Elektrolit sert krom ile katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle üretilmiş CrN kaplamaların yağlı ortam aşınma davranışlarının karşılaştırılması
Comparison of lubricated wear behaviours of electrolytic hard chromium and CrN coating produced by cathodic arc physical vapour deposition
- Tez No: 127120
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2002
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
ELEKTROLİTİK SERT KROM İLE KATODIK ARK FİZİKSEL BUHAR BİRİKTİRME YÖNTEMİYLE ÜRETİLMİŞ CrN KAPLAMALARIN YAĞLI ORTAM AŞINMA DAVRANIŞLARININ KARŞILAŞTIRILMASI ÖZET Elektrolitik sert krom kaplamalar aşınma amaçlı olarak uzun yıllardır kullanılan kaplamalardır. Elektrolitik yöntemde altı değerli krom içeren çözeltiler kullanılmaktadır. Altı değerli krom kanserojen madde olarak sınıflandırılmaktadır ve üretim sırasında verdiği sağlık zararlarının yanı sıra oluşan atıklar Cr ** içeriğinden dolayı çevreye zarar vermektedir. Dolayısıyla üretim prosesine ve oluşan zehirli atıkların yok edilmesine dair ek işlemleri zorunlu hale getiren ve hatta Cr+6'nın kullanımını tamamen yasaklayan yasalar özellikle gelişmiş ülkelerde uygulanmaya başlamıştır. Çevreye verdiği zararlar ve bu yasal sınırlamalar sert krom kaplamaya alternatif olabilecek yeni yöntem ve kaplamaların araştırılmasına neden olmuştur. Sert krom kaplamadan daha zararsız elektrolitik yöntemlerin yanı sıra elektrolitik sert krom kaplama prosesinden sonra uygulanan, kaplamaların performansını geliştirmeye yönelik iyon implantasyonu yöntemleri öncelikle araştırılmıştır. Yüksek hızda oksitleyici gaz püskürtme yöntemiyle yapılan kalın alaşım kaplamalar ve temiz teknolojiler olarak gösterilen kimyasal ve fiziksel buhar biriktirme yöntemleriyle yapılan sert kaplamalar sert krom alternatifi olarak oldukça ilgi gören kaplamalardır. Son yıllarda aşınma amaçlı kullanımları hızla yaygınlaşan ark fiziksel buhar biriktirme metodu ile üretilen sert seramik kaplamalardan CrN kaplamalar da sert krom kaplamaya alternatif olarak gösterilmektedir. Bu çalışmada amaç; elektrolitik sert krom kaplama ile katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle üretilen CrN kaplamaların yağlı ortamda aşınma davranışlarını karşılaştırmaktır. Yüksek hız çeliği taban malzemesi üzerine geleneksel elektrolitik sert krom kaplama ve katodik ark fiziksel buhar biriktirme ile CrN kaplama yapılmıştır. Aşınma deneylerine geçmeden önce taban malzeme ve kaplamaların yüzey pürüzlülükleri, kaplamaların sertlikleri ve kaplama kalınlıkları ölçülmüştür. Tablo 1 ' de yapılan bu ön karakterizasyon sonuçları özetlenmiştir. xııTablo 1. Kaplamalara yapılan ön karakterizasyon sonuçları Numune Kalınlık (um) *Ra(um) **HV Sertlik (kg/mm2) Taban Malzeme 0,06 800 ± 50 Elektrolitik Sert Cr Kaplama 11±1 0,18 1180±150 CrN Kaplama 3 ±0,2 0,22 2200 ± 190 *VB: 62,50, LT: l,75mm parametreleriyle Facodyn optik uç kullanılarak Profîlometre cihazında ölçülmüştür ** 20 raN yük ile ultra mikro sertlik cihazında ölçülmüştür Aşınma deneyleri karşılıklı kayma koşullarında ve yağlı ortamda yapılmıştır. Yağlayıcı olarak katkısız mineral yağ ve karşıt malzeme olarak 10 mm çaplı çelik bilya (M50) kullanılmıştır. Kaplamalı diskler içerisine yağ konulabilen bir tutucu içerisine yerleştirilmiştir. Deney parametreleri metal-metal kontağının sağlanabildiği koşullara göre ön deneylerle belirlenmiştir. Karşılıklı kazıma deneylerinde 50 Hz frekans, 1 mm genlik ve 180 dakikalık hareket süresi sabit deney parametreleri olarak kullanılmıştır. 5, 10 ve 30 N yük kullanılan deneylerde yağ, ısıtma olmadan (oda sıcaklığında) ve 60°C ye önceden ısıtılarak kullanılmıştır. Deneyler sonrasında temizlenen kaplamalı diskler ve karşıt malzeme olarak kullanılan bilyalarda oluşan aşınma izleri optik mikroskopta, profılometrede ve taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. Optik mikroskopta bilyalarda oluşan aşıma iz çapları ölçülendirilmiştir. Bilyalarda oluşan aşınma hacimleri ve yük ve mesafeye bağlı aşınma oranları hesaplanmıştır. Oda Sıcaklığında Yapılan Karşılıklı Kazımalı Aşınma Deney Sonuçları Oda sıcaklığında yapılan deneylerde kaplamaların sürtünme katsayıları arasında fark yoktur. Kaplamaların sürtünme katsayıları artan yükle azalmaktadır. Sürtünme katsayısı değerleri 0,1-0,2 aralığında olmasından dolayı yağlama rejiminin sınır ve/veya karışık yağlama olduğu anlaşılmaktadır. Oda sıcaklığında yapılan aşınma deneyleri sonrasında kaplamalarda meydana gelen aşınma miktarının az olmasından dolayı profılometrik incelemede aşınma derinlikleri belirlenememiştir. CrN kaplamaya karşı kullanılan bilyalarda kontak alanı dışında izler görülmüştür. CrN kaplama karşıtı buyanın aşınma hacim hesabında aşınma çapı kontak alanından alınmıştır. Bilyalarda oluşan aşınma iz çaplarına göre hesaplanan aşınma hacimleri ve aşınma oranlarında azalan yükle beraber azalma görülmüştür. CrN kaplamaya karşı kullanılan bilyalarda oluşan aşınma hacim ve oranlarının sert krom kaplama karşıtı bilyalardakine oranla daha düşük olduğu belirlenmiştir. Kaplamalardaki aşınma miktarları azalan yükle azalmaktadır. Kaplamalı disklerin elektron mikroskobu incelemesinde CrN kaplamada oluşan aşınma izinde kaplamanın doğasında varolan dropletlere rastlanmamıştır. Sert krom kaplamada 30 ve 10 N yüklerde yapılan deney sonuçlarında hareket yönünde çizikler ve X111kaplamadan kayıplar görülmekteyken 5 N yüke inildiğinde kaplanın yüzeyinde kırılma ya da kalkmaya benzer izler görülmektedir. 60 °C Sıcaklıkta Yapılan Karşılıklı Kazımak Aşınma Deneyi Sonuçları 60°C sıcaklıkta yapılan karşılıklı kazımalı aşınma deneylerinde kaplamaların sürtünme katsayıları oda sıcaklığında olduğu gibi artan yükle azalmaktadır. CrN kaplamanın sürtünme katsayısı sert krom kaplamaya kıyasla daha düşüktür. Kaplamalara karşı kullanılan bilyalarda oluşan aşınma hacimleri azalan yükle azalmaktadır. 30 N yükte yapılan aşınma deneyi sonucunda sert krom karşıtı buyanın aşınma hacim ve oranı CrN kaplama karşıtı buyanın aşınma hacim ve oranına göre çok fazladır.. Yükün 5 N'a düşmesiyle CrN karşıtı bilyadaki aşınma hacim ve oranları sert krom kaplama karşıtı bilyanınkine yaklaşmaktadır. Kaplamalı disklerde oluşan aşınma izlerinin profilometrik incelemesinde CrN kaplamada oluşan aşınma izi belirlenemezken sert krom kaplamada oluşan aşınma izlerinin derinlikleri belirlenebilmiştir. Azalan yükle beraber homojen olmayan aşınma izlerinin derinlikleri düşmekte ve genişlikleri azalmaktadır. Taramalı elektron mikroskobu incelemelerinde sert krom kaplamada oluşan aşınma izinde hareket doğrultusunda derin oyuklar görülmüştür. Fırçalanmış CrN Kaplamaya Yapılan Karşılıklı Kazımak Aşınma Deneyi Yapılan aşınma deneyleri sonucunda CrN kaplamanın abrazif aşınmasında öncelikle neden olduğu düşünülen kaplamadaki dropletlerin giderilmesi için kaplamaya fırçalama işlemi uygulanmıştır. Özellikle oda sıcaklığında karşıt malzemede etkisini açıkça gösteren dropletlerin etkisini görmek için; oda sıcaklığıda ve 10 N yükte fırçalanmış numuneye karşılıklı kazımalı aşınma deneyi yapılmıştır. Yapılan deney sonucunda aynı şartlarda fırçalanmamış CrN kaplamaya göre biraz daha düşük bir sürtünme katsayısı gösterdiği ve bilyalardaki aşınma izlerinin çevrelerinde aşınma ürünleri görülmemiştir. Sonuç olarak kaplamalara sınır ve/veya karışık yağlama koşullarında yapılan karşılıklı kazımalı aşınma deneylerinde, CrN kaplamanın her iki sıcaklıkta da daha az aşındığı görülmüştür. 60°C sıcaklıkta yapılan deneylerde sert krom kaplama CrN kaplamaya oranla daha fazla aşınmıştır. Artan yüklerde sert krom kaplamada aşınma artarken, yükün CrN kaplama üzerindeki etkisinin daha az olduğu gözlenmiştir. Fırçalanmış CrN kaplama fırçalanmamış CrN kaplamaya kıyasla daha iyi performans göstermiştir. XIV
Özet (Çeviri)
COMPARISON OF LUBRICATED WEAR BEHAVIOURS OF ELECTROLYTIC HARD CHROMIUM AND CrN COATING PRODUCED BY CATHODIC ARC PHYSICAL VAPOUR DEPOSITION SUMMARY Electrodeposited hard chromium coatings have been widely used for improvements of wear resistance for a long time. In the electrodeposition processes, solutions containing hexavalent chromium have been used. Hexavalent chromium is classified as a cancerogen compound, which causes health risks if used in production and environmental problems due to the toxic character of the wastes. As a result of this, strict regulation or special care and techniques for the use of hexavalaent chromium and disposal of their wastes became mandatory. Even regulations on total restriction of the use of hexavalent Cr are becoming into action in developed countries. The environmental concern on the use of hexavalent chromium stimulated the research activities for alternatives of hard chromium all over the world is resulting in ever increasing regulations of the chromium plating industry. Less harmful electrolytic coatings and ion implantation methods for improving wear and corrosion performance of hard chrome have been investigated. Thick alloy coatings produced by high velocity oxygen fuel spray process and hard coatings produced by chemical and/or physical vapour deposition, known as clean technologies are also attractive alternatives. Recently, the use of physical vapour deposited hard ceramic coatings for wear resistance applications have been increasing. Previous studies showed that physical vapour deposited CrN coating can be an alternative for hard chromium. The aim of this study is the comparison of wear behaviours of electrodeposited hard chromium and cathodic arc PVD CrN coating under lubricated condition. In the experimental study, conventional electroplated hard chromium and cathodic arc PVD CrN coatings are deposited on high speed steel substrates. Before the wear experiments, surface roughness of substrate and coatings, coatings hardness and thickness were measured. These results are given in Table 1. XVTable 1. Characterization results of coatings and substrate. *VB: 62.50 LT: 1.75 Facodyn optic probe were used. **20 mN load were applied. Wear experiments were conducted under reciprocating sliding conditions. Mineral based oil (without any additive) as lubricant and M50 ball (10mm diameter) as counter body material were selected. Experimental parameters were determined by preliminary experiments. In reciprocating wear experiments, 50 Hz frequency, 1mm amplitude and 180 min sliding duration were kept constant. 5, 10, 30 N loads, room and 60°C oil temperature were used as variable parameters. After wear experiments, wear scars on the coated samples and balls were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy and profilometry. Diameters of the wear scar on balls were measured by means of optical microscopy, from which wear volume and rates of the balls were calculated. Results of reciprocating sliding wear test at room temperature At room temperature, there was no distinct difference between the friction coefficients of coatings. The friction coefficient of coatings decreased with increasing loads. It is clear that the lubrication mode was boundary and/or mixed lubrication because the friction coefficient varied between 0,1-0,2. Wear volumes and rates of balls decrease with the reducing load. In addition wear volume and rates of balls sliding against CrN coating were lower than the values of balls' sliding against hard chromium. In the profilometric measurement conducted on all coated discs wear depths cannot be determined due to low wear amounts. Scanning electron microscope investigation on coated discs revealed that the droplets on CrN coatings were not present in the wear tracks. On hard chromium coated discs wear tracks scratches in the direction of movement and grooves were observed. On the hard Cr coating wear track subjected to 5 N load cracks and peeling initiation was also observable coating. Results of reciprocating sliding wear test at 60°C temperature Coefficient of friction decrease with increasing loads at 60°C experiments, as in room temperature experiments. The friction coefficients of CrN coatings are lower than hard chromium coatings. Wear volume of balls used against coatings decrease with decreasing load as in room temperature conditions, but amount of the wear was higher. tCTtDttUCRCTtUKWDl*. NrtiMmsran XVIThe comparison of wear volumes and rates of balls sliding against hard chrome and ON coatings showed that;. The wear volume of balls sliding against hard chrome coatings under 30 N load were very much higher than balls sliding against CrN under same conditions. Ball wear rates, sliding against CrN and hard chromium became closer to each other at 10 and 5 N loads. In profilometric examination of CrN coated discs wear depth were not detected. However hard chrome coated discs wear depths were easily detected and recorded. In the scanning electron microscope image of wear scar on the hard chrome coated discs it was seen that deep grooves occurred along movement direction. Results of reciprocating sliding wear test on brushed CrN coated In order to investigate the role of droplets on CrN coating in the wear process, droplets were mechanically brushed away. Wear tests were conducted on brushed samples by using the same experimental parameters at room temperature and 10 N load. Brushed CrN coatings had lower friction coefficients and the scratches observed outside the contact area on balls sliding against CrN were not present, which indicated that droplets on CrN after detaching from the surface acted as abrasive particles during sliding. The results of this investigation showed that CrN performed better than hard chrome plating under lubricated reciprocating wear conditions used in this study. This effect became more pronounced by the increase of temperature and normal load. XVU
Benzer Tezler
- Effect of galvanic coupling with TiN, TiAlN, and CrN coatings, and titanium to the corrosion of steels
TiN, TiAlN, ve CrN kaplamalar ve titanyum ile galvanik çift oluşumunun çeliklerin korozyonu üzerine etkisi
BURÇAK AVCI
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- CrN ve CrN+Cr2N tek katlı ve çok katlı kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of single layered and multi-layered CrN and CrN+Cr2N coatings
AHMET MURAT YARGAN
- AISI 304l paslanmaz çeliğin KRTD-BOR yöntemi ile borlanması
Boriding of AISI 304l stainless steel with KRTD-BOR method
MERVE SERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- KRTD-bor uygulamasında alüminyum oksit (Al2O3) katkısının etkisi
The effect of aluminum oxide (Al2O3) additive in CRTD-bor application
DENİZ AKGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Çeliğin sert krom kaplanması ve çeşitli çalışma parametrelerinin kaplama kalitesine etkilerinin incelenmesi
The hard chromium plating of steel and examining the effect of various working parameters on the chromium plating quality
BAHAR SARIGÜL