Geri Dön

Alüminyum silisyum döküm alaşımına uygulanan ni-sic kaplama ve mikro ark oksidasyon işleminin karşılaştırılması

A comparative study of ni-sic coating and micro-arc oxidation on the aluminum-silicon casting alloy

PDF İndir

  1. Tez No: 982090
  2. Yazar: ÖZKAN KARAMAN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ FAİZ MUHAFFEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Alüminyum ve alaşımları, yüksek özgül mukavemet, düşük yoğunluk, şekil verilebilirlik, korozyon direnci, termal iletkenlik gibi birçok özelliği sayesinde mühendislik uygulamalarında yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Sahip olduğu mekanik, fiziksel ve kimyasal özellerinin yanında yer kabuğunda en çok bulunan ikinci metalik element olması ve geri dönüşüm sayesinde tekrar kullanabilmesi alüminyum kullanımın yaygınlaşmasını sağlamaktadır. Otomotiv ve havacılık endüstrisi, mühendsislik uygulamalarında alüminyumunun kullanımın yaygın olarak kullanıldığı endüstrilerin başına gelmektedir. Otomotivde silindir bloğu, piston, manifold, ısı eşanşörü, havacılıkta ise uçak gövdesi, kapı, kanat gibi uygulamalar alüminyum alaşımlarının tercih edildiği uygulamaların başında gelmektedir. Tüm bu avantajlarının ve üstün özelliklerinin yanında, düşük sertlik, düşük aşınma direnci ve kararsız sürtünme katsayısı gibi sahip olduğu dezavantajlar alüminyum alaşımının endüstride kullanımını sınırlamaktadır. Bu dezavantajlar nedeniyle alüminyum alaşımları ileri geri hareket eden karşılıklı çalışma koşullarında yeterli tribolojik özellikleri sergileyememektedir. Alüminyum alaşımları arasında alüminyum-silisyum döküm alaşımları, yüksek silisyum içeriğinden dolayı kolay dökülebilmesi, hemen hemen her döküm metoduna uygulanabilmesi ve geniş mukavemet aralığına sahip olması ile mühendislik uygulamalarında en çok tercih edilen alaşımlar arasında yer almaktadır. Bu avantajlarının yanında diğer alüminyum serilerinde olduğu gibi düşük sertlik ve yetersiz aşınma direnci sebebiyle tribolojik özellik göstermesi gereken alanlarda kullanımı sınırlanmaktadır. Bu dezavantajlarının üstesinden gelmek için birçok farklı yüzey iyileştirme teknikleri geliştirilmiştir. Bu çalışmaların amacı yüzey özelliklerini geliştirerek kullanım alanında sınırları kaldırmaktadır. Ni-SiC kompozit kaplama, alüminyumun yüzey iyileştirmesi için uygulanan kaplamalardan biridir. Ni-SiC kaplama, özellikle otomotiv endüstrisinde yıllardan beri ticari bir kullanım alanına sahiptir. Ni-SiC kompozit kaplama, nano veya mikron boyutlarında bulunan SiC parçacıkların elektrolit çözeltisine takviye edilip, bu parçacıkların nikel matriks içerisine çökeltilmesi sonucunda elde edilir. Kaplama oluşturduğu sertlik değeri ve düşük sürtünme katsayısı ile alüminyum alaşımlarının yüzey özelliklerini geliştirmektedir. Ticari olarak oldukça yaygın bir kullanıma sahip olan nikel seramik kompozit kaplamanın otomotiv ve havacılıkta yakıt ile teması bulunan alüminyum parçalarda kullanımı sınırlanmaktadır. Düşük kaliteli yüksek sülfür oranına sahip yakıtlar zamanla kaplamanın korozyona uğrayarak işlevini yerine getirememesine sebep olmaktadır. Mikro ark oksidasyon (MAO), son yıllarda öne çıkan ve mevcut kaplamalara alternatif olacak bir kaplama olarak değerlendirilmektedir. MAO kaplama, sahip olduğu yüksek sertlik, aşınma direnci, korozyon dayanımı vb. özellikleri ve Al, Ti, Mg gibi hafif metallere uygulanabilmesi onu yaygın kılmaktadır. MAO işlemi elektrolitik bir çözelti içerisinde yüksek voltaj kullanılarak yüzeyde seramik oksit tabakalarını oluşturmayı amaçlamaktadır. Kullanılan çözeltilerin toksik madde içermemesi, bu prosesi çevre dostu bir proses yapmaktadır. Literatürde MAO işlemi ile çeşitli alüminyum alaşımlarının kaplanması ve proses parametrelerinin yüzey özelliklerinin literatürde nasıl etkilediği incelenmiştir. Ek olarak, Ni-SiC kaplamaya sahip alaşımlar ile MAO kaplamaya sahip alüminyum alaşımlarının triboljik yönden karşılaştırılması literatürden araştırılmıştır. Bu çalışmada, endüstriyel olarak yaygın bir kullanım alanına sahip olan Ni-SiC kaplamaya alternatif MAO işleminin geliştirilmesi amaçlamaktadır. Bu kapsamda endüstriyel olarak Al-Si altlık malzemeye sahip Ni-SiC kaplama elde edilmiştir. Ayrıca kaplamasız Al-Si döküm alaşımları tedarik edilerek MAO işleminin geliştirilmesi için çalışmalar gerçekleştirilmiştir.3 farklı tipte MAO işlemi gerçekleştirilmiştir. 20 g/L NaAlO2, 3 g/L Na3PO4, and 2 g/L NaOH içeriğine sahip elektrolit baz olarak kullanılmıştır ve MAO kaplama elde edilmiştir. Baz elektrolit içerisine Na2WO4 eklenerek MAO-W, 6 g/L Na3VO4 ilave edilerek ise MAO-V kaplama elde edilmiştir. Çalışmada Ni-SiC ve MAO kaplamalarının karşılaştırılması için karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda XRD ile faz analizleri, optik mikroskop ile mikroyapı kesit incelemeleri, SEM incelemeleri, mikro sertlik analizleri ve son olarak aşınma testi gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda kesit boyunca altlık malzeme ile iyi yapışma özelliği gösteren, ortalama 36,20 µm kalınlığa sahip MAO, 38,60 µm ortalama kalınlığına sahip MAO-W ve 32,90 µm ortalama kalınlığına sahip MAO-V kaplama elde edilmiştir. SEM incelemesinde kaplamanın sahip olduğu por ve mikro çatlak gibi özellikler görüntülenmiştir. EDS analizi ile kaplama mekanizmasına katılan elementler karakterize edilmiştir. MAO-W kaplamada W katkısının homojen olarak kaplama içerisinde dağıldığı incelenmiştir. MAO-V kaplamada V elementinin kaplama yüzeyinde yoğunlaştığı görülmüştür. XRD analizleri ile MAO kaplamalarda α-Al2O3 ve γ-Al2O3 fazları bulunduğu incelenmiştir. Ni-SiC kaplamada Ni fazı görülmüştür. Normalize edilen mikro sertlik değerleri incelendiğinde altlık malzemenin sertlik değeri 1,20 ± 0,09 olarak ölçülmüştür. Ni-SiC kaplamanın sertlik değeri 2,97 ± 0,51 seviyelerindedir. MAO kaplamalar incelendiğinde ortalama 6,80 ± 0,49 ile MAO-V en yüksek sertliğe sahiptir. MAO kaplamanın sertliği ortalama 5,17 ± 0,30 olarak, MAO-W kaplamanın 5,00 ± 0,59 olarak ölçülmüştür. Gerçekleştirilen aşınma testi ile numuneleri sürtünme katsayısı değerleri ve aşınma hacimleri karşılaştırılarak incelenmiştir. Tüm kaplamalar altlık malzemeye göre daha düşük sürtünme katsayısına sahiptir. Kararlı durumda altlık malzemenin normalize edilen sürtünme katsayısı 0,85 olarak ölçülmüştür. Sürtünme katsayısı değerleri incelendiğinde en düşük ve sabit normalize edilen sürtünme katsayısını 0,50 ile referans kaplama olan Ni-SiC kaplama göstermiştir. MAO ve MAO-V kaplamaların sürtünme katsayısı ilk 30 m içerisinde benzer dalgalanmalar göstermiştir. Kararlı durumda MAO kaplamanın normalize edilen sürtünme katsayısı 0,60 olarak, MAO-V kaplamanın sürtünme katsayısı 0,61 olarak hesaplanmıştır. MAO-W diğer MAO kaplamalara göre daha sabit bir sürtünme katsayısı göstermiştir ve kararlı durumda normalize edilen sürtünme katsayısı 0,67 olarak ölçülmüştür. Aşınma testi sonucunda aşınma hacimleri hesaplandığında tüm kaplamaların altlık malzemeye göre çok daha düşük aşınma hacmine sahip olduğu görülmüştür. Ni-SiC kaplama aşınma hacmi 137780 µm3 olarak hesaplanmıştır. Tüm MAO kaplama tipleri referans Ni-SiC kaplamaya göre daha iyi özellik göstermiştir. MAO-W kaplama 103220 µm3 ve MAO kaplama 111260 µm3 aşınma hacmine sahip olduğu görülmüştür. MAO kaplamalar arasında en iyi sonucu 59400 µm3 ile MAO-V kaplama göstermiştir. Tüm sonuçlar incelendiğinde MAO, MAO-W ve MAO-V kaplamaların göstermiş oldukları mekanik ve tribolojik özelliklerin altlık malzemeye göre daha iyi olduğu görülmüştür. Ni-SiC kaplama sürtünme katsayısı performasında MAO kaplamalara göre daha düşük ve stabil olsa da MAO kaplamalar göstermiş oldukları yüzey sertliği ve aşınma hacimlerine bakılarak Ni-SiC kaplamaya alternatif olarak kullanılabilecek performansı göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Aluminum and its alloys have become indispensable materials in engineering applications due to their high specific strength, low density, excellent corrosion resistance, good thermal conductivity, and ease of formability. These advantageous properties, combined with aluminum's abundance as the second most common metallic element in the Earth's crust and its recyclability, have contributed to its widespread industrial use. In particular, the automotive and aerospace sectors are leading fields where aluminum alloys are extensively used. Applications include engine blocks, pistons, manifolds, and heat exchangers in automotive components, as well as fuselage structures, doors, and wings in aircraft manufacturing. Despite their many advantages, aluminum alloys inherently suffer from certain limitations, such as low hardness, insufficient wear resistance, and an unstable coefficient of friction. These disadvantages hinder their application in tribologically demanding environments, especially where reciprocating motion and continuous surface contact are involved. To address these shortcomings, numerous surface modification techniques have been developed to enhance the surface performance of aluminum alloys. Among these, Al-Si casting alloys are particularly preferred due to their excellent castability, compatibility with various casting techniques, and broad mechanical property range. However, their relatively low surface hardness and poor tribological performance restrict their use in components exposed to high friction or abrasive conditions. Therefore, advanced surface coating techniques are essential to extend the functionality of Al-Si alloys in such applications. Nickel-Silicon Carbide (Ni-SiC) composite coatings represent one of the most widely used commercial surface treatments for aluminum alloys, particularly in the automotive industry. These coatings are produced by co-depositing hard SiC particles into a nickel matrix via electroplating, resulting in improved surface hardness and reduced friction coefficient. While the nickel matrix provides mechanical support and binding for the SiC particles, the SiC phase enhances the overall hardness and wear resistance of the coating .However, despite their commercial success, Ni-SiC coatings are known to deteriorate when exposed to low-quality fuels with high sulfur content, which can initiate corrosion and compromise long-term performance, particularly in fuel-exposed components. Micro-Arc Oxidation (MAO), on the other hand, has recently attracted significant interest as a promising alternative surface treatment. MAO is an electrochemical process that involves applying high voltage to generate plasma discharges on the surface of light metals such as aluminum, magnesium, and titanium in an alkaline electrolyte. This process results in the formation of hard, thick, and adherent ceramic oxide layers (primarily Al2O3 in the case of aluminum), offering improved wear resistance, corrosion protection, and thermal stability. Furthermore, MAO is considered an environmentally friendly technique due to its use of non-toxic electrolytes. In the present study, a comparative investigation was conducted between Ni-SiC composite coatings and MAO coatings on Al-Si casting alloys. The objective is to evaluate whether MAO can serve as a potential alternative to Ni-SiC, especially in applications where the latter's corrosion resistance is compromised by fuel exposure. Ni-SiC coatings were applied to industrial Al-Si substrates using a conventional electroplating method. The MAO process was carried out using a 30 kW bipolar DC power supply, enabling the formation of stable micro-discharges on the aluminum surface under high-voltage conditions. For the MAO process, uncoated Al-Si alloy samples were subjected to surface treatment in an aqueous solution containing 20 g/L NaAlO2, 3 g/L Na3PO4, and 2 g/L NaOH under varying voltage and time parameters to optimize coating characteristics. Comprehensive characterization studies were carried out to evaluate and compare the microstructural and mechanical properties of the two coating types. Phase composition was identified using X-ray diffraction (XRD). Cross-sectional microstructure and coating thickness were examined using optical microscopy. Surface morphology and coating integrity were investigated via scanning electron microscopy (SEM). Microhardness test were performed and wear resistance was evaluated through tribological testing. Additionally, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis was performed to determine elemental composition and verify the involvement of oxygen, aluminum, and other species in the coating formation. As a result of the characterizations, MAO coatings with good adhesion to the substrate and average thicknesses of 36.2 µm (MAO), 38.6 µm (MAO–W), and 32.9 µm (MAO–V) were obtained. SEM observations revealed surface features such as pores and microcracks, while EDS analysis identified the elements incorporated into the coating mechanism. It was determined that tungsten was uniformly distributed throughout the MAO–W coating, whereas vanadium was concentrated on the surface of the MAO–V coating. XRD analyses indicated the presence of α-Al2O3 and γ-Al2O3 phases in MAO coatings, while the Ni phase was observed in the Ni–SiC coating. Normalized microhardness measurements showed that the substrate exhibited a hardness of 1.20 ± 0.09 . The Ni–SiC coating had a hardness of approximately 2.09 ± 0.51 . Among the MAO coatings, MAO–V showed the highest hardness, with an average of 6.80 ± 0.49. The average hardness values of the MAO and MAO–W coatings were measured as 5.17 ± 0.30 and 5.00 ± 0.59, respectively. The wear test results were evaluated by comparing the friction coefficients and wear volumes of the samples. All coatings exhibited lower friction coefficients than the substrate. All friction coefficient datas were normalized. The steady-state friction coefficient of the substrate was measured as 0.85. Among the coatings, the Ni–SiC coating exhibited the lowest and most stable friction coefficient of 0.50. The MAO and MAO–V coatings showed similar fluctuations within the first 30 m of sliding, with steady-state coefficients of 0.60 and 0.61, respectively. The MAO–W coating demonstrated a more stable friction behavior than the other MAO types, with a steady-state coefficient of 0.67. According to the wear test results, all coatings exhibited significantly lower wear volumes than the substrate. The wear volume of the Ni–SiC coating was calculated as 137780 µm³. All MAO coatings showed better wear resistance than the reference Ni–SiC coating, with MAO–W and MAO coatings exhibiting wear volumes of 103220 µm³ and 111260 µm³, respectively. Among the MAO coatings, MAO–V showed the best performance with a wear volume of 59400 µm3. Overall, the MAO, MAO–W, and MAO–V coatings demonstrated superior microstructural and tribological properties compared to the substrate. Although the Ni–SiC coating exhibited a lower and more stable friction coefficient, the MAO coatings, due to their higher surface hardness and lower wear volumes, presented a promising alternative to the Ni–SiC coating in terms of performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    720033

    Kokil kalıba döküm yöntemiyle üretilen bronz ve pirinç malzemelerın sıcak dövme ve ısıl işlem sonrası aşınma ve korozyon özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the wear and corrosion properties of bronze and brass materials produced by mold casting method after hot forging and heat treatment

    HANİFİ TAZE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI

  2. Tez No

    769849

    AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg basınçlı alüminyum döküm alaşımlarına bor ve stronsiyum ilavesinin Cr3+ dönüşüm kaplaması sonrası korozyon direncine etkisi

    Effect of boron and strontium addition to AlSi9Cu3 and AlSi10Mg aluminum die casting alloys on corrosion resistance after Cr3+ conversion coating

    BERKAY SAVAŞKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ

  3. Tez No

    119559

    Alüminyum bazlı SiCp takviyeli kompozitlerin aşınma davranışlarının incelenmesi

    Wear behaviour of SiCp reinforced aluminum composites

    MUSTAFA ÖZKARAKOÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Metalurji MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAZIM ÖNEL

  4. Tez No

    860833

    Yüksek basınçlı enjeksiyon döküm ötektik Al-Si alaşımlarında modifiye edici ve tane inceltici elementlerin etkisi

    Investigation of modifier elements effect in the high pressure injection casting for eutectic Al-Si alloys

    ALPASLAN KILIÇARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATEM AKBULUT

  5. Tez No

    295261

    Susuzlaştırılmış boraksın alüminyum bakır alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerine etkisi

    The effect of dehydrated borax on microstructure and mechanical properties of aluminium copper alloys

    ZEKİ ÇAVUŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. NİYAZİ ERUSLU

Geri Dön