Geri Dön

Development of high temperature tribological features of electroless nib and NiB/Al2O3 nanocomposite coatings

Akımsız nib ve NiB/Al2O3 nanokompozit kaplamaların yüksek sıcaklık tribolojik özelliklerinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 998761
  2. Yazar: ŞEYMA ŞİMŞEK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HATEM AKBULUT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışmasında, yumuşak çelik (St-37) yüzeyler üzerine uygulanan akımsız NiB ve NiB-Al2O3 kaplamaların mikroyapısal, mekanik ve tribolojik özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Çalışmada üretim yöntemi olarak akımsız kaplama tekniği kullanılmıştır. Bu yöntem, dış akım kaynağına ihtiyaç duymadan metal iyonlarının indirgenmesini sağlayarak çelik altlık üzerinde homojen ve yoğun bir kaplama tabakası oluşturmuştur. Homojen mikroyapılar, kaplamaların mekanik dayanıklılığı ve tribolojik performansı üzerinde doğrudan etkili olduğundan, kaplama parametrelerinin mikroyapı üzerindeki etkileri kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir. İlk aşamada akımsız NiB kaplamalar belirlenen banyo bileşimi ve işlem parametreleri esas alınarak hazırlanmıştır. Ardından, bu kaplamaların mekanik ve tribolojik performansını iyileştirmek amacıyla kaplama banyosuna Al2O3 nano-seramik partikülleri takviye edilmiştir. Al2O3 yüksek sertliği, kimyasal kararlılığı, düşük maliyeti ve NiB matrisiyle güçlü ara yüzey bağı oluşturma kabiliyeti sayesinde tercih edilmiştir. Bu seramik katkı, nikel matrisin aşınma direncini ve yüzey stabilitesini artırarak daha dayanıklı bir kaplama yapısının oluşmasına katkı sağlamıştır. Al2O3 ilavesinin mikroyapı üzerindeki etkileri detaylı biçimde analiz edilmiştir. NiB kaplamaya Al2O3 partiküllerinin eklenmesiyle hem mikrosertlik hem de aşınma direnci açısından belirgin iyileşmeler sağlanmıştır. Böylece yüksek sıcaklık koşullarında uzun ömürlü, mekanik açıdan güçlü ve tribolojik olarak kararlı kaplamalar üretilmiştir. Kaplamaların performansı, mekanik testler ve tribolojik analizler aracılığıyla değerlendirilmiş, Al2O3 katkısının NiB kaplamaların dayanım ve aşınma direncini önemli ölçüde artırdığı ortaya konmuştur. Kaplamaların tribolojik davranışları, özellikle sıcaklık değişiminin sürtünme ve aşınma özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla sistematik olarak incelenmiştir. Deneyler, 25 °C (oda sıcaklığı), 200 °C, 400 °C ve 600 °C sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir. Tüm testlerde bilye-disk (ball-on-disk) konfigürasyonu kullanılmış ve 3 N sabit yük altında sürtünme-aşınma davranışı gözlemlenmiştir. Bu testler sayesinde Al2O3 konsantrasyonu ve sıcaklık artışının kaplamaların baskın aşınma mekanizmaları üzerindeki etkileri net biçimde belirlenmiştir. Deneysel bulgular, akımsız NiB-Al2O3 nanokompozit kaplamaların test edilen tüm sıcaklıklarda Al2O3 içermeyen NiB kaplamalara kıyasla daha düşük aşınma oranına sahip olduğunu göstermiştir. Farklı tribolojik koşullar altında, Al2O3 partikülleri kaplamanın aşınmaya karşı direncini artırarak yüzey stabilitesini güçlendirmiştir. Kaplamaların mikroyapısal özellikleri, aşınma yüzeyleri ve aşınma mekanizmaları ileri karakterizasyon teknikleriyle ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Kullanılan başlıca analiz yöntemleri şunlardır: Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM): Yüzey morfolojisi, kaplama kalınlığı, mikroyapısal homojenlik ve aşınma izleri incelenmiş; mikro çatlaklar, porozite yapıları ve Al2O3 partiküllerinin dağılım özellikleri değerlendirilmiştir. Aşınma sonrası yüzey analizleri, sıcaklıkla değişen aşınma mekanizmalarının belirlenmesinde kullanılmıştır. Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDS): Kaplamaların elementel bileşimini ve Al2O3 partiküllerinin dağılımını belirlemek amacıyla kullanılmıştır. EDS sonuçları, Ni, B ve Al elementlerinin homojen dağıldığını ve yüksek sıcaklıklarda yüzey oksidasyonunun belirgin biçimde arttığını göstermiştir. Tribokimyasal değişimler ve oksit tabakalarının bileşimi de bu yöntemle analiz edilmiştir. X-Işını Difraksiyonu (XRD): Kaplamaların kristal yapısı, faz bileşimi ve amorf karakteri değerlendirilmiştir. NiB kaplamaların genellikle amorf yapıya sahip olduğu, Al2O3 katkısı ile belirli kristal fazların ortaya çıktığı ve ısıl işlem sonrası Ni3B, Ni2B ve NiO fazlarının oluştuğu gözlenmiştir. Bu dönüşümler, kaplamanın mekanik kararlılığıyla doğrudan ilişkilendirilmiştir. Raman Spektroskopisi: Kaplamaların kimyasal bileşimi ve aşınma sonrası yüzeyde oluşan oksit fazları belirlenmiştir. Raman analizleri, yüksek sıcaklıklarda NiO ve Al2O3'un karakteristik bantlarını doğrulamış ve kaplama yüzeyinde oluşan tribokimyasal oksit tabakasının varlığını desteklemiştir. Bu oksit tabakalarının, sürtünme sırasında yüzey koruması sağladığı ve aşınma oranını azalttığı belirlenmiştir. Bu ileri analiz teknikleri sayesinde, akımsız NiB ve NiB-Al2O3 nanokompozit kaplamaların mikroyapısal özellikleri, aşınma mekanizmaları ve tribolojik davranışları ayrıntılı biçimde ortaya konmuştur. Analiz sonuçları, Al2O3 katkısının kaplama performansını çok yönlü olarak iyileştirdiğini göstermektedir. Elde edilen veriler, Al2O3 nanopartiküllerinin kaplama matrisine homojen biçimde dağıldığını ve yapısal bütünlüğü güçlendirerek mekanik dayanımı artırdığını ortaya koymuştur. Bu homojen dağılım, aşınma direncini artırmanın yanı sıra yüzeyin daha düzgün morfolojiye sahip olmasını sağlamış, mikro çatlak oluşumunu da minimize etmiştir. Al2O3'un yüksek elastik modülü, yük aktarımını dengeli hâle getirerek matris deformasyonunu azaltmış, böylece hem düşük hem de yüksek sıcaklıklarda kaplamanın fonksiyonel kararlılığını sürdürmesine katkıda bulunmuştur. Yüksek sıcaklıklarda yapılan tribolojik testler, Al2O3 katkısının oksidatif aşınmayı geciktirdiğini ve sürtünme sırasında koruyucu bir bariyer etkisi oluşturduğunu göstermiştir. Kaplama yüzeyinde oluşan bu oksit film, tribo-kimyasal kararlılığı artırarak malzeme kaybını azaltmıştır. Ayrıca, Al2O3 parçacıkları sürtünme sırasında üçüncü-cisim tanecikleri gibi davranarak temas yüzeyinde yük dağılımını homojenleştirmiş, lokal sıcaklık artışlarını sınırlamıştır. Aşınma mekanizmaları incelendiğinde, düşük sıcaklıklarda hafif plastik deformasyon ve adezif aşınma türleri baskınken, sıcaklık yükseldikçe oksidatif aşınma ve abrazyon mekanizmalarının öne çıktığı belirlenmiştir. Bununla birlikte, Al2O3 nanopartikülleri kaplama matrisinde sert ve dayanıklı bir yapı oluşturarak 600 °C'ye kadar aşınma oranının düşük kalmasını sağlamıştır. Bu bulgu, Al2O3'un ısıl kararlılığı ve NiB matrisiyle güçlü ara yüzey bağı sayesinde yüksek sıcaklıkta bile etkinliğini koruduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, NiB-Al2O3 nanokompozit kaplamalar 25-600 °C aralığında yüksek aşınma direnci, kararlı sürtünme davranışı ve yapısal bütünlük sergilemiştir. Bu özellikleri sayesinde, sert krom kaplamalara çevre dostu ve performans açısından üstün bir alternatif oluşturduğu ortaya konmuştur. Özellikle yüksek sıcaklıklarda yüzey stabilitesini koruyabilmesi, bu tür kaplamaları otomotiv, havacılık, kalıp ve kesici takım endüstrisi gibi yüksek ısıl yüke maruz kalan uygulamalar için son derece uygun hâle getirmektedir. Elde edilen sonuçlar, Al2O3 katkılı akımsız NiB kaplamaların hem mekanik hem de tribolojik performans açısından klasik sert krom kaplamalara kıyasla önemli avantajlar sunduğunu göstermiştir. Bu çalışma, NiB-bazlı nanokompozit sistemlerin yüksek sıcaklık tribolojisinde kullanım potansiyelini ortaya koyarak yüzey mühendisliği alanına önemli bir katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

This study examines the microstructural, mechanical, and tribological performance of electroless NiB and NiB-Al2O3 coatings applied to mild steel (St-37) substrates. In this dissertation, the electroless NiB and NiB-Al2O3 coatings were deposited onto the steel substrates to produce homogeneous microstructures using the electroless deposition method. The effects of electroless deposition parameters on the microstructure and the friction behaviours of the coatings were investigated in detail. A temperature-controlled wear testing setup was employed to evaluate their high-temperature tribological behavior. The investigation specifically explored the influence of Al2O3 nanoparticle concentration, the configuration of the wear test, and the testing temperature on the dominant wear mechanisms of the coatings. Tribological testing was carried out to assess the performance of the coatings under varying thermal conditions. The tests were conducted at four distinct temperatures: 25 °C (room temperature), 200 °C, 400 °C, and 600 °C to evaluate the influence of elevated temperatures on the friction and wear characteristics of the coatings. A ball-on-disk configuration was utilized for providing controlled and consistent test conditions. During the experiments, a constant applied load of 3 N was applied to simulate realistic contact pressures typically encountered in practical applications. By systematically increasing the temperature, the study aimed to observe and analyze how thermal effects, and changes in material properties, impacted the tribological behavior of the coatings. The results provided valuable insights into the coatings' ability to maintain wear resistance and frictional performance across a wide range of operating temperatures. The experimental findings revealed that the electroless NiB-Al2O3 nanocomposite coatings consistently demonstrated a lower wear rate across all tested temperatures compared to the electroless NiB coatings without Al2O3 reinforcement. This enhanced wear resistance was attributed to the incorporation of Al2O3 nanoparticles, which significantly improved the coatings' ability to withstand wear under varying tribological conditions. Detailed characterization of the microstructures of the coatings, worn surfaces, and wear mechanisms was carried out using advanced analytical techniques, including Scanning Electron Microscopy (SEM) for observing surface morphology, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) for elemental analysis, X-ray Diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy for chemical and structural identification. These techniques provided a comprehensive understanding of the tribological behavior of the coatings and the role of Al2O3 in improving their performance under high-temperature conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1017219

    Akımsız kaplama yöntemiyle Ni-B-TiO2 kompozitlerinde tribolojik özelliklerin geliştirilmesi

    Improvement of tribological properties in Ni-B-TiO2 composites by electroless coatings method

    OSMAN HARDAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATEM AKBULUT

  2. Tez No

    419059

    High temperature wear performance of alloyed and carbide reinforced stellite 12 coatings

    Alaşımlandırılmış ve karbür takviyeli stellite 12 kaplamaların yüksek sıcaklıkta aşınma davranışı

    AMIR MOTALLEBZADEH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

    DOÇ. DR. ERDEM ATAR

  3. Tez No

    1018245

    18CrNiMo7-6 çeliğine uygulanan farklı yüzey sertleştirme yöntemlerinin tribolojik davranışlarının incelenmesi

    Investigation of the tribological behavior of different surface hardening methods applied to 18CrNiMo7-6 steel

    MUZAFFER KAŞİFOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA

  4. Tez No

    714565

    TiAlN, AlCrN ve TiSiN Kaplanan 11SMn30/11SMn37 yumuşak manyetik çeliklerinin tribolojik özelliklerinin frenleme performansına etkisi

    The effect of tribological properties of TIAlN, AlCrN and TiSiN coated 11SMn30/11SMn37 soft magnetic steels on braking performance

    YAĞMUR EYYÜPOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER

  5. Tez No

    675450

    Novel approaches for protection of light metals under various wear conditions via micro arc oxidation process

    Hafif metallerin mikro ark oksidasyon yöntemiyle farklı aşınma şartlarında korunmasına yönelik yenilikçi yaklaşımlar

    FAİZ MUHAFFEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

Geri Dön