. Taşınım özellikleri, toz partiküllerinin şekli ve boyutuyla ilişkilidir. Toz boyut dağılımı mümkün olduğunca üniform, şekli ise küresel olmalıdır. Çünkü plazma alevinde daha ince tozlar buharlaşmaya, iri tozlar ise tam olarak ergimemeye neden olurlar, sprey tozlarının tamamen eriyebilmesi, ancak plazma tabancasının anot ile katodu arasındaki ark bölgesine beslenmeleri ile mümkün olur. Günümüzde kullanılan sistemlerin büyük bir kısmında toz, reaktif olmayan bir gaz vasıtasıyla, nozul dışında plazma alevine radyal olarak enjekte edilmektedir. Plazma gazlarının temel ve kimyasal özellikleri aşağıda Çizelge 2.2 de belirtilmiştir. Çizelge 2.2. Plazma gazlarının kimyasal özellikleri [26]. Özellik Plazma Gazları Ar He N 2 H 2 Relatif molar ağırlık 39,944 4, ,016 2,0156 Özgül ağırlık (0 o C, 100 kpa) (kg/m 3 ) 1,783 0,1785 1,2505 0,0898 Isıl iletkenlik katsayısı (0 o C) (W/mK) 0, , ,0238 0,1754 Özgül ısı kapasitesi (20 o C) (kj/kgk) 0,511 5,233 1,046 14,268 İlk kademe 15,7 24,05 14,5 13,5 Son kademe 27,5 54,01 29,4 - Sıcaklık (K) Ark voltajı (V) Ark girişi (kw) Plazma alevinin eksenine dik olarak enjekte edilen bir toz partikülü birçok faktörün belirlediği bir hareket mekanizmasına sahiptir. Ana malzemeye doğru hareket

51 28 halindeki partikül alevi, belli açılı konik bir şekle sahiptir. Bu açı; plazma alevine partiküllerin beslenme hızının, partikül boyutunun, plazma alev hızı ile dağılımının bir fonksiyonudur. Ayrıca, plazma tabancasıyla ilgili olan tabanca tipi, toz besleyici ve ark randımanı gibi faktörlerde partiküllerin plazma alevindeki hareket mekanizmasını etkiler. Plazma alevine beslenen toz partikülleri, alevin ısıl ve kinetik etkileri sayesinde erir ve ana malzeme yüzeyine püskürtülür. Plazma alevinden toz partikülüne ısı transfer mekanizması çok kompleks bir olaydır ve bugüne kadar tam olarak anlaşılamamıştır. Plazma alevinde eriyen toz partikülleri, yüksek kimyasal aktiviteye sahiptirler. Dolayısıyla, partiküller ile ortam atmosferini oluşturan gazlar arasında; gaz adsorbsiyonu, kimyasal etkiler, oksit tabakalarının oluşumu ve difüzyon işlemleri gibi birçok karşılıklı etkileşim mekanizması söz konusudur. Plazma püskürtme kaplama yönteminde kaplama işlemi, kaplama malzemesi olarak kullanılan tozların yüksek sıcaklıklara ( C) ısıtılmış bir plazma alevinde ergitilerek önceden hazırlanmıs ana malzeme yüzeylerine püskürtülmesinden ibarettir. Elde edilen kaplamalar, lamelli bir yapıya sahiptir ve özellikleri kullanılan kaplama sistemi tarafından önemli oranda etkilenir [27]. Plazma alevindeki erimiş partiküller ana malzeme yüzeyine çarptığı zaman kinetik enerjileri ısıl ve deformasyon enerjisine dönüşür. Partiküller ana malzemeyle temas ettiklerinde ısılarını yüzeye aktarıp hızla soğur ve katılaşırlar. Partiküllerin o andaki davranışları sıcaklıklarına, hızlarına ve soğuma oranlarına bağlıdır. Plazma alevindeki hareket esnasında yüzey gerilimi nedeniyle küresel şekle sahip oldukları düşünülen erimiş partiküller, ana malzeme yüzeyine çarptıklarında ısıl ve kinetik enerjilerini kaybederek deforme olurlar ve sonra 5-15 µm kalınlığında lameller şeklinde katılaşırlar. Deformasyon miktarı ve dolayısıyla lamellerin şekli, erimiş partiküllerin viskozitesi ve ıslatılabilirliği, toz granülitesi ve ana malzeme yüzeyinin karakteri gibi birçok faktöre bağlıdır [25].

52 29 Plazma alev sıcaklığının çok yüksek olması ile mevcut fiziksel ve kimyasal işlemler, erimiş malzemede birçok dönüşüme neden olur. Toz partiküllerinin ortam ve plazma gazları ile reaksiyonunun sonucu olarak, kaplama tabakalarında oldukça yüksek oranlarda oksit oluşmaktadır. Ayrıca az miktarda N 2 da bulunur Plazma sprey kaplamaların temel özellikleri Plazma sprey kaplamalar, aynı tozdan üretilmiş kompakt malzemelere göre birçok farklı özelliğe sahiptir. Bu kaplamaların O 2 ve N 2 içerikleri yüksek, yoğunluk ve plastisiteleri ise düşüktür [25]. Plazma alevinde eriyen partiküller, yüzey gerilimlerinin sonucu olarak küresel şekillerde bulunur. Ergimiş partiküller, sıvı damlacıkları halinde ana malzeme yüzeyine çarptığı anda katılaşarak lamelli bir kaplama tabakası meydana getirirler. Plazma kaplamalarda katılaşma hızı 106 C/s olup, soğuma hızına bağlı olarak kristalin veya amorf yapılarda katılaşma olur. Kaplamaların yapısı heterojen olup, yarı kararlıdır ve genellikle birbirine yapışmış halde bulunan farklı boyutlu tanelerden meydana gelir. Erimiş partiküllerin oluşturduğu kaplamalar, tabakalı bir yapıyla karakterize edilir [25]. Porozite, plazma sprey kaplamaların karakteristik bir özelliğidir ve yapısal göstergesidir. Viskozitesi yüksek tozlar ve yüksek güçlü plazma üniteleri kullanılarak daha yoğun bir kaplama tabakası elde edilebilir. Gevrek ve sert tozlardan elde edilmiş kaplamalar yüksek porozite oranlarına sahiptirler. Ancak, uygun toz granülitesi ve sprey parametreleri seçildiğinde, sert tozlardan bile yoğun bir kaplama eldesi mümkün olmaktadır. Özellikle, kaplamaların mekanik özellikleri üzerine olumsuz bir etkiye sahip olan yüksek porozite miktarı, termal izolasyon ve filtrasyon gibi uygulamalar için arzu edilen bir durumdur. Yüksek poroziteli kaplamalar, uzun sprey mesafesi ve iri taneli tozlar kullanılmak suretiyle kolaylıkla elde edilebilir [27].

53 30 Plazma kaplamalarda iki tip porozite mevcuttur. Birincisi, çökeltilmiş partiküller arasındaki boşlukların tam olarak doldurulamaması nedeniyle yapıdaki kusurlarla birleşmiş iri (açık) porozitedir. Diğeri ise, kaplamaların doğal bir özelliği olan ince porlar (mikro boşluklar)'dır. Plazma sprey kaplamaların yoğunluğu, aynı tozlardan yapılmış kompakt malzemelerin yoğunluğundan düşüktür ve genellikle teorik yoğunluğun %85-93'ü arasında değişir. Kaplamanın ana malzemeye yapışması, plazma sprey kaplamaların en önemli özelliklerinden birisidir. Yapışma, mekanik olarak (genellikle seramik esaslı kaplamalar), Van der Waals kuvvetleri (genellikle metal esaslı kaplamalar) ve difüzyon işlemleri ile gerçekleşir. Ana malzeme ile metalik, bağlanma göstermeyen seramik kaplamalar, kırılgan yapıları nedeniyle, metal esaslı kaplamalara nazaran daha düşük yapışma mukavemetine sahiptirler. Bütün kaplamalarda yapışma mukavemeti, artan kaplama kalınlığı ile birlikte düşer. Plazma sprey kaplamalarda, kaplama işlemi esnasında kaplamanın çatlamasına veya ana malzemeden ayrılmasına yol açan basma ve çekme iç gerilmeleri meydana gelmektedir. Bu iç gerilmelere; sprey malzemesinin üniform olmayan dağılımı, kaplama ile ana malzeme arasındaki termal genleşme farklılığı, ana malzemenin üniform olmayan bir şekilde ısıtılmasıyla yine ana malzemenin şekil ve boyut özellikleri neden olmaktadır. Ara tabaka uygulaması ve sprey esnasında ana malzemenin ön ısıtılması veya soğutulması ile bu iç gerilmeler azaltılabilir. Kaplamanın mukavemetini etkileyen temel parametre kaplama kalınlığıdır. Artan kaplama kalınlığı, iç gerilmeleri artıracağından, kaplamanın ana malzemeden ayrılmasını kolaylaştırmakta, yani mukavemeti düşürmektedir. Ayrıca, kaplamanın elastisite modülündeki artışlar ile yüksek porozite ve oksit içerikleri, mukavemeti olumsuz yönde etkileyen diğer parametrelerdir. Sertlik, plazma sprey kaplamaların diğer önemli bir özelliğidir ve kullanılan kaplama tozuna bağlı olarak HV arasında değişir. Kaplama tabakalarının sertliği; porozite, tabakanın heterojen yapısı ve uygulanan yük değerine bağlıdır [27].

54 31 Yüksek sıcaklıklarda çalışan roket nozulları ve gaz türbinlerinin yanma odalarında kullanılan seramik kaplamaların gösterdiği termal genleşme davranışları, bu tip uygulamalarda, kaplamalardan beklenen performansın elde edilmesinde bilinmesi gerekli en temel özelliktir. Genellikle metalik ana malzemenin termal genleşme katsayısı, seramik kaplamanın termal genleşme katsayısından daha büyüktür. Termal genleşme katsayıları arasındaki fark ne kadar küçükse, kaplama-ana malzeme uyumu o derece iyi olmaktadır. Kaplama ana malzeme sistemi düşünüldüğünde, termal genleşme davranışı açısından iki durum söz konusu olabilir. (α) kaplama > (α) ana malzeme (α) kaplama < (α) ana malzeme İlk durumda, kaplama-ana malzemeye oranla daha fazla genleşeceğinden, çekme yükleri altında kalacak ve eğilecektir. Bu ise kaplamada çatlak oluşumuna neden olur. Diğer durumda, ana malzemenin termal genleşme katsayısının daha büyük olması nedeniyle, ana malzemeye termal olarak uyum sağlayamayan seramik kaplama kırılganlaşacaktır. Kaplamaların kullanım potansiyelini azaltan bu tip termal uyumsuzluklar, ara tabaka uygulanması veya çok katmanlı kaplamalar oluşturulmasıyla giderilebilir [25]. Plazma sprey kaplamalarda ısı transferi; metal partiküllerinin elektronları, metal olmayan malzemeler için partiküllerdeki latis veya foton termal iletkenliği, kaplamada mevcut porlardaki yayılmış fotonlar ve hapsedilen gazın ısıl iletkenliği sayesinde gerçekleştirilir. Kaplamaların termal iletkenlik katsayıları, kompakt malzemelere nazaran daha düşüktür. Kaplamaların düşük veya minimum termal ve elektrik iletkenlik değerleri, bazı uygulamalar için gereklidir. Bu özellikler temel olarak sprey şartları tarafından belirlenir.

55 Yüzey Hazırlama Yüzey hazırlama, kaplama işleminin en çok dikkat edilmesi gereken kademelerinden birisidir. Kaplamanın ana malzemeye gerektiği gibi bağlanması, ancak kaplanacak yüzeyin iyi bir şekilde hazırlanmasıyla mümkündür. Bu mekanik bağlanmanın yanında, partiküllerin ana malzeme ile mikro kaynaması ve kimyasal bağ oluşumu gibi diğer bağlanma mekanizmaları da mevcuttur. Bütün bu bağlanma mekanizmaları, temas alanının artırılmasını ve yüzeyin aktivasyonunu gerektirir. Güçlü bir kaplama-ana malzeme bağı oluşturmak için gerekli şartlar; yüzey üzerindeki nem, yağ ve oksit filmlerinin kaldırılması ve uygun bir yüzey pürüzlülüğünün sağlanmasıdır. Uygulanacak kaplamanın cinsine ve kalınlığına bağlı olarak seçilen birçok yüzey hazırlama yöntemi mevcuttur [28]. Mekanik işleme, özellikle merdane ve şaft gibi dairesel şekilli makine parçalarının yüzeylerinin oluk şeklinde pürüzlendirilmesinde kullanılan bir metottur. Ana malzemenin talaş kaldırılabilecek kadar yumuşak olmasının zorunlu olduğu mekanik işlemede; çok sert, kırılgan ve kompleks geometrili yüzeylerin hazırlanması mümkün değildir. Bu metot, özellikle 500 μm nin üzerindeki kalın kaplamalar için uygundur. Üretimleri veya kullanımları sonucu yüzeylerinde yağ ve gres bulunan makine parçalarının kaplanmasında birçok problemle karşılaşılır. Ana malzemenin gözenekli bir yapıya sahip olduğu durumlarda ise, gözeneklere dolan yağ kaplama esnasında buharlaşır ve kaplama tabakalarının yapışma mukavemetini önemli ölçüde düşürür. Ana malzeme yüzeyinden yağları uzaklaştırmak için uygulanan en yaygın yol, kimyasal çözücüler kullanmaktır. Mineral yağlar, parçaların yıkanması veya aseton gibi kimyasal çözücüler kullanılmasıyla kaldırılabilir [28]. Üzerlerinde mevcut olan yağ, gres ve paslardan temizlenmiş ana malzeme yüzeyleri, bir aşındırıcı kullanılarak pürüzlendirilir. Kumlama adı verilen bu metot, plazma sprey yönteminin keşfinden bu yana sürekli olarak kullanılmış ve halen de kullanılmaktadır. Kumlamada aşındırıcı olarak dökme demir veya çelik griti, SiC ve Al kullanılır. Ana malzemenin kimyasal bileşimi ve ısıl işlem koşulları, aşındırıcının türünü, boyutunu ve işlem basıncını belirler. Yumuşak ana malzemeler

56 33 için çelik veya dökme demir gritler yeterli olurken, sert ana malzemeler Al 2 O 3 veya SiC kullanılır. Kumlamada kullanılan havanın ve kumlama malzemesinin kuru olması gerekir. Ayrıca, kumlama malzemelerinin daha önce başka bir amaç için kullanılmamış olması, yağsız ve temiz olması da önemlidir. İstenen yüzey pürüzlülüğüne, keskin köşeli kumlama malzemeleriyle ulaşılmaktadır. Kumlanmış ana malzemenin yüzeyi pürüzsüz dalgalı olmamalı, keskin değişimli (pikli) olmalıdır. Diğer taraftan aşırı kumlama, piklerin körelmesine ve yüzeyde kum artıklarının kalmasına neden olmaktadır [29]. Kumlama yöntemi kaplama için en iyi yüzey hazırlama metodudur. Kumlama ile kaplanacak yüzey temizlenirken kaplama için pürüzlü bir yüzeyde elde edilmiş olur Ön Isıtma ve Soğutma Plazma sprey kaplama yöntemi, soğuk bir işlem olarak bilinmesine ve çoğu uygulamalarda ana malzemenin ön ısıtılmasına ihtiyaç duyulmamasına rağmen, ön ısıtmanın gerekli olduğu birçok durum da söz konusudur. Ana malzemenin ısıtılması için başlıca üç neden vardır [25]: Ana malzemeden nemi kaldırmak, Bağlanmayı gerçekleştirmek, Malzemeler arasındaki farklı termal genleşmeleri dengelemek Ön ısıtma sıcaklığı, kullanılan ana malzemeye bağlı olarak C arasında değişir. Kaplama esnasında ana malzeme, yüksek ısı transferi nedeniyle aşırı ısınabilir. Birçok soruna neden olan bu problemi ortadan kaldırmak için, kaplama esnasında ana malzeme basınçlı havayla soğutulur Kaplama İşleminin Gerçekleştirilmesi Yüzey hazırlama, maskeleme, çalışma parametrelerinin ayarlanması, ölçüm aletlerinin hazırlanması, kaplanacak parçanın ilk boyutunun ölçülmesi ve gerekli güvenlik önlemlerinin alınmasından sonra bir sprey tabancası yardımıyla kaplama

57 34 işlemi gerçekleştirilir. Yüzeyleri hazırlanmış parçalar, plazma alevine dik olarak yerleştirilir ve sabitlenirler. Yoğun ve iyi kaliteli bir kaplama eldesi için, sprey tozlarının ana malzeme yüzeylerine dik olarak çarpması gerekmektedir. Sprey işlemi esnasında plazma tabancası, elle veya otomatik olarak kontrol edilir. El kontrollü tabancayla yapılan kaplama işleminde kaplama kalitesini, doğrudan tabancayı kullanan kişinin el becerisi belirler. Her zaman birtakım problemlere neden olan bu insan faktörünün yerine tabancanın yatay ve dikey hareket edebilen sistemlere veya bîr robota bağlanması, uygun bir çözüm olarak görülmüş ve uygulanmıştır Plazma Kaplama Yöntemleri İnert plazma gazlan kullanılmasına rağmen atmosferik şartlarda yapılan plazma sprey kaplama işlemi: kaplama alevindeki hareketleri, ana malzemeye çarpmaları ve soğumaları esnasında erimiş partiküller için oksitleyici şartlar oluşturur. Bu durum partiküllerin tam erimemesine, oksitlere, aşırı poroziteye, karbon ve diğer alaşım elementlerinin yanması ile zayıf bağlanma gibi kaplama hatalarına neden olur. Belirtilen problemleri en aza indirmek için geliştirilen en etkili yol, plazma sprey işleminin koruyucu atmosferlerde yapılmasıdır. Şekil 2.13 te plazma sprey yöntemleri sınıflandırılmıştır [25]. Atmosferik plazma sprey (APS) hakkında yukarıda detaylı bilgi verilmiştir. İnert plazma sprey (IPS), inert veya koruyucu bir gaz atmosferi altında gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemde inert gaz olarak genellikle Ar kullanılır. İnert gaz atmosferi eriyik sprey partiküllerini atmosferin oksitleyici etkisinden korur. Ayrıca atmosferik plazma sprey yöntemiyle kaplanamayan refrakter metaller gibi reaktivitesi yüksek ve parçalanmaya meyilli TiC, TiN veya B 4 C gibi malzemelerle çalışılma imkanı sağlar [25]. Vakum Plazma sprey (VPS) yöntemi ise, vakum altında veya düşük basınçlı gaz ortamında gerçekleştirilir. Sprey partikülleri, seyreltilmiş bir ortamdan daha az

58 35 soğuyarak ve daha az yavaşlayarak geçerler. Dolayısıyla kaplama tabakası, daha yüksek kinetik enerjiye sahip partiküllerle üretilir. Sonuç olarak bu tip kaplamalar, düşük oranlarda porozite ve oksit içerirler. Plazma sprey teknolojisindeki en son yeniliklerinden birisi de, kaplama işleminin su altında (SPS) gerçekleştirilmesidir. Şekil Kaplamaların kullanıldığı genel endüstri dalları [25] Plazma Sprey Kaplamaların Uygulama Alanları Plazma sprey yöntemiyle üretilen kaplamalar, endüstride geniş kullanım alanları bulmuştur. Plazma sprey yönteminde, ergime noktası yüksek metal ve alaşımlarla çalışılabilmesi nedeniyle, sayısız kaplama tozlarının ve kombinasyonlarının farklı ana malzemeler üzerine uygulanması söz konusudur. Bu durum, üretilen kaplamaların kullanım potansiyelini artırmaktadır. Şekil te kaplamaların kullanıldığı genel endüstri dalları verilmektedir [23].

59 36 Şekil Plazma sprey kaplamaların başlıca uygulama alanları [25] Lazer Yüzey Kaplama Yöntemi Lazer ile yüzey kaplama, lazer ışını kullanarak alt parça üzerine alaşım eklemek suretiyle yapılan eritme işlemidir. Şekil 2.15 de erimiş kaplama çökeltisini, valf kenarına lazer ışını ile püskürterek yapılan kaplama tekniğini gösterir. Şekil Kobalt bazlı sert dolgu tozu ile CO 2 lazer kullanarak kaplama işlemi [30]. Malzemenin üzerine serilen tozlar ve iş parçası lazer ışınıyla ergitilebilir ve ergiyen bölge nominal alaşım kompozisyonu ile kaplanabilir. Yüzey özelliklerini iyileştirmek için lazer yüzey kaplama uygulaması ile aşınma, erozyon, oksidasyon ve korozyon

60 37 özellikleri iyi olan bir alaşım seçilerek yeni bir kaplama yapılabilir. Bu erimiş lazer kaplama tozları hızla katılaşır ve katılaşma sırasında malzeme ile güçlü bir metalürjik bağ kurar. Lazer eritme ile uygun kaplama işlemlerinde genellikle, karbon-manganez ve paslanmaz çelik, alüminyum ve alüminyum bazlı alaşımları, titanyum, magnezyum, nikel ve bakır kullanılır. Genellikle kullanılan kaplama alaşımları kobalt, demir ve nikeldir [30,31]. Şekil 2.16 da lazer yüzey kaplama işleminin şematik gösterimi verilmiştir. Şekil 2.17 de ise alaşım tozlarının kaplama bölgesine ilave edilme şekilleri görülmektedir. Şekil Lazer yüzey kaplama tekniği [31].

61 38 Şekil Lazer yüzey kaplama için alaşım tozlarının gösterimi (a) önceden serilmiş toz, (b) işlem sırasında serilen toz [31]. Lazer Yüzey Kaplama işlemi öncesinde veya sonrasında dikkat edilmesi gerek parametreler aşağıda sıralanmıştır. İşlemde kullanılan gaz; Oksidasyon önleyici koruyucu gaz kullanılmaktadır. İş parçası boyutları; Küçük iş parçalarında ısının kolay yayılması veya geniş parçalarda ısının yayılmasının zor olması kaplama kalitesini etkilemektedir. Kaplama yüzey alanı; Kaplama kalınlığının üniform olması için önem teşkil etmektedir. Ön tavlama; Çatlama riskini önlemek ve iş parçası kompozisyonun koruması için önemlidir. Kaplama sonrası ısıl işlem; Büyük alanlarda yapılan ince kalınlıktaki kaplamalarda malzemeye çok iyi bir şekilde tutunmayı sağlamlamak için uygulanmaktadır. Kaplama sonrası mekaniksel işlem; Kaplama sırasında malzeme gerilimi artabilir ve distorsiyonlar görülebilir. Bu distorsiyonları gidermek için mekanik işlemler uygulanabilir.

62 Yüzey Kaplama Malzemeleri Metallerin yüzeyindeki aşınmayı önlemekte kullanılan sert maden kaplama alaşımlarının dört temel tipi vardır. 1) Nikel esaslı alaşımlar 2) Kobalt esaslı alaşımlar 3) Tungsten karbür bileşikleri 4) Demir esaslı alaşımlar. Bu malzemeler çubuklar, teller veya tozlar olarak elde edilebilir [32] Nikel esaslı alaşımlar Nikel bazlı alaşımlar, kobalt bazlı malzemeler ile genelde pek çok özelliklere sahiptirler. 538 o C sıcak1ığında sertliğini kaybetmeyen Nikel, Kobalt gibi malzemeler, soğutulduğunda sıcaklık sınırını geçmez ise orijinal sertliğine geri dönecektir. Nikel bazlı alaşımlar, korozyon ile hem sıcak hem de soğuk abrazyona karşı üstün dirençli olarak hazırlanırlar. Nikel alüminyum gibi bazı nikel a1aşım1arı çok sert yüzeylere yapışacak ve yalnızca en küçük değerde yüzey hazırlama iş1emi gerektirecektir. Nikel a1aşım1arı, aynı zamanda oyma kusurlu yüzeylerin onarımı için ideal malzemelerdir. Ni-Cr-B-Si kendinden bağlayıcılı a1aşım1ardır. Alt tabakanın ıslanma yeteneğini arttıran Borsilikaltları o1uşturmak için tozlardaki yüzey oksitlerle düşük ergimeli ötektikler bir araya gelir. Bazı üreticiler, korozyon ve oyuklanma dayanımını arttırmak için Cu ve Mo eklerler. Bununla beraber, bakırın sıcak yırtılmaya neden olduğu bilinmektedir. Bu a1aşım1arın, abrezif ve adhesif aşınma dayanımı iyi, yüksek sıcaklıkta sertlik ve korozyon dayanımı Co esaslı a1aşım1ara göre daha azdır.

63 Kobalt esaslı alaşımlar Kobalt esaslı alaşımlar, 816 o C sıcaklıklarda sertliğini kaybetmez ve bu sıcaklıklar aşılmış olsa bile soğutulduğunda orijinal sertliğine geri döner. Kobalt, soğuk abrazyon, korozyon, sürtünme, oksidasyon ve çarpma aşınmasını içine alan pek çok uygulamalar için kullanılmaktadır. Bu alaşımlar, sıcak abrazyona gerekli direnç uygulamaları için olağanüstü iyidirler. Kaplama uygulamalarında kullanılan Co alaşımları, soğuma süresince kırılmaya eğilimlidirler. Bu problem metalin ön ısıtılması ile giderilebilir. Düşük sulanma özelliği olan plazma ark yöntemi ile düzenli olarak bu alaşımlar kaplanabilir. Kobalt en çok sert ve korozyona dayanıklı Stellite alaşımlarının yapılmasında kullanılır. Bunlardan tıp aletleri vb. yapılır. Alaşımlar Kobalttan başka Tungsten demir, nikel, krom ve molibden metallerinden bir veya birkaçından oluşur. Kobaltlı bileşikler ve AlNiCo (Al-Ni-Co alaşımı) devamlı mıknatısların yapılmasında kullanılır. Radyoaktif kobalt, 60 Co kanser tedavisinde kullanılmaktadır. Kobalt elde etmek için kobalt, nikel ve bakır içeren arsenikli ve kükürtlü filizler kavrularak bu metallerin sülfürlerini ve arsenürlerini içeren ham taş elde edilir; bu işlem yüksek fırında yapılır. Sonra ham taş, soda (Ca(OH) 2 ve su karışımı) ile ayrımsal çöktürülür. Bu yolla elde edilen Co 2 O 3, karbonla indirgenerek karbon metali elde edilir. Stellite Kobalt oranı çok yüksek bir alaşım türü olan stellite, bileşiminde nispi olarak % 2 3 C, % Co, % Cr, % Tungsten, % 15 Mo ve bazen % 4 Fe, Ni, Ti ihtiva eder. Ne dövmeye ne de işlemeye elverişli olan stelliteler, dökümden çıktıktan sonra olduğu gibi kullanılır. Özellikle bakır ve pirinç ekstrüzyonunda kalıp malzemesi olarak kullanılmaktadır. Yüksek oranda Krom ve Molibden ihtiva etmekte olup, yüksek sıcaklık basamaklarında, aşınma dayanımı ve tokluğunu son derece iyi muhafaza etmektedir. İçerdiği Molibden sayesinde ısıl iletkenliği iyi olup yüksek sıcaklıklarda sertliğini son derece iyi muhafaza eder. Teslimat sertliği 45 HRC civarında olup ısıl işleme ihtiyaç duyulmadan kullanılmaktadır [33-34].

64 41 Stellite 1 Bu Stellite supapların uç kısımlarında dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır. Çap (Ø) 3,2 mm lik çubuk elektrotlar şeklinde temin edilebilmektedir. SAE standardında gösterilişi VF6 şeklindedir. Yoğunluğu 8,73 gr/cm 3, sertliği HRC olup, Cr ve W karbürlü, kobalt kristal karışımı ve primer krom karbürlerinden oluşan ötektik bir mikroyapıya sahiptir [34]. Çizelge 2.3 de Stellite 1 e ait kimyasal kompozisyon verilmiştir. Stellite 12 Stellite 12 yine Stellite 1 gibi supapların uç kısımlarında dolgu malzemesi olarak kullanılır. Çap Ø 3,2 mm lik çubuk elektrotlar şeklinde temin edilebilmektedir. DIN standardında X150CoCrW288, SAE standardında ise VF7 olarak gösterilmektedir. Sertliği HRC dir. Cr ve W karbürlü, primer östenitten oluşan ötektik altı bir yapıya sahiptir [34]. Çizelge 2.4 de Stellite 12 ye ait kimyasal kompozisyon verilmiştir. Çizelge 2.3. Stellite 1 e ait kimyasal kompozisyon (Ağırlıkça %). C Si Mn Co Ni Cr W Fe S P B 2,3-2,6 1,2 Max 1 43,6-54,7 Max Max 1,5 Max 0,02 Max 0,02 Max 0,01 Çizelge 2.4. Stellite 12 ye ait kimyasal kompozisyon (Ağırlıkça %). C Si Mn Co Ni Cr W Fe S P Mo B 1,6-2 Max 1,4 Max ,4 Max Max 1,5 Max 0,02 Max 0,02 Max 0,02 Max 0,01

65 42 Eatonite 6 Bu tür Stellite supapların açısında (oturma yüzeyinde) dolgu olarak kullanılmaktadır. Ağırlıklı olarak µm büyüklüğünde toz şeklinde temin edilmektedir. SAE de J775 şeklinde gösterilir. Yoğunluğu 7,9 g/cm 3, sertliği HRC dir [34]. Çizelge 2.5 de Eatonite 6 ya ait kimyasal kompozisyon verilmiştir. Nikel 60 Yine supapların açısında (oturma yüzeyinde) dolgu olarak kullanılırlar. Ağırlık olarak µm büyüklüğünde toz şeklinde temin edilirler. Sertlikleri minimum 20 HRC olup, yoğunluğu 4,2-5,0 g/cm 3 arasındadır. Cr ve karbürlü, östenitten oluşan ötektoit altı ve Nikel kristal karışımlı bir yapıya sahiptir. Tane akımı saniye/50 gram olarak ölçülmüştür [34]. Çizelge 2.6 da Nikel 60 a ait kimyasal kompozisyon verilmiştir. Çizelge 2.5. Eatonite 6 ya ait kimyasal kompozisyon (Ağırlıkça %). C Si Mn Ni Cr O N S P Mo B Fe 1,5-2,2 Max 1,5 Max 3,7 Min Max 0,03 Max 0,1 Max 0,02 Max 0, Max 0,03 Kalan Çizelge 2.6. Nikel 60 a ait kimyasal kompozisyon (Ağırlıkça %). C Si Mn Ni Cr O Fe 0,5-0,65 3,0-3,5 0,6-0, Max 0,02 Kalan

66 43 Stellite 6 Ağırlıklı olarak µm büyüklüğünde toz şeklinde elde edilen, 4,3-4,6 g/cm 3 yoğunluğa, HRC sertliğe, Cr ve W karbürlü, kobalt kristal karışımı ve östenitten oluşan ötektoit altı yapıya sahip supapların açısında (oturma yüzeylerinde) olarak kullanılan bir dolgu malzemesidir. DIN da X115CoCrW285 şeklinde, SAE de ST6 şeklinde standardize edilmiştir [34]. Çizelge 2.7 de Stellite 6 ya ait kimyasal kompozisyon verilmiştir. Stellite F Stellite F de ağırlıklı olarak µm büyüklüğünde toz halinde elde edilebilen, HRC sertliğe, 4,4-5,2 g/cm 3 yoğunluğa, Cr ve W karbürlü, primer östenitten oluşan ötektik bir mikroyapıya sahip dolgu malzemesidir. SAE de gösterimi VF5 şeklindedir [34]. Çizelge 2.8 de Stellite F e ait kimyasal kompozisyon verilmiştir. Çizelge 2.7. Stellite 6 ya ait kimyasal kompozisyon (Ağırlıkça %). C Si Mn Ni Cr W Fe Mo B O Co 0,9-1,4 0,7-1,5 Max 0,5 Max ,5-5,5 Max 3 Max 1 Max 0,01 Max 0,06 Kalan Çizelge 2.8. Stellite F e ait kimyasal kompozisyon (Ağırlıkça %). C Si Mn Ni Cr W Fe Mo B O Co 1,8-2 0,9-1,3 max 0, ,5-29,0 11,5-13,0 0,85-1,35 Max 0,6 Max 0,01 Max 0,02 Kalan

67 44 3. SÜRTÜNME VE AŞINMA 3.1. Sürtünme Bir katı cismin kendisiyle temas eden başka bir katı cismin bağıl hareketine veya hareket ihtimaline karşı gösterdiği dirençtir. Birbiri ile temasta olan yüzeyler arasındaki sürtünme hareketi kayma, yuvarlanma veya bu iki hareketin bileşimi şeklindedir [35] Genel tarif ve sınıflandırma Genel anlamda sürtünme temasta olan ve izafi hareket yapan bir cismin temas yüzeylerinin harekete veya hareket ihtimaline karşı gösterdikleri dirençtir. 3 tip sürtünme vardır. Bunlar; kuru, sınır (yarı sıvı sürtünmesi) ve sıvı sürtünmeleridir. Şekil 3.1. Sürtünme çeşitleri, (a) Kuru (b) Sınır (c) Sıvı [35,36]. İzafi hareket yapan yüzeyler arasında bir yağlayıcı madde konulması veya konulmaması bakımından sürtünme olayı kuru, sınır ve sıvı olmak üzere üç halde incelenir. Genel anlamda kuru sürtünme birbirine göre izafi harekette bulunan ve doğaldan doğruya temasta bulunan iki yüzey arasında oluşan sürtünmedir (Şekil 3.1.a). Yüzeyler arasında bir yağlayıcı madde konulması halinde iki durum ortaya çıkabilir ve esas sürtünme yağlayıcı maddenin tabakaları arsında oluşur; bu hale sıvı sürtünmesi denir (Şekil 3.1.c). İkinci durumda yani yüzeyler tamamıyla ayrılmadığı takdirde, sınır sürtünmesi hali vardır (Şekil 3. l.b). Birbirlerine temas eden hareketli parçalar arsında kayma, yuvarlanma veya kayma yuvarlanma mevcut olabilir.

68 45 Böylece sürtünme kinematik bakımdan kayma yuvarlanma veya kayma-yuvarlanma sürtünmesi şeklinde olur [31]. Kuru sürtünme Teorik olarak kuru sürtünmeyi ifade etmek için şekli 3.2.a'da gösterilen model kullanılmaktadır. Buna göre izafi hareket yapan ve normal bir kuvvetin (F n ) etkisi altında bulunan iki cismin temas yüzeyleri arasında harekete karşı F x = F n değerinde bir sürtünme kuvveti oluşur. Burada -sürtünme katsayısıdır [37]. Genel ifadeye göre sürtünme izafî hareket yapabilme olanağına sahip olan yüzeylerde oluşur. Şekil 3.2.a da cisimlerin herhangi birine teğetsel bir F kuvveti tatbik edilirse, durum ortaya çıkabilir. Birinci durumda F S >F yani sürtünme kuvveti F kuvvetinden daha büyük olabilir. Bu halde F kuvvetine rağmen cisimler birbirleri üzerinde kaymazlar. Ancak hareket olanağı olduğundan, yüzeyler arası statik sürtünme denilen bir direnç meydana gelir. Kavrama, fren gibi sürtünme esasına göre çalışan elemanlarda bu sürtünme hali vardır ve bu elemanların hesabı bu denkleme dayanır. İkinci durumda F S <F yani sürtünme kuvveti F kuvvetinden daha küçük olabilir. Kinematik sürtünme denilen bu halde, F kuvvetin etkisi altında yüzeyler birbirleri üzerinde kayarlar [36]. Teknikte sürtünme hem istenilen hem de istenilmeyen bir olay olarak çıkar. Fren, kavrama, sürtünmeli çarklar gibi makine elemanlarında sürtünme istenilen bir olaydır. Bu gibi yerlerde sürtünme arttırılır. Bunların dışında, bütün izafi hareket yapan yüzeylerde istenilmeyen bir olay olarak ortaya çıkan sürtünmenin azaltılması gerekilir [35,36]. Genellikle statik sürtünme katsayısı, kinematik sürtünme katsayısından daha büyüktür. Kayma hızı arttıkça kinematik sürtünme katsayısı azda olsa azalır (Şekil 3.2.b.). Şekil 3.2.b de görüldüğü gibi sürtünme katsayısının en büyük değeri hareketin başlangıcındadır. Buna karşılık normal kayma hızlarında hıza göre

69 46 sürtünme katsayısının değişimi çok az olduğundan sürtünme katsayısı sabit sayılabilir. Sürtünme olayı incelenirken temas yüzeylerinin pürüzlü oldukları ve tam madensel temiz olmadıkları gibi hususlar göz önünde tutulmalıdır. Şekil 3.2. Kuru sürtünme modeli [36]. Yüzeylerin durumu, yapılan inceleme ve deneylere göre kuru olarak tarif edilen madenlerin yüzeyleri aslında atmosferi teşkil eden elemanların etkisi altında oksit, yağ, su buharı, pislik vs. gibi yüzey tabakaları ile kaplıdır (Şekil 3.3.). Adsorpsiyon yolu ile oluşan ve ancak elektronik mikroskoplarla varlığı kanıtlanabildiği bu tabakalar madensel yüzeylere kuvvetle bağlanabilmekte ve yalnız çok etkin fiziksel ve kimyasal yöntemlerle temizlenebilmektedir. Ayrıca yüzeylerdeki oksit tabakası, talaş kaldırma veya temizlenmiş yüzeylerin atmosferle etkileşimi sonucu ani olarak meydana gelebilmektedir [37]. Şekil 3.3. Kuru sürtünme halinde yüzeylerin durumu [35]. 1. Pislik tabakası; 2. Adsorpsiyon tabakası; 3. Oksit tabakası 4. (Soğuk) Şekillendirilmiş tabaka

70 47 Teknikte kullanılan elemanların yüzeyleri çeşitli kimyasal bileşikleri ihtiva eden tabi bir adsorpsiyon tabakası ile kaplıdır. Bunun sonucu olarak doğrudan doğruya temas eden yüzeyler arasında daima bu tabakalar bulunur. Sürtünme olayını açıklamaya çalışan birçok teoriler vardır. Bunlardan gerçeğe en yakın olanı Bowden ve Tabor' un kaynak bağları teorisidir. Yukarıdaki olaylara dayanarak bu teori şu şekilde açıklanabilir. Yüksüz durumda yüzeyler belirli pürüzlük noktalarında temasta bulunur (Şekil 3.4.a) Bu noktalarda tabi tabakalar arsında bağlar oluşur. Yük tatbik edildikten sonra çok küçük olan temas yüzeylerinde çok büyük basınçlar meydana gelir. Bu basınçların altında bazı temas noktalarındaki tabi tabaka kopar, metalik temas meydana gelir ve yüksek basıncın etkisi altında bu noktalarda moleküler bağ şeklinde mikroskobik kaynak bağları oluşur. Bu bağlar, tabii tabaka bağlantısından çok daha kuvvetlidir. Temasta bulunan elemanların izafi hareketi ancak bu bağların kopması ile mümkündür. O halde sürtünme gerek metalik, gerekse tabi tabaka bağlarının oluşturduğu dirençtir. Sürtünme kuvveti ise bu bağların kopması için gereken kuvvettir (Şekil 3.4.b). Şekil 3.4. Mikro kaynakların oluşması, a) Pürüzlü yüzey temasları, b) Kaynak oluşumu [35]. Yukarıdaki teoriye göre sürtünme katsayısını analitik olarak ifade etmek mümkündür. Buna göre yükü taşıyan A g temas alanında oluşan metalik bağların yüzdesi a, bunların kesme mukavemeti τ km, tabii tabakalar arasındaki bağların

71 48 kayma mukavemeti τ ko ve tabakanın kopma mukavemeti ko ifade edilirse, sürtünme katsayısı; t t Fs km ko ( 1 ) (3.1) F ko ko n olarak bulunur. Gerçek temas alanı tamamen metalik temas noktalarından meydana geldiği durumda a = 1 olur ve böylece, µ=τ km /σ ko (3.2) yazılır. Diğer taraftan sadece tabii tabaka bağları olduğu halde a=0 olur ve sürtünme katsayısı için, = τ ko / ko (3.3) olarak elde edilir, a, τ km ve σ ko değerlerinin tayini çok güç olduğundan pratikte yukarıdaki bağlantıların kullanılması olanaksız gibi görünür. Buna rağmen bu bağıntılardan şu sonuçlan çıkarmak mümkündür. Sürtünme katsayısı, metal kaynak bağ teşkil etmiş olan temas noktalarının kesme mukavemetine (τ km ), tabakanın kopma mukavemetine ( ko ) ve tabii tabaka bağlarının kayma mukavemetine (τ ko ) bağlıdır, ko m ve τ ko 'ın ise büyük olması halinde, sürtünme katsayısı da küçük olur. Metal kaynak bağı teşkil eden temas noktalarının kesme mukavemeti, temas halindeki malzemelerin cinsine bağlıdır. Bu bakımdan; i. Birbirleriyle kolayca alaşım haline gelebilen demir, krom ve nikel gibi sert malzemeler arsında kuvvetli kaynak bağları oluşmaktadır. Sürtünme katsayısı düzensiz olarak değişmekte, yüzeyler üzerinde izler ve bir yüzeyden diğerine

72 49 malzeme transferi görülmektedir. Bazı hallerde kaynama noktaları o kadar şiddetli olur ki, yüzeyler birbirine kilitlenir, hareket sağlansa bile yüzeyler tamamen bozulmuş olur. Buna yenme denir. Bu olay yukarıdaki malzemelerin alaşımları için de geçerlidir. ii. Benzemeyen ve birbirleriyle ilgili olmayan malzemelerde daha hafif ve düzenli bir sürtünme oluşmakta ve yüzeyler üzerinde çok ince izler görülmektedir. iii. Birbiri üzerinde kayan malzemelerin biri sert, diğeri yumuşak (örneğin, kalay, kurşun, indiyum ve bunların alaşımları) olduğu takdirde, yumuşak malzeme diğer malzemeyi kendi parçacıklarından oluşan ince bir tabaka ile derhal kaplar ve bu şekilde iki yumuşak malzeme birbiri üzerinde kaymış gibi rol oynar. Bunun sonucunda sürtünme katsayısı azalır ve bu yüzeyler arasında yenme olayı meydana gelmez. Pratikte kalay alaşımlarının çok iyi yatak malzemeleri olmalarının nedeni bu olaya bağlıdır. Küçük bir sürtünme katsayısı elde etmek ve aşırı aşınmayı önlemek için malzemeler aynı veya birbiriyle kolayca alaşım haline gelebilen cinsten olmamalıdır. Ayrıca malzemelerden birinin yumuşak, diğerinin sert olması gerekir. Sınır sürtünmesi Yüzeyler arasında bulunan herhangi bir yağlayıcı maddeye rağmen sıvı sürtünmesi hali oluşturulamadığı durumda sınır sürtünmesi hali ortaya çıkar. Pratikte en çok rastlanan bu sürtünme halinde sürtünme katsayısı genel olarak 0,02 ile 0,1 arasında değişir [38]. Yüzeyler arasına bir yağlayıcı madde konulması haline yağlayıcı maddenin molekülleri, adsorpsiyon olayının sonucu olarak madensel yüzeylere düzgün ve muntazam bir şekilde yapışırlar. Yapılan deneyler göstermiştir ki, polar karbonlu hidrojenlerin molekülleri aktif karboksil grupları ile madensel yüzeylere bağlanmaktadır (Şekil 3.5). Böylece yüzeyler üzerinde birkaç molekül tabakası kalınlığında adsorpsiyon tabakaları oluşmaktadır [38].

73 50 Şekil 3.5. Sınır sürtünmesi [38]. Yağın bu özelliğine yapışma kabiliyeti denir. Bu özellik yağ ve madensel yüzeylerin karşılıklı etkilerine bağlıdır. Oluşan bu tabaka, tabii tabakada olduğu gibi, metalik yüzeylerin doğrudan doğruya temasa geçmesini önler. Ancak yağ tabakası ile tabii tabaka arasında önemli bir farkdır. Havanın etkisi ile oluşan tabii tabakanın esası oksit tabakasıdır; burada tesadüfen bulunan yağ molekülleri çok azdır. Yağ tabakası ise tamamen yağ moleküllerinden oluşur ve özelliğini buraya yağlamak amacıyla konulan yağ maddesinden alır. Yağ tabakasının tabii tabakaya göre kopma mukavemeti çok daha büyüktür ve bunun sonucu olarak doğrudan doğruya madensel temasta olan yüzeyler daha azdır. Yapışmış yağ tabakasının kopma mukavemeti kf ve kayma mukavemeti Tkf ile ifade edilirse, eşitlik (3.2) denklemi burada da geçerlidir. İyi bir yağlama sisteminde a çok küçük olduğundan sürtünme katsayısı; T kf / kf (3.4) olarak bulunur. Burada önemli olan yağ tabakasının kopma ve kayma mukavemetleridir. Adi yağların oluşturduğu yağ tabakasının kopma mukavemetinin büyütmek veya kayma mukavemetini azaltmak için yağlara katık denilen bir takım ek maddeler konulur. Genellikle organik yağlardan oluşan katık maddeleri yağ içerisine çok az miktarda konulur. Bu maddeler metalsel yüzeylerle kimyasal reaksiyona girerler ve yüzeyler arasında, kopma mukavemeti yüksek olan yarı sıvı halinde madeni sabunlar meydana getirirler.

74 51 Böylece sınır sürtünme; sırf adsorpsiyon tabakalarından oluşan fiziksel veya kimyasal reaksiyonu sonucu meydana gelen tabakalarından oluşan kimyasal esasına dayanabilir. Pratikte kuru sürtünmede olduğu gibi sınır sürtünmesi bölgesinde çalışan sistemlerin sürtünme katsayıları deney ile tayin edilir [38]. Sıvı sürtünme Sıvı sürtünmesi, madeni yüzeylerin bir yağ tabakası tarafından tamamen ayrılmış olduğu sürtünme halidir (Şekil 3.6). Yüzeylerin pürüzlüğü göz önüne alınırsa, analitik bakımından sıvı sürtünmesi [34]. Şekil 3.6. Sıvı sürtünme [38]. Ho > R t1 + R t2 (3.5) bağıntısı ile ifade edilebilir. Burada R t1 ve R t2 her iki yüzeyin maksimum pürüzlülüğüdür. Madensel yüzeylerle doğrudan doğruya temasta bulunan yağ tabakaları, adsorpsiyon yolu ile bu malzemelere tamamen yapışmış olduğu görülür; şöyle ki U hızıyla hareket eden yüzeye yapışmış olan tabakanın hızı U; sabit yüzey üzerindeki tabakanın hızı ise sıfırdır. Ara tabakalarının hızı y mesafesine bağlı olarak U ile sıfır arasında değişir. Böylece sıvı sürtünmesi halinde sürtünme esas itibariyle birbiri üzerinde kayan yağ tabakaları arasında oluşmaktadır. Viskoz bir akışkanda meydana gelen kayma gerilmeleri Newton kanununa göre,

75 52 du (3.6) dy şeklinde, belirtilebilir. Burada -yağın viskozitesi, du/dy-y mesafesine göre hız değişimi (gradyanı) veya kayma oranıdır. Kayma gerilmelerine bağlı olan sürtünme kuvveti ve sürtünme katsayısı du Fs A ; = F s / F (3.7) dy olarak yazılır. Burada; ( /h)a (3.8) şeklinde ifade edilir, burada h-yağ tabakasının kalınlığıdır. Sıvı sürtünmenin oluşumunda rol oynayan esas etken yağ tabakasında meydana gelen basınçtır. Basınç oluşumu Hidrodinamik ve Hidrostatik olmak üzere iki olaya bağlıdır. Hidrodinamik sıvı sürtünmesinde, yüzeylerin kinematik ve geometrik şartlarına bağlı olarak yağ tabakasında kendi kendine bir basınç alanı oluşur. Basınçlı bir yağ filminin oluşabilmesi için kinematik ve geometrik şartlar, yüzeylerin birbirine göre belirli bir izafi hıza sahip olması ve yağ tabakasının hareket yönünde daralmasıdır. Pratikte bu iki şart, eğik düzlemsel yüzeylerde (eksenel yataklarda, Şekil 3.7.a) ve birbirine göre eksantrik bir durumda olan silindirik yüzeylerde (radyal yataklarda, Şekil 3.7.b) gerçekleşir.

76 53 Şekil 3.7. Hidrodinamik sıvı sürtünmesi [39] a) Eksenel yataklarda sürtünme, b) Radyal yataklarda sürtünme. Hidrodinamik sıvı sürtünmesi kinematik ve dinamik şartlara bağlı olduğundan uygulama alanı sınırlıdır. Genellikle bu sürtünme hali, izafi hareketin sürekli olduğu ve yağ tabakasının hareket yönünde daraldığı sistemlerde oluşur. Öteleme hareketi sırasında hareket yönünde daralan bir yağ tabakası oluştuğu taktirde, çok kısa süreli bir sıvı sürtünmesi hali gerçekleşebilir; ancak bu sürtünme hali hiçbir zaman sürekli olmaz. Şekil 3.8.a da hidrodinamik sıvı sürtünmesinde sürtünme katsayısının hız ile değişimi görülmektedir. Görüldüğü gibi hidrodinamik sıvı sürtünmesi bölgesinde çalışan sistemlerde hareketin başlangıcında ve durma sırasında kuru ve sınır sürtünmesi halleri ve bunlara bağlı olarak aşınmalar meydana gelir. Bu nedenle hidrodinamik sıvı sürtünmesi halinde sitemlerin aşınması tamamen önlenemez. Hidrodinamik sıvı sürtünmede yağlayıcı maddeler olarak sıvı, gaz veya gres kullanılabilir. Buna göre sıvı sürtünmesi halleri Hidrodinamik, Gazodinamik veya Reodinamik olarak isimlendirilir. Hidrostatik sıvı sürtünmesi halinde, dış kuvvetin dengelenmesi ve yüzeylerin birbirinden ayrılması için gereken basınç, bir yüksek basınçlı pompa vasıtası ile dışardan sağlanır ve yağ basınç ile yüzeyler arasına gönderilir (Şekil 3.9). Bu durumda bütün sistemlerde, yüzeylerin kinematik ve geometrik şartlarına bağlı olmaksızın sıvı sürtünmesi sağlanabilir; yani hidrostatik sıvı sürtünmesi hareketsiz

77 54 yüzeylerde de oluşturulabilir. Böylece bu gibi sistemlerde hareketin başlangıcında ve durma sırasında sıvı sürtünmesi hali vardır (Şekil 3.8.b), kuru veya sınır sürtünmesinin bulunmadığı bu yağlama durumunda aşınma da yoktur [32,34]. Şekil 3.8. Sürtünme katsayısının Şekil 3.9. Hidrostatik sıvı sürtünme [38]. değişimi [38]. (a)hidrodinamik, (b)hidrostatik, (c)rulmanlar. Bu üstünlüklerine rağmen hidrostatik sıvı sürtünmesi ile çalışan sistemlerin mahzurları şu şekilde özetlenebilir. Tesisat bakımından (motor, pompa, süzgeç, dirençler) oldukça karışık ve pahalı bir sistemdir; bu tesisatta bir arıza olduğu ve yatağa yağ gönderilmediği durumda, yüksek hızda çalışan elemanlar direkt temasa geçerler ve şiddetli bozulmalar meydana gelir. Ancak modern sistemlerde, bu durumu önlemek için uyarıcı cihazlar konulur. Yağlayıcı maddeler sıvı, gaz veya gres olabilir. Buna göre sistemler Hidrostatik, Gazostatik veya Reostatik olarak isimlendirilir. Teknolojinin gelişmesi ile yağlama alanında da yeni yöntemler uygulanmaya başlanmıştır. Örneğin sıvı sürtünmesi bölgesinde çalışan sistemlerdeki yağlayıcı elektromanyetik alan içerisinde bulunursa, bu sitemlere, sıvı sürtünmesinin cinsine göre Magnetohidrodinamik, Magnetogazodinamik, Magnetohidrastatik denilmektedir [38].

78 55 Yuvarlama sürtünmesi Yuvarlanma sürtünmesi, yuvarlanma hareketine karşı temas yüzeylerinde oluşan dirençtir. Teorik bakımdan tam rijit ve yüzeyi pürüzsüz olan tam silindirik veya küre şeklinde bilye elemanın, rijit pürüzsüz bir düzlem üzerinde serbest yuvarlanmasında (Şekil 3.10.a), hiçbir sürtünme kuvveti meydana gelmez. Aslında bu tür elemanların temas yüzeylerinde Hertz tipi elastik ve daha az olarak da plastik deformasyonlar oluşur (Şekil 3.10.b). Ayrıca hareket yönüne doğru temas alanında bir dalga meydana gelir [35,36]. Şekil Yuvarlanma sürtünmesi [35]. a) Pürüzsüz yüzeyde yuvarlanma, b) Plastik deformasyon oluşumu, c) Deformasyonla dalga oluşumu, d) Kayma oluşumu, e) Sürtünme momenti (Şekil 3.10.c). Dolayısıyla F n kuvvetine karşı basınçların tepkisi f değeri ile ileri kayar (Şekil 3.10.d). Bu durumda, elemanın yuvarlanmasında meydana gelen yuvarlanma sürtünme momenti (Şekil 3.10.e) M sr = F n. f (3.9) ve yuvarlanmayı gerçekleştiren kuvvet Fh =F n. f bağıntısından h R değeri ile;

79 56 F = (f/h)f n (f/r)f n = r F n (3.10) olarak bulunur. Burada: f-mm veya cm ile ifade edilen yuvarlanma sürtünmesinin kolu ve u, r = f/r-yuvarlanma sürtünme katsayısıdır (3.10) bağıntısına göre yuvarlanmada harekete karşı direnci simgelemeyen sürtünme kuvveti, F sr = r F n (3.11) şeklinde ifade edilebilir. Bu kuvvet F so = r F n statik sürtünme kuvveti ile karşılaştırılırsa F sr <F so yani r = f/r< o olduğu durumda eleman kaymaksızın sadece yuvarlanır; F sr >F so yani r = f/r> o olduğu halde eleman yuvarlanmaz, sadece kayar. Yuvarlanma hareketi ve buna bağlı olan yuvarlanma sürtünmesi, yukarıda gösterilen olaylardan çok daha karışıktır. Harekete karşı direnç, temas yüzeylerinde oluşan kayma, histerezis, yüzey enerji kayıpları, geometrik düzgünsüzlükler gibi olaylara bağlıdır. Şekil Elastohidrodinamik sürtünmesi [39]. a) Hidrodinamik sıvı sürtünmesi, b) Elastohidrodinamik sürtünmesi Yuvarlanan yüzeyler arasında yeterli yağ bulunduğu durumda, bir hidrodinamik sıvı sürtünmesi oluşabilir.(şekil 3.11.a); ancak Hertz basıncı ve şekil değiştirmeler de dikkate alınırsa burada esasen Elastohidrodinamik denilen bir sıvı sürtünmesi meydana gelir (Şekil 3.11.b). Pratikte yuvarlanma hareketi dişli, kam

80 57 mekanizmalarında ve rulmanlarda rastlanır. Bu nedenle yukarıda gösterilen olaylar bu sistemlerde önemlidir [38-39] Sürtünme kanunları Sürtünme kanunlarının belirlenmesinde iki temel esas vardır ve bunlar büyük oranda uyumluluk gösterirler. Birinci kanun; temas eden yüzeyler arasında oluşan sürtünme kuvveti, görünür temas alanından bağımsızdır. İkinci kanun; sürtünme kuvveti, cisimler arasındaki normal yükle doğru orantılıdır. Böylece bir cisim diğeri üzerinde kayarken eğer normal yük iki katına çıkartılırsa, sürtünme kuvveti de iki katına çıkar. Bu kural daha çok Amontos kuralı olarak bilinir ve ilk kez 1699 yılında Fransız bilim adamı Amontos tarafından açıklanmıştır. Üçüncü bir kural olarak da; kinetik sürtünme kayma hızından yaklaşık olarak bağımsızdır. Bu kuralın ilk ikisine göre uygulanabilirliği daha düşük değerlerlerdir. Üçüncü kural Coulomb tarafından 1785 yılında açıklanmıştır [40] Sürtünme katsayısı Bilindiği gibi iki malzeme birbirine temas edecek şekilde yerleştirilirse, malzemelerin birbiri üzerinde kaymasını sağlamak için uygulanan kuvvete dik yönde olacak şekilde, bir sürtünme kuvveti oluşur. Kaymayı başlatan kuvvet (F s ) ile temas yüzeyine etki eden kuvvet (F n )arasında, F s = s. F n bağıntısı mevcuttur. Burada s, statik sürtünme katsayısıdır. Birinci durumda, teğetsel kuvvete rağmen cisimler birbiri üzerinde kayamaz, yani hareket edemezler. Bu durumda hareket olanağı olmadığından yüzeyler arasında "statik sürtünme" denilen bir direnç oluşur ve Newton kanununa göre F s sürtünme kuvveti teğetsel sürtünme kuvvetine eşit ve ters yöndedir. Böylece; F s = F t yazılabilir. Kavrama ve fren gibi sürtünme ile çalışan sistemlerde gerçekte bu sürtünme hali mevcuttur. Diğer durumda ise, F k teğetsel kuvvetin etkisi altındaki yüzeyler birbiri üzerinde kayarlar. Şekil 3.12' de görüldüğü gibi, kinetik veya dinamik sürtünme kuvveti denilen bu halde, F s sürtünme kuvveti F k teğetsel

81 58 kuvvetinden daha küçüktür ve harekete ters yöndedir. Kaymanın başlamasıyla birlikte sürtünme kuvvetinde bir azalma görülür ve bu durumda, F s = k F n bağıntısı yazılabilir [41]. Şekil 3.12 Statik ve dinamik sürtünme katsayıları [40]. Kinetik sürtünme katsayısı k, statik sürtünme katsayısı s ' den daha küçük değerdedir. Bunun sebebi, dinamik haldeki yüzeylerde bulunan küçük çıkıntılar, statik haldeki gibi yapışmak için gerekli zamanı bulamazlar. Bu nedenle geçilmesi gereken temas alanı azalır, l numaralı eşitlik göz önüne alınacak olursa, k değeri s ' ye göre daha küçük değer alacaktır. Kayma durur durmaz, sürtünme temas yüzeylerinin çok az büyümesine müsaade eder ve burada, yayınma mekanizması bağların kuvvetlenmesini sağlar. Böylece sürtünme katsayısı yeniden s değerine ulaşır [40] Aşınma Aşınma katı cisimlerin yüzeylerinden çeşitli etkenlerle sürekli malzeme kayıplarının ortaya çıkmasıdır. DIN ve ASTM G40 93 standartlarına göre aşınma; "kullanılan malzemelerinin başka malzemelerle (katı, sıvı veya gaz) teması neticesinde mekanik etkenlerle yüzeyden küçük parçacıkların ayrılması sonucu meydana gelen ve istenmeyen yüzey bozulması" şeklinde tanımlanmaktadır. Katı cisimlerin yüzeyleri oksitlerle ya da yağlayıcılarla kaplansalar bile oksit filminin mekanik yük altında parçalandığı ve yağlayıcının adsorbsiyonunun zayıf olduğu yerlerde, yer yer katı-katı teması olur. Bu temaslar ise aşınmaya neden olmaktadır. Bu şekilde, yüzeyler ilk şekillerini kaybederler. Parçalar arasındaki boşluklar büyür,

82 59 gürültü ve titreşimler meydana gelir, verim azalır. Kısaca makine amaçlanan fonksiyonunu normal bir şekilde yerine getiremez [42]. Bir aşınma sisteminde; i. Ana malzeme (aşınan), ii. Karşı malzeme (aşındıran), iii. Ara malzeme, iv. Yük, v. Hareket, temel unsurlar olarak sayılabilir. Bütün bu unsurların oluşturduğu sistem, teknikte tribolojik sistem olarak adlandırılır ve Şekil 3.13 de böyle bir sistemin şematik gösterimi verilmiştir. Şekil 3.13 Tribolojik bir sistemin şematik olarak gösterimi [42] Aşınma hasarları Aşınma makine ve konstrüksiyon tasarımında çok önemlidir. Temas eden yüzeylerde sürtünme kuvvetleri güç kaybına, aşınma ise işleme toleranslarının azalmasına neden

83 60 olmaktadır. Aşınma sorunlarının yaşandığı tesislerde, meydana gelen aşınma maliyetini beş grupta toplamak mümkündür. maliyeti, Aşınmış ve dolayısıyla kullanılamaz duruma gelmiş parçanın ve yenisinin Aşınma yüzünden tesisteki proses parametrelerinin meydana getirdiği maliyet. Örneğin, kağıt fabrikasında aşınma yüzünde silindirlerin dönme hızının ve dolayısıyla üretimin artırılması gibi, Bakım ve onarım için tesisin durdurulması sebebiyle oluşan üretim kaybı ve dolayısıyla üretimin durdurulması ve yeniden başlatılmasıyla (ön ısıtma gibi) maliyeti, Aşınmanın önceden tahmin edilememesi yüzünden meydana gelecek kazaların sebep olduğu kayıplar, Yukarıdaki sorunların daha az yaşandığı rakip firmalarla rekabet edememenin meydana getirdiği maliyet Aşınma türleri Aşınma, hareketli makine parçalarının ömürlerini, performanslarını azaltan ve bu parçaların bozulmasına neden olan çok önemli bir faktördür. Bu sebeple, ekonomik açıdan aşınmanın neden olduğu kayıplar ve hasarlar çok büyük olmaktadır. Rabinowicz aşınmayı dört temel grupta toplamıştır [43]. Bunlar; adhesiv aşınma, abrasiv aşınma, kalkma veya oyuklanma ve kimyasal veya korozif etkidir. Problemin doğru olarak çözülmesi için aşınma mekanizmasının çok iyi anlaşılması gerekmektedir.

84 61 Aşınma; yağlayıcı tipi, sıcaklık, yük, hız, malzeme, ürünün yüzey bitirme işlemi ve sertlik gibi özelliklerinin değiştirilmesinden etkilenmektedir. Aşınmanın gözlenmesinde ortaya çıkan izler mekanizmanın belirlenmesinde oldukça önemlidir. Ancak Dorrison oluşan izlerden mekanizmanın belirlenmesinin oldukça zor olduğunu göstermiş, çoğu zaman bir mekanizmanın etkili olduğunu belirtmiştir [43]. Genel olarak aşınma, dış etkiler altında, temas yüzeylerinde oluşan fiziksel ve kimyasal değişimlerin sonucudur. Dış etkileri, fiziksel ve kimyasal değişikliklerin çokluğu nedeniyle pratikte, bir aşınma hali değil, birçok aşınma halleri vardır. Aşınma türleri; adhesiv, abrasiv, oyuklanma ve kalkma, kazıma olmak üzere dört grupta toplanır. Adhesiv aşınma Özellikle kayma sürtünmesi yapan, metalografik yapıları birbirine benzeyen iki metalin yüzeyleri arasında adhesiv çekim kuvveti oluşur [43]. Adhesiv aşınma en çok rastlanan aşınma türüdür. Bu aşınma, birbiriyle temas halinde bulunan iki metalin yüzeylerinin, yüksek basınç ve meydana gelen sıcaklık yükselmesi ile birlikte, metallerin yüzey kısımlarında bir kaynama meydana gelir. Çalışma esnasında bu kaynaklar birbirlerinden ayrılırken yüzeylerinden ufak parçacıklar kopar. Bu şekilde meydana gelen aşınma Adhesiv aşınmadır [44]. Adhesiv aşınma en kolay alaşım yapan benzer malzemelerde görülür. Bu aşınma bağıl hıza, normal kuvvete, yüzeylerin sertliğine bağlıdır. Yüksek hız ve yüklerde görülen bu aşınma yüzeydeki oksit ve nem tabakasının etkisindedir. Adhesiv aşınma en çok benzer kristal kafes yapılı malzemelerde görülür. Benzer kristal yapısına sahip metallerin, hareket ve sürtünme nedeniyle sıcaklığın artmasıyla birlikte yüzeylerinde kaynama daha kolaydır. Buradaki kaynama terimi bazen yanlış anlaşılmalara neden olur. Şöyle ki kaynak yüksek sıcaklıklarda meydana gelen bir birleşmedir. Adhesiv aşınma durumunda ise temas bölgelerindeki sıcaklıklar düşük

85 62 olabilir. Burada meydana gelen kaynak soğuk kaynak olarak tarif edilebilir. Şekil 3.14 de adhesiv aşınmada kaynak bağının oluşumu görülmektedir [43]. Birbiriyle temas halinde bulunan metaller, yüzeylerindeki pürüzler vasıtasıyla etkileşirler. Çok düzgün yüzeylerde bile bu durum söz konusudur. Metalin ağırlığında veya herhangi bir yükleme durumunda, pürüz tepelerinde meydana gelen gerilme sonucu plastik deformasyon oluşur. Malzemenin deforme edilebilirliği kolay ise temas alanı artarak bütün yüzeye dağılır. Bu durumda yüzeylerde bulunan absorbe olmuş sıvı veya gaz molekülleri ve oksit tabakaları parçalanarak, malzeme moleküllerinin direkt temas etmelerine olanak verir. Böylece temas noktalarında soğuk kaynak bölgeleri oluşur. Bu bölgeler izafi hareket durumunda, sürtünme kuvvetinin etkisiyle kırılarak yüzeyler arasına taşınır. Bu şekilde meydana gelen malzeme kaybına Adhesiv aşınma denir. Şekil 3.14 Adhesiv aşınmada oluşan kaynak bağı [44]. Sürtünme esnasında malzemenin yüzeylerinde meydana gelen kaynak bağlarının kırılması tam temas yüzeylerinde meydana gelmesi durumunda malzemenin kaybı olmaz [44]. Fakat kırılmanın malzemenin temas yüzeyinin uzağında veya herhangi birinin içinde olması durumunda, kırılan parçalar bir yüzeyden diğer yüzeye geçerek malzeme transferi meydana gelir. Şekil 3.15 de adhesiv aşınmada oluşan kaynak bağlarının kopması ve malzeme transferi şematik olarak gösterilmiştir [46].

86 63 Metallerin birinin diğerine göre yumuşak olması durumunda, meydana gelen kaynak bağı vasıtasıyla kırılma yumuşak malzemede olur ve malzeme transferi sert olan malzemeye doğru oluşur. Fakat yüzeyde bulunan nitrürler ve oksitler koparak yumuşak malzemeye gömülerek sert olan malzemeyi aşındırabilir [47]. Ortam ısısı, yüzey pürüzlülüğü, hareket hızı ve ortam basıncı aşınmanın şiddetini arttıran temel faktörlerdir. Adhesiv aşınma miktarı uygulanan yük ile ve alınan yol ile doğru orantılı olup aşındırılmış yüzeyin sertliği ile orantılıdır [47]. Şekil 3.15 Kaynak bağlarının kopması ve malzeme transferi [46]. Metaller arasındaki yağlamanın adhesiv aşınmaya çok büyük etkisi vardır. Metal - metal aşınmasında metal yüzeylerin sürtünmesi ve birbiri üzerinde kayması sırasında yüzeylerden parçacıklar kopar. Yağlama olmadığında sık sık kopan parçalar diğer metale yapışarak aşınmayı artırır [43]. Adhesiv aşınmanın söz konusu olduğu durumlarda, sökülüp takılması ve tamir olması kolay olan parçanın diğerine göre yumuşak olması tercih edilir. Örnek olarak ana dişliye göre küçük olan pinyon dişlisinin yumuşak olması istenir. Adhesiv aşınma genellikle yataklarda, dişlilerde, kam mekanizmalarda ve demiryollarında çalışan teker - ray sistemlerinde görülür. Yüksek yükleme ve hız durumlarında, yağlama aşınmanın azaltılmasını sağlar. Yapılan çalışmalarda azotlu ortamdaki aşınmanın, karbondioksitli ortamda meydana gelen aşınmadan daha fazla

87 64 olduğu ispat edilmiştir. Yüzeyler arasında bulunan oksit, CO 2, nem ve N gibi maddeler adhesiv aşınma miktarının azalmasını sağlar [47]. Yüzeyler hareket ettirildiğinde başlangıçta yüzeylerin teması sivri tepeciklerde olduğundan yüksek gerilmeler meydana gelir ve aşınma hızla artar. Sivri noktaların düzleşmesi ve kopan partiküllerin yağlar tarafından uzaklaştırılması ile yüzey teması çok geniş bir alana yayılır. Dolayısıyla gerilme düşer ve aşınma miktarı azalır. Aşınmanın başlangıcındaki alışma aşınmasına (rodaj) denmektedir. Bu aşınmada yüklerin yüksek olması tehlikelidir. Tüm yağlamalı sistemlerde alışma aşınması uygun şartlarda, aşırı yüklenmeden gerçekleşirse faydalı olur. Alışma aşınması ile aşınma miktarı atılarak yüzeyler düzgünleşir. Dolayısıyla temas alanı artarak yük düşer. İkinci bölgedeki aşınmaya durgun aşınma denir ve uzun süre önemli bir aşınma meydana gelmez. Tezgâh ve makinelerin ömrünü bu aşınma tayin eder. Durgun aşınma sonunda aşırı aşınma meydana gelir. Bu aşınma durumunda malzeme çiftleri birbirine tamamen yapışabilir [43]. Rabinowicz ve Tabor aşınma ve yağlayıcılar üzerine bazı çalışmalar yapmışlar ve yüzeylerde yağlayıcı olmazsa yüzeye dik olan yükün artışına bağlı olarak, aşınmanın da lineer olarak arttığını bulmuşlardır. Yüzeye yağlayıcı uygulanması durumunda ise, malzeme transferinin azalması kadar, sürtünme katsayısının da düşürüldüğünü gözlemlemişlerdir. Skorski çoğu metaller için yapışma sabitinin sürtünme katsayısı ile ilişkili olduğunu göstermiştir ve malzeme transferindeki azalmanın şüphesiz olarak, yapışmanın boyut ve sayısındaki azalmanın bir sonucu olduğunu göstermiştir. Bu çalışmalar adhesiv aşınmanın bazı genel özelliklerinin çıkartılmasında faydalı olmuştur [46]. Bunlar; Aşınma miktarı normal yükle orantılıdır. Aşınma miktarı kayma mesafesiyle orantılıdır. Aşınma miktarı aşınan yüzeyin sertliği ile orantılıdır.

88 65 Bu çalışmalar, gösterilen parametrelerin değiştirilmesine bağlı olarak, birçok aşınma probleminin çözülebileceğini göstermektedir. Metalografik çalışmalar sonucunda belirlenen başlıca özelliklerden biri de, malzeme taşınımının yumuşak metal yüzeyinden sert olan metal yüzeyine doğru olmasıdır. Adhesiv aşınmanın etkisini azaltmak için düşünülen birçok faktör vardır [50]. Bunlar içerisinde yağlayıcı uygulaması tatmin edicidir ve malzeme seçiminde en çok çalışılan konular arasındadır. Araştırmalar ve deneyler sonucunda adhesiv aşınmanın azaltılmasında bazı uygulamaların faydalı olduğu görülmüştür [47]. Bunlar; Malzeme çiftleri düşük katı çözünürlüğe sahip olmalıdır. Roach, Goadzeit ve Hunnicut adhesiv yapışmada alaşımlamanın çok etkili bir parametre olduğunu belirtmişlerdir [46]. Malzemenin diğer mühendislik özelliklerini bozmayacak şekilde mümkün olduğunca sert olması gerekmektedir. Genellikle sert metaller çok zor plastik davranış gösterirler ve daha düşük sürtünme katsayısına sahiptirler. Rabinowicz silisyumun çok iyi bir şekilde kayma sistemine sahip olarak yüzey sarma etkisinin olduğunu işaret etmiştir. Skorski, metallerin yapışmasını etkileyen faktörleri özetlemiştir. Bu faktörler çizelge 3.1 de görülmektedir. Adhesiv aşınması, benzer veya kolay alaşım yapabilen malzemeler arasında meydana gelmektedir. Bu bakımdan malzeme çiftinin birisi sert (örneğin çelik) diğeri yumuşak, (örneğin bronz) veya kalaya dayanan yatak malzemesi olması şeklinde seçilmelidir. Yağlanmanın etkisi çok büyüktür. Sınır sürtünmesi bölgesinde dahi, yüzeylere yapışmış yağ tabakası büyük ölçüde adezyon aşınmasını önlemektedir. Yüksek hız ve basınç altındaki yüzeyler arasına katıklı (aditifli) bir yağ konulursa, aşınma ve bilhassa yenme önlenebilir. Buna göre adezyon kuvvet aşınmasını

89 66 önlemek için iyi bir yağlama yöntemi sağlanmalı ve uygun yağlayıcı maddeler ile katıklar kullanılmalıdır. Bu yağlara, yüksek basınçlı yağlar denilmektedir. Çizelge 3.1. Metallerin adhesyonunu etkileyen faktörler[46]. Özellik Büyüklük Adhesyon Katsayısı 1. Yüzeye yardımcı bir madde sürme Yüksek Düşük 2. Kristal sistemi Kübik Hegzagonal Düşük 3. Deformasyon sertleşmesi katsayısı Yüksek Yüksek 4. Saflık Yüksek Düşük 5. Sertlik Yüksek Düşük 6. Elastik modül Yüksek Düşük 7. Ergime sıcaklığı Yüksek Düşük 8. Yeniden kristalleşme sıcaklığı Yüksek Düşük 9. Atomik yarıçap Düşük Düşük 10. Yüzey enerjisi Yüksek Yüksek Hegzagonal sıkı paket yapıda olan çinko metali üzerinde çalışılmıştır. Büyük oranlarda bir değişimin olmadığı görülmüştür. Aksine yüzey merkezli kübik yapıda olan bakır üzerindeki çalışmalar büyük ölçüde etkinin var olduğunu göstermiştir. Abrasiv aşınma Bu aşınma şekli kaba sert bir yüzeyin veya içinde sert tanecikler ihtiva eden bir yumuşak yüzeyin, daha yumuşak bir yüzeyin üzerinde kayması ve yumuşak yüzeyde bir takım oluklar açılması halidir. Oluklardan çıkan malzeme genellikle gevşek aşındırma parçacıkları şeklinde kalır [47]. Sürtünen iki yüzey arasına dışarıdan giren yada iki yüzey arasında oksitlenmeden dolayı meydana gelen daha sert bir maddenin yüzeylerde yaptığı hasar olarak tanımlanır. Bu sert maddeler, yüzeylerde taşlama işleminde olduğu gibi bir malzemeden parça kopartılması olayı ile benzer işlem gösterirler [48]. Abrasiv aşınma, aşınma türlerinin arasında en önemlisidir. Çünkü toplam aşınmanın % 63 ünü içerir [49]. Yüzeylere baskı kuvveti uygulandığı zaman

90 67 sert yüzey üzerindeki asperiteler (kaba parçalar) yumuşak yüzeye gömülür. Dolayısıyla yüzeyleri hareket ettirmek için bir kuvvet uygulandığı zaman asperiteler yumuşak yüzeyi kazırlar. Aşınma yumuşak ve sert iki yüzey arasında olduğu gibi sert taneciklerin yüzey üzerinde akması ile de gerçekleşir. Üç cisimli aşınmada yüzeyler arasındaki sert tanecikler tam bir kayma hareketi yapmaz, bazen de yuvarlanırlar. Bu nedenle aşınma daha yavaş olur. Metalin (aşınan malzeme) sertliği (Hm) ve aşındırıcının sertliği (Ha) olmak üzere Hm/Ha bir kıstas olarak kullanılır. Hm/Ha<0,8 ise metalde çok aşırı kazıma aşınması meydana gelir. Talaşlı imalatta istenen durum budur. Hm/Ha>0,8 ise kazıma aşınması düşüktür. Hm/Ha 1 ise metalde kazıma aşınması meydana gelmediği belirtilir [51]. Günümüzdeki otomobil motorları, motor bloğunun işlenmesi sırasında oluşmuş sert dökme demir tozları içerir. Eğer bu parçacıkların kalınlığı en ince yağ filminin kalınlığından daha fazla ise abrasiv aşınma meydana gelir. Bu problemin çözümü için iki yol mevcuttur. Bunlardan biri komşu yüzeyleri yabancı parçacıklardan daha sert yapmaktır. Bu nedenle krank millerinin yüzeyleri sertleştirilir [52]. Abrasiv aşınma iki cisimli ve üç cisimli abrasiv aşınma olmak üzere iki şekilde meydana gelir. İki cisimli abrasiv aşınma, sert ve pürüzlü bir yüzeyin kendinden daha yumuşak bir malzeme ile temas ettiği durumda, kuvvet ve basıncın etkisiyle yumuşak malzeme yüzeyinde oluşan çizikler ve küçük parçacıklar kaldırarak meydana gelen aşınma, iki cisimli abrasiv aşınma olarak tarif edilebilir. İki cisimli abrasiv aşınmaya kazı makineleri, toprak işleme aletleri, eğeleme ve zımparalama işlemi örnek olarak verilebilir [46,47]. Üç cisimli abrasiv aşınma, metal-metal sürtünmesi durumunda adhesiv veya iki cisimli abrasiv aşınma olarak başlayıp üç cisimli abrasiv aşınma olarak devam eder. Bu aşınmada iki metal arasına sert tanecikler girer ve malzeme üzerinde çizikler oluşturarak aşınmayı meydana getirir [53]. Araya giren tanecikler toz, kum, mikro talaşlar ve parçalanmış oksit tabakaları vb. taneler olabilir [46]. Kum gibi bir parçacığın ara yüzeye girmesi sonucunda abrasiv aşınma artar ve her iki yüzeyde de

91 68 değişiklikler meydana getirir [54]. Üç cisimli abrasiv aşınmanın aşınmayı hızlandırdığı tespit edilmiştir. Bu nedenle sert taneciklerin araya girmesine engel olunmalıdır [47]. Malzemelerin yüzeylerinin durumları değiştirilerek korozyona, çarpmaya ya da abrasiv aşınmaya karşı direnci artabilir [49]. Şekil 3.16 da üç cisimli abrasiv aşınma mekanizması şematik olarak görülmektedir [46]. Abrasiv aşınmadaki sürtünme katsayısı metal malzemenin mekanik davranışına ve abrasiv parçanın karakteristikleri, özellikle abrazyon durumunda geometrisine göre değişir. Goddart ve Wilmon a göre abrazyon oluşumundaki ilişkide (metal-abrasiv, metal-metal, abrasive-metal) sürtünme katsayısı değişik şekilde olabilir [55]. Şekil 3.16 Üç cisimli abrasiv aşınma mekanizması [46]. Şekil 3.17 Abrasiv tane boyutunun fonksiyonu olarak iki metalin aşınma oranı [47].

92 69 Çizelge 3.2 de tipik abrasiv aşınma uygulamaları ve aşınma miktarları verilmektedir. Burada görülmekte olan önemli bir durum, oymalı sürtünme aşınmasının son derece yüksek aşınma hızlarına sahip olduğudur. Diğerleri, eğer yüksek uygulama hızlarına sahip değilseler, örneğin kum çarpması gibi bu kadar yüksek aşınma hızlarına sahip olmazlar. Çizelge 3.2. Abrasiv aşınma proseslerinin içerdiği tipik aşınma hızları [45]. Mekanizma Oymalı sürtünme aşınmasında östenitik mangan çeliği Darbeyle toz üretiminde kullanılan çekiçler İş makinelerinin dalıcı dişleri Kaba cevher kazıyıcılarının aşındırıcı bıçakları Top milli kepçe ağızlan Silis cevherlerinin kırılması için kırıcı bantlar Kaba silis cevherlerinin tutulmasında kullanılan oluk bantlar Yüksek gerilmeli abrasiv aşınmada düşük alaşımlı yüksek karbonlu çelikler Silis cevherlerinde kullanılan çubuk ve bilyeli mil bantları Islak öğütülmüş silis cevherlerinin aşındırma bilyelerinde Islak öğütülen ham çimento çamurundaki öğütücü bilyeler Kuru öğütülen çimento klinkerlerinde kullanılan öğütücü bilyeler Düşük gerilmeli abrasiv aşınmada perlitik beyaz dökme demir Kum püskürtme nozülleri Kum taşıma bantları Aşındırıcı mineral çözeltilerinin pompalanmasında kullanılan yükleyici vanalar Abrasiv mineral çözeltilerinde ajitasyon ve flatasyon pervaneleri Kum çözeltilerinde vida tipi sınırlandırıcıların aşınan pabuçları Aşınma miktarı (mg/s) ,1 1,0 0,5 5 0,15 0,45 0,05 0,15 0,005 0, ,1 5 0,05 1 0,05 0,2

93 70 Bir malzemenin diğer bir malzeme tarafından önemli ölçüde abrasiv aşınmaya tabii tutulabilmesi için, ikinci malzemeden çok daha yumuşak olması gerekir. Bu sebeple abrasiv aşınmayı minimuma indirmek için aşınmaya uğrayan malzemenin diğer malzemeye göre daha sert olması istenir. Bu özellik değişik metotlarla sağlanabilir. Bunlar; Alaşımlamayla malzemelerin sertlikleri iyi bir şekilde artırılabilir. Isıl işlem uygulamaları yine malzemelerin sertliklerini önemli ölçüde değiştirebilir. Malzemelerin yüzeylerine dışarıdan müdahale ederek sert yüzey tabakası oluşturabilir. Buna örnek olarak elektro kaplama, alev püskürtme, nitrasyon, plazma sprey, borlama ve bunun gibi birçok diğer uygulamalar örnek olarak verilebilir. Birçok yüzey işlemi aşınmayı azaltmak ve sınırlandırmak amacıyla uygulanmaktadır. Oyuklanma ve kalkma aşınması Bu tip aşınma temas yüzeylerinde çok küçük çukurcukların oluşması şeklinde kendini gösterir. Olay özellikle rulmanlar, dişli çarklar, kam mekanizmaları gibi makine elemanlarında, yani yuvarlanma hareketi yapan parçaların yüzeylerinde ortaya çıkar ve esas olarak bir malzeme yorulması sonucudur. Bu elemanlarda temas alanları küçük olduğundan yüzeylerde Hertz yüzey basınçları meydana gelir. Bu çeşit basınçların etkisi altında yüzeylerin hemen altında kayma gerilmeleri oluşur [46]. Değişken zorlanma nedeniyle malzemenin yüzeyinde bir yorulma olayı başlar. Maksimum kayma gerilmelerinin bulunduğu yerde plastik deformasyon ve dislokasyon olaylarına da bağlı olarak çok küçük boşluklar meydana gelmektedir. Zamanla bu boşluklar yüzeye doğru hareket etmekte, büyümekte ve yüzeyde küçük

94 71 çukurcuklar meydana getirmektedir. Bu durumda yüzeyler arasındaki yağın etkisi de önemlidir. Yüksek basınç altındaki yağın çatlaklara girmesi, bunların büyümesinde önemli rol oynayabilir. Oyuklanma ve kalkma aşınmasının diğer bir açıklama tarzı ise, çukurcukların plastik deformasyonlar nedeniyle doğrudan doğruya temas yüzeyinde meydana geldiği ve buradan malzemenin iç kısımlarına da yayıldığı ileri sürülmektedir [45, 46]. Oyuklanma bir aşınma mekanizması olarak düşünülmektedir ve metal yüzeyinin yorulması sonucu ortaya çıkan bir hasardır. Oldukça düşük gerilmeler altında yapılan hızlı uygulamalarda metal yüzeyinde oyuklara benzer birçok boşluk meydana gelebilir. Yüzeyin yorulma kusurunun karakteristiği normal yorulmadan bazı farklılıklar içermektedir. Birinci farklılık, yüzey yorulması kütlesel yorulma dayanım sınırını göstermez. İki türlü oyuklanma ve kalkma aşınması vardır. İlkel oyuklanma ve kalkma aşınmasında çukurcuklar çok küçük olup büyümezler ve yüzeye yayılmazlar. Tahripkâr oyuklanma ve kalkma aşınmasında ise, çukurcuklar zamanla büyür ve yayılırlar. Birinci tipteki oyuklanma ve kalkma aşınması, elamanın normal çalışmasını genellikle engellemez. Tahripkâr oyuklanma ve kalkma aşınması, elamanı işe yaramaz hale getirir. Çatlaklar yüzeyin hemen altında, maksimum Hertz gerilmesine ulaşıldığı zaman, yüzeyin altında bulunan bir inklüzyon köşesiyle birleşerek gerçekleşmektedir. Son teknolojik gelişmelere bağlı olarak çok temiz malzemelerin üretilmesiyle malzemedeki inklüzyon sayısı düşürülebilmektedir. Çalışmalar inklüzyon dokusunun, segregasyonun, bant teşekkülünün ve kalıntı östenit miktarının oyuklanmayı etkilediğini göstermiştir [52]. Oyuklanma ve kalkma aşınması oluşumunda malzemelerin doğal sertliği önemi rol oynar. Doğal sertlikteki malzemelerde, örneğin çeliklerde, oyuklanma ve kalkma aşınması meydana gelir; ancak çeliğin yüzeyi sertleştirilirse oyuklanma ve kalkma aşınması meydana gelmez. Bu aşınma türü yumuşak malzemelerde görülmemektedir.

95 72 Yorulma aşınmasını önlemek için en önemli tedbir temas yüzeylerinin sertleştirilmesidir. Yuvarlanma veya kayma şeklinde yüzey hareketinin yüzeyde oluşacak çatlağın yüzeyde mi, yoksa yüzeyin hemen altında mı başlayacağı hakkında bize bilgi vermektedir. Yalnızca yuvarlanma, yüzeyin hemen altında maksimum kayma gerilmesi ortaya çıkarmaktadır. Buna ilaveten yüzeye kayma işleminin uygulanması yüzeyde maksimum kayma gerilmesi oluşumuna yol açmaktadır. Kazıma aşınması (mekanik korozyon aşınması) Kazıma, korozyonla desteklenen aşınma türleri arasında çok yaygın olan bir aşınma türüdür. Yük altında birbirine temas eden iki yüzey arasında hafif titreşimli hareket sebebiyle oluşmaktadır ve oksit kalıntıları tarafından çevrelenen yüzeyde oyuklanma gibi kendi kendini geliştirir. İki metal yüzey birbirine temas ettiği zaman, yük altında yüzeyde bulunan düzensizlikler sebebiyle yapışma oluşur. Bundan sonra yüzeyde bu yapışma noktalarından koparak kaynaklanmış alanlarda aşınma ürünü kırıntılar yer alır [47, 48]. Bu parçalar çok küçüktür ve oksitlenmek için gerekli olan ısıya ulaşmış durumdadır. Bu oksit kalıntıları küçük hareketlerin oluşması sebebiyle uzaklaştıramazlar. Bu parçaların abrasiv karakterli olmaları sebebiyle, malzeme oldukça etkili aşınma hızına ulaşmaktadır. Örnek olarak, gemi ile uzun mesafe giden makinelerde görülen aşınma hasarı. Yüzeyler hava ile reaksiyona girerek aşınmanın şiddetli olmasını önleyen oksit ve diğer tabakaları meydana getirirler. Bununla beraber, özellikle kimyasal maddeler bulunan ortamda çalışan makine elemanlarının yüzeyleri bu maddelerle reaksiyona girerek ince fakat sert tabakalar oluştururlar. Aynı sonuç yağlarda bulunan maddelerden dolayı da elde edilir. Değişken yük altında bu sert tabaka kırılır ve sert parçacıklar düşerek aşınma parçacıklarını meydana getirirler. Temiz kalan temas yüzeylerinde reaksiyon sonucu olarak tekrar bir sert tabaka oluşur, yük altında tekrar kırılır ve olay bu şekilde devam eder. Henüz kesin olarak bilinmemekle beraber, hava rutubetinin de bu olay üzerinde etkisi önemlidir.

96 73 Relatif hareketin oldukça küçük boyutlu partiküllerin oluşmasına sebep olacak şekilde gerçekleşmesi gerekir cm'lik bir yer değiştirme bu hasara yol açabilir. Ancak, uygulamada bir santimetrenin birkaç binde biri kadar bir titreşimle oluştuğu görülmüştür. Şekil 3.18 de yumuşak çelikte toplam ağırlık kaybının yer değiştirme mesafesi ile değişimi görülmektedir [46]. Şekil Kazımadan kaynaklanan toplam ağırlık kaybında, toplam yer değiştirme miktarının etkisi [46] Aşınma deneyleri ve ölçüm yöntemleri Endüstride kullanılan alet ve ekipmanlarda aranılan özelliklerden bir tanesi de servis ömürleridir. Makine parçalarının çabuk aşınması makinenin ömrünü kısaltarak maliyetini artırdığı gibi, onarım için geçen süre de üretimin önemli ölçüde azalmasına neden olmaktadır. Bu sebeple makine imalatında aşınmaya maruz kalabilecek yerlerde aşınma direnci yüksek malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemelerin tespiti için de birçok laboratuar deneylerinin yapılması gereklidir. Laboratuar şartlarında yapılan deneylerde, ana malzemenin bir modeli ile çalışır. Bu model, basit geometrik şekle sahip olup, fazla bir masrafa gerek kalmadan üretilebilir ve daha sonra bir deney cihazına takılarak her türlü aşınma ölçme işlemleri bunun üzerinde yapılabilir

97 74 Aşınma deney yöntemlerini genel olarak iki grupta toplamak mümkündür. Yağlamalı ve yağlamasız bir ortamda ana ve karşı malzemelerinin adhesiv aşınma değerlerinin ölçüldüğü deneyler (Şekil 3.19). Katı, sıvı ve gaz halindeki maddelerin etkisi altında yalnız karşı malzemenin aşınma değerinin ölçüldüğü deneyler (Şekil 3.19). Aşınma deney sistemi olarak en çok kullanılanlar 3.20 de görülmektedir. Aşınma farkı kalınlık farkı, iz değişim ve radyoizotop metotları aşağıda sırasıyla açıklanmıştır. Ağırlık farkı metodu Ekonomik olması ve ölçülen büyüklüğün alet duyarlılık kapasitesi dahilinde bulunması sebebiyle en çok kullanılan yöntemdir. Deney numunelerinin her ölçümü için numunenin çıkartılıp ölçüm yapılması, yani numune yerindeyken üzerinden ölçü alınmaması, bu yöntemin dezavantajıdır [54]. Şekil Yağlamalı ve yağlamasız adhesiv aşınma deney yöntemleri [56].

98 75 Ağırlık kaybının ölçülmesi l0-3 veya 10-4 gr. hassasiyetinde oldukça duyarlı bir terazi ile yapılır. Aşınma miktarı gram ve miligram cinsinden ifade edilirse, metre veya kilometre olarak tespit edilen sürtünme yoluna göre, birim sürtünme yoluna karşılık gelen ağırlık kaybı (gr/km), (mg/m) ile ifade edilebilir. Ağırlık kaybı, hacimsel aşınma miktarı olarak belirtilmek istendiğinde, yine ağırlık kaybından hareketle, kullanılan malzemenin yoğunluğu ve deney numunesi üzerine etki eden yükleme ağırlığı hesaba katılmak suretiyle, birim yol ve birim yükleme ağırlığına karşılık gelen hacim kaybından gidilerek de bulunabilir [46]. Şekil Abrasiv aşınma deneylerinde kullanılan yöntemler [57,58]. a) Aşınma diski, b) Aşınma tablası, c) Aşınma kabı, d) Avery kabı, e) Aşınma tekerleği, f) Püskürtme lülesi.

99 76 Bu tanımlara göre, en çok kullanılan ağırlık kaybı ölçme metodunda kullanılan bağıntılar şunlardır. W G (mm 3. N -1 m -1 ) (3.12) a d. M. S. Burada; W a : Aşınma oranı (mm 3. N -1 m -1 ), G: Ağırlık kaybı (mg), M: Yükleme ağırlığı (N), S: Aşınma yolu (m), d: Yoğunluk (gr/cm 3 ) olarak verilmiştir. Aşınma (W a ) ters değeri de aşınma direnci (W r ) olarak gösterilir. W r = 1 (N.m/mm -3 ) (3.13) W a Başka bir bağıntı olarak da, bir kilometre kayma yoluna kabul eden yükseklik kaybı bağıntısı vardır ki, genellikle iki elemanlı abrasiv aşınmanın hesaplanmasında kullanılır G W s ( /km) (3.14) F. d. s Burada; V s : Bir km aşınma yoluna tekabül eden yükseklik kaybı ( ım), G: Ağırlık kaybı (mg), F: Aşınma yüzeyi (cm 3 ), d: Yoğunluk (gr/cm 1 ), s: Kayma yolu (krn) olarak alınır. Deney malzemesi yükseklik kaybının, mukayese malzemesinin (örneğin Fe 37 çeliği) yükseklik kaybına oranı, aşınma orantı sayısını (W S ) verir. W s = V g (deney numunesi) /V s (Fe 37 çeliği) (3.15) Bu orantı sayısının ters değeride bağıl aşınma direnci R, olarak kullanılır.

100 77 1 R (3.16) V s Kalınlık farkı metodu Aşınma esnasında oluşacak boyut değişikliğinin ölçülmesi, başlangıç değeri ile karşılaştırılması suretiyle elde edilir. Kalınlık farkı olarak tespit edilen bu değerden gidilerek, hacimsel kayıp değeri ve birim hacimdeki aşınma miktarı hesaplanır, kalınlık, hassas ölçme aletleri yardımıyla 1 m duyarlılıkta ölçülmelidir [46]. İz değişimi metodu Sürtünme yüzeyinde plastik deformasyon metodu ile geometrisi belirli bir iz oluşturur. Deney boyunca bu izin karakteristik bir boyutunun (çapının) değişimi ölçülür. Uygulamalarda iz bırakıcı olarak en çok kullanılan alet Vickers veya Brinell sertlik ölçme ucudur. Elmas piramit veya bilyenin bıraktığı iz boyutlarındaki değişme mikroskop vasıtasıyla ölçülerek belirlenir [46]. Radyoizotop metodu Sürtünme yüzey bölgesinin proton, nötron veya -parçacıklarıyla bombardıman edilerek, radyoaktif hale getirilmesi esasına dayanır. Aşınmanın büyük hassasiyetlerle ölçülebilmesi ve sistem içerisinde çalışma şartlarını değiştirmeden ölçü alınabilmesi yöntemin avantajıdır. Fakat ekonomik olmaması nedeniyle ancak özel amaçlarla kullanılabilir. Özel problemlerin çözümü dışında yaygın olarak kullanılan bir metot değildir [45, 46].

101 78 4. ALAŞIMSIZ ÇELİKLER 4.1. Alaşımsız Çeliklerin Kimyasal Bileşimine Göre Sınıflandırması Aşağıdaki tabloda verilen alaşım elementlerinin sınır değerlerini geçmeyen çelik DIN EN ye göre alaşımsız çelik olarak adlandırılır [59]. Çizelge 4.1. Alaşımsız ve alaşımlı çeliklerin sınıflandırılması için sınır değerler [59]. Alaşım Elementi Sınır Değer (% Ağırlık) Alüminyum Al 0,10 Kobalt Co 0,10 Krom Cr 0,30 Bakır Cu 0,40 Mangan Mn 1,65 Molibden Mo 0,08 Niobyum N 0,06 Nikel Ni 0,30 Silisyum Si 0,50 Titanyum Ti 0,05 Vanadyum V 0,10 Tungsten W 0,10 C tanımlama işareti, çeliğin karbondan başka alaşım elementi içermediğini gösterir. Karbon oranı da % 1/100 olarak verilir. Çelikleri ayırt edebilmek ve belirli özelliklerini belirtebilmek için C harfinin arkasına başka tanımlama harfleri de kullanılabilir. Örneğin, C harfinden sonraki E ve R gibi harfler DIN EN e göre, alaşımsız ıslah çeliklerindeki P ve S elementlerinin sınır değerleri hakkında ipuçları verir [59].

102 Alaşımsız Çelikte Elementler Karbon Demirdeki en önemli alaşım elementi karbondur. Az miktardaki karbon demirin karakter ve özelliklerini değiştirmek için yeterlidir. Bir işlem gerektirmeden dövülebilen çelikler % 0,40 ile % 2,06 arasında karbon içerirler. % 2,06 dan fazla karbon içeren Fe - C alaşımları dövülemez, aksi takdirde kırılırlar. Bu nedenle bu alaşımlar döküm halinde kullanılır ve dökme demir olarak isimlendirilirler [59] Silisyum Si > % 0,1 olduğunda deoksidasyon aracı; FN (R) Alaşımsız çelikte Si için sınır %0,5 dir (% 0,5 in üzerindeki Si miktarı kaynakta çatlak oluşumu tehlikesi yaratır). Si, çekme mukavemeti ve akma sınırını artırırken, şekillendirilebilme yeteneği ve uzamanın azalmasına sebep olur [59] Mangan Çekme mukavemetini ve tokluğu artırır. Sülfür ile birleşir (metalürjik kalıntı=mangansülfid, MnS). Sıcak çatlak oluşumunu engelleyebilmek için manganın kükürde oranı en az 3:1 olmalıdır (günümüzde bu oran genelde 7:1 veya daha fazladır). Deoksidasyon aracı olarak etki eder [59] Fosfor Çeliğe cevherden gelir. Çekme mukavemeti her % 0,1 P artışı ile 65 N/mm 2 artar. Bundan da derin çekme plakalarının üretiminde yararlanılır. Şekillendirilebilme yeteneği ve darbe mukavemeti düşer. P > % 0,05 durumunda çentik tokluğu değerindeki büyük düşüş nedeniyle soğuk kırılganlık tehlikesi doğar. Soğuk kırılganlık geçiş sıcaklığı T ü ile gösterilir. P un a kristalleri içerisinde çözünmesi, düşük difüzyon hızından dolayı bir kırılganlık etkisi yaratır. Uzun katılaşma süreci P

103 80 segregasyonları oluşmasını destekler. Yüksek P oranı sülfür ile birlikte kaynar dökülmüş çelikte segregasyon bölgelerinin oluşmasına sebep olur. Aynı şekilde P gaz kabarcığı segregasyonlarında da görülür. Yüksek P oranı özellikle Thomas çeliğinde (T) görülür (artık üretilmemektedir). Çelik içerisindeki P oranı mümkün olabildiğince < % 0,05 olmalıdır [59] Kükürt Çeliğe cevherden gelir. Kükürt, FU (U) çeliklerinde blok segregasyonlar içerisinde fazla miktarda bulunur. Manganın bulunmadığı durumlarda tane sınırlarında düşük erime sıcaklığına sahip FeS oluşturur (erime sıcaklığı yaklaşık 980 C). Yüksek S içeren çelikler sıcak kırılma tehlikesine sahiptir. Otomat çeliklerinde yüksek miktarda S vardır (işlenebilirliği kolay ama eritilerek kaynatılabilme özelliği kötü). Bütün çeliklerde S oranı < % 0,05 olmalıdır ve S oranı arttıkça kaynak kabiliyeti düşmektedir [59] Azot (Nitrojen) Çeliğe cevherden gelir. Özellikle eski T çeliklerinde N oranı yüksektir. Özellikle düşük sıcaklıklarda soğuk şekillendirme ile beraber çok kuvvetli yaşlanma sertleşmesi meydana getirir (gevrek kırılganlık, çok düşük çentik tokluğu). N değeri çelik içerisinde eşit dağılım göstermek şartıyla < % 0,01 olmalıdır (bağ yapmamış haldeki miktarı). Azot çelik içerisinde bağlandığında zararsızdır [59] Oksijen Çeliğe cevherden gelir. Çelik içerisinde bulunması istenilmez. Katı çelik içerisinde çözünmüş oksijen, çekme mukavemeti ve çentik darbe tokluğunu düşürür. Oksijen özellikle kaynak metal içindedir (bazik elektrotlarla oksijen oranı çok düşüktür). Oksijen üflenen çeliklerde oksijen girişi kuvvetlidir [59].

104 Hidrojen Çeliğe cevherden gelir. Çelik içerisinde bulunması istenilmez. Düşük sıcaklıklarda bile hidrojenin demir içerisindeki çözünürlüğü yüksektir. H atom çapının küçük olması sebebiyle diğer malzemelerin kristal yapısı içerisine kolayca sızar ve orada atom formunda kristal yapı arasındaki boşluklara yerleşerek karışık kristaller oluşturur (büyük difüzyon hızı) C de 4 ile 16 saatlik tavlama ile hidrojen dışarı çıkabilir. Çelik içerisindeki hidrojen giderilmezse hidrojen kırılganlığına yol açar. Hidrojen, çekme ve katlama deneylerinde şekil değiştirme kuvvetinin düşmesinden anlaşılabilir. Kaynak dikişi içerisindeki hidrojen, aynı zamanda şekillendirme özelliklerinin kötüleşmesine sebep olur [59] Alaşım Elementlerinin Çeliklerin Özelliklerine Etkileri Çekme mukavemetinin, sertlik ve sertleşebilirliğin artması sonucunda şekillendirilebilirlik ve tokluğun azalması söz konusu olabilir. Kritik soğuma hızının düşmesinden dolayı daha iyi sertlik derinliği ve su verme, daha iyi sıcak ve durgun mukavemet, sıcağa dayanıklılık ve korozyona karşı güvenlik elde edilebilir. Çelik içerisine eklenen alaşım elementleri genellikle farklı metaller olarak ayrılmayıp demir kristalleri içerisinde demir atomlarının yerlerini alırlar. Karışık kristaller oluştururlar ve diğerleriyle metaller arası bağ yaparlar [59] Yapı değişiklikleri Alaşım elementleri, östenit - perlit değişimini, perlit oluşumunu sağlayan atom göçünü yavaşlatacak şekilde etkilerler. Uzun soğutma sürelerinde de, hızlı soğutmada ortaya çıkan sonuçlar görülür, örneğin: yapı değişiklikleri, karbürlerin ince dağılımı gibi. Bundan dolayı alaşımlı çeliklerin aynı karbon oranına sahip alaşımsız çeliklerle karşılaştırılmaları durumunda daha yüksek mukavemet değerlerine sahip oldukları görülür [59].

105 Alaşım elementlerinin çeliklerin kaynaklanabilirliğine olan etkileri Kaynak yeri ve hemen yanındaki ısıdan etkilenen bölge pratik kaynak koşulları altında kaynak sırasında yüksek sıcaklığa çıkarılıp daha sonra hızlı bir şekilde soğutulur. Bu olay sertleştirme ısıl işlemine benzemektedir. Sertliğin derecesi çeliğin kimyasal bileşiminde öncelikle C oranına bağlıdır. Ayrıca Mn, Cr, Ni, Mo gibi alaşım elementleri de sertliği artırırlar [59] Alaşım elementlerinin diğer etkileri Fe-C denge diyagramındaki nokta ve çizgilerin yerlerinin değişmesine sebep olurlar. Alaşım elementlerinin yaptığı en kuvvetli değişiklik A 3 ve A 4 (Şekil 4.1 ve 4.2) çizgilerinin sıcaklık değerleri üzerindedir. Ni, Mn, C, Cu ve N, A 3 çizgisini düşürüp A 4 çizgisini yükseltirler. Ancak Cr, Si, Al, W, Mo, V ve Ti gibi diğer bir grup elementler, bunun tam tersi bir etki yaparlar (A 3 yükselir, A 4 düşer). Yüksek alaşımlı östenitik çeliklerde de ferritik çeliklerde olduğu gibi α/γ dönüşümü olmaz. Bu nedenle bu çeliklerde ne normalleştirme ne de sertleştirme veya ıslah mümkündür [55]. Şekil 4.1 de östenitik çelik tipi diyagramında, ferrit oluşturucu elementlerden dolayı sıkıştırılmış bölge, şekil 4.2 de ferritik çelik tipi diyagram görülmektedir. Her iki diyagramda Fe elementine diğer elementler ilave edildikçe A 3 ve A 4 çizgilerinin değişimi görülmektedir.

106 83 Östenit oluşturucu elementlerden dolayı açık bölge; Ni, Mn, C ve Cu. Şekil 4.1. Östenitik çelik tipi şeması ferrit oluşturuculardan dolayı sıkıştırılmış bölge; Cr, Mo, Si, Al, Nb, Ti, V, ve W [59]. Şekil 4.2. Ferritik çelik tipi şeması [59] Düşük Karbonlu Çeliklerde Kaynak Metali Saf demir bilindiği gibi üç allotropik duruma sahiptir. Bunlar östenit (γ), delta ferrit (δ) ve alfa ferrit (α)'dir. östenit, delta ferrit ve alfa ferrit sıcaklıkları arasında kararlı

107 84 olmaktadır. Saf demirin faz değişim davranışı küçük miktarlardaki alaşım elementi ilavesi ile pek değişmemektedir. Buna örnek olarak düşük alaşımlı çelikler verilebilir. Düşük alaşımlı çeliklerin kaynak metali erime çizgisinde δ ferritin düzlemsel olarak katılaşmaya başlaması ile gerçekleşmektedir [60]. Buna ise geniş sıcaklık gradyantı neden olmaktadır. Daha sonra, δ ferrit taneleri kolon tipi şeklini almakta ve bunların yönleri maksimum ısı akışı yönüne doğru olmaktadır. Daha hızlı soğumalarda δ ferrit tane sınırlarında östenitler çekirdeklenmekte ve δ - δ ferrit sınırları boyunca bunlar kolon tipi şeklinde büyümektedirler. Kaynağın hareketli ısı kaynağı içermesinden dolayı, sıcaklık izotermlerinin yönleri zamanla değişmektedir. Sonuçta, östenitin genel büyüme yönü δ ferrit tanelerinden bir noktaya kadar farklı olmaktadır [61]. Şayet soğuma hızlı olursa sıvı metal, yarı kararlı östenit olarak katılaşabilmektedir. Çeliğin östenit oluşturucu alaşım elementleri ile alaşımlandırılması durumunda, katılaşmada ilk oluşan faz östenit olmaktadır. Kaynakta sıvı fazdan direkt olarak östenit oluşumu iki nedenden dolayı istenmemektedir. Birinci olarak büyük inklüzyonlar ilerleyen katı-sıvı ara yüzeyinde uç noktalarda tercihen bağlanmaktalar ve kolon tipi tene sınırlarında kalmaktadırlar [62]. Bu ise, nihai olarak oluşan tane sınırı ferritinde kırılganlığa sebep olmaktadır. Bu durum şekil 4.3 te görülmektedir. Tane sınırlama biriken inklüzyonların sebep olduğu kırılganlık durumu sıvı metalin δ ferrit olarak katılaşması durumunda görülmemektedir. Çünkü, dönüşümün ilerleyen kademesinde oluşan östenit taneleri δ - δ ferrit tane sınırlarını kesmekte ve inklüzyonlar tane içinde kalmaktadırlar. Tane içinde kalan inklüzyonlar daha az zararlı olmaktadırlar. Hatta, bunlar asiküler ferrit oluşumunda çekirdek görevi görmeleri nedeniyle istenmektedirler. Östenitik katılaşmadan sakınmanın ikinci nedeni ise, yer alan alaşım elementlerinin ferrit içindeki difüzyonunun östenite göre daha fazla olmasıdır. Bu durumda ise, segregasyon daha az olmaktadır.

108 85 Şekil 4.3. Kaynak sıvı metalinin a) δ ferrit ve b) östenit olarak katılaşması durumunda büyük inklüzyonların yerleşme durumu [62] Östenit Tane Yapısının Değerlendirilmesi Nihai mikro yapının değerlendirilmesinde östenit tanelerinin hem şekli hem de boyutu önem taşımaktadır, östenit tane boyutunun önemli iki etkisi bulunmaktadır. Birincisi; birim hacim başına düşen toplam tane sınırı. Östenit tane sınırlarında heterojen çekirdeklenme alanları sayısıyla artış göstermektedir, ikincisi ise; tane şekli anizotropidir. Kolon tipi östenit tanelerinin çok uzun olmalarına rağmen, mikro yapı östenit tanesinin içinde yapılan ölçüme (çapına) bağlı olmaktadır. Bu ölçüm ise, tanenin genişliğine bağlı kalmaktadır. Hesaplamalarda tane boyu çoğunlukla hesaba katılmamaktadır. Tane yapısının anizotropisi, mikroyapı modellemesinde tane parametreleriyle ilgili olarak bir takım karmaşıklıklara sebep olmaktadır. Çeliğin ısıl işlemlerinin çoğunda, ısıtma işlemi γ-karışık kristallerinin bulunduğu sahaya kadar yapılır. Isıl işlemlerin birçoğunda östenitleştirme işlemleri yapılır. Malzeme konsantrasyonu, boyutları ve formuna bağlı olarak, dönüşümlerin nispeten hızlı gerçekleştiği, ısıtma ve soğutma süreleri gerektirir. Yalnızca yüksek alaşımlı ve yüksek karbonlu çeliklerde istisnai bir durum vardır. Bundan dolayı, ısıtmadaki yapı değişmeleri büyük dikkat gerektirir. Alışılmış teknik ısıtma hızlarında östenit teşekkülünün daima, ferrit sementit sınır yüzeylerinde başladığı görülür. Ferritik-perlitik yapıda ilk önce perlit kısmı östenite dönüşür [63]. Çeliklerde östenitleştirmenin amacı, her zaman mükemmel bir α-γ faz dönüşümünü sağlamak ve mümkün olduğu kadar ince taneli östenit elde etmektir.

109 86 Diğer bir hedef olarak, karbürlerin γ-karışık kristalleri içerisinde mükemmel ya da kısmen çözülmesi istenir. Konsantrasyon ve başlangıç yapısının yanında özellikle ısıtma hızı önemli bir teknolojik faktördür, Östenitin öncelikle hızlı ısıtmayla bağlantılı tane incelmesi ve tam kabalaşmasına pek az meyille, doğru kullanılması, normal ısıtmada ulaşılması mümkün olmayan, özellik değişmeleri sağlar. Örneğin, önceden hızlı ısıtma yapılarak sertleştirme yapılırsa, normal sertleştirmede ulaşılması mümkün olmayan özellik değişmeleri elde edilir Kaynak Metalinde İnklüzyon Oluşumu Kaynak havuzunun iki kısımdan oluştuğu farz edilir. Bunlar sıcak ve soğuk kısımlardır. Sıcak kısımlar, sıcaklık oldukça yüksek olmasına karşın soğuk bölgede sıcaklık deoksidasyon ürünlerinin oluşması için uygundur. Sıcak bölgede sıvı akışı oldukça hızlı ve sıvı halde deoksidasyon ürünlerinin oluşumu kısmen iyidir [64]. Kaynak havuzunda kalan hem sıcak hem de soğuk bölgede olduğu farz edilir. Eğer çelik yapımında kullanılan prensipler kaynağa uygulanırsa Mn ve Si içeren kaynak metalinde deoksidasyon ürünleri MnO ve SiO 2 olacaktır ve çok az miktarda FeO içerecektir. Soğuk bölgede akış yeterince hızlı olmadığı İçin faz ayrımı o kadar fazla olmaz. Şekil 4.4 de sıcaklık ve zamana bağlı olarak kaynak metali içersinde inklüzyonların oluşumu grafik olarak verilmiştir. Şekil 4.4. Sıcaklık ve zamana bağlı inklüzyon oluşumu [65, 66].

110 87 İnklüzyonların oluşum aşamalarını çalışmak oldukça zordur. Ancak, çok şiddetli şekilde karışan kaynak metalinde hem çarpışma ile ve hem de çekirdeklenme ile inklüzyon oluşumu oldukça sık gerçekleşecektir. Homojen çekirdeklenme olması tahmin edilmektedir. Çelik üretimi sırasında ortaya çıkan inklüzyonlar oldukça çok çalışılmasına rağmen bu yöntemde çok uzun sürelerde inklüzyon oluşumu varsayılmıştır. Kaynak katılaşma süresi 1 sn'yi geçmezken, çelik üretiminde 1000 sn'ye kadarlık bir süreden bahsedilir. Bu da kaynak metalindeki inklüzyonların daha ince olmasını gerektirir, ilk modeller inklüzyon oluşumu için çarpışma önerirken daha sonraki teorilerde bunun yanında difüzyon mekanizması da büyüme modeli için önerilmiştir [67] Kaynak metali mikroyapısı Kaynağın sıvı fazdan oda sıcaklığına soğumasıyla elde edilen mikroyapı kaynak metali olarak isimlendirilmektedir [68]. Düşük karbonlu ve düşük alaşımlı çeliklerin kaynak metalinde oluşan yapılar; Tane sınırı ferrit (α), widmanstatten ferrit (aw), asiküler ferrit (αa) ve mikro fazlar (az miktarda martenzit, kalıntı östenit veya tam teşekkül etmemiş perlit)'dir [69, 70, 73]. Şekil 4.5' de düşük karbonlu ve düşük alaşımlı bir çelik için kaynak metalinde oluşabilecek yapılar gösterilmektedir. Widmanstatten ferrit bazen MAC'la dengelenmiş ferrit olarak ifade edilmektedir [71]. Burada MAC martenzit, östenit ve karbür fazlarını ifade etmektedir. Termodinamik ve kinetik karakteristikleri farklı olmasına rağmen, beynit de kaynak metalinde oluşabilmektedir, [66].

111 88 Şekil 4.5. Düşük karbonlu çelikte kaynak metalinde oluşabilecek mikroyapılar [66]. Tane sınırı ferrit Ae 3 sıcaklığının altındaki soğumalarda oluşan ilk fazdır. Bu faz kolon tipi östenit tanelerinin sınırlarında heterojen olarak çekirdeklenmektedir [74]. Düşük alaşımlı çeliklerin kaynak metalinde, soğuma esnasında östenit tane sınırları hızlı bir şekilde süreklilik arz eden ferrit tabakalarıyla kaplanmaktadır [72]. Östenit tane sınırlarında oluşan bu ferrit tabakaları bir sonraki dönüşümler süresince de kabalaşmakta ve bu kabalaşma süresinin çok kısa olduğu kabul edilmektedir [76]. Ferrit büyüdüğünde büyüme oranının yavaşladığı anlamına gelmektedir. Ferritten östenite olan difüzyon, büyüme süresince artmaktadır. Sonuçta difüzyon mesafesi zamanla artmakta ve büyüme yavaşlamaktadır. Asiküler Ferrit Asiküler ferrit (αa), genellikle düşük alaşımlı çeliklerin kaynak metalinde soğuma süresince oluşan bir yapıdır [66, 77]. 650 O C'nin altındaki soğumalarda meydana gelen bu faz tokluk ve dayanımı arttırdığı için büyük bir öneme sahiptir [75]. Asiküler ferrit ile ilgili dönüşüm mekanizması temeli itibari ite tam manasıyla açıklığa kavuşturulmamıştır.

112 89 Şekil 4.6. Kaynak metalinde mikro yapı gelişiminin şematik görünümü [76]. Hegzagonallar kolon tipi östenit tanelerinin kesitini göstermektedir. Östenit tane sınırı önce tane sınırı ferritle toplanmakta, daha sonra dönüşüm widmanstatten ferrit (aw) ve asiküler ferritin (αa) büyümesiyle devam etmektedir [65]. Asiküler terimi iğneye benzer bir şekil ifade etmekte ancak, genellikle üç boyutlu mercimek tanelerine benzer levhacıklar olarak algılanmaktadır. Asiküler ferritin (αa) bazen çubuk şeklinde olduğu ifade edilse de, bu konuda kesin bir delil bulunmamaktadır. Asiküler ferrit üzerine yapılan gelişigüzel ölçümlerde bu levhaların 10 µm uzunluğunda ve yaklaşık 1 µm genişliğinde olduğu bulunmuştur. Ark kaynağında, kaynak metali, mikroyapı içerisine dağılmış 0,05 µm'den büyük yaklaşık 1018 m -3 inklüzyon yoğunluğu içermektedir. Daha büyük inklüzyonlar katılaşma sırasında tane sınırlarında kalmaktadırlar [62]. Mikroyapıyı etkilemede öneme sahip inklüzyonların tane boyutu yaklaşık 0,4 µm'dir [78]. İnklüzyonlar asiküler ferrit oluşumunu desteklemektedirler. Ancak, bunlar gevrek kırılma veya sünek kırılma sırasında klivaj çatlakları başlamasından sorumludurlar. Dolayısıyla optimum dengenin bulunması gerekmektedir. Heterojen olarak çekirdeklenen asiküler ferrit oluşumundan sorumlu olan inklüzyonların kendileri de homojen değildirler [79]. Asiküler ferrit oluşumunda inklüzyonların

113 90 rolünün anlaşılması için bunların mikroyapısına bakmak gerekmektedir. Örneğin, tozaltı kaynağı ile yapılmış bazı kaynak metallerindeki inklüzyonların merkezinde titanyum nitratları çevreleyen Mn, Si ve Al oksitleri bulunmuştur [80]. Kaynak metalinde α ferrit dönüşümün başladığı ilk anlarda, asiküler ferrit levhaları kaynak metalindeki geniş kolon tipi östenit tanelerindeki inklüzyonlar üzerinde çekirdeklenmektedirler. Nihai ferrit levhalarının çekirdeklenmesinde ise, ilk oluşanlar çekirdek görevi üstlenmektedirler. Bu nedenle asiküler ferrit levhalarının ve inklüzyonların sayışı arasında bire bir uyumluluk beklenmemektedir [81]. Asiküler ferrit büyümesine bağlı olarak meydana gelen şekil değişimi, sabit bir gerilimle karakterize edilmektedir, ölçümler asiküler ferritin depolamış olduğu enerjinin yaklaşık olarak 400 J olduğunu göstermiştir [82]. Mikro analiz deneyleri ise, asiküler ferritin oluşumu süresince yeralan alaşım elementlerinde bir bölünmenin olmadığını göstermişlerdir. Daha önceden de ifade edildiği gibi, asiküler ferrit oluşumu sırasında sabit bir şekil değişim gerilimi meydana gelmektedir. Dönüşümün kısmen yüksek sıcaklıkta meydana gelmesi nedeniyle, bu sıcaklıktaki akma gerilmesi düşük olmaktadır. Bu durumda ise plastik şekil değişimi meydana gelmektedir. Meydana gelen bu plastik şekil değişimi, asiküler ferrit ve kalıntı östenitin dislokasyon yoğunluğunun artmasına sebep olmaktadır. Yapılan çalışmalarda asiküler ferritin dislokasyon yoğunluğunun l0 14 adet/m 2 arasında olduğu belirtilmektedir [83]. Kaynak metalinde bulunan asiküler ferritteki dislokasyon yoğunluğunun 5 x l0 14 adet/m 2 olduğu, bunun ise dayanıma yaklaşık 145 MPa'lık bir katkı sağladığını vurgulamaktadırlar [83]. Widmanstatten Ferrit (aw) Widmanstatten ferrit o C sıcaklıkları arasında tane sınırı ferrite göre daha hızlı soğuma sonucunda oluşmaktadır [75]. AW'nin denge ötesi denge dönüşümü nispeten küçük ilerleme kuvvetlerinde meydana gelmektedir [84, 85]. Bir fazın diğer fazın yerini alması şeklinde olan dönüşümde, yan yana gelen ferrit levhacıklarının ortaklaşa büyümesi gerilme enerjisini azaltmaktadır. Değişik morfolojilerde ortaya çıkabilen aw ler şekil 4.7 de gösterilmektedir.

114 91 a b c Şekil 4.7. Widmanstatten ferritin değişik morfolojileri [65, 85]. a) Yan yana levhasal, b) Testere dişleri şeklinde, c) Tane içinde çekirdeklenmiş. AW'nin boyca büyüme oranı, parabolik silindirlerin difüzyon kontrollü büyümeleri için kullanılan teoriden yararlanılarak tahmin edilmektedir [84, 85].

115 92 5. YAPILAN BENZER ÇALIŞMALAR U. ARABACI tarafından doktora tezi olarak hazırlanan Supap Yüzeylerinin TIG Kaynak Yöntemi İle Kaplanması ve Aşınma Özelliklerinin İncelenmesi çalışmasında özelikle otomotiv supaplarının imalatında kullanılan 1,4718 kodlu çelik yüzeyi TIG kaynak yöntemiyle, kobalt esaslı Stellite 1, Stellite F, Stellite 6 ve Nikel esaslı Ni 60 alaşımları ile kaplanarak numuneler yük altında, aşınma dirençleri incelenmiştir [25]. M. YAZ ve H. ÇELİK tarafından hazırlanan Co Esaslı Süper Alaşımlar ile Kaplanan Düşük Karbonlu Çeliklerin Mikroyapı İncelemeleri isimli çalışmada düşük karbonlu çelik yüzeyi, elektrik ark ve TIG kaynak yöntemleri ile Stellite 1, Stellite 6 ve Stellite 12 kaplama malzemeleri ile tek kat olarak kaplanmıştır. Yüzeylerin mikroyapı, SEM ve sertlik deney sonuçları incelenmiştir [88]. A. FRENK, M. VANDYOUSEFFI, J.D. WAGNIERE, A. ZRYD ve W. KURZ, Analysis Of The Laser-Cladding Process For Stellite On Steel isimli çalışmalarında çelik malzeme üzerine Stellite 6 kaplama malzemesinin lazer kaplama ile kaplanabilirliğinin analizini, verimlilik ölçümü, tarama hızı ölçümü ve toz besleme miktarı ölçümleri ile belirlemeye çalışmışlardır [93]. E. ÇÖMEZ ve H. ÇELİK tarafından hazırlanan Kobalt Esaslı Elektrotlarla Kaplanan Malzemelerin İç Yapı ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi makalesinde düşük karbonlu ve AISI 304 standardındaki paslanmaz çeliğin yüzeyi elektrik ark ve TIG kaynak yöntemi uygulanarak kobalt esaslı elektrot ile kaplanmıştır. Kaplanan numunelerin kaplama tabakası incelenmiş olup kaplanan tabakanın içyapısı incelenmiş ve mikrosertliği ölçülmüştür [94]. D. GUPTA, B.L. MORDIKE, S. SHARIFF, G. PADMANABHAN, I. MANNA ve J. DUTTA MAJUMDAR, Laser Surface Cladding Of EN19 Steel With Stellite 6 For Improved Wear Resistance isimli çalışmalarında EN19 çelik numune yüzeyini, aşınma direncini geliştirmek için lazer kaplama yöntemi ile Stellite 6 kaplamışlardır.

116 93 Numuneye SEM, XRD EDX analizlerinin yanı sıra abrasiv aşınma deneyleri uygulanmıştır [95]. B. S. SIDHU, D. PURI ve S. PRAKASH, Mechanical And Metallurgical Properties Of Plasma Sprayed And Laser Remelted Ni-20Cr And Stellite-6 Coatings isimli çalışmalarında düşük karbonlu çelik üzerine plazma sprey ve lazer kaplama yöntemleri ile Ni-20Cr ve Stellite 6 alaşımları kaplamışlardır. Mekanik özellikleri için mikrosertlik deneyi ve porozite ölçümleri yapmışlardır. Metalurjik özellikler için SEM, XRD ve EDX analizleri yapmışlardır [99]. W.C. LIN ve C. CHEN, Characteristics of thin surface layers of cobalt-based alloys deposited by laser cladding isimli makale çalışmalarında 410 kalite paslanmaz çelik üzerine lazer kaplama ve PTA kaplama ile Stellite 6 ve Tribaloy T- 900 alaşımlarını ince film olarak kaplamışlardır. Kaplanan yüzeyin abrasif aşınma karakteristiklerini, sertliğini ve korozyon direncini incelemişlerdir [100]. Guojian XU, Munaharu KUTSUNA, Zhonjie LIU ve Liquan SUN, Characteristic Behaviours Of Clad Layer By A Multi-Layer Laser Cladding With Powder Mixture Of Stellite 6 And Tungsten Carbide isimli çalışmada, düşük karbonlu çelik üzerine Stellite 6 + WC karışım tozu kaplaması sonucunda, kaplama sertliği değişimi, aşınma direnci, SEM ve XRD ölçümleri yaparak sonuçlar incelenmiştir [101]. ZHU Yuan-zhi, YIN Zhi-min ve TENG Hao tarafından yapılan Plasma Caldding Of Stellite 6 Powder On Ni76Cr19AlTi Exhausting Valve isimli çalışmada motor supap yüzeyini plazma kaplama ile Stellite 6 kaplamışlardır. Supaba kaplama işleminden sonra mikrosertlik ve aşınma deneyleri uygulanmıştır [102]. Shu-Shuo CHANG, Hsieh-Chen WU ve Chun CHEN tarafından çalışılan Impact Wear Resistance Of Stellite 6 Hardfaced Valve Seats With Laser Cladding isimli makalede silindirik valf üzerine plazma ve lazer kaplama yöntemleri ile Stellite 6 kaplanmıştır. Kaplama sonrasında numunenin mikroyapısı incelenmiştir. Ayrıca numuneye aşınma deneyi ve mikrosertlik deneyleri uygulanmıştır [103].

117 94 C. NAVAS, A. CONDE, M. CADENAS ve J. De DAMBORENEA, Tribological Properties Of Laser Clad Stellite 6 Coatings On Steel Substrates isimli çalışmalarında AISI 1045 çeliği ve 304 kalite paslanmaz çelik yüzeyi lazer kaplama yöntemleri ile kaplamışlardır. Kaplanan numunelere mikroyapı analizleri, SEM analizleri, mikrosertlik ölçümleri ve aşınma deneylerini uygulamışlardır. AISI 1045 çeliği ve 304 paslanmaz çelik numuneler ayrı olarak deneylere tabi tutulmuş ve sonuçlar birlikte karşılaştırılarak incelenmiştir [104]. Linchun WANG ve D. Y. Li, Effects of Yttrium on Microstructure, Mechanical Properties and High-Temperature Wear Behavior of Cast Stellite 6 Alloy isimli çalışmalarında elektrik ark fırınlarında Stellite 6 ile Yttrium elementini alaşımlamışlardır. Döküm sonrasında numune oda sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır. Numunede mikroyapı, aşınma ve sertlik özellikleri incelenmiştir [105]. A. GHOLIUPOR, M. SHAMANIAN ve F. ASHRAFIZADEH, Microstructure And Wear Behavior Of Stellite 6 Cladding On 17-4 PH Stainless Steel isimli çalışmalarında 17-4 PH Paslanmaz çelik üzerine GTAW yöntemi ile Stellite 6 kaplamışlardır. Paslanmaz çeliğe, kaplamadan sonra mikrosertlik, SEM çizgi analizi ve XRD analizi deneysel çalışmaları uygulanmıştır [108]. R. A. JESHVAGHANI, M. SHAMANIAN ve M. JABERZADEH, Enhancement of wear resistance of ductile iron surface alloyed by stellite 6 isimli çalışmalarında sfero dökme demirde aşınma direncini arttırmak için malzeme yüzeyine TIG kaynak yöntem ile Stellite 6 alaşım ile kaplamışlardır. Kaplanan numunede mikroyapı karakterizasyonu, sertlik ve aşınma direnci çalışmaları yapılmıştır [109].

118 95 6. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 6.1. Malzeme AISI 1015 Yapı çeliği Deneylerde kaplama yapılan malzeme olarak, düşük karbonlu çelik malzeme kullanılmıştır. Çeliğe ait kimyasal analiz tablosu Çizelge 6.1. de verilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere çapı 10 mm boyu 80 mm ölçülerinde 240 adet numune hazırlanmıştır. Bu numunelerden 150 adedi aşınma deneylerinde, 40 adedi mikrosertlik ölçümlerinde kalan 50 adedi ise mikroyapı, SEM ve XRD analizlerinde kullanılmıştır. Numunelerin temsili görüntüsü Resim 6.1 de verilmiştir. Çizelge 6.1. Deneylerde kullanılan AISI 1015 çeliğinin kimyasal bileşimi. Analiz C Si Mn S P Fe % Ağırlık 0,12-0,18 0,15-0,35 0,30-0,60 0,05 0,04 Kalan Resim 6.1. AISI 1015 düşük karbonlu yapı çeliği numuneleri Kaplama malzemesi Deney numunelerini kaplamak üzere tek tip kaplama malzemesi kullanılmıştır. Bu kaplama malzemesi kobalt bazlı alaşımlardan Stellite 6 malzemesidir. Bu malzeme Deloro Stellite Company Inc. tarafından geliştirilen ve günümüzde yaygın olarak

119 96 yüksek sıcaklık ve aşınma direnci istenen durumlarda kullanılmaktadır. Stellite 6 malzemesi piyasada sıklıkla kullanılan, tel veya toz halinde rahatlıkla temin edilebilen bir malzemedir. Tel veya toz halinde temin edilebilir olması, sertlik değerinin HRC aralığında olması ve maliyetlerinin diğer Stellite alaışmlarına göre uygun olması nedeniyle bu çalışmada tercih edilme sebebi olmuştur. Stellite alaşımları içyapılarında, karbür içerdikleri için sertlikleri yüksektir. Stellite yüzey kaplama alaşımlarının, diğer yüzey kaplama alaşımlarına göre maliyetleri yüksektir. Yüksek maliyetli olmasına karşın diğer kaplama alaşımlarına göre üstünlüklerinin daha fazla olması nedeniyle tercih edilir [86-89]. Kaplama malzemesi TIG kaynak ve lazer kaynakta kullanılmak üzere, çapı 3.2 mm olan kaynak telleri ve PTA (Plazma Transfer Ark) kaynak yönteminde kullanılmak üzere boyutları µm toz halinde olan Stellite 6 alaşımlarıdır. Stellite 6 alaşımına ait analiz bilgileri Çizelge 6.2 de verilmiştir. Stellite 6 kaplama tozu ve kaynak telleri aynı kimyasal bileşimdedirler. Çizelge 6.2. Stellite 6 kaplama alaşımına ait kimyasal bileşim tablosu. Analiz C Cr Ni W Si Fe Co % Ağırlık 1,27 28,41 2,02 5,71 1,13 3,59 Kalan 6.2. Metot Deney numunelerinin kaplanması Deney numunelerinin uç kısımlarına, Stellite 6 kobalt bazlı alaşım TIG kaynak, PTA kaynak ve Lazer kaynak yöntemleri kullanılarak kaplanmıştır. Kaplama işlemlerinden önce numunelerin, kaplamanın yapılacağı uç kısımları, kaba zımparalama ve ince zımparalama işlemleri ile kaplamaya hazır hale getirilmiştir. Numune yüzeylerinin kaplama işlemlerine kadar bekleyecekleri sürede oksitlenmesini önlemek ve yüzeydeki zımparalama kalıntılarını temizlemek

120 97 amacıyla, numuneler %99 saflıktaki metanol ile yıkanmış ve kurutucu ile fazla metanol yüzeyden uçurularak kuruması sağlanmıştır. Numunelerde kaplama yöntemlerinin ısı girdisi değerleri ayrıca hesaplanmıştır. Bunun nedeni, bir kaynak işleminin veya kaynak yöntemleri ileyaoılan kaplama işlemlerinin başarısı ve kalitesi ısı girdisine bağlıdır. Isı girdisi aynı zamanda difüzyon oluşumu, mikroyapı değişimi ve nüfuziyet için gerekli ısının oluşması hakkında da bilgiler vermektedir [90]. Kaynaklı kaplama yöntemlerinde TIG ve PTA kaynak yöntemlerinin ısı girdisi 6.1 de verilen formül ile hesaplanmıştır [90]. (6.1) (6.2) Lazer kaynak için ısı girdisi formülü 6.2 de verilmiştir [91]. Lazer kaynak ile kaplama literatürde, ısı girdisi düşük olduğundan ITAB dar ve burada ısıdan dolayı gerçekleşecek metalurjik etkiler ve çarpılma düşük olarak verilmiştir [92]. Bu nedenle lazer kaplamaya ait ısı girdisi, TIG ve PTA yöntemlerine göre daha düşüktür. Formül 6.1 ve 6.2 ye göre hesaplanan ısı girdisi değerlerine göre ortaya çıkan sonuç; TIG kaynak yönteminde 0,72 kj/mm, PTA yönteminde 0,52 kj/mm, lazer kaynak yönteminde ise 0,12 kj/mm olarak bulunmuştur. Bu durumda en yüksek ısı girdisi TIG kaynak ile kaplama yönteminde, en düşük ısı girdisi ise lazer kaynak ile kaplama yönteminde elde edilmiştir. PTA kaynak ile kaplama yönteminde ısı girdisi TIG yöntemine göre daha düşük, lazer kaynaka yöntemine göre daha yüksektir. TIG kaynak ile kaplama, doğru akımda, 90 amperde, gaz çıkış hızı 10 litre/dakika koruyucu argon gazı ortamında ve tek paso kaplama olacak şekilde kaplama işlemleri gerçekleştirilmiştir. Kaplama işleminin kolay ve düzgün olması açısından numuneler tezgah üzerindeki mengene üzerine sabitlenmiştir. Kaplama işlemi sonrası numuneler

121 98 ortam sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır. Toplam 60 adet numune kaplanmıştır. TIG kaynak ile kaplama işlemi 375 A / 35 V luk kaynak makinesi ile yapılmıştır (Resim 6.2). Resim 6.2. Kaplama işlemlerinde kullanılan TIG kaynak makinesi. Çizelge 6.3. TIG Kaplamada kullanılan parametre verileri. Akım 90 A Gerilim 16 V Kaynak Hızı 120 mm/dk. Koruyucu Gaz (Argon) 10 lt. / dk. Elektrot Çapı 2,4 mm Elektrot %2 Toryumlu Tungsten İlave Tel Stellite 6 İlave Tel Çapı 3,2 mm Isı Girdisi (Q) 0,72 kj/mm Plazma transfer ark kaynak ile kaplama işleminde, 58 amperde, 25 litre/dakika koruyucu gaz hızında ve tek paso kaplama olacak şekilde kaplama işlemleri gerçekleştirilmiştir. PTA yönteminde kullanılan parametrelere ilişkin bilgiler çizelge 6.3 de verilmiştir. Kaplama işlemi sonrası numuneler ortam sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır. Toplam 60 adet numune kaplanmıştır. Kaplamanın yapıldığı makine

122 99 Resim 6.3.a da ve kaplama işleminin görüntüleri resim 6.3.b de görülmektedir. PTA kaynak makinesi 350 amperlik EuTronic GAP 3001 DC adlı kaynak makinesidir. PTA kaynak ile yüzey kaplama işleminde Stellite 6 kaplama tozu kullanılmıştır. a) b) Resim 6.3. PTA kaplama işlemi, a) Kaynağın yapıldığı PTA Kaynak makinesi, b) PTA kaplama işlemi. Çizelge 6.4. PTA Kaplamada kullanılan parametre verileri. Akım Gerilim Kaynak Hızı Koruyucu Gaz (Argon) Plazma Gazı (Argon) Elektrot Çapı Toz Besleme Hızı Isı Girdisi (Q) 58 A 22,6 V 150 mm/dk. 25 lt. / dk. 0,73 lt. / dk. 4,7 mm 2,5 mm/s 0,52 kj/mm Modern yüzey kaplama işlemlerinden olan lazer kaplama işlemi ile numune yüzeylerine 0,1 2 mm aralığında kaplama yapılabilmektedir [93]. Deneylerde lazer kaynak ile kaplama işlemi Nd:YAG sistemi lazer kaynak işlemi ile yapılmıştır.

123 100 Kaplama için, TIG kaynak yönteminde kullanılan, 3,2 mm çapındaki Stellite 6 kaynak telinden 0,7 mm çapına indirilmiş tel kullanılmıştır. Kaplama tek paso halinde yapılmıştır. Kaplama işlemi sonrası numuneler ortam sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır. Toplam 60 adet numune lazer kaynak ile kaplanmıştır. Lazer kaynak yönteminde kullanılan parametrelere ilişkin bilgiler çizelge 6.4 de verilmiştir. Çizelge 6.5. Lazer kaynak kaplamada kullanılan parametre verileri. Lazer Tipi Lazer Gücü Frekans Darbe Enerjisi Darbe Süresi (ms) Kaynak Hızı Isı Girdisi (Q) Nd:YAG 3 kw 8 Hz 10,8 J 5,3 ms 1,5 m/dk 0,12 kj/mm Lazer kaynak makinesi ve kaplama işlemi uygulama resimleri Resim 6.4.a ve 6.4.b de verilmiştir. a) b) Resim 6.4. Lazer kaplama a) Kaynağın yapıldığı lazer kaynak makinesi, b) Kaplama işlemi.

124 101 Farklı yöntemler ile Stellite 6 kaplanan düşük karbonlu yapısal çelik numunelerden, her bir yöntemden 50 adet numune olacak şekilde aşınma deneyleri için ayrılmıştır. Bu numuneler aşınma deneyleri için 6 mm çapa düşürülmüştür. 80 mm olan toplam boyları ise 50 mm ye düşürülmüştür. 50 mm ye düşürülen numunelerin aşınma deneylerinde sonuçların net olabilmesi açısından kaplama kalınlığı 2 mm üzerinde olan numuneler mekanik işlemler ile tornalama yapılarak 2 mm ye düşürülmüştür (Şekil 6.1.b). Tornalama sonrası ölçü kontrolü optik mikroskop ile yapılmıştır. Şekil 6.1. Aşınma numuneleri. a) Kaplanmış numune, b) Aşınma deneyleri için tornalama işlemi yapılmış numune ölçüleri Metalografik çalışmalar Metalografik incelemeler için numuneler her yöntem ile kaplanan (lazer, PTA ve TIG) Stellite 6 kaplama, geçiş bölgesi, ITAB ve ana malzemenin yüzeylerini inceleyebilmek için numune doğrultusunda, boyuna dik kesit alınarak hazırlanmıştır. Dik kesitte alınan numuneler bakalite alınarak tutulması ve incelenmesi kolaylaştırılmıştır. Numunelerin aşınma yüzeyleri ve kaplama kalınlığının optik mikroskop ve elektron mikroskobunda incelenebilmesi amacıyla yüzeyler 120, 240, 400, 600, 800, 1000 ve 1200 numaralı SiC zımpara kâğıtları ile zımparalanmıştır.

125 102 Zımparalanan numuneler öncelikle 3 mikronluk ardında da 1 mikronluk çuha üzerinde parlatma işlemine tabi tutularak metalografik incelemeye hazır hale getirilmiştir. Numune yüzeylerinde mikroyapı incelemeleri yapabilmek için, numunelerin yüzeylerinin dağlanmasında 5 ml HNO ml C 2 H 4 O ml HCI + 5 ml H 2 0 [94] çözeltisinde 15 dakika dağlanmıştır. Dağlanan numunelerden, Düzce Üniversitesi Uygulama ve Araştırma Merkezi laboratuvarında bulunan optik mikroskop ile x500 ve x1000 büyütme oranlarında görüntüler alınmıştır Tarama elektron mikroskop çalışmaları (SEM) ve EDS analizleri Deneyler sonrası numunelerin kaplama yüzeylerinde oluşan aşınmaları daha net bir biçimde görebilmek ve aşınma yüzeylerinde oluşan aşınma çizgileri ve oyuklarının, bölgesel kopmaların karakteristik özellikleri hakkında bilgiler edinmek ve kaplama alaşımlarının aşınma özellikleri hakkında yorum yapabilmek amacıyla tarama elektron mikroskop çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Araştırma Uygulama Merkezi (TUAM) Laboratuvarında bulunan x15 x büyütme yapabilen LEO marka 1430 VP model (Resim 6.5) Tarama Elektron Mikroskobu yardımıyla çeşitli büyütmelerde çekilmiştir. Ayrıca yine kaplama alaşımlarına ait EDS analizleri x15 x büyütme yapabilen LEO marka 1430 VP model tarama elektron mikroskobuna bağlı EDX sistemi yardımıyla yapılmıştır.

126 103 Resim 6.5. LEO Marka 1430 VP Model tarama elektron mikroskobu (SEM) X-Işınları kırınım (XRD) analizleri Numunelere uygulanan mikrosertlik testleri sonucu sertliğin değişim nedenleri ile kaplama içinde oluşan karbürleri belirlemek için numunelere XRD analizi uygulanmıştır. Bu çalışma Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Araştırma Uygulama Merkezi (TUAM) Laboratuvarında bulunan SHIMADZU Marka X- Işınları Kırınımı Cihazı (XRD) ile yapılmıştır. Yapılan analizler 2 θ(tetha) ve 100 θ(tetha) dereceleri arasında yapılmıştır. Cihaza ait görüntü Resim 6.6 da verilmiştir. Resim 6.6. SHIMADZU Marka XRD-6000 Model X-Işınları kırınım cihazı.

127 Sertlik deneyleri Yüzey kaplama işleminin genelde amacı, ana malzeme yüzeyinde sert bir yüzey tabakası oluşturma işlemi olması nedeniyle kaplanan yüzey sertliği büyük önem arz eder. Bu nedenle, ana malzemeden kaplama yüzeyinin dışına doğru bir dizi sertlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Sertlik testleri Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Araştırma Uygulama Merkezi (TUAM) Laboratuvarında bulunan SHIMADZU (Resim 6.7) marka mikrosertlik ölçüm cihazında (HV 0,1 ) 100 gram yük altında her bir noktadan 5 er ölçüm alınarak gerçekleştirilmiştir [95]. Sertlik ölçümleri, kaplamanın üst noktasından başlayarak ana malzemeye doğru her 0,2 mm de bir yapılmıştır. Elde edilen sertlik ölçümleri sonuçlarının ortalama değeri alınarak o noktadaki sertlik değeri olarak kabul edilmiştir. Resim 6.7. SHIMADZU mikrosertlik ölçüm cihazı Aşınma deneyleri Numunelere, Stellite 6 ile kaplayıp belirlenen ölçülerde (Şekil 6.1) tornada işlenerek aşınma deneyine uygun hale getirildikten sonra abrasif aşınma deneyleri uygulanmıştır.

128 105 Numuneler pin-on disk yöntemiyle 10, 25 ve 40 N yük altında, oda sıcaklığında 1200 meshlik zımpara üzerinde 5000 metre boyunca aşındırılmışlardır. Numunelerin ağırlık kayıpları her 1000 metrede bir ölçülerek aşınma davranışları incelenmiştir. Numunelerde ağırlık ölçümü için d=0,1 mg hassasiyete sahip Sartorius BP 210S (Resim 6.8) hassas terazi kullanılmıştır. Aşınma özellikleri için ağırlık kaybı metodu uygulanmış ve elde edilen tüm veriler karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Resim 6.9 de abrasif aşınma deneyleri yapılırken çekilen bir görüntü verilmiştir. Numuneler, disk üzerine bağlı abrasif aşındırıcı ile dik açı yapacak şekilde, abrasif aşındırıcı üzerine 10, 25 ve 40N yük ağırlığında serbest bırakılmış ve bu yükler altında numunelerin belirlenen mesafede aşınmaları sağlanmıştır. Resim 6.8. Sartorius BP 210 S hassas terazi. Resim 6.9. Oda sıcaklığında numunelere uygulanan abrasif aşınma deneyi.

129 Korozyon deneyleri Korozyon deneylerinde kullanılan numuneler, yanyana iki numune gelecek şekilde bakalite alınmışlardır. Deney öncesi numunelere ait görüntü Resim 6.10 da verilmiştir. Korozyon testleri, AISI 1015 çeliği ve kaplama birleşim bölgesinde Cr ve Co elementlerinin difüzyonu sonucunun korozyon davranışlarını nasıl etkilediğinin belirlemesi amacıyla yapılmıştır. Korozyon deneyleri, Ankara Ostim Sanayi Bölgesinde, Metaltek Teknoloji Kimyasal Ürünler Ltd. Şti. test laboratuvarlarında, %5 NaCl çözeltisinde tuz püskürtme kabini (Nötral Tuz Püskürtme (NSS) Testi) içersinde ve Resim 6.11 de gösterilen VLM GmbH firmasının SAL 600 TL tipi, tuzlu sis korozyon cihazında gerçekleştirilmiştir. Korozyon deneyleri, TS EN ISO 9227 korozyon deneyleri - yapay atmosferde tuz püskürtme deneyleri standartına uygun olarak yapılmıştır. Korozyon testi sonunda test sonuçları, şirket tarafından raporlanmıştır. Resim Korozyon deneyi öncesi numuneler. (P=PTA kaynaklı, L=Lazer kaynaklı, T=TIG kaynaklı)

130 107 Resim SAL 600 TL tipi, tuzlu sis korozyon cihazı. Korozyon deneyleri Çizelge 6.6 da verilen uygulama değerlerine göre yapılmıştır. Numuneler, teste konulmadan önce yüzeyleri hafif nemli bir kağıt mendil ile kaplamaya zarar vermeyecek şekilde silinerek, elden ve diğer ortamlardan bulaşmış korozyon tetikleyici, yağ ve kirlilik unsurları ortadan kaldırılmıştır. Deneylerin yapıldığı numunelerden, korozyon değişimi sonuçlarını görebilmek için 17 saat, 41 saat ve 48 saat sonunda, Leica marka optik mikroskop ile 100x büyütmede, mikroyapı görüntüleri çekilmiştir. Numunelerde, korozyon değişimini bozmadan görüntü alabilmek için, test kabininden çıkarılan numuneler her defasında, 30 dakika oda sıcaklığında kurumaya bırakılmış ve numuneler kuruduktan sonra mikroyapı görüntüleri çekilmiştir. Çizelge 6.6. Korozyon deneyi parametre verileri. Uygulama Sürekli spreyleme Duruş açısı Dikeyle 20 derecede duracak şekilde (± 5 ) Korozif atmosfer %5 NaCl, tuzlu su (±0,5%) ph Değeri 6,5-7,2 25 o C de (±2) Test Kabini Sıcaklığı 35 o C (±2) Toplam test süresi 48 saat ( 2 gün )

131 108 Ayrıca numunelerden, korozyon deneylerine başlamadan önce, Precia marka d=0,1 mg hassasiyetindeki hassas terazi ile ilk ağırlıkları alınmıştır. Korozyon deneyi tamamlandıktan sonra (48 Saat sonunda) aynı terazi ile numunelerin ağırlıkları yeniden ölçülerek toplam ağırlık kayıpları belirlenmiştir. Ağırlık kayıpları, karşılaştırma kolaylığı açısından çubuk grafik şeklinde hazırlanmıştır.

132 DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA 7.1. Mikroyapı Görüntüleri Yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen numuneler bakalite alınmış, zımparalama işlemine tabi tutulmuş ve son olarak 1 mikronluk keçe ve solüsyonda parlatma işlemlerinden sonra 5 ml HNO ml H 2 O + 5 ml C 2 H 4 O ml HCl reaktifinde 15 dakika dağlanmıştır. Dağlanan numunelerden optik mikroskop ile 200x, 500x ve 1000x büyütme oranlarında mikroyapı resimleri çekilmiştir. Elde edilen mikroyaplar Resim 7.1, 7.2 ve 7.3 de sıralanmıştır. a) Ana Metal ITAB Stellite 6 Resim 7.1. TIG kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (500x), b) Stellite 6 kaplama (1000x) görüntüsü.

133 110 b) Dentritik Yapı Stellite 6 Resim 7.1. (Devamı) TIG kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (500x), b) Stellite 6 kaplama (1000x) görüntüsü. Stellite 6 Resim 7.2. PTA kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (500x), b) Stellite 6 kaplama (500x) görüntüsü.

134 111 b) Dentritik Yapı Stellite 6 Resim 7.2. (Devamı) PTA kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (500x), b) Stellite 6 kaplama (500x) görüntüsü. a) Ana Metal ITAB Stellite 6 Resim 7.3. Lazer mikro kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (1000x), b) Stellite 6 kaplama (1000x) görüntüsü.

135 112 b) Dentritik Yapı Stellite 6 Resim 7.3. (Devamı) Lazer mikro kaynak ile kaplama mikroyapı görüntüleri. a) Geçiş bölgesi (1000x), b) Stellite 6 kaplama (1000x) görüntüsü. Resimler incelendiğinde ana malzeme ile kaplama malzemesi arasındaki ergime sınırı (birleşme çizgisi) net olarak görünmektedir. Aynı zamanda geçiş bölgesi yüksek büyütme oranlarında belirgin olarak ortaya çıkmaktadır. Geçiş bölgelerinin göründüğü resimlerde, ana malzemenin koyu renkli olmasının en büyük nedeni, Co esaslı kaplama malzemeleri genelde sert alaşımlar oldukları için daha kuvvetli dağlayıcılar seçilmesi ve seçilen dağlayıcıların ana malzemeyi yakmasıdır. Deney numunelerinin mikroyapılarında genel olarak Stellite 6 kaplama malzemesinin mikroyapısı dendiritik yapıda olduğu görülmektedir. Dendiritik yapının kolları arasındaki ana faz kobalt ve karbür yapılardan oluşmaktadır. Kobalt normal şartlarda, hegzagonal sıkı paket (HSP) kafes yapısına sahiptir. Kobalt sıcaklığı 417 o C nin üzerine çıkıldığında, kafes yapısı yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya dönüşürler [96-100]. Ana metalin mikroyapısı, düşük karbonlu çeliklerde görülen ferrit ve perlit yapılardan meydana gelmiştir. TIG kaynak yönteminde elde edilen ısı girdisi değeri 0,72 kj/mm, PTA yönteminde ise 0,52 kj/mm ve lazer kaynak yönteminde ise ısı girdisi daha düşük olmuştur. Bu nedenle TIG yöntemi ile yapılan kaplama mikroyapıları incelendiğinde, tane boyutlarının PTA ve lazer yöntemlerine göre iri olduğu görülmüştür. Bunun nedeni TIG yönteminde yüksek ısı girdisi değerinin olmasıdır. PTA yönteminde mikroyapı incelendiğinde, TIG yöntemine

136 113 göre tane boyutlarının daha küçük olduğu görülmüştür. PTA yöntemindeki ısı girdisinin TIG yöntemine göre düşük olması nedeniyledir. Stellite 6 kaplama mikroyapı görüntüleri incelendiğinde, tanelerin dendiritik yapıda ve ince olduğu görülmektedir. Stellite 6 kaplama yapısında ötektik yapı ile birlikte dendiritik yapı (koyu taneler) birlikte görülmektedir. Lazer kaynak ile yapılan kaplamalarda mikroyapıdaki dendiritik yapılar genelde ince olurlar [101]. Resim 7.3. lazer mikro kaynak ile yapılan kaplama mikroyapısı ile diğer kaplama mikroyapıları incelendiğinde ince taneli yapının varlığı daha net olarak görülmektedir. Lazer kaynak yöntemiyle yapılan kaplama işleminde ısı girdisi, diğer yöntemlere göre daha düşük olduğu için, tanelerin boyutları daha küçük ve ince olmuştur SEM Görüntüleri ve EDS Analizleri Numunelerde mikroyapı görüntüleri alındıktan sonra aynı numunelerden SEM görüntüleri alınmıştır. Resim 7.4 Resim 7.15 de SEM ile çekilmiş mikroyapı fotoğrafları verilmiştir. SEM fotoğraflarını yorumlamada Şekil 7.1 Şekil 7.6 da verilmiş olan EDS analiz sonuçları ile birlikte benzer çalışmalardaki sonuçlardan, stellite alaşımlarına ait katalog bilgileri ve deneylerde kullanılan kaplama alaşımına ait kimyasal analiz sonuçları dikkate alınmıştır. Yapılan incelemelerde ve görüntü değerlendirmelerinde ortaya çıkan sonuçların birbirlerini desteklediği görülmüştür. SEM ile mikroyapı fotoğrafları çekilen numuneler SEM cihazı ile tümleşik olan EDX Analiz Sistemi yardımı ile EDS analizleri yapılmıştır. Tüm numunelerde ilk önce alan analizi yapılmıştır. Numunelerde düşük karbonlu çelik üzerine uygulanan kaplamanın, difüzyonu ve difüzyon oranını belirlemek için, alan element haritası ve çizgi analizleri deneyleri yapılmıştır. SEM görüntüleri incelendiğinde, optik mikroskop görüntülerine benzer biçimde, TIG yönteminde ısı girdisi nedeniyle, PTA ve lazer kaynak kaplama mikroyapılarına göre

137 114 kaba taneli yapı, lazer kaynak yönteminde ise TIG ve PTA kaynak kaplama mikroyapılarına göre daha ince taneli yapı görülmektedir TIG Kaynak kaplamalı numune SEM görüntüsü ve EDS analizi Resim 7.4 de TIG kaynaklı kaplama yönteminin SEM görüntüsü görülmektedir. Stellite 6 kaplama yapısında ötektik yapı ile birlikte dentritik yapı (koyu taneler) birlikte görülmektedir. Resim 7.5 de Stellite 6 kaplamanın, Resim 7.6 da ise ana malzemeye ait SEM görüntüleri görülmektedir. Stellite 6 Dentritik Yapı Ana Malzeme Resim 7.4. TIG kaynak ile Stellite 6 kaplı numune SEM görüntüsü.

138 115 Stellite 6 Dentritik Yapı Resim 7.5. TIG kaynak ile Stellite 6 kaplı numune kaplama SEM görüntüsü. Ana Malzeme Resim 7.6. TIG kaynak ile Stellite 6 kaplı numune ana malzeme SEM görüntüsü.

139 116 TIG Kaynak kaplamalı numune çizgi analizi ve element haritası Ana Malzeme Stellite 6 Şekil 7.1. TIG kaynak numunesi çizgi analizi ve analiz grafiği. Şekil 7.2. TIG kaynak numunesi çizgi analizi EDS analiz grafiği.

140 117 Resim 7.7 de, alan element analizine ait görüntüler verilmiştir. Resim 7.7.a da görülen alan içinde kalan bölgede Cr ve Co elementlerinin analizi yapılmıştır. Resim 7.7.b de Cr ve Co elementlerinin birlikte dağılımları, Resim 7.7.c de Co elementi, Resim 7.7.d de ise Cr elementinin alan içersindeki dağılımı görülmektedir. Analiz sonuçlarına göre yapı çeliği içersine Cr ve Co elementlerinin difüze olduğu açık olarak görülmektedir. Cr elementine göre Co elementinin alan üzerinde dağılımının fazla olduğu görülmüştür. Bunun nedenin Stellite 6 kaplamanın kimyasal kompozisyonunda yaklaşık %58,87 oranında Co olmasıdır. Cr miktarı ise kompozisyonda %28,41 dir. a Resim 7.7. TIG kaynak EDS element harita analizi. a) Element haritası alanı, b) Harita üzerinde Co ve Cr bölgeleri, c) Co, d) Cr bölgesi görüntüsü.

141 118 b c d Resim 7.7. (Devamı) TIG kaynak EDS element harita analizi. a) Element haritası alanı, b) Harita üzerinde Co ve Cr bölgeleri, c) Co, d) Cr bölgesi görüntüsü PTA Kaynak kaplamalı numune SEM görüntüsü ve EDS analizi Resim 7.8 de PTA kaynaklı kaplama yönteminin SEM görüntüsü verilmiştir. Stellite 6 kaplama yapısında ötektik yapı ile birlikte dentritik yapı (koyu taneler) birlikte, Resim 7.9 da Stellite 6 kaplamanın, Resim 7.10 da ise ana malzemeye ait SEM görüntüleri görülmektedir.

142 119 Ana Malzeme Stellite 6 Resim 7.8. PTA kaynak ile Stellite 6 kaplı numune SEM görüntüsü. Stellite 6 Dentritik Yapı Resim 7.9. PTA kaynak ile Stellite 6 kaplı numune kaplama SEM görüntüsü.

143 120 Ana Malzeme Resim PTA kaynak ile Stellite 6 kaplı numune ana malzeme SEM görüntüsü. PTA Kaynak kaplamalı numune çizgi analizi ve element haritası Ana Malzeme Stellite 6 Şekil 7.3. PTA kaynak numunesi çizgi analizi ve analiz grafiği.

144 121 Şekil 7.4. PTA kaynak numunesi çizgi analizi EDS analiz grafiği. Resim 7.11 de, PTA kaynaklı numuneye ait alan element analizine ait görüntüler verilmiştir. Resim 7.11.a da görülen alan içersinde kalan bölgede Cr ve Co elementlerinin analizi yapılmıştır. Resim 7.11.b de Cr ve Co elementlerinin birlikte dağılımları, Resim 7.11.c de Co elementi, Resim 7.11.d de ise Cr elementinin alan içersindeki dağılımı görülmektedir. Analiz sonuçlarına göre yapı çeliği içersine Cr ve Co elementlerinin difüze olduğu açık olarak görülmektedir. TIG kaynak ile kaplanmış numunede olduğu gibi, PTA kaynakla kaplanmış numunede de Cr elementine göre Co elementinin alan üzerinde dağılımının fazla olduğu görülmüştür. Şekil 7.1 deki TIG kaynak kaplama numunesi çizgi analizi ile Şekil 7.3 deki PTA kaynak kaplama numunesi çizgi analizi sonuçları karşılaştırıldığında, PTA kaynak yönteminde ısı girdisinin TIG kaynak yöntemine göre daha düşük olması nedeniyle, PTA yönteminde Cr ve Co değerleri TIG kaynağındaki değerlere göre daha fazla olduğu görülmüştür. PTA yönteminde, Stellite 6 kaplama kimyasal bileşiminde yer alan Co ve Cr elementleri, ana malzeme içine TIG kaynak yönteminde olduğu kadar difüzyon olmamıştır. Bu nedenle çizgi analizlerinde, Stellite 6 kaplama bölgesinde, Co ve Cr elementleri miktarı PTA yönteminde, TIG yöntemine göre daha fazla oranda bulunmaktadır.

145 122 a b c d Resim PTA kaynak EDS element harita analizi. a) Element haritası alanı, b) Harita üzerinde Co ve Cr bölgeleri, c) Co, d) Cr bölgesi görüntüsü.

146 Lazer Kaynak kaplamalı numune SEM görüntüsü ve EDS analizi Resim 7.12 de Lazer kaynaklı kaplama yönteminin SEM görüntüsü, Resim 7.13 de Stellite 6 kaplama, Resim 7.14 de ise ana malzeme görüntüleri verilmiştir. Resim 7.13 de görülen kaplama mikroyapısı, PTA ve TIG kaplama görüntüleri ile karşılaştırıldığında, daha ince olduğu tespit edilmiştir. Bunun nedeni lazer kaynak yönteminin, düşük ısı girdili ve yüksek soğuma hızlarında yapılmasıdır. Stellite 6 Ana Malzeme Dentritik Yapı Resim Lazer kaynak ile Stellite 6 kaplı numune SEM görüntüsü.

147 124 Stellite 6 Dentritik Yapı Resim Lazer kaynak ile Stellite 6 kaplı numune kaplama SEM görüntüsü. Ana Malzeme Resim Lazer kaynak ile Stellite 6 kaplı numune ana malzeme SEM görüntüsü.

148 125 Lazer kaynak kaplamalı numune çizgi analizi ve element haritası Ana Malzeme Stellite 6 Şekil 7.5. Lazer kaynak numunesi çizgi analizi ve analiz grafiği. Şekil 7.6. Lazer kaynak numunesi çizgi analizi EDS analiz grafiği.

149 126 Resim 7.15 de, lazer kaynaklı numuneye ait alan element analizine ait görüntüler verilmiştir. Resim 7.15.a da görülen alan içersinde kalan bölgede Cr ve Co elementlerinin analizi yapılmıştır. Resim 7.15.b de Cr ve Co elementlerinin birlikte dağılımları, Resim 7.15.c de Co elementi, Resim 7.15.d de ise Cr elementinin alan içersindeki dağılımı görülmektedir. TIG ve PTA yöntemlerinde olduğu gibi analiz sonuçlarına göre yapı çeliği içersine Cr ve Co elementlerinin difüze olduğu açık olarak görülmektedir. PTA ve TIG kaynak ile kaplanmış numuneler ile benzer biçimde, lazer kaynakla kaplanmış numunede de Cr elementine göre Co elementinin alan üzerinde dağılımının fazla olduğu görülmüştür. Şekil 7.1 TIG kaynak numunesi çizgi analizi ve Şekil 7.3 PTA kaynak numunesi çizgi analizleri incelendiğinde Şekil 7.5 de verilen lazer kaynak çizgi analizine göre Co ve Cr elementleri oranının diğer yöntemlere göre daha fazla olduğu görülmüştür. Bunun nedeni, kaynak yönteminin farklı olması sonucunda ısı girdisi, TIG kaynak yönteminde, diğer yöntemlere göre daha fazla olmasından ve elementlerin difüze olabilmeleri için gerekli olan enerjinin sağlanmasından, TIG yönteminde ana malzeme içine Cr ve Co elementleri, diğer yöntemlere göre daha fazla difüze olmuşlardır. Lazer kaynak yöntemindeki düşük ısı girdisi nedeniyle ise elementler ana malzeme içine TIG kaynak yönteminde olduğu kadar difüze olamamıştır.

150 127 a b c d Resim Lazer kaynak EDS element harita analizi. a) Element haritası alanı, b) Harita üzerinde Co ve Cr bölgeleri, c) Co, d) Cr bölgesi görüntüsü.

151 XRD Analizi Sonuçları AISI 1015 çeliğine Stellite 6 kaplama yapıldıktan sonra, numune yüzey kesiti üzerinde X-ray (XRD) analizi yapılmıştır. XRD analizi sonucu elde edilen veriler grafik olarak Şekil da verilmiştir. Şekil 7.7. TIG kaynakla Stellite 6 kaplı numune XRD analizi diyagramı. Şekil 7.8. PTA kaynakla Stellite 6 kaplı numune XRD analizi diyagramı.

152 129 Şekil 7.9. Lazer kaynakla Stellite 6 kaplı numune XRD analizi diyagramı. AISI 1015 çeliğine Stellite 6 kaplama yapıldıktan sonra, numune yüzey kesiti üzerinde X-ray (XRD) analizi yapılmıştır. XRD analizi sonucu elde edilen veriler grafik olarak Şekil da verilmiştir. XRD analizi verileri incelendiğinde yapıda M 7 C 3 karbürleri (M=Cr,Fe) Co ve Cr elementleri tespit edilmiştir. XRD analizi işlemlerinden sonra yapılan, mikrosertlik deneyleri sonucunda da kaplama malzemesinde yüksek mikrosertlik değerlerine ulaşması bu karbürlerin oluşumunu desteklemektedir [ ]. EDS analizleri sonucunda yapı içersinde Cr ve Co elementlerinin varlığı XRD analizi sonucunda pekiştirilmiştir. Kaynak yöntemlerinde ısı girdisi sonucu elementlerin miktarındaki değişim EDS analizlerinde olduğu gibi XRD analizlerinde de görülmektedir. Cr ve Co elementlerine ait şiddet değerleri (I (CPS)), lazer kaynak yönteminde yaklaışık 4500 olarak görülürken, PTA yönteminde 3000 ve TIG kaynak yönteminde ise yaklaşık 2500 değerlerinde görülmüştür Sertlik Deneyi Sonuçları Stellite 6 kaplama yapılan numunelerde sertlik ölçümleri numunenin boyuna kesitleri alınarak kaplama ile ana malzeme arasında yapılmıştır. Sertlik ölçümlerinde kaplamanın dış yüzeyi son nokta olarak kabul edilmiş ve ana malzeme merkezine doğru 0,2 mm aralıkta yapılan 5 adet ölçümün ortalamaları alınarak değerler elde edilmiştir. Elde edilen bu değerler Şekil 7.10 da numunelerin kaplama sonrası

153 130 kaplama bölgesinden ana malzemenin merkezine doğru sertlik değişim grafiği olarak verilmiştir. Şekil Numunelerin kaplama yüzeyinden merkezine doğru sertlik değerleri. Şekil 7.10 daki sertlik grafiği incelendiğinde tüm numunelerde son nokta kabul edilen kaplama üst yüzeyinden ana malzemeye doğru gidildikçe sertlik değerlerinde bir düşüş olduğu tespit edilmiştir. Sertlik değerlerindeki bu düşüşün kimyasal bileşimdeki farklılığa bağlı olduğu, üst yüzeyde tamamen kaplama alaşımından bir yapı varken, ana malzemeye doğru gidildikçe kimyasal yapıda düşük karbonlu çeliğe ait alaşımların varlığı ile sertliğin düştüğü benzer çalışmalarda da görülmektedir [108]. Sertlik değerlerindeki azalma son noktadan 2 mm sonra ana malzeme ile kaplama alaşımı birleşme çizgisine kadar devam etmiş ve geçiş bölgesinden sonra ana malzemede benzer sertlik değerleri elde edilmiştir. Ana malzemenin merkezine doğru yaklaşıldıkça sertlik değerinin iyice düştüğü görülmüştür. Numunelerde mikrosertlik ölçümlerine ait µm, µm, 0, 1000 µm ve 2000 µm noktalarındaki değerler, Çizelge 7.1 de verilmiştir.

154 131 Çizelge 7.1. Mikrosertlik ölçüm sonuçları. Kaynak Kaplama Yöntemi TIG Kaynak Kaplama PTA Kaynak Kaplama Lazer Kaynak Kaplama Uzaklık (µm) ,6 HV 158,8 HV 290,9 HV 346 HV 428,6 HV 147,6 HV 159,9 HV 311,7 HV 361,5 HV 458,2 HV 147,6 HV 179,1 HV 383,1 HV 412,6 HV 495,8 HV Numuneler sertlik değerleri bakımından birbiri ile kıyaslandığında, en yüksek sertliğe lazer kaynakla yapılan kaplamada ulaşıldığı tespit edilmiştir (Çizelge 7.1). Daha sonra sırasıyla PTA kaynaklı kaplama ve TIG kaynaklı kaplamada yüksek sertlik değerleri elde edilirken, en düşük sertlik değeri TIG kaynaklı kaplama numunesinde elde edilmiştir. Lazer kaynaklı kaplamada düşük ısı girdisi sonucu Cr ve Co elementlerinin kaplama bölgesinden ana malzeme içine difüzyonu az oranda olduğu ve lazer kaplama yöntemlerinde hızlı soğuma olması nedeniyle lazer kaynaklı kaplamada daha yüksek sertlik değerleri elde edilmiştir. Düşük ısı girdisi ve hızlı soğuma neticesinde lazer kaplamada mikroyapının diğer yöntemlere göre daha ince ve sık olmuştur. Bu durum sertliğin diğer yöntemlere göre daha fazla olmasına neden olmuştur. Chang, Shu-Shuo ve arkadaşlarının, yaptıkları çalışmada lazer kaynak yöntemi ile yapılan kaplama yönteminin PTA yöntemi ile yapılan kaplamaya göre daha fazle olduğunu bulmuşlardır [103]. Yine aynı çalışmada sertlik değerinin, lazer ve PTA kaynak yöntemlerinde, geçiş gölgesinden sonra birbirlerine yakın olduğunu bulmuşlardır. Şekil 7.10 incelendiğinde geçiş bölgesinden sonra ölçülen sertlik değerinde de benzer sonuca ulaşılmıştır.

155 Aşınma Deneyleri Aşınma deneyleri için yapılan ön çalışmalar sonucunda aşınma mesafesinin uzun olmasına (5000 m) karar verilmiştir. Bu nedenle numuneler toplamda 5000 metre kayma mesafesinde aşınma deneyleri yapılmıştır. Her 1000 metrede aşınma deneyi durdurularak numunede ağırlık kaybı ölçülmüştür. Sürenin kısa tutulması sonucu abrasif aşındırıcı izleri yüzeyde daha net belli olmaktadır. Ölçülen ağırlık kaybı sonuçlarına ait ağırlık kaybı, alınan yol grafiği her ağırlık için ayrıca oluşturulmuştur metre aşınma sonucunda numunelerin, aşınan yüzey SEM fotoğrafları alınmıştır. Aşınan yüzeylere ait SEM fotoğrafları incelendiğinde, yüzey üzerindeki yiv oluşumları, parçacıkların koparak yüzeyde uzaklaşmaları ve çukurcukların oluşumu, elde edilen ağırlık kaybı sonuçlarını desteklemektedir. Değişen yükler altında abrasif aşınma testine tabi tutulan farklı kaynak yöntemleri ile kaplanan numunelerin aşınma yüzeylerinden alınan SEM fotoğrafları göstermiştir ki; plastik deformasyonun en az görüldüğü ve aşınma izlerinin en yüzeysel şekilde meydana geldiği numune lazer kaynak ile kaplama yapılan numunelerdir. 10N yük altında yapılan aşınma deneylerine ait sonuç grafiği şekil 7.11 de görülmektedir. Bu grafiğe göre aşınma deneyi sonucu, ağırlık kaybının en çok olduğu numune TIG kaynak kaplı olan numunedir. Lazer kaynak kaplı numunede ise aşınma kaybı en düşük olan numunedir. TIG ve PTA ile kaplama yapılan numunelerde aşınma derinliği ve aşınma iz genişliklerinin arttığı dikkat çekmiştir. 10N yük altında TIG kaynaklı kaplanan numunede plastik deformasyon sonucu oluşan izler ve derinliği görülmektedir. Fotoğrafta bazı noktalarda koparak malzemeden ayrılma parçalarının olduğu da tespit edilmiştir. (Resim 7.16.a.) PTA kaynakla kaplanan numuneye ait aşınma izleri incelendiğinde aşınmanın pulluklanma ile parça kaybı şeklinde olduğu görülmektedir. Aşınma izlerinin TIG kaynaklı numune ile karşılaştırıldığında iz derinliğinin daha az olduğu görülmektedir. (Resim 7.16.b.) PTA kaynak ile kaplanan numunedeki aşınma oranın TIG kaynaklı kaplanan numuneye göre daha az olduğu

156 133 grafik üzerinde de görülmektedir. Resim 7.16.c de görülen lazer kaynaklı kaplama numunesine ait aşınma görüntüsü incelendiğinde, abrasif aşındırıcının numune yüzeyinde yapmış olduğu izler görülmektedir. Fakat diğer görüntüler ile karşılaştırıldığında yüzeyden koparak veya pulluklanma ile parça ayrılması tespit edilememiştir. Aşınma grafiğinde de bu sonuç desteklenmektedir. (Şekil 7.11). Şekil N Yük, 300 dev/dk aşınma deneyi sonuçları. Çukurlaşmış Bölge a Resim N aşınma deneyi SEM görüntüleri. a) TIG, b) PTA, c) Lazer kaplama.

157 134 b c Resim (Devamı) 10N aşınma deneyi SEM görüntüleri. a) TIG, b) PTA, c) Lazer kaplama.

158 135 Şekil N Yük, 300 dev/dk aşınma deneyi sonuçları. 25N yük altında TIG kaynaklı kaplanan numunede plastik deformasyon sonucu oluşan izler ve derinliği görülmektedir. Aşınma izleri incelendiğinde aşınmanın pulluklanma ile parça kaybı şeklinde olduğu görülmektedir. (Resim 7.17.a) PTA kaynakla kaplanan numunede, bazı noktalarda koparak malzemeden ayrılma parçalarının olduğu tespit edilmiştir. (Resim 7.17.b) PTA kaynak ile kaplanan numunedeki aşınma izleri, TIG kaynaklı kaplanan numuneye göre daha belirgin ve derin olduğu görülmektedir. Resim 7.17.c. de lazer kaynaklı kaplama numunesinde, abrasif aşındırıcının numune yüzeyinde yapmış olduğu izler görülmektedir. 25N yük altında aşınma direnci lazer kaynakla kaplanana numunede en yüksek değer olurken TIG kaynaklı kaplanan numunede en düşük dirence sahip numunedir. (Şekil 7.12.)

159 136 Yüzeye Sıvanan Parçacıklar Çukurlaşmış Bölge a Çukurlaşmış Bölge b Resim N aşınma deneyi SEM görüntüleri. a) TIG, b) PTA, c) Lazer kaplama.

160 137 c Resim (Devamı) 25N aşınma deneyi SEM görüntüleri. a) TIG, b) PTA, c) Lazer kaplama. 40N yük altında TIG kaynaklı kaplanan numunede, aşınma deneyleri esnasında meydana gelen, plastik deformasyon sonucu oluşan izler görülmektedir. Artan yük ile birlikte ortaya çıkan izlerin derin olduğu da görülmektedir. (Resim 7.18.a) Aşınma izleri incelendiğinde aşınmanın pulluklanma ve kopan parça kaybı şeklinde olduğu görülmektedir. PTA kaynakla kaplanan numunede, bazı noktalarda koparak malzemeden ayrılan parçaların, aşınan yüzey üzerine bazı noktalarda sıvanma şeklinde yüzeyde kaldığı tespit edilmiştir. (Resim 7.18.b.) TIG kaynak ile kaplanan numunedeki aşınma izleri, PTA kaynaklı kaplanan numuneye göre daha belirgin ve derin olduğu görülmektedir. Resim 7.18.c de lazer kaynaklı kaplama numunesinde, abrasif aşındırıcının numune yüzeyinde yapmış olduğu izler ile birlikte yüzeyde oluşan çatlak görülmektedir. Çatlak oluşumunda numunede kaplamanın sert olmasının etkisinin olduğu düşünülmektedir. 40N yük altında da 10N ve 25N yük altındaki aşınma deneylerinde olduğu gibi, aşınma direnci lazer kaynakla kaplanan numunede en yüksek değer olurken TIG kaynaklı kaplanan numunede en düşük dirence sahip numunedir. (Şekil 7.13.) Lazer kaynakla kaplanan numunede aşınma değeri önce yüksek olurken alınan yol ile birlikte aşınma direncinin arttığı görülmektedir.

161 138 Bunun nedeni, lazer kaynak işlemi sırasında hızlı soğuma ve düşük ısı girdisi neticesinde, kaplama bölgesindeki tane yapısının daha küçük ve ince olmasıdır. Kaplama bölgesinin, TIG ve PTA kaynak yöntemiyle yapılan kaplama bölgelerinde yapıdan daha ince yapıda olması lazer kaynak kaplama bölgesi sertliğini artması ve artan sertlik değeri ile aşınma direncininde artmasına neden olmuştur. Şekil N Yük, 300 dev/dk aşınma deneyi sonuçları. Yüzeye Yapışan Parçacıklar a Resim N aşınma deneyi SEM görüntüleri. a) TIG, b) PTA, c) Lazer kaplama.

162 139 b c Resim (Devamı) 40N aşınma deneyi SEM görüntüleri. a) TIG, b) PTA, c) Lazer kaplama. Abrasif aşınma deneylerinde tüm numunelerde ve tüm yükler altında elde edilen ağırlık kayıplarının, artan yük miktarıyla birlikte aşınma oranlarının arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca numunelerin sahip olduğu sertlik değerlerine bağlı olarak abrasif aşınma davranışlarının değiştiği, artan sertlik oranına bağlı olarak aşınma dirençlerinin arttığı görülmüştür. Yapılan önceki çalışmalarda aşınma direncinin

163 140 sadece yüzey sertliğine değil aynı zamanda mikroyapıdaki çökeltilerin yapı içersindeki boyutlarına ve hacimsel dağılımlarına bağlı olduğu görülmüştür [109] Korozyon Deneyleri Numuneler üzerinde yapılan korozyon deneyleri sonuçları %5 NaCl çözeltisi ortamında 35 o C sıcaklıkta gerçekleştirilmiş ve korozyon sonucu mikroyapı ve yüzey değişimi sonuçları, Resim da verilmiştir. Resim 7.19 da 48 saat sonunda, korozyon deneyi sonucunda numunelerin yüzey değişimleri görülmektedir. Resim Krozyon deneyleri sonucunda numunelerin genel görüntüsü. Numunelere ait genel görüntü resmi incelendiğinde, AISI 1015 düşük karbonlu çeliğin korozyona uğradığı, Stellite 6 kaplama bölgesinde ise gözle görülür bir korozyon olmadığı görülmüştür. Mikroyapı görüntüleri incelendikten sonra, Stellite 6 kaplama bölgesinde korozyon oluşumunun varlığı net bir şekilde görülmektedir. Resim 7.20 de korozyon deneyleri öncesinde numunelerden alınan mikroyapı görüntüleri verilmiştir. Resim 7.21 de, lazer kaynak kaplamalı numunelerde, Resim 7.22 de PTA kaynak kaplamalı numunelerde ve Resim 7.23 de TIG kaynak kaplamalı numunelere ait, 17 saat sonunda oluşan korozyon değişimine ait mikro yapı resimleri görülmektedir.

164 141 a b Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 c Ana Malzeme Stellite 6 Resim Korozyon deneyleri öncesi numune mikroyapıları. a) Lazer kaynaklı numune, b) PTA kaynaklı numune, c) TIG kaynaklı numune. Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Resim saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi.

165 142 Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Resim (Devamı) 17 saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Resim saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi.

166 143 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Resim saat sonunda TIG kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. 17 saat sonunda numunelerde oluşan korozyonlar incelendiğinde, ana malzeme üzerinde korozyon başlangıcının olduğu ve kaplama malzemesine kadar yaklaştığı görülmektedir. Bununla beraber kaplama üzerinde korozyon oluşumu 17 saat sonunda görülmemiştir. Sadece ana malzeme üzerinde tuz püskürtmesi sonucunda oluşan korozyon akıntısının, kaplama üzerinde boşluklara ve çatlak içersine sızdığı görülmüştür. Resim 7.24 de, lazer kaynak kaplamalı numunelerde, Resim 7.25 de PTA kaynak kaplamalı numunelerde ve Resim 7.26 de TIG kaynak kaplamalı numunelere ait, 41 saat sonunda oluşan korozyon değişimine ait mikro yapı resimleri görülmektedir.

167 144 Ana Malzeme Stellite 6 Ana Malzeme Stellite 6 Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Resim saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. 41 saat sonunda lazer kaynaklı numunede korozyon başlangıçlarının olduğu görülmüştür. Yaklaşık 453 mikron çapında bir alanda korozyon oluşumu ölçümü yapılmıştır. 17 saat sonunda oluşan korozyon miktarları ile karşılaştırıldığında ana malzemenin korozyon oluşumu miktarının arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca stellite 6 kaplama üzerinde de bölgesel korozyon oluşumları görülmüştür. Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Resim saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi.

168 145 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Resim (Devamı) 41 saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. PTA kaynaklı numunede 41 saat sonunda korozyon başlangıçlarının olduğu hatta stellite 6 kaplama üzerinde arttığı görülmüştür. Yaklaşık 1,35 mm genişliğinde korozyon oluşumu ölçümleri yapılmıştır. 17 saat sonunda oluşan korozyon miktarları ile karşılaştırıldığında ana malzemenin ve stellite 6 kaplamanın korozyon oluşumu miktarlarının arttığı tespit edilmiştir. Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Resim saat sonunda TIG kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi.

169 146 TIG kaynaklı numunede 41 saat sonunda korozyon oluşumları görülmüştür. Korozyon oluşumları ana malzeme ve stellite 6 kaplama üzerinde oluşmuştur. Yaklaşık 458, 278, 446 ve 168 mikron genişliklerinde korozyon oluşumu ölçümleri yapılmıştır. 17 saat sonunda oluşan korozyon miktarları ile karşılaştırıldığında ana malzemenin ve stellite 6 kaplamanın korozyon oluşumu miktarlarının arttığı tespit edilmiştir. Korozyon deneyleri toplamda 48 saat sonunda bitirilmiştir. 48 saat sonunda korozyon oluşumları ile ilgili mikroyapı görüntüleri Resim 7.27 de lazer kaynak kaplamalı numunelerde, Resim 7.28 de PTA kaynak kaplamalı numunelerde ve Resim 7.29 de TIG kaynak kaplamalı numunelerde verilmiştir. Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Resim saat sonunda lazer kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. 48 saat sonunda lazer kaynaklı numunede korozyon oluşumları incelendiğinde, deney öncesi görüntülere göre ana malzemenin tamamının korozyona uğradığı

170 147 görülmüştür. Deney sonucunda kaplama üzerinde oluşan korozyon miktarlarında önemli artışlar olmadığı görülmüştür. Ayrıca stellite 6 kaplama üzerinde de çatlak oluşumlarının olduğu ve bu bölgelerde korozyon oluştuğu görülmüştür. Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Resim saat sonunda PTA kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. PTA kaynaklı numunede 48 saat sonunda korozyon oluşmlarının arttığı görülmüştür. Yaklaşık 1,33 mm, 197, 199 ve 252 mikron genişliğinde korozyon oluşumu ölçümleri yapılmıştır. Mikroyapı görüntüleri incelendiğinde, korozyon oluşumunun kaplamada olduğu ve önceki görüntüler ile karşılaştırıldığında arttığı görülmüştür.

171 148 Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Ana Malzeme Stellite 6 Stellite 6 Ana Malzeme Resim saat sonunda TIG kaynak kaplamalı numunede korozyon değişimi. TIG kaynaklı numunelerde 48 saat sonunda korozyon oluşumlarının arttığı görülmüştür. Korozyon oluşumları ana malzeme üzerinde, deney öncesi görüntüye göre daha fazla artmıştır. Ayrıca stellite 6 kaplama üzerinde oluşan korozyon miktarlarında da artış gözlenmiştir. Stellite 6 üzerinde yaklaşık 313, 222, 209 ve 178 mikron genişliklerinde korozyon oluşumu ölçümleri yapılmıştır. Numunelerde mikroyapı incelemeleri ile ağırlık kaybı ölçümleri sonucunda numunelerde korozyon etkileri belirlenmiştir. Numunelerde ağırlık kaybı verileri 48 saat sonunda yapılan ölçümler ile elde edilmiştir. Buna göre tek bir numune üzerindeki ağırlık kaybı grafiği Şekil 7.14 de verilmiştir.