Sert dolgu kaplamaların aşınma direncini artırmaya yönelik bir araştırma

Mühendislik yapılarının maruz kaldığı endüstriyel uygulamalarda aşınmanın kontrolü kritik öneme sahiptir. Aşınma, bakım ve değişim masraflarının yanı sıra gerekli parçaların temin edilememesi durumunda üretimde duraksamalara da yol açmaktadır. Bu nedenle malzeme seçimi yapılırken aşınma direnci ve çalışma koşullarının birlikte göz önüne alınması büyük önem arz etmektedir. Bunun sonucu olarak malzemelerin çalışma koşullarına göre aşınma dirençlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar bir gereklilik haline gelmiştir. Aşınma dirençli metalik malzeme sistemlerinin neredeyse tamamı kompleks alaşımlardan olup, oldukça pahalıdır. Aşınma hasarları genellikle malzemelerin yüzey ya da yüzeye yakın bölgelerinde gerçekleştiğinden pahalı olan aşınma direncine sahip alaşımların daha ucuz malzemeler üzerine kaplanması ekonomik bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Endüstriyel olarak bilinen kalın kaplama yöntemleri yüzey kaynağı / sert dolgu kaplama olarak adlandırılmaktadır. Sert dolgu kaplama işlemi çoğunlukla Co-, Fe- ve Ni-esaslı alaşımlar kullanılmaktadır. Bu alaşımların aşınma özelliklerinin daha da iyileştirilmesi amacıyla sürekli olarak yeni araştırmalar yapılmaktadır. Bu araştırmalar genellikle alaşım bileşimini değiştirmek ve/veya sert dolgu kaplama sonrasında ısıl işlem uygulamak suretiyle yürütülmektedir. Bu amaçla bu tezde Co-, Fe- ve Ni-esaslı sert dolgu kaplama gruplarından sırasıyla seçilen Stellite 12, M2 HSS ve NiCrBSi sert dolgu kaplamalar, plazma transfer ark (PTA) işlemi esnasında Mo ile alaşımlandırılmış ve daha sonra lazer yüzey ergitme (LSM) işlemine tabi tutulmuştur. Katkı malzemesi olarak Mo seçilmesinin sebebi Dr. Amir Motallebzadeh'nin doktora tezinde %10 Mo ile modifiyeli Stellite 12'de elde etmiş olduğu umut verici aşınma direnci sonuçlarıdır. Diğer yandan LSM yönteminin seçilme sebebi ise endüstriyel olarak sert dolgu kaplamalara kolay uygulanabilir olmasıdır. Tez kapsamında yürütülen deneysel çalışmaların ilk aşamasında, Co-esaslı Stellite 12 sert dolgu kaplaması seçilmiş ve PTA işlemi sırasında %10 Mo ile alaşımlandırılmıştır. Sonrasında alaşımlandırılmamış ve Mo ile alaşımlandırılmış Stellite 12 sert dolgu kaplamalar, LSM işlemine tabi tutulmuştur. LSM sonrası Stellite 12 sert dolgu kaplamanın yüzeyinde karbürce zengin bir tabaka oluşmuştur. Bu karbür tabakasının oluşumu LSM sonrası ergime havuzunun hızlı ve yönlenmiş katılaşmasının sonucudur. Söz konusu karbür tabakası Stellite 12 kaplamanın aşınma direncini önemli oranda iyileştirmiştir. Yüksek temas basıncı altında oda sıcaklığında yapılan aşınma deneylerinde neredeyse iki kat daha yüksek aşınma direnci elde edilmiştir. Mo ile alaşımlandırılmış olan Stellite 12'nin yüzeyinde de LSM sonrasında karbür tabakası oluşmuş ve bu tabaka alaşımlandırılmamış olan Stellite 12'ye oranla daha üstün yüzey sertliği ve aşınma direnci sergilemiştir. Mo ile alaşımlandırılmış Stellite 12'nin yüzeyinde LSM sonrası karbürce zengin bir tabaka oluşumunun yanısıra yüksek sıcaklıklarda yapılan aşınma deneylerinde aşınma kaybını engelleyecek şekilde aşınma yüzeyinde yağlayıcı özellikte tribo-oksit tabakası oluşmuştur. Daha önceki çalışmalarda 700'oC'de yapılan aşınma testlerinde oluştuğu tespit edilen bu yağlayıcı tribo-oksit tabakasının Mo ilavesi yapılan Stellite 12'de 500'oC'de yapılan aşınma deneylerinde oluştuğu görülmüştür. Mo ile alaşımlandırılmış olan Stellite 12 sert dolgu kaplamasının çok yüksek temas basıncındaki aşınma davranışını incelemek amacıyla yapılan çalışmalarda LSM işleminin aşınma direnci üstündeki olumlu etkileri gözlenmeye devam etmiştir. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmaların ikinci aşamasında, PTA yöntemi ile kaplanmış M2 sert kaplamanın mikro yapı özelliklerine ve aşınma performansına %10 Mo ilavesinin ve LSM'nin etkileri incelenmiştir. Mo ilave edilmesi mikro yapı bileşenlerinin yapısal ve morfolojik özelliklerini değiştirirken LSM uygulaması ile yapı incelmiş, karbür hacim oranı azalmıştır. LSM işlemi sertliği bir miktar arttırırken, aşınma direncinin azalmasına sebep olmuştur. Buna karşın Mo ilavesi sertliği düşürmüş ancak aşınma direncini arttırmıştır. Mo ilavesinin sert kaplamanın aşınma direncinde artış sağlamasının sebebi aşınma testleri sırasında temas yüzeyinde magneli oksit (Mo4O11) içeren yağlayıcı tribo-oksit tabakası oluşumudur. Mo ile alaşımlandırılmış M2 sert kaplamanın mikro yapısındaki karbür/matris ara yüzeyinin artışı bu yağlayıcı tribo-tabaka oluşumunu hızlandırmaktadır. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmaların üçüncü aşamasında ise NiCrBSi (Colmonoy 6) alaşımının mikro yapısına, sertliğine, aşınma direncine (700 oC'ye kadar) %10 Mo ilavesinin etkisi incelenmiştir. Mo ilavesi sert kaplamanın mikro yapısında önemli değişimlere sebep olmuştur. Mo sadece karbür, borür ve matris fazlarını inceltmekle kalmayıp matris içerisindeki γ-Ni fazının hacim oranını arttırmış ve Mo içeren karbür-bor fazı (Mo2B,C) oluşumunu teşvik etmiştir. Mikroyapıdaki değişiklikler Mo ile alaşımlandırılmış olan NiCrBSi alaşımının sertliğini 20% oranında azaltmış fakat aşınma direncini artmıştır. Mikro yapıdaki bu değişimler nedeniyle Mo ile alaşımlandırılmış olan sert kaplamalar, alaşımlandırılmamış olanlara göre 2 kat daha fazla aşınma direnci göstermiştir. En yüksek test sıcaklığı olan 700 oC'de ise Mo ile alaşımlandırılmış sert kaplama, alaşımlandırılmamış olana göre 2,5 kat daha yüksek aşınma direnci göstermiştir. Aşınma direncindeki bu artışa, Mo ilave edilmiş sert dolgu kaplamasının mikroyapısında bulunan Mo2B,C fazı önemli katkı sağlamıştır. Bu faz aşınma esnasında parçalanmaya ve ufalanmaya maruz kalmış ve özellikle yüksek deney sıcaklığında aşınma yüzeyinde yağlayıcı özelliği daha yüksek tribo-oksit tabakası oluşumuna sebep olmuştur. Sonuç olarak, 10% Mo ilavesi oksidatif aşınmanın etkin olduğu kaymalı aşınma koşullarında incelenen sert dolgu kaplamalarda özelliklerin iyi yönde gelişmesine sebep olmuştur. Mo ilavesinin aşınma direnci üzerindeki olumlu etkileri bariz olarak hem Stellite 12 ve hem de NiCrBSi sert kaplamalarda oda sıcaklığında dahi görülmüştür. Mo ile alaşımlandırılmış M2 HSS'de ise matrisin daha yumuşak ferrite dönüşmesi nedeniyle sertlikte önemli azalma görülmüş olmasına rağmen oksidatif aşınma etkisiyle aşınma direncinde bir miktar artış tespit edilmiştir. Oksidatif aşınma mekanizmasının etkinliğinin artmasıyla (özellikle yüksek sıcaklıklarda) Mo ilavesinin olumlu etkileri daha belirgin hale gelmiştir. LSM işlemi sonucu yüzeyde oluşan karbürce zengin tabaka Stellite 12 sert kaplamanın aşınma direncini önemli ölçüde arttırmıştır. M2 HSS sert kaplamalarına LSM uygulanması aşınma ile ilgili özelliklere önemli bir yarar sağlamamakla birlikte, yüzey sertliğini bir miktar arttırmıştır. Bu iki tür kaplamaya farklı oranlarda Mo veya V gibi karbür yapıcı elementler ilave edildikten sonra LSM uygulanarak daha üstün özellikler elde edilebileceği düşünülmektedir. 10% Mo ile alaşımlanmış olan NiCrBSi sert kaplamaların oldukça iyi ve gelişmiş aşınma performansı göstermesine rağmen, ileride yapılacak yeni araştırmalarda Mo miktarının optimize edilmesi yoluyla yumuşak γ-Ni fazının hacimsel oranı azaltılabilir ve bunun olumlu etkileri olup olmadığı kontrol edilebilir. Bunların yanı sıra incelenen kaplamaların diğer aşınma test yöntemleriyle aşınma davranışlarının incelenmesi çalışmanın devamı ve bu kaplamaların farklı uygulamalara yaygınlaştırılması açısından önem arz etmektedir.