KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 177 ALEVLE ISIL PÜSKÜRTME UYGULANARAK Ç 1050 (C45 E) ÇELİĞİNİN ABRAZİF + EROZİF AŞINMA DAVRANIŞININ İYİLEŞTİRİLMESİ * Nejat Y. SARI, ** Erdinç KALUÇ, *** Kutsal TÜLBENTÇİ ÖZET Bu çalışmada, C45E çeliğinin alevle püskürtme uygulanarak abrazif+erozif aşınma davranışının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Dolayısı ile, deney düzeneğine göre hazırlanan deney parçalarına, çeşitli firmalardan temin edilen tozlar alev ile püskürtülerek kaplama tabakaları oluşturulmuştur. Ayrıca, bir seri numuneye de alevle püskürtme işlemini takiben yeniden ergitme uygulanarak, esas metal ve kaplanmış numunelerin abrazif+erozif aşınma davranışları incelenmiştir. Özellikle, püskürtme+ ergitme uygulanmış tabakaların aşınma dirençlerinin daha yüksek olduğu saptanmıştır. 1. GİRİŞ Malzemelerin yüzey özeliklerini değiştirmek, yeni mühendislik özelikleri kazandırmak veya dekoratif açıdan çekici kılmak insanoğlunun eski çağlardan beri süregelen amaçlarından biri olmuştur. Günümüzde, malzeme yüzeylerinin değiştirilmesine yönelik işlemler, "yüzey ve ana malzemenin tasarımını birarada ele alan ve her ikisinin tek başlarına sağlayamayacağı özellikleri ekonomik olarak sağlayabilen" işlemler olarak tanımlanabilir. Yüzey işlem teknolojileri ve yüzey mühendisliği özellikle 9O'lı yıllardan sonra önemli hale gelmiştir. Günümüzde hem klasik hem de modern teknolojilere dayanan yüzey işlemlerinin önemi artmaya devam etmektedir[l]. Yüzey mühendisliği yöntemleri malzemelerin kullanım özeliklerini iyileştirmek için geliştirilmişlerdir. Bu yöntemler malzemenin korozyon direncini, aşınma direncini, yorulma mukavemetini, fiziksel özelliklerini, estetik görünümünü veya bunların bileşimi olan özellikleri iyileştirmek için kullanılabilir. Yüzey mühendisliği, bir kaplama tekniği veya diğer bir deyişle yüzey özelikleri kazandırma tekniğinden başka, imalat prosedürü ve parça tasarımını da içermektedir[2]. Yüzeye farklı bir malzemeden ilave bir kaplamanın yapıldığı ısıl püskürtme yöntemi, endüstrinin her geçen gün ilgisini çekmektedir. Metallerden ve oksitlerden, oksit seramik ve camsı metallere kadar geniş bir dağılım aralığmdaki malzemeleri içeren ısıl püskürtme kaplamaları, ana malzemenin beklenilmeyen ve gereksiz olan hasarından dolayı başta üreticiler olmak üzere herkesin dikkatini çekmektedir. Parçayı tamamen yenilemek için gerekli olan masrafın az bir kısmı ile ve çeşitli ısıl püskürtme yöntemleri ile uygulanan yeni yüzey malzemesi, bu tür parçalara ilave ömür kazandırmaktadır[3]. Isıl püskürtme, kaplama oluşturmak amacı ile önceden hazırlanmış olan esas metale çok ince meta- * Dr.-Müh., KO.Ü. Müh. Fak. Makina Müh. Böl. ** Prof.Dr.-Müh., KO.Ü. Müh. Fak. Makina Müh. Böl. *** Prof.Dr.-Müh., Î.T.Ü. Kimya-Metalurji Fak., Metalürji Müh.Böl.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 178 lik veya metalik olmayan malzemeleri çökelten bir grup yöntemi tanımlamak için kullanılan jenerik bir terimdir. Kaplama malzemesi toz, çubuk ya da tel biçiminde olabilir. Isıl püskürtme tabancası, kaplama malzemesini ergitmek için gerekli olan sıcaklığı yanıcı gazlar, elektrik arkı veya plazma arkı ile elde eder[4,5,6]. Ergiyen kaplama malzemesi kaplanacak olan parçanın soğuk olan yüzeyine püskürtülür. Yüzeye darbe etkisinde çarpan tanecikler, düzleşir ve esas metale olan ısı transferi ile soğuyarak katılaşarak ve birbirleri ile temas haline gelerek tabaka meydana getirirler (Şekil 1). Ergiyen kaplama malzemesinin esas metal ile birleşmesi ve birbirleri ile tabaka oluşturması difüzyon veya kaynak kabiliyetine bağlıdır. Kaplamalar, genellikle mekanik bağlanma ve bölgesel olarak çeşitli sınıflarda kimyasal bağ kuvvetleri ile oluşmaktadır[7]. Isıl püskürtme yöntemleri ile elde edilen kalınlıklar 0.025 mm' den 3 mm' ye kadar veya daha fazla kalınlıklarda olabilmektedir ve uygulama alanları da; aşınmış olan makina parçalarının tamiri, parçaların yüzey özeliklerinin iyileştirilmesi ve konstrüktif parçaların yüzeyleri için çinko veya alüminyum gibi koruyucu kaplamalar oluşturulması şeklinde belirtilebilir. Günümüze kadar bir seri ısıl püskürtme yöntemi geliştirilmiştir. Yöntemler, birbirlerine göre ısı kaynağı ve tel ya da toz biçiminde olabilen püskürtme malzemesi şeklinde iki temel değişken ile farklılık göstermektedir[8]. Isıl püskürtme yöntemleri; enerji kaynağı (yanıcı gaz veya elektrik), kaplama malzemesi (tel veya toz) ve atmosfer (hava, düşük basınç veya soy gaz) bakımından birbirlerinden farklılık gösterirler. Isıl püskürtme yöntemleri; yanıcı gaz ile püskürtme, elektrik arkı ile püskürtme ve plazma püskürtme yöntemleri şeklinde genel olarak 3 ayrı gruba ayrılmaktadır[9]. Alev ile püskürtme yönteminde toz, tel veya çubuk biçiminde olabilen kaplama malzemelerini ergitmek için gerekli olan ısı kaynağı yanıcı gazlar ile elde edilmektedir. Yanıcı gaz genellikle asetilen olup düşük ergime noktasına sahip malzemeler için bazen propan ve ince tozların püskürtülmesi durumunda hidrojen de kullanılmaktadır[10, 11]. Teknik ve ekonomik alanda büyük kayıplara yol açan aşınma, özellikle madencilik, tarım ve çimento sektörü başta olmak üzere en çok abrazif aşınma türü ile kendini göstermektedir. Tarım makinalarında yapılan arıza ve gerekli bakım giderleri araştırması sonuçlan göstermiştir ki, yorulma ve aşırı yükleme gibi nedenlerin yanısıra değer kaybına yol açan en önemli faktör %42,5 payla aşınma olmaktadır[13]. Yüzey işlemleri teknolojisinde önemli bir yere sahip olan ısıl püskürtme yöntemleri konusunda 90' lı yıllardan sonra yoğun çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ancak, yüzey işlemleri teknolojisinde gelişmiş ülkelerde yaygın uygulama alanı bulan ısıl püskürtme ile kaplama yöntemleri sonucunda aşın-
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 179 maya karşı dirençli elemanların üretimi ülkemizdeki üretici firmalar ve de kullanıcılar tarafından yaygın olarak uygulanmamaktadır ve hatta hiç bilinmemektedir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada, kimyasal bileşimi Tablo l'de verilen çelik kullanılmıştır. Deney parçaları, Tablo 2 'den de görülebileceği gibi iki değişik firmadan temin edilen tozlarla alevle püskürtme yöntemi, bir diğer firmadan alınan tozlarla da alevle püskürtme+ergitme yöntemi ile kaplama tabakası oluşturularak hazırlanmıştır. Deney parçaları 22 mm çapındaki C 45E çeliğinden tornalarak elde edilmiş olup, toplam 60 mm uzunluğunda ve 30 mm'lik kısmı 5 mm çapında diğer 30 mm 1 lik kısmıda 7 mm olacak şekilde kademeli olarak tasarlanmış ve hazırlanmıştır. Deney numunelerinin aşındırılmış olan kısmı 7 mm çapında ve 30 mm uzunluğunda olan kısmıdır. Çalışmada kullanılan aşındırıcı tanecik olarak 820 Knopp sertlik değerindeki flint (çakmak) taşı seçilmiştir. Kazan içerisinde bulunan aşındırıcı tanecikler arasında planet dişli mekanizması ile hem kendi ekseni hem de ana mil etrafında dönen numunelerin, aşınma miktarları ağırlık kayıplarına göre belirlenmiştir. Deney öncesi numuneler, ultrasonik temizleyicide alkol içerisinde temizlenerek kurutulmuş ve 0.1 mg hassasiyetli elektronik terazi ile tartılarak ağırlıkları belirlenmiştir. Tablo 1. Deney malzemesi kimyasal bileşimi. Deney Malzemesi Ç1050(C45E) c 0.533 Si 0.293 Mn 0.883 Kimyasal Bileşim P S 0.033 0.012 %) Cr 0.255 Ni 0.183 Mo 0.098 Tablo 2. Deney malzemesine uygulanan işlemler, deney kodu, özelikleri ve kaplama kalınlığı. Uygulanan İşlem İşlem uygulanmamış Alev ile püskürtme (1.Firmadan alınan toz/ar) Alev ile püskürtme (2. Firmadan alınan tozlar) Alev ile püskürtme+ergitme (3.Firmadan alınan tozlar) Deney Kodu N 1F1 1F2 2F1 2F2 3F1 3F2 İşlemin Özeliği Esas metal olup herhangi bir işlem uygulanmamıştır. Ni-Cr-B-Sİ esalı toz ile kaplama. - WC- NhCr-B-Si esalı toz ile kaplama. Ni-Cr-B-Si esalı toz ile kaplama. WC-Ni-Cr-B-Si esaslı toz ile kaplama. Cr-Ni-Co-W esaslı toz ile kaplama ve daha sonra ergitme. Cr-Nİ-B-Sİ esaslı toz ile kaplama ve daha sonra ergitme. Kaplama Kalınlığı (um) - 700 420 105 1550 750 1100 Esas metal de dahil olmak üzere her bir işlem uygulanmış parçalardan, deney sonuçlarının daha hassas ve güvenilir olması bakımından 4 adet numune hazırlanmış ve her bir numune için aşınma süresi 10 saat olarak belirlenmiştir. Ağırlık kaybı ve toplam ağırlık kaybı ölçümleri ise her 1 saatlik süreler sonunda yapılmıştır. Aşınma deneyleri boyunca, aşındırıcı tanecik boyutu ve cinsi ile numunelerin hızı ve aşındırıcı tanecik içerisindeki derinliği gibi işlem parametreleri her bir numune için sabit olarak seçilmiştir. Sadece bir işlemin uygulandığı 4 adet numuneyi 10 saat süre ile aşındırabilmek için toplam 40 saatlik bir süreye ihtiyaç olmaktadır. Aşındırma deney makinasında aynı anda iki adet numunenin aşınması mümkün olduğundan işlem zamanı yarıya inmekte ve böylece zamandan tasarruf sağlanmaktadır. Aşındırıcı tanecikler, kendi aralarındaki etkileşimlerinden dolayı aşındırma kabiliyetlerinin azal-
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 180 dığı gözönünde bulundurularak 40 saatlik süreler sonunda yenilenmiştir. Aşınma deneyi uygulanmış olan numunelerde, standard Vickers mikrosertlik cihazı kullanılarak kesitte sertlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Alev ile püskürtme işlemi uygulanmış numunelerde kaplama kalınlığı yeterli kalınlıkta olduğundan 20 gr'lık deney yükü kullanılarak 'çeşitte sertlik ölçümleri yapılmıştır. 10 saatlik aşınma deneyi sonucunda aşınan her bir deney numunesinin, yüzey topografyası incelemeleri tarama elektron mikroskobunda gerçekleştirilmiş ve numunelerin aşınma yüzeylerinden fotoğraflar çekilmiştir. Ayrıca, tarama elektron mikroskobunda (SEM) ısıl püskürtme ile kaplama tabakası oluşturulmuş olan numunelerde EDX çalışması da gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, kaplama tabakasındaki elementlerin ana malzemeye doğru difüzyona uğrayıp uğramadığını belirlemek için ana malzeme ile kaplama tabakası arasındaki düz bir hat üzerinde "hat EDX" (line scan) analizi yapılmıştır. 3. DENEY SONUÇLARI 3.1. Aşınma Deneyleri Sonuçları Aşınma deneyleri sonucunda ağırlık kaybı-zaman ve toplam ağırlık kaybı-zaman eğrilerinde, her bir zamana karşılık gelen ağırlık kaybı veya toplam ağırlık kaybı değerleri, her bir numune için aynı şartlarda aşındırılmış olan toplam dört adet numuneden elde edilen ağırlık kaybı veya toplam ağırlık kaybı değerlerinin aritmetik ortalaması alınarak belirlenmiştir. Eğrilerin tamamında ortak olan özellik (Şekil 2), numunelerin zamana bağlı olarak ağırlık kayıplarında bir azalmanın olduğu ve toplam ağırlık kayıplarında ise sürekli bir artışın olduğu görülmektedir. Ancak, ağırlık kayıplarmdaki azalma veya toplam ağırlık kayıplarmdaki artma deney süresinin ilk zamanlarında hızlı bir şekilde meydana gelmekte buna karşılık, deney süresinin sonlarına doğru artış veya azalma hızında bir düşüş görülmektedir. Bunun nedeni; malzeme yüzeyinde aşınma sonucu meydana gelen soğuk sertleşme etkisi ile aşındırıcı taneciklerin deney süresi boyunca kendi aralarında birbirleri ile olan etkileşimi sonucu tane boyutunun azalması etkisine dayandırılabilir. Isıl püskürtme ile kaplama yapılmış numunelerdeki aşınma yüzeyi alanı hem esas metalden hemde kendi aralarında farklılık gösterdiğinden bütün numunelerin 10. saat sonundaki toplam ağırlık kayıpları, birim yüzey alanına bölünerek mg/mm 2 şeklinde toplam ağırlık kayıpları toplu halde Şekil 3' de görülmektedir. 3.2. Sertlik Deneyleri Sonuçları Aşınma deneyi uygulanmış numunelere ait sertlik ölçümleri sonuçlan Şekil 4'de görülmektedir. Şekilden de görüleceği gibi bütün numunelerin yüzey sertlik değerleri esas metalden daha yüksektir. Şekil 2.1F1 numunesine ait ağırlık kaybı-zaman ve toplam ağırlık kaybı-zaman değişimi.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 181 3.3. Tarama Elektron Mikroskobu Sonuçları Aşınmış olan numunelerin aşınma yüzeylerinde yapılan elektron mikroskobu çalışmalarına ait sonuçlar Şekil 5' de görülmektedir.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 182 Isıl püskürtme işlemi ile aşınma dirençli kaplama tabakası yapılmış olan numunelere uygulanan EDX analizi sonuçlan Şekil 6' da görülmektedir. Bu numunelerden sadece alev ile püskürtme işlemi uygulanmış 2F2 numunesi ile alev ile püskürtme işlemi ve daha sonra ergitme işlemi uygulanmış 3F1 numunesine ait EDX sonuçları verilmiştir. 4. SONUÇLAR (1) Aşınma deneyi uygulanmış numunelerde, ağırlık kayiplarindaki azalmanın veya toplam ağırlık kayiplarindaki artışın, deney süresinin başlangıcında hızlı bir biçimde oluştuğu daha sonra ise azalma veya artış hızında bir düşüşün olduğu görülmüştür. (2) Isıl püskürtme yöntemleri uygulanarak aşınmaya dirençli yüzey tabakaları oluşturulmuş deney parçalarındaki aşınma miktarı oldukça düşüktür. Alev ile püskürtme işlemine ek olarak uygulanan yeniden ergitme işlemi (alev ile püskürtme+ergitme) aşınmanın azalmasında daha da etkin rol oynamaktadır. (3) Isıl püskürtme ile kaplama tabakası oluşturulmuş numunelerin kesitte ölçülen sertlik değerleri hemen hemen aynı değerde olup tamamı esas metalden oldukça yüksektir. (4) Aşındırma deneyi sonrası parçaların yüzeylerinde yapılan SEM incelemelerinde; esas metalin yüzeyinde şiddetli abrazif aşınma izleri ile bölgesel yüzey hasan görülmektedir. Buna karşın, alevle püskürtme yöntemi uygulanmış numunelerde ise derin olmayan abrazif aşınma izleri ve kaplama tabakasında bulunan WC ün hasara uğraması ve/veya matristen ayrılması şeklinde bölgesel yüzey hasarının meydana geldiği görülmüştür. (5) Alevle püskürtme+ergitme uygulanmış numunelere yapılan EDX analizi sonuçları değerlendirildiğinde, kaplama tabakasının esas metale difüzyon bağı ile bağlandığı saptanmıştır. Bu da aşınma direncinin artmasında etkin rol oynamaktadır.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 183
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 184 Şekil 6. Isıl püskürtme işlemi uygulanmış 2F2 (a) ve 3F1 (b) numunesine ait EDX sonuçları.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 185 REFERANSLAR 1. M. Ürgen, "Modern Yüzey İşlem Teknolojileri ve Türkiye' deki Gelişmeler", 9. Uluslararası Metalürji ve Malzeme Kongresi, İstanbul, 11-15 Haziran 1995, s. 333-350. 2. A. Bloyce, "How Surface Treatments Can Help The Designer", Design Engineering, September 1995, pp. 32-34. 3. K. Kempton, "Where Thermal Spray Coatings Are Most Cost Effective", Welding Journal, August 1991 pp. 41-44. 4. I.M. Hutchings, "Tribology: Friction and Wear Engineering Materials, Edward Arnold, London, 1992, p. 273. 5. R.W. Smith, R.D. Fast, "The Future of Thermal Spray Technology", Welding Journal, 7,3(8), 1994, pp. 43-50. 6. C.P. Howes, "Thermal Spraying: Processes, Preparation, Coatings and Applications", Welding Journal, 73(4), 1994, pp. 47-51. 7. M. Villat, "Functionally Effective Coatings Using Plasma Spraying", Sulzer Technical Review, 3, 1986, pp. 41-45. 8. I.H. Hoff, "Thermal Spraying and Its Application", Welding and Metal Fabrication, 63(7), July 1995, pp. 266-269. 9. R.W. Smith, R. Knight, "Thermal Spraying I: Powder Consolidation-From Coating to Forming", JOM, 47(8), 1995 pp. 32-39. 10. I.H. Hoff, "Thermal Spraying and Its Application", Welding and Metal Fabrication, 63(7), July 1995, pp. 266-269. M. J. H. Clare, D. E. Crawmer, "Thermal Spray Coatings", Metals Handbook, Vol. 5, 1982, pp. 361-375. 12. N.N. "Thermal Spray: Advances in Coatings Techn.", Edited by Houck, D.L., Proceeding of the National Thermal Spray Conference, Orlando, Florida, USA, Published by ASM, 14-17 September 1987, p. 367. 13. E. Ulusoy, "Bazı Toprak İşleme Alet ve Makinalarında İş Organlarının Aşınması Üzerinde Araştırmalar", Ege Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Yayınları, No 390, İzmir, 1981, s. 11