A study of protective coatings on bearings in electric vehicles: mitigating the impact of shaft voltages and currents
Elektrikli araçlardaki rulmanlar üzerine koruyucu kaplamların araştırılması: şaft gerilimleri ve akımlarının etkisinin azatılması
- Tez No: 954821
- Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI, PROF. DR. AHMET TUĞRUL ALPAS
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Son on yılda teknolojide yaşanan gelişmeler, enerji depolama ve güç aktarım sistemlerinde önemli iyileştirmeler sağlamıştır. Bu gelişmeler, elektrikli araçları daha erişilebilir hale getirerek kullanımı yaygınlaştırarak çevreye duyarlı CO2 emisyonunun düşürülmesine katkı sağlamaktadır. Araçlarda içten yanmalı motorların aksine elektrik motoru kullanılması kaçak gerilim veya rulman akımlarının ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Ortaya çıkan bu kaçak rulman akımları, çalışma koşullarında birbirleriyle temasta olan malzeme çiftlerinin yüzeyine zarar vererek sürtünme katsayısını ve aşınma kayıplarını arttırmaktadır. Kaçak akımların zararlı etkisini azaltmak ve aşınma kayıplarını minimum seviyede tutmak için topraklama, yalıtkan ara yüzeylerin kullanımı, dielektrik katsayısı yüksek yağlar ve çeşitli ince kaplamalar kullanılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile yüksek aşınma direnci, sertlik ve elastik modülüne sahip farklı pek çok kaplama üretilerek özellikleri çalışılmıştır. Göstermiş olduğu yüksek sertlik ve abrasiv ortamlardaki aşınma direnci nedeniyle FBB yöntemi ile elde edilen CrN ve TiN kaplamalar talaşlı imalat, kesme/delme ve şekil verme işlemlerinde ilgi görmüştür, fakat bu tür kaplamaların aşınma sırasında gösterdikleri yüksek sürtünme katsayısı ve artan sıcaklıkla birlikte yapıların özelliklerinde meydana gelen değişiklikler malzemenin ömrünü kısaltarak kullanım koşullarını sınırlandırmaktadır. Bunun önüne geçmek için süperlatis, nanokompozit veya çok katmanlı kaplama yapılarının yanı sıra CrN ve TiN yapılarının içerisine yüksek sıcaklıkta kararlı, sürtünme esnasında temas noktasında ortaya çıkan yükselen sıcaklıklar neticesinde oluşan düşük sürtünme katsayısı veren geçiş metallerinin oksitleri yağlayıcı özellikleri yapıda iyileştirmeler yapılabilmektedir. Bu çalışmada endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan, katodik ark biriktirme yöntemi ile M35 yüksek hız çeliği üzerine üretilen ticari AlCrN ve (Cr,Al,V)N kaplamaları kullanılmıştır. Kaplamaların yapısal karakterizasyonu XRD ve morfolojik incelemeleri ve kaplama kalınlığı ölçümü ise SEM&EDS analizleri ile gerçekleştirilmiştir. XRD analizi sonucunda elde edilen düzlem pikleri oluşan kaplamaların NaCl türü YMK yapıda olduğunu ortaya koymaktadır. Aşınma sırasında ortaya çıkan Joule ısısının, uygulanan akımla birlikte temas noktasında oldukça yüksek değerlere ulaştığı bilinmektedir. Bu yüksek sıcaklıklar, yapıda bulunan V, Cr ve Al elementlerinin oksitlenmesine olanak sağlayarak aşınma davranışını önemli ölçüde etkilemektedir. Geçiş metalleri arasında özellikle vanadyumun oksitleri, Magneli fazları oluşturarak aşınma ara yüzeyinde düşük kayma mukavemetine sahip, yağlayıcı özellik gösteren oksit fazlarının oluşumunu sağlamaktadır. Bu fazlar sayesinde, sürtünme katsayısında belirgin düşüşler gözlemlenmektedir. Elde edilen kaplamaların elektrik etkisi altındaki tribolojik davranışlarının incelenmesi için modifiye edilen bilya üzeri disk tipi aşınma test konfigürasyonu olan bir tribometre kullanılmıştır. Her bir kaplama kaçak akımların aşınma davranışı üzerine etkisini ve kaçak akımların sonucu meydana gelen hasarları gözlemlemek adına akımsız (0mA) ve üç farklı akım değerlerinde (300mA, 800mA, 1600mA) 2N yük altında, 5cm/s ve 10cm/s hız değerlerinde 200m kayma mesafesinde karşıt malzeme olarak 10mm çapında 52100 çeliği bilya kullanılarak yağsız ortamda aşınma testine tabi tutulmuştur. Aşınma testlerinde, sürtünme katsayısının yaklaşık 20 m'lik kayma mesafesi sonrasında kararlı duruma (steady state) ulaşmasının ardından elektrik akımı uygulanarak akımın aşınma davranışı üzerindeki etkisinin daha net gözlemlenmesi hedeflenmiştir. Testlerin ardından numunelerin aşınma yüzeyleri SEM ve EDS analizleri, yüzey profilometresi ölçümleri ve Raman spektroskopisi ile incelenerek numunelerin aşınma davranışları değerlendirilmiştir. Kaplamaların sürtünme katsayısı–kayma mesafesi grafikleri incelendiğinde, AlCrN 5cm/s hızında 0mA koşulunda 0.79±0.10 ortalama sürtünme katsayısı gösterirken, uygulanan 300mA akım ile 0.61±0.02 değerine, 800mA ile 0.58±0.04 değerine, 1600mA ile 0.55±0.06 değerine düştüğü gözlemlenmiştir. Aynı kaplamanın, 10cm/s hızında 0mA koşulunda göstermiş olduğu0.71±0.06 ortalama sürtünme katsayısı değeri ile 5cm/s 0mA koşulundaki değer ile kıyaslandığında göreceli olarak daha düşük sürtünme katsayısı gösterdiği gözlenmiştir. 10 cm/s hızında uygulanan 300 mA akım ile ortalama COF değeri 0.61±0.02'e, 800 mA ile 0.54 ± 0.04'e düştüğü ve 1600 mA uygulandığında bu değerin belirgin bir değişim göstermeyerek 0.52 ± 0.03 seviyesine geldiği gözlemlenmemiştir. V katkısı ile elde edilmiş olan (Cr,Al,V)N kaplamada ise 5cm/s hızında akım uygulanmadığında 0.90±0.08 ortalama COF değeri gösterirken uygulanan 300mA akım değeri ile birlikte ortalama COF değeri 0.50 ±0.03'e düştüğü görülmektedir. Akım değerinin daha da artması 800mA'de ortalama COF değerini 0.57±0.04 yaparken 1600mA'de 0.50±0.05 olarak COF değerinde ileri bir düşüş göstermemektedir. Kayma hızı 10cm/s'e çıktığında ise akım uygulanmadığı durumda ortalama COF değerinde gözle görülür bir değişiklik tespit edilemezken uygulanan 300mA akım ile ortalama COF değeri 0.80 ±0.11'den 0.51±0.04'e düştüğü gözlemlenmiştir. Akım değerinin 800mA'e yükseltilmesiyle ortalama COF değerinde bir değişim gözlenmezken değerin 0.51±0.03 olduğu kaydedilmiştir. Benzer şekilde 1600mA'e çıkıldığında ise ortalama COF değerinin 0.49±0.05'e ulaştığı görülmüştür. Elde edilen aşınma çizgilerinin Raman ve EDS analizi incelenerek aşınma yüzeylerinde oluşan oksitler karakterize edilmiştir. Analizler sonucunda her iki kaplamada akım uygulanmadığı durumda aşınma çizgisinin demir okist'ten özellikle hematit ve manyetitten oluştuğu gözlemlenmiştir. Oksitlerin iyonik potansiyelleri ile gösterdikleri sürtünme özellikleri incelendiğinde, benzer karakterde olan bu demir oksitlerin varlığı 0.80 gibi yüksek sürtünme katsayılarının gözlemlenmesine sebep olmuştur. Uygulanan akım ile birlikte aşınma yüzeyinde artan sıcaklık, tribokimyasal reaksiyonların oluşumunu tetiklemektedir ve bunun sonucunda kayma yüzeyinde bir ara yüzey oluşturan oksit tabakası meydana gelmektedir. Bu oksit tabakası, oluştuğu bölgede aşınma davranışını etkilediği görülmüştür. Uygulanan akım ile birlikte her iki kaplamanın sürtünme katsayılarında bir düşüş gözlenmektedir. AlCrN'ed gözlemlenen en düşük sürtünme katsayısı 1600mA akım değerinde ve 10cm/s kayma hızında kaydedilmiştir, aşınma çizgisinde yapılan Raman analizi sonucu Cr2O3 ve Cr3O8 oksitleri saptanmıştır. Bu oksitlerden Cr3O8 yüksek iyonik potansiyele sahip olup yağlayıcı özellik gösterirken, Cr2O3 ile aralarındaki iyonik potansiyel farkı 2.22 olarak hesaplanmıştır. (Cr,Al,V)N'da ise en düşük sürtünme katsayısı 1600mA akım değerinde ve 10cm/s kayma hızında 0.49±0.05 olarak kaydedilmiştir. Aşınma çizgisinde gerçekleştirilen raman analizi sonucunda yüksek iyonik potensiyele sahip V2O5 (9.26), Cr3O8 (7.10), FeVO4 (6.96) yanısıra Fe2O3 (4.65) gözlemlenmiştir. Karşıt malzeme olarak kullanılan 52100 çeliği bilyanın aşınma davranışları incelendiğinde, (Al,Cr)N kaplaması için her iki test hızında da artan akım değeriyle birlikte bilyada meydana gelen aşınma kayıplarının arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, 300 mA ve 800 mA akım seviyelerinde, hızın 5 cm/s'den 10 cm/s'ye yükseltilmesiyle birlikte bilya üzerindeki aşınma kayıplarında azalma meydana gelmiştir. Ancak 1600 mA akım uygulanması durumunda bu durum tersine dönmüş ve artan hız ile birlikte aşınma kayıplarında da artış gözlenmiştir. Bu durum, yüksek akım ve hız parametrelerinin karşıt malzeme üzerindeki hasar etkilerini artırarak daha şiddetli aşınmaya neden olmasıyla ilişkilendirilebilmektedir. (Cr,V,Al)N yapısında ise, 0 mA ve 300 mA akım seviyelerinde 52100 çeliği bilyada meydana gelen aşınma miktarında belirgin bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Ancak, 800 mA ve 1600 mA akım değerlerinde, hızın artmasıyla birlikte bilyadaki aşınma kayıplarının da arttığı görülmüştür. Bu durum, yüksek akım ve hız koşullarının birlikte etkisiyle temas yüzeyinde oluşan termal etkilerin yüklerin artmasına bağlı olarak, karşıt malzeme üzerindeki aşınmanın daha şiddetli gerçekleştiğini göstermektedir. Test sonrasında aşınma yüzeylerinin profilometre ile incelenmesi sonucunda, her iki kaplamada ve her iki test hızında da yüzeyde belirgin bir aşınma gözlenmemiş, bunun yerine oksit birikiminin meydana geldiği tespit edilmiştir. AlCrN yapısı için 5 cm/s ve 10 cm/s hızlarında uygulanan akım değerleriyle birlikte aşınma kayıplarında artış olduğu gözlemlenmiştir. Ancak aynı akım seviyesinde test hızının 5 cm/s'den 10 cm/s'ye yükseltilmesiyle 300 mA akımda, aşınma hacmi 20.649 ± 3.1717 × 10⁻³ mm³'ten 24.44 ± 1.897 × 10⁻³ mm³'e benzer değer gösterirken 800mA akımda, 100.0108 ± 6.07 × 10⁻³ mm³'ten 77.488 ± 9.7814 × 10⁻³ mm³'e, 1600 mA akımda ise 95.9554 ± 10.007 × 10⁻³ mm³'ten 42.44 × 10⁻³ mm³'e düştüğü görülmektedir. (Cr,V,N) yapısında ise, 5 cm/s ve 10 cm/s hızlarında uygulanan 300 mA akım altında herhangi bir aşınma kaybı gözlemlenmemiştir. Ancak 800 mA akım seviyesinde, 5 cm/s hızda aşınma hacmi 10.4243 ± 7.3 × 10⁻³ mm³ olarak ölçülürken, hızın 10 cm/s'ye çıkarılmasıyla bu değer 9.8263 ± 5.6232 × 10⁻³ mm³'e düşmüştür. 1600 mA akım uygulanması durumunda ise 5 cm/s hızda aşınma kaybı 105.70305 ± 17.4647 × 10⁻³ mm³ ile maksimum seviyeye ulaşırken, aynı akım değerinde 10 cm/s hızda bu kaybın 48.533 ± 16.5057 × 10⁻³ mm³'e düştüğü gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In the past decade, advances in technology have led to significant improvements in energy storage and power transmission systems. These developments have made electric vehicles more accessible and have contributed to the reduction of environmentally harmful CO₂ emissions by promoting widespread adoption. Unlike internal combustion engines, electric vehicles employ electric motors, which can result in the emergence of shaft voltages or stray bearing currents. These parasitic currents can damage the surface of contacting material pairs under operational conditions, increasing both the coefficient of friction (COF) and wear losses. To mitigate the detrimental effects of stray currents and minimize wear, various methods are employed, including grounding, the use of insulating interlayers, lubricants with high dielectric constants, and thin-film coatings. In this context, many coatings with high wear resistance, hardness, and elastic modulus have been produced by Physical Vapor Deposition (PVD) method and they have been extensively investigated. Among them, CrN and TiN coatings have gained significant attention in machining, cutting/drilling, and forming operations due to their high hardness and resistance to abrasive wear. However, their high COF and the degradation of coating properties at elevated temperatures during wear limit their service life and application range. In order to overcome these limitations, structural enhancements have been made by designing superlattice, nanocomposite or multilayer coatings, and by incorporating transition metal oxides such as those of Mo, V, Cr, and Al into CrN and TiN matrices. Their oxides form under high frictional temperatures and contribute to reducing COF due to their lubricating properties. In this study a commercial AlCrN coating which is commonly used in industrial applications and a vanadium modified one, (Cr,Al,V)N were deposited on M35 HSS by cathodic arc deposition. The structural characterization of the coatings was performed using X-ray diffraction (XRD), while their morphology and thickness were examined by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The XRD results revealed the diffraction planes corresponding to NaCl type FCC structure. During wear, it is well known that Joule heating at the contact point can reach extremely high temperatures, particularly under applied current. These elevated temperatures promote the oxidation of V, Cr, and Al, which significantly affects the wear behavior. Among transition metals, vanadium oxides are particularly important due to the formation of Magnéli phases, which possess low shear strength and exhibit solid lubricating properties. The presence of such oxide phases leads to a substantial reduction in COF. To investigate the tribological behavior of the coatings under electrical effects, a modified ball on disk tribometer was used. Tests were conducted under dry sliding conditions using a 10 mm diameter 52100 steel ball as the counterface. Each coating was tested under four current levels (0 mA, 300 mA, 800 mA, 1600 mA), two sliding speeds (5 cm/s and 10 cm/s), a normal load of 2 N, and a total sliding distance of 200 meters. In order to understant the influence of electrical current on the COF, the current was applied shortly after 20 meters of sliding or when a steady-state COF was reached. Following the tests, worn surfaces were analyzed using SEM/EDS, surface profilometry, and Raman spectroscopy. Tests were repeated for each parameter for 3 time in order to obtain accurate results. Analysis of COF versus sliding distance graphs for the AlCrN coating at 5 cm/s revealed a decrease in average COF from 0.79 ± 0.10 (0 mA) to 0.61 ± 0.02 for 300 mA, 0.58 ± 0.04 for 800 mA, and 0.55 ± 0.06 for 1600 mA. At 10 cm/s, the average COF at 0 mA was 0.71 ± 0.06—relatively lower than at 5 cm/s and further dropped to 0.61 ± 0.02 (300 mA) and 0.54 ± 0.04 (800 mA), with no significant change at 1600 mA. For the (Cr,Al,V)N coating, the average COF at 5 cm/s decreased from 0.90 ± 0.08 (0 mA) to 0.50 ± 0.03 (300 mA). However, further increase in current to 800 mA and 1600 mA showed no further significant reductions in COF resulting 0.50±0.05 at 1600mA applied. On the other hand, in the case of no current application, any significant difference between sliding speeds of 5 cm/sec and 10 cm/sec in COF was not observed. However, when 300mA current was applied, the COF dropped from 0.81± 0.07 to 0.51 ± 0.04. While there was not an important change (0.51 ± 0.03) for 800 mA comparing to 300 mA, increasing the current to 1600 mA droped the COF to 0.49 ± 0.05. Regardless of coating type, the current application caused a reduction in COF. Regarding the wear behavior of the 52100 steel counter ball, wear losses increased with higher current for AlCrN at both sliding speeds. Interestingly, at 300 mA and 800 mA, increasing the speed from 5 cm/s to 10 cm/s resulted in decreased wear on the ball, whereas at 1600 mA, the trend recorded, with wear increasing alongside speed. This suggests that the combined effect of high current and speed exacerbates wear on the counterface. For the (Cr,Al,V)N coating, no significant wear occurred on the steel ball at 0 mA and 300 mA. However, at 800 mA and 1600 mA, higher speed led to increased wear, indicating that elevated current and speed together intensify thermal effects at the contact interface, thereby increasing wear damage. The examination of the wear scar with SEM revealed both adhesive and abrasive wear marks along with the pitts that result from the arc discharges. These damage features were observed to intensify with increasing applied current. For AlCrN, wear volume increased with current at both speeds. However, for a given current, increasing the sliding speed from 5 cm/s to 10 cm/s reduced wear volume: from 20.649 ± 3.1717 × 10⁻³ mm³ to 24.44 ± 1.897 × 10⁻³ mm³ at 300 mA; from 96.0108 ± 6.07 × 10⁻³ mm³ to 77.488 ± 9.7814 × 10⁻³ mm³ at 800 mA; and from 105.9554 ± 10.007 × 10⁻³ mm³ to 42.44 × 10⁻³ mm³ at 1600 mA. For (Cr,Al,V)N, no wear loss was observed at 300 mA for 5cm/s speed while there is partial removal of the coating is observed at 10cm/s sliding speed and worn volume is measured to be 8.244±4.121 × 10⁻³ mm³. At 800 mA, wear volume observe to be unchanged 4.932 ± 2.7814 × 10⁻³ mm³ at 5cm/s as recorded to be 5.263 ± 2.7814 × 10⁻³ mm³ when the speed is increased to 10cm/s to be. At 1600 mA, wear volume peaked at 103.70305 ± 17.4647 × 10⁻³ mm³ at 5 cm/s but dropped significantly to 32.533 ± 16.5057 × 10⁻³ mm³ at 10 cm/s.
Benzer Tezler
- Sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplanan düşük karbonlu çeliğe uygulanan mikro ark oksidasyon işleminin karakterizasyonu
Characterization of micro-arc oxidized unalloyed low-carbon steel after hot-dip aluminizing process
MUSTAFA AÇIKSÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- CrN ve TiN kaplamaların galvanik korozyon davranışı
Galvanic corrosion behaviour of TiN and CrN coatings
SELİM TAŞÇI
- TiAIN, TİN tek ve çok katlı kaplamaların karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
OĞUZ ÇINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ FUAT ÇAKIR
- Restorasyon uygulamalarında kullanılan çağdaş teknikler
Contemporary techniques in architectural restoration practice
LORY ZAKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiRestorasyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL KUTGÜN EYÜPGİLLER
- Mikro ark oksidasyon işlemi uygulanmış ZA-8 alaşımının yüzey özelliklerinin incelenmesi
Investigation of surface properties of micro arc oxidized ZA-8 alloy
BERKAN ÇAMLIBEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN