MATBAA SEKTÖRÜNDE AŞINMIŞ ÇELİK ESASLI BİR MALZEME İÇİN SERAMİK KAPLAMA UYGULAMASI

Transkript

1 International Iron & Steel Symposium, April 2012, Karabük, Türkiye Özet MATBAA SEKTÖRÜNDE AŞINMIŞ ÇELİK ESASLI BİR MALZEME İÇİN SERAMİK KAPLAMA UYGULAMASI Ahmet Akgül, S.Serdar Pazarlıoğlu, Doğan Tutak, Zafer Özomay, Hüseyin Beytut, Cem Özakhun, & Serdar Salman Marmara Üniversitesi/Teknik Eğitim Fakültesi Çelik esaslı malzemeler üzerine kaplama yapılarak yüzey koruma işlemleri yapılabilmektedir. Bu çalışmada; matbaa sektöründe aşınmaya maruz kalan AISI 1050 çeliği üzerine seramik kaplamalar yapılmıştır. Kaplama teknikleri olarak plazma sprey tekniği ve HVOF tekniği kullanılmıştır. Kaplama malzemeleri ise Cr 2O 3, Al 2O 3 ve WC dür. Yapılan kaplamaların ASTM G 99-3 standardında aşınma deneyleri Ball-on-disk ile yapılmıştır. Kaplamaların bağ mukavemeti için ASTM C 633 standardı kullanılmıştır. Mikrosertlik ölçümleri ASTM E 384 e göre yapılmıştır. Kaplama yüzeyinden alınan SEM fotoğrafları değerlendirilerek en uygun kaplama yöntemi belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Aşınma, Plazma sprey tekniği, HVOF tekniği, Bağ mukavemeti, Matbaa sektörü. CERAMIC COATING APPLICATION FOR A WORN STEEL BASED MATERIAL OF PRINTING INDUSTRY Abstract Coating on the surface protection operations can be made of steel-based materials. In this study, AISI 1050 steel exposed to wear on the printing industry was coated ceramic coatings. HVOF, plasma spray coating techniques were used. Coating materials are Cr2O3, Al2O3, and WC. Wear tests of coatings were made according to ASTM standard as G 99-3 Ball-on-disc. ASTM C 633 standard were used for bond strength of coatings. Microhardness measurements were made according to ASTM E 384. Optimum coating method were determined with the evaluation of SEM micrographs of the coating surface. Key words: Wear, plasma spray technique, HVOF technique, bonding strength, printing industry. 1. Giriş Malzemelerin yüzey özelliklerini kaplamayla veya diğer yöntemlerle değiştirmeye ve geliştirmeye çalışmanın temel amaçları; Yüzeye sertlik, aşınma ve sürtünme direnci, elektriksel iletkenlik veya yalıtkanlık gibi farklı mühendislik özellikleri ile korozyona karşı direnç ve yüzeye dekoratif çekicilik kazandırmaktır.bu amaçlar için termal sprey teknikleri kullanılmaktadır. Plazma, HVOF gibi teknikler termal sprey tekniklerindendir. Termal sprey teknikleri metalik veya metalik olmayan malzemelerin eriyik ya da yarı eriyik halde bir taban malzeme üzerine kaplama işlemidir. Kaplama malzemeleri toz, çubuk, tel veya eriyik şeklinde olabilir [1, 2]. Termal spreyleme işleminin keşfi 1900 lerin başına dayanır. İsviçreli mucit Dr. Max Schoop kalay ve kurşun gibi düşük ergime noktalı metalleri alev ile eriterek bir yüzey üzerine göndermiş ve kaplama tabakası oluşturarak korozyon performansını arttırmaya çalışmıştır. Dr. Schoop bu işlem için bir tabanca dizayn etmiş ve ısı kaynağı olarak oksijen ve asetilen kullanmıştır. Eriyik haldeki metali yüzeye göndermek için ise basınçlı hava kullanmıştır. Bu yöntem daha sonra METCO INCORPORATED tarafından satın alınmış ve geliştirilerek anti-korozyon uygulamaları ve çeşitli basit makine elemanlarının tamiri için kullanılmaya başlanmıştır. Şekil 1 de Termal sprey tekniğinin şematik görünüşü yer almaktadır [1,3,4]. Şekil 1. Termal sprey tekniğinin şematik görünüşü. 587

2 Plazma sprey kaplama tekniğinde işlemin enerji kaynağı oluşturulan plazmadır. Plazma iyonize olmuş gaz anlamındadır. Bir maddeye ısı aktarımı, gaz halinden sonra da devam ederse iyonlaşma başlayabilir. Madde ısıtıldıkça gaz içindeki bu iyonlaşma işlemi defalarca tekrarlanır ve serbest elektron ve iyon bulutları oluşmaya başlar. Oluşan bu iyon, elektron ve nötr atom karışımı plazmadır. Plazma; maddenin dördüncü hali olarak da tanımlanır [2,4]. Plazmanın en önemli iki avantajı çok yüksek sıcaklığa çıkabilmesi ve maddelere iyi ısı transferi sağlamasıdır. Birçok metalik malzemelerin, seramiklerin ergimesi için gerekli olan yüksek sıcaklıklar plazma püskürtme prosesinde elde edilmekte (1900 C ve üstü) olup malzemelerin tam ergimesi sağlanmaktadır[5,6]. HVOF alev sprey sistemine benzer, alev spreyden farklı olarak kaplama malzemeleri toz formundadır. Bu yöntemle eriyik haldeki partiküller süpersonik hızlara çıkabilirler ve kazandıkları kinetik enerji sayesinde yoğun, düşük poroziteli, yüksek bağ mukavemetine sahip kaplamalar üretilebilir. Şekil 2 de ise her iki tekniğin uygulama esnasındaki fotoğrafları gösterilmektedir[1,7,8]. (a) (b) Şekil 2. Plazma sprey tabancası ile kaplama işlemi (a). HVOF tabancası ile kaplama işlemi (b). İstatistiklere göre makine elemanlarının ortalama %70'inin hurdaya ayrılma sebebi aşınmadır. Bunun sonucu olarak meydana gelen malzeme kayıpları, aşınan parçaların yenileriyle değiştirilmesi zorunluluğu, makinelerin bakım-onarım faaliyetleri için harcanan zaman ve emek ve bu faaliyetler için istihdam edilen teknik personel göz önüne alındığında her yıl milli sermayeye oldukça büyük yükler getirmektedir. Bu çalışmada; matbaa sektöründe aşınmaya maruz kalan AISI 1050 çeliği üzerine seramik kaplamalar yapılmıştır. Kaplama teknikleri olarak plazma sprey tekniği ve HVOF tekniği kullanılmıştır. Kaplama malzemeleri ise Cr 2O 3, Al 2O 3 ve WC dür. Matbaa sektörünün; yaklaşık 25 yıldan fazla ofset baskılı lamine ve karton tüketici ambalajları, çoklu ambalajlar ve promosyon ambalajları üretimi yapan bir tesisindeki aşınan metal malzemelerin sorunlarına yöneliktir. Bu parçalardan; otomatik karton kesme bıçaklarının (slutterlar) yüzeylerinde çalışılmıştır[1,2]. 2. Deneysel Çalışmalar 2.1. Deneyde Kullanılan Malzemeler Matbaa sektöründe; otomatik karton kesme bıçakları (slutterlar) yüzeylerindeki aşınma problemlerinin çözümü için, sektördeki aşınan metal parçaların bileşimleri tesbit edilmiştir. Aynı bileşimlerde olan malzemeler, deneysel çalışmalar için Osmanlı çelik firmasından temin edilmiştir. Tablo 1 de kimyasal bileşimi gösterilen AISI 1050 çeliğinin yüzeyine plazma sprey ve HVOF teknikleri kullanılarak, Ni-Al ara bağlayıcılı ve ara bağlayıcısız olarak Cr 2O 3, Al 2O 3 ve WC kaplamalar yapılmıştır. Kaplama tozlarının SEM fotoğrafları Şekil 3 de görülmektedir. Tablo çeliğinin kimyasal bileşimi Altlık malzeme Kimyasal bileşim (%) C Si Mn P S Cr Ni Mo Fe AISI Kalan a b c d Şekil 3. (a) Al 2O 3 (b) Cr 2O 3 (c) WCo-Cr (d) Ni-%5Al kaplama tozlarının SEM görüntüleri. 588

3 2.2. Deneyde Kullanılan Kaplama Teknikleri Plazma, kaplama tabancası içerisinde su soğutmalı bakır anot ile toryumlu tungsten katot arasında oluşturulan yüksek voltaj arkı(doğru akım) ile oluşturulur. Tabanca içerisinden genellikle argon ve düşük miktarda hidrojen gazı geçirilir. Anot ve katot arasındaki elektrik arkı bu gaz içerisinde plazma arkı oluşur[4]. Kaplama tozlarını plazma huzmesinin içerisine beslemek için argon taşıyıcı gaz olarak kullanılır. İyonize gaz içerisinde ergiyen tozlar, çok hızlı bir şekilde önceden hazırlanmış taban malzeme yüzeyine püskürtülür [6]. Şekil 4 de plazma sisteminin şematik görünüşü verilmiştir. Şekil 4. Plazma püskürtme tekniğinin şematik görünüşü. HVOF sisteminde oksijen ve sıvı veya gaz haldeki yakıtın karışımı kullanılır. Propilen, propan, doğal gaz veya hidrojen gibi gaz haldeki yakıtlar kullanılabileceği gibi, kerosen gibi sıvı yakıtlar da kullanılabilir. Toz haldeki kaplama malzemesi tabanca içerisindeki yanma odasına, taşıyıcı gaz olarak azot kullanılarak iletilir. Yakıt, oksijen ile tabanca içerisinde karıştıktan sonra nozülden dışarıya püskürtülür. Yanma işlemi tabanca dışında gerçekleşir. Parçacık yarı ergimiş halde ve plastik deformasyona uğramış bir şekilde taban malzeme üzerine çarpar ve yüzeye yayılarak kaplamayı oluşturur. Şekil 5 de HVOF şematik olarak görülmektedir. Şekil 5. HVOF tekniğinin şematik görünüşü. Otomatik karton kesme bıçakları (slutterlar) ile aynı bileşimde olana AISI 1050 çeliğinin yüzeyine kaplamaları uygulayan; Plazma sprey ve HVOF tekniklerinin kaplama parametreleri Tablo 2 ve Tablo 3 de verilmektedir. Tablo 2. Plazma sprey ile kaplama parametreleri Parametreler Standart Ayarlar Kaplanacak (altlık) malzeme AISI 1050 steel Enjektör nozul çapı (mm) 1.8 Enjektör mesafesi (mm) 6 Enjektör açısı 90 o Plazma püskürtme mesafesi (mm) 120 Akım (A) 600 Voltaj (V) 67 Gaz Ar Taşıyıcı gaz akışı (lt/dak.) 3-4 Argon gaz akışı (lt/dak.) 35 Plazma tabancası tipi Metco 3MB Plazma tipi Ar+H 2 Nozul tipi W katod; Cu anod 589

4 Tablo 3. HVOF tekniği parametreleri Gaz tipleri Basınç( Spreyleme Akış (lt./dak.) bar) mesafesi(mm) Oksijen Propan Azot Hava Kaplamaların mikrosertlik ölçümü. Kaplanan numunelerin sertlik değerleri, ASTM E384 normuna göre Şekil 6 da gösterilen, Shimadzu HV2 marka mikrosertlik cihaz ile 300 gr yük kullanılarak 10 ölçümün ortalaması alınarak belirlenmiştir Kaplamaların bağ mukavemeti deneyi. Şekil 6. Shimadzu HV2 mikrosertlik ölçüm cihazı Bağ mukavemeti deneylerinin gerçekleştirilebilmesi için altlık numuneleri, ASTM C633 standartına uygun olacak şekilde hazırlandı. Hazırlanan numuneler kaplama işlemi öncesi CEIA CP102 Ultrasonic Cleaner cihazı kullanılarak ultrasonik banyoda etil alkolle 15 dakika tutularak temizlendi. Yüzeyi temizlenmiş olan numuneler, kumlama işlemine tabi tutuldu. Kaplama işlemleri sona erdikten sonra bağ mukavemeti numuneleri, 3M Scotch- Weld TM DP190 Epoxy yapıştırıcı ile ASTM C633 standartına [10] uygun şekilde yapıştırılmışlardır. Bağ mukavemeti deneyleri Şekil 7 de görülmekte olan Devotrans marka FU 50 kn marka üniversal cihazda 1 mm/dak hızda gerçekleştirilmiştir. a b Şekil 7. a) Devotrans FU 50KN model test cihazı b) ASTM C standardında çekme aparatları Kaplamaların aşınma deneyi. Yüzeyi plazma sprey tekniği ile kaplanmış olan numunelerin aşınma deneyleri ASTM G99-03 standartına göre hazırlanmış olan Şekil 8 deki Ball-On-Disk aşınma deney düzeneği ile 180 metre mesafede, 500 gr yük kullanılarak 0,1-0,3 ve 0,5 m/s hızlarda gerçekleştirilmiştir. Aşınma deneylerinde 9,5 mm çapında ve 2250 Vickers sertlik değerine sahip olan alümina bilye kullanılmıştır. Sırasıyla aşınma deneyleri öncesinde ve sonrasında 4 haneli hassasiyete sahip olan Sartorius BT 210 S marka hassas terazi kullanılarak kaplanmış olan numunelerle alümina bilyedeki ağırlık kayıpları tespit edilmiştir. 590

5 Şekil 8. Ball-On-Disk aşınma deneyi düzeneği. 3. Deney Sonuçları 3.1. Plazma ve HVOF ile kaplama uygulamaları Plazma ve HVOF teknikleri kullanılarak yukarıda Tablo2 ve 3 deki parametrelerle kaplamalar yapılmıştır. Kaplama malzemeleri olarak Cr 2O 3, Al 2O 3 ve WC kullanılmıştır. Ayrıca altlık malzeme olan AISI 1050 steel ile kaplama malzemeleri olan seramikler ile özellikle muhtemel genleşme uyumsuzluğuna karşı Ni-Al ara bağlayıcıda uygulanmıştır. Ara bağlayıcılı ve ara bağlayıcısız olarak kaplamalar yapılmıştır. Kaplama öncesi altlık malzemelerin yüzeyi temizlenip, kum püskürtülerek pürüzlendirilmiştir. Toplam 18 farklı kaplama yapılmıştır.kaplama kalınlıkları, MiniTest 4100 kalınlık ölçüm cihazı ve F 1,6 ölçüm probu ile ölçülmüştür.uygulanan kaplama yöntemleri ve elde edilen kaplama kalınlıkları Tablo 4 de görülmektedir. Tablo 4. Kaplama tipleri ve kalınlıkları Şek Kaplama yöntemi ve Kaplamalar Kaplama kalınlıkları ( µm) Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 800± Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 800± Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 800±74.31 Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 800± HVOF Ara Bağlayıcısız WC 200±35 HVOF Ara Bağlayıcısız WC 400±22 HVOF Ara Bağlayıcısız WC 800±4.25 HVOF Ara Bağlayıcılı WC 200±60.25 HVOF Ara Bağlayıcılı WC 400±128 HVOF Ara Bağlayıcılı WC 800± Kaplamaların mikrosertlik sonuçları. 18 farklı kaplama için her bir kaplama için 5 ölçüm ortalaması alınarak Tablo 5. oluşturulmuştur. 591

6 Tablo 5. Kaplama kalınlıklarına göre mikrosertlik değerleri Kaplama yöntemi ve Kaplamalar Kaplama kalınlıkları ( µm) Mikrosertlik HV 0,3 Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 800± Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 800± Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 800± Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 200± Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 400± Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 800± ±7 HVOF Ara Bağlayıcısız WC 200± HVOF Ara Bağlayıcısız WC 400± HVOF Ara Bağlayıcısız WC 800± HVOF Ara Bağlayıcılı WC 200± HVOF Ara Bağlayıcılı WC 400± HVOF Ara Bağlayıcılı WC 800± Kaplamaların bağ mukavemeti deneyi sonuçları. ASTM C633 standartına uygun olacak şekilde hazırlanan numunelerin bağ mukavemeti sonuçları Tablo 6 da verilmiştir. Tablo 6. Kaplamaların bağ mukavemeti değerleri Kaplama yöntemi ve Kaplamalar Kaplama kalınlıkları (µm) Bağ Mukavemeti (MPa) Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 200± ,2±1,2 Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 400± ,5±2,6 Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 800± ,2±3,5 Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 200± ,3±1,9 Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 400± ,2±4,2 Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 800± ,6±4,6 Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 200± ,7±1,8 Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 400± ,2±2,2 Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 800± ,1±3,7 Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 200± ,2±1,5 Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 400± ,8±3,2 Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 800± ,3±4,3 HVOF Ara Bağlayıcısız WC 200±35 18,5±1,4 HVOF Ara Bağlayıcısız WC 400±22 20,3±2,6 HVOF Ara Bağlayıcısız WC 800± ,6±2,9 HVOF Ara Bağlayıcılı WC 200± ,9±1,9 HVOF Ara Bağlayıcılı WC 400±128 25,4±2,4 HVOF Ara Bağlayıcılı WC 800± ,5±3, Kaplamaların aşınma deneyi sonuçları. ASTM G99-03 standartına gore Ball-on-disk aşınma deneyi kullanılarak deneyler yapılmıştır. Tablo 7 de görüldüğü gibi, deney öncesi ve sonrası kaplanmış malzeme ve aşındırıcı bilyedeki aşınma kayıpları ağırlık cinsinden ölçülmüştür. 592

7 Tablo 7. Kaplamaların aşınma deneyi sonuçları. Numune Plazma Ara Bağlayıcısız Al 2O 3 Plazma Ara Bağlayıcılı Al 2O 3 Plazma Ara Bağlayıcısız Cr 2O 3 Plazma Ara Bağlayıcılı Cr 2O 3 HVOF Ara Bağlayıcısız WC HVOF Ara Bağlayıcılı WC Deney Hızı (m/s) Deney Süresi (dak.) Kaplanmış Numune Ağırlığı(gr) Deney Öncesi Deney Sonrası Alümina Bilyenin Ağırlığı (gr) Deney Öncesi Deney Sonrası 0, , , , , , , , Genel Sonuçlar 1. AISI 1050 altlık malzemesinin yüzeyi plazma sprey ve HVOF (High Velocity Oxy Fuel) kaplama tekniği kullanılarak Cr 2O 3, Al 2O 3 ve WC ara bağlayıcısız ve Ni-%5Al ara bağlayıcı ile kaplanmıştır. 2. Artan tabaka kalınlıklarına bağlı olarak plazma sprey yöntemi ile yapılan ara bağlayıcısız kaplamalar için sertlik değerleri 315 ila 483 arasında değişirken, HVOF ara bağlayıcısız kaplamalar için bu değer arasındadır. Plazma sprey yöntemi ve ara bağlayıcı ile gerçekleştirilen kaplamalarda , HVOF için ise sertlik değerlerinin 705 ila 1194 arasında değiştiği tespit edilmiştir. 3. Bağ mukavemeti deney sonuçları incelendiğinde; ara bağlayıcısız kaplamalara ait bağ mukavemeti değerlerinin, ara bağlayıcılı kaplamaların bağ mukavemeti değerlerine göre daha düşük olduğu, artan kaplama kalınlıklarına bağlı olarak da bağ mukavemeti değerlerinin artış gösterdiği tespit edilmiştir. En yüksek bağ mukavemeti değeri ise HVOF ara bağlayıcılı WC kaplamalarda elde edilmiştir. 4. Aşınma deney sonuçlarında ise; ara bağlayıcısız kaplamalardaki ağırlık kayıplarının ara bağlayıcılı kaplamalara oranla daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. En az ağırlık kaybı ise yine HVOF ara bağlayıcılı WC kaplamalardan elde edilmiştir. 5. Çalışmanın amacı matbaa sektöründe; yaklaşık 25 yıldan fazla ofset baskılı lamine ve karton tüketici ambalajları, çoklu ambalajlar ve promosyon ambalajları üretimi yapan bir tesisdeki aşınan metal malzemelerin sorunlarına yöneliktir. Bu parçalardan; kesme giyotini ve otomatik karton kesme bıçakları (slutterlar) yüzeylerinde çalışılmıştır. Deney sonuçlarında elde edilen en iyi kaplama tipi uygulamada halen denenmekte olup, daha önce aşındıkta değiştirildiği süre üzerine çıkmıştır. TEŞEKKÜR Bu makalede kaplamaların gerçekleşmesine yardımcı olan SİMYA Yüzey İşlem Teknolojileri Metal Kaplama San. ve Tic. Ltd. Şti. çalışanlarına ve Sayın Kemal DEMİRCİ ye, FEN-A nolu projeye her türlü desteği veren Marmara Üniversitesi BAPKO na teşekkür ederiz. KAYNAKLAR [1] Pazarlıoğlu,S., Tutak,D., Akgül, A., Özomay,Z., Beytut,H., Özakhun,C., Salman,S., Plazma spray yöntemiyle oluşturulan Al 2O 3 -%40TiO 2 kompozit kaplamaların aşınma davranışı, sertlik ve bağınma mukavemeti özelliklerinin incelenmesi, I. Ulusal Ege Kompozit Malzemeler Sempozyumu Kasım, 2011, İzmir. [2] Salman, S., Koruyucu Yüzey Kaplamaları Ders Notları, Marmara Ün., İstanbul,

8 [3] Salman, S., Cizmecioglu, Z., Studies of the correlation between wear behaviour and bonding strength in two types of ceramic coating, Journal of Materials Science, 33,16,1998. [4] Minisker, M.A., Termal sprey yöntemiyle oluşturulan kaplamaların mekanik özelliklerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, [5] Güleç,A., Termal püskürtme tekniği ile yüksek performanslı Zn/Al(85/15) kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Ü., [6] Salman,S., Kose,R., Urtekin,L., An investigation of different ceramic coating thermal properties, Materials & Design, 27, 7, [7] Tian,W., Wang,Y., Yang,Y., Li,C., Toughening and strengthening mechanism of plasma sprayed nanostructured Al 2O 3 13 wt.%tio 2 coatings, Surface & Coatings Technology, 204, [8] Zhao L., et all., Study of HVOF spraying of WC-CoCr using on-line particle monitoring, Surface and Coatings Technology 185, ,