Mikro ark oksidasyon işlemi uygulanmış ZA-8 alaşımının yüzey özelliklerinin incelenmesi

Çinko aluminyum alaşımları, yüksek boyutsal kararlılık, yüksek aşınma direnci, seri üretime elverişlilik gibi özellikleri sebebiyle yatak malzemelerinin yapımında, otomotiv, havacılık ve denizcilik sektöründe sıkça kullanılmaktadır. Bu sektörlerde kullanılan malzemelerden, çalıştıkları ortamın agresif koşullarına dayanabilecek düzeyde yeterli mekanik özellikler ile yüksek aşınma ve korozyon direnci beklenmektedir. Çinko aluminyum alaşımları, iyi bir aşınma direncine sahip olmalarına karşın, özellikle yüksek sıcaklıklarda sürünme ve korozyon dirençlerinde düşüş görülmektedir. Gelişen teknolojiyle birlikte daha yüksek sıcaklıkta ve agresif koşullarda, daha uzun süre çalışacak parçalara ihtiyaç duyulmasından ötürü, dayanım özelliklerini geliştirici ek işlemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Yüzey kaplamalarının malzemelerin istenen koşullarda çalışmasına yardımcı yüzey özelliklerini sağlamada önemi büyüktür. Son yıllarda, ekonomik ve çevre dostu olmasıyla öne çıkan mikro ark oksidasyon, malzemelerin yüzeyinde sert, kalın ve poröz bir koruyucu oksit tabakası oluşturmaya yarayan bir yüzey modifikasyon yöntemidir. Anodik oksidasyondan farklı olarak çok daha yüksek potansiyel değerlerinde gerçekleşen bu işlemin esası, bir elektrolit banyosu içine anot olarak batırılan malzemenin yüzeyinde elektrokimyasal reaksiyonlar oluşturulmasına dayanır. İşlem başlangıcında anoda pozitif, katota negatif voltaj verilmesiyle oluşan potansiyel farkıyla malzeme yüzeyinde hızlıca ince ve yalıtkan bir oksit tabakası oluşur. Voltajın yükselerek kritik bir değeri aşması sonucu yüzeydeki oksit tabakasının dielektrik yapısı bozulur ve bölgesel kıvılcım deşarjlarıyla mikro ark oksidasyon işlemi gerçekleşir. Bölgesel deşarj kanallarının 104 K'e kadar çıkabilen sıcaklıkları sebebiyle malzemenin yapısındaki metal hızla oksitlenerek yüzeydeki oksit tabakasını oluşturur. Öte yandan, oda sıcaklığında tutulan elektrolit banyosu içerisindeki iyonlar da, büyüyen oksit tabakasının bu denli yüksek bir sıcaklık farkıyla karşılaşması sonucu katılaşarak yapıya girer ve proses süresince bu döngü devam ederek kaplama kalınlığını artırır. Mikro ark oksidasyon işlemi sonucu elde edilen oksit kaplamaların yapısı ve yüzey özellikleri, kullanılan altlık malzeme, elektrolit banyosunun içeriği ve sıcaklığı, işlem süresi, uygulanan voltaj, akım, frekans ve vuruş oranı gibi proses parametreleriyle doğrudan ilişkilidir. Bu denli fazla miktarda proses parametresinin var oluşu sebebiyle günümüzde, mikro ark oksidasyon yöntemi ile koruyucu oksit tabakası oluşturma proseslerinin iyileştirme çalışmaları halen devam etmektedir. Bu çalışmada ZA-8 çinko-aluminyum alaşımından hazırlanan numunelere, 30 kW gücünde, doğru akımla çalışan, bipolar güç kaynağı kullanılarak maksimum 350 V pozitif voltaj ve maksimum 70 V negatif voltaj değerlerinde mikro ark oksidasyon işlemi uygulanmıştır. KOH ve NaF bazlı çözeltiye sırasıyla NaAlO2 (Al ortamı), NaAlO2 ve Na3PO4 (AlP ortamı), Na2SiO3 (Si ortamı), Na2SiO3 ve Na3PO4 (SiP ortamı) ile Na3PO4 (P ortamı) eklenerek 5 farklı elektrolit hazırlanmış ve numuneler her bir elektrolitte 3, 5 ve 8 dakika mikro ark oksidasyon işlemine tabi tutulmuştur. Farklı elektrolit içeriklerinin ve işlem süresinin, kaplama morfolojisini ve yüzey özelliklerini nasıl etkilediği incelenmiştir. Numunelerin yüzey ve kesit incelemeleri, X-ışınları difraksiyonu analizleri, kaplama kalınlığı ve mikrosertlik ölçümleri, yüzey pürüzlülüğü ile ortalama por yoğunluğu ölçümleri yapılmıştır. Ardından numuneler, yapışma, aşınma ve korozyon deneylerine tabi tutulmuştur. Yapılan deneysel çalışmaların sonuçları değerlendirildiğinde, elde edilen oksit tabakasının özelliklerinin elektrolit içeriğiyle doğrudan ilişkili olduğu gözlenmiştir. Oksit kaplamaların tümünün poröz ve çatlaklı bir yapıda olduğu görülmüştür. Al ve AlP ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerin por yapısı, diğer gruplara kıyasla çok daha küçük boyutlu ve düzenli bir dizilimdedir. Por boyut dağılımı, Al ve AlP ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerde düşük iken, diğer gruplarda yüksektir. Kaplamaların kesit morfolojilerinin karşılaştırılması sonucu sodyum aluminat katkılı elektrolit ortamları ile sodyum silikat katkılı elektrolit ortamları arasında belirgin farklar olduğu görülmüştür. Por boyutu ve yoğunluğunun yanı sıra, kaplama kalınlıkları arasında da büyük farklara rastlanmıştır. Kaplama kalınlıkları, Al ve AlP ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerde yaklaşık 7-10 μm olup, artan işlem süresiyle belirgin bir değişim göstermezken, Si, SiP ve P ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerde 20-75 μm arasında değişen ve artan işlem süresiyle orantılı olarak artan kaplama kalınlıkları gözlenmiştir. MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri, kaplamasız numuneye göre artmıştır. Daha ince olan Al ve AlP grubu numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerlerinin de diğer gruplara göre daha düşük olduğu görülmüştür. Si, SiP ve P ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerin yüzey SEM fotoğraflarından hesaplanan ortalama por yoğunluğu değerleri % 5-10 arasında değişmektedir. Numunelerin X-ışınları analizi sonucu, sodyum silikat katkılı elektrolit ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerde, MAO işleminin doğası gereği ince kaplama tabakası sebebiyle altlık malzemeden gelen çinko ve aluminyum pikleri dışında herhangi bir kristalin faza rastlanmamıştır. Ancak 25-35o'ler arasında amorf ZnO yapısı izlenmiştir. Sodyum aluminat esaslı elektrolit ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerde, kristalin ZnO ve ZnAl2O4 fazlarına rastlanırken, P grubunda yalnızca kristalin ZnO fazına rastlanmıştır. Aşınma deneyleri sonucunda, genel olarak en iyi aşınma performansını 8 dakika MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerin verdiği görülmüştür. Aşınma hızları, artan kaplama süresiyle birlikte kaplama kalınlıklarının da artmasından ötürü azalma göstermiştir. Si ve SiP ortamlarında MAO işlemine tabi tutulmuş numunelerin tümünde, aşındırıcı bilya kaplama bütünlüğünü bozup altlık malzemeye ulaşamazken, bu durumun Al ve P gruplarında yalnızca 8 dakika kaplanmış numunelerde geçerli olduğu görülmüştür. AlP grubu numunelerinin ise yüzey ve kesit fotoğraflarında da görülen zayıf ve çatlaklı kaplama yapısı sebebiyle aşınma direnci yetersiz kalmıştır. 8 dakika MAO işlemine tabi tutulan numunelerin korozyon testleri sonucunda kaplamasız numuneye göre tüm numunelerin korozyon dirençlerinde artış görülürken, daha az yüzey çatlağına sahip ve genel olarak daha homojen bir yapıda olan Al ve SiP grubu numunelerinin en düşük korozyon akım yoğunluğu ve dolayısıyla en yüksek polarizasyon direncine sahip olduğu görülmüştür.