Pulse Plazma Nitrasyon ile Paslanmaz Çelik Kaplamaların Yüzey Özelliklerinin Geliştirilmesi

Pulse Plazma Nitrasyon ile Paslanmaz Çelik Kaplamaların Yüzey Özelliklerinin Geliştirilmesi

Yrd. Doç. Dr. / Asst. Assoc. Dr. Ferda Mindivan / Teknik Programlar Bölümü Bozüyük Meslek Yüksek Okulu - Bilecik Ş.E. Üniversitesi

Doç. Dr. / Assoc. Dr. Harun Mindivan / Makine ve İmalat Mühendisliği Bölümü - Mühendislik Fakültesi - Bilecik Ş.E. Üniversitesi

 Yrd. Doç. Dr. / Asst. Assoc. Dr. Ramazan Samur / Teknik Eğitim Fakültesi - Marmara Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. / Asst. Assoc. Dr. Mustafa İlhan / Teknoloji Fakültesi / Marmara Üniversitesi

Bekir Güney / Marmara Üniversitesi


Aşınma ve korozyondan dolayı dünyada her yıl önemli kayıplar olmaktadır. Ülkelerin aşınma ve korozyon nedeniyle kayıpları gayri safi milli hasılalarının % 3.5-5’ i arasında değişmektedir. Bu kadar yüksek kayıpların oluşu, buna paralel endüstrinin gelişimi, dayanıklı ve kararlı malzemelere olan ihtiyacı arttırmıştır. Malzemelerin dış etkenlere karşı direnci o malzemenin kütlesel ve yüzey özellikleri ile ilgilidir. Parçanın kütlesel olarak şekil değişimine uğramadan servis koşullarında çalışması parçanın elastisite modülü, akma ve çekme mukavemeti gibi kütlesel özelliklerine bağlıdır. Diğer taraftan aşınma ve korozyon gibi yüzeyde oluşabilecek hasarlar o parçanın yüzey özellikleri ile ilgilidir. Hammadde üretimi ve şekillendirilmelerindeki zorluklar fiyatın yüksek oluşuna sebep olduğundan çoğu mühendislik uygulamalarında hem kütlesel özelliklerinin hem de yüzey özelliklerinin iyi olduğu malzeme üretmek oldukça zordur. Bu nedenle düşük karbonlu çeliklerin yüzeyleri yüzey modifikasyon işlemleri ile geliştirilebilir [1].

 

Isıl püskürtme, toz veya tel halindeki metalik veya metalik olmayan malzemelerin eriyik ya da yarı eriyik halde bir altlık üzerine biriktirilmesini mümkün kılan kaplama işlemlerine verilen en genel isimdir. Oluşturulan yüksek özellikli kaplamalar, aşınma, yüksek sıcaklık, çeşitli kimyasallardan ileri gelebilecek saldırılar ve çevresel korozyon gibi durumlara karşı koruma sağlar. Metalik malzemelerin ısıl püskürtme tekniği ile kaplanması düşük maliyet, kolay uygulanabilirlik, proses çeşitliliği ve kullanılabilen malzeme çeşitliliği kriterleri açısından en uygun olanıdır [2]. Örneğin, Mihm ve arkadaşlarına [3] göre, özellikle de türbin imalatında karmaşık geometriye sahip parçalar için ısıl püskürtme tekniğinin kullanımı pratik bir yöntemdir. Isıl püskürtme tekniğinin ikinci bir önemli avantajı ise kaplanacak metalik malzemelere daha sonra kaynak, ısıl işlem ve yüzey modifikasyon işlemleri gibi yüksek sıcaklık işlemlerinin uygulanabilirliğidir. Isıl püskürtme işlemi 20. yüzyılın başlarında anti-korozyon uygulamaları ve çeşitli basit makine elemanlarının tamiri için kullanılmaya başlanmıştır. Isıl püskürtme işleminde kaplama malzemesi yanma bolgesine beslenerek eriyik hale getirilir ve buradan taban malzeme uzerine suruklenir (Şekil 1). Kaplama malzemesini eritmek icin ihtiyac duyulan enerji, elektrik arkı ve/veya gaz yardımıyla sağlanabilir. Bu prosesler elektrik ark puskurtme, plazma puskurtme, alev puskurtme ve yuksek hızlı oksijen yakıt (HVOF) puskurtme olarak adlandırılabilir. Son zamanlarda ortaya çıkan başka bir puskurtme teknolojisi ise Soğuk Dinamik Gaz Puskurtme (SDGP) olup temelde, yuksek basınclı sıkıştırılmış gaz içinde depolanan enerjinin, ince taneli toz partikullerinin (5-100 μm) yuksek hızlarda (500-1500 m/s) puskurtulmesidir. Bu yöntem oda sıcaklığında gercekleştirildiğinden yontemin adı soğuk dinamik gaz puskurtme olarak nitelendirilmiştir [4].

 

Isıl puskurtme ile elde edilen kaplamanın mekanik ozellikleri; puskurtme parametreleri, cevresel faktorler, kullanılan malzemeler ve kaplama işlemi oncesi ve sonrası ceşitli uygulamalar gibi bircok parametreye bağlıdır. Bu parametrelerin doğru kullanılmasıyla amaca uygun ozelliklere sahip ve tekrarlanabilir kaplamalar rahatlıkla uretilebilir [5]. Ayrıca servis koşullarına uygun ozelliklere sahip kaplamaların sadece duşuk termal iletkenlik değil yuksek yapışma mukavemeti, sertlik, elastisite modulu, suneklik, aşınma direnci gibi mekanik ozellikleri de cok onemlidir ve bu ozelliklerin istenilen seviyede tutulması kaplamanın omru ve performansı acısından önemlidir [4]. Ergiyen kaplama tabakasının taban malzeme ile birleşmesi ve birbiri ile tabaka oluşturması bağlanma mekanizmalarına bağlıdır.

 



Şekil 1. Isıl püskürtme sisteminin şematik gösterimi [4].

Isıl puskurtme ile elde edilen kaplamanın mekanik ozellikleri; puskurtme parametreleri, cevresel faktorler, kullanılan malzemeler ve kaplama işlemi oncesi ve sonrası ceşitli uygulamalar gibi bircok parametreye bağlıdır. Bu parametrelerin doğru kullanılmasıyla amaca uygun ozelliklere sahip ve tekrarlanabilir kaplamalar rahatlıkla uretilebilir [5].

 

Ayrıca servis koşullarına uygun ozelliklere sahip kaplamaların sadece duşuk termal iletkenlik değil yuksek yapışma mukavemeti, sertlik, elastisite modulu, suneklik, aşınma direnci gibi mekanik ozellikleri de cok onemlidir ve bu ozelliklerin istenilen seviyede tutulması kaplamanın omru ve performansı acısından önemlidir [4]. Ergiyen kaplama tabakasının taban malzeme ile birleşmesi ve birbiri ile tabaka oluşturması bağlanma mekanizmalarına bağlıdır.

Şekil 2. Isıl püskürtme tabakasının şematik kesiti [4].

Kaplamalarda bağlanma mekanizmaları genellikle mekanik bağlanma, difuzyon bağlanma ve Van der Waals kuvvetleri ile oluşmaktadır. Isıl puskurtme ile oluşturulan kaplama tabakası boşluk, ergimemiş veya yarı ergimiş tanecikler, tamamen ergimiş tabakalar ve oksit kalıntılarından oluşmaktadır (Şekil 2).

 

Son yıllarda HVOF puskurtme teknolojisindeki gelişme ile azalan oksidasyonla birlikte daha yuksek yoğunluğa ve daha yüksek bağ mukavemetine ulaşılabilir. Bunun sebebi; 1500 m/s gibi yuksek derecede gaz hızı ile toz parcacıklarının daha yuksek hızlarda (≥500 m/s) taban malzemeye puskurtulebilmesinden kaynaklanmaktadır. Su jeti, kesici alet nozulu, kağıt ve folyo uretim merdaneleri, petrokimya valf ve pompaları gibi endustrinin neredeyse her alanında dayanıklı ve kararlı malzemelere (sert metaller, tungsten karbur, krom karbur, nikel - krom alaşımları, paslanmaz celik, Al - bronz, super alaşımlar) olan ihtiyacı artırmıştır [6].

 

Servis koşullarında aşırı zorlanmaya maruz kalacağı duşunulen yuzeylere aşırı sertlik, mukavemet ve aşınma direnci kazandırmak icin HVOF puskurtme kaplama ve ardından nitrurleme işlemi uygulanabilir. Difuzyon ile sertleştirme işlemlerinde bir difuzyon bolgesinin oluşması sonucu ust tabakanın hemen altındaki yuzeyin de mukavemeti artmaktadır. Alt yuzeye mukavemet kazandırılması ile ustteki kaplama tabakasına yeterli mekanik destek sağlanması sayesinde bolgesel Hertzian hasarı en aza indirilebilir. Ancak ince film fiziksel buhar kaplama (PVD) yöntemiyle alt yuzeyde mukavemet artışı gercekleşmez ve difüzyon sertleştirme yonteminde kademeli olarak gercekleşen değişim ile karşılaştırıldığında kaplama-taban metal ara yuzeyinde sertlik ve akma mukavemetinde ani değişiklikler meydana gelir ve yüzeyin yuksek bir yuke maruz kalması halinde kaplamanın taban malzemeden sıyrılma ihtimali artmaktadır [7].

 

Onemi gunden gune daha belirginleşmekte olan HVOF püskürtme ile kaplanan martensitik paslanmaz celik kaplamalar tekrar yuzey işlemi gorerek modifiye edildiklerinde ise servis omurleri daha uzun ve calışma performansları artırılabilir [8].

 

Bu amacla, temelde cok katmanlı bir yapıya sahip olan HVOF puskurtme sonrası nitrurleme işlemi, yeni bir yuzey modifikasyon işlemi olabilir. Şekil 3’te pulse plazma nitrasyon işlemine tabi tutulan HVOF puskurtulmuş martensitik paslanmaz celik kaplamanın duşuk ve yuksek buyutmeli kesit optik mikroyapı goruntuleri verilmektedir. Yoğun bir tabakaya sahip olan HVOF puskurtulen martensitik paslanmaz celik kaplamanın kesit goruntusunde kaplama ve altlık ara yuzeyinde iyi bir bağlanmanın mevcut olduğu gozlenmiştir Kaplama tabakası ayrıca ergimemiş, yeniden katılaşmış tabakalı yapı ve oksitler içermektedir (Şekil 3 a).

Pulse plazma nitrasyon işlemi ile hacim merkezli kubik yapıya sahip HVOF puskurtulmuş martensitik paslanmaz celik kaplama yuzeyinde nispeten kalın nitrur tabakası (~30 μm) elde edilmiştir (Şekil 3 b).


Şekil 3. Pulse plazma nitrasyon işlemine tabi tutulan HVOF püskürtülmüş martensitik paslanmaz çelik kaplamanın (a)
düşük ve (b) yüksek büyütmeli kesit optik mikroyapı görüntüleri.

Kaynaklar:

[1] Mindivan, H., "Effects of Combined Diffusion Treatments on

the Wear Behaviour of Hardox 400 Steel”, Procedia Engineering,

68 (2013) 710-715.

[2] Sá Brito, V.R.S., Bastos, I.N., Costa, H.R.M., "Corrosion Resistance and Characterization of Metallic Coatings Deposited

by Thermal Spray on Carbon Steel”, Materials and Design, 41 (2012) 282–288.

[3] Mihm, S., Duda, T., Gruner, H., Thomas, G., Dzur, B., "Method and Process Development of Advanced Atmospheric Plasma Spraying for Thermal Barrier”, Journal of Thermal Spray Technology, 21 (2012) 400–408.

[4] Fauchais P. and Vardelle A., "Thermal Sprayed Coatings Used Against Corrosion and Corrosive Wear”, Advanced Plasma

Spray Applications, Ed. Hamid Jazi, In Tech, ISBN 978-953-51-0349-3, 2012, 1-38.

[5] Yong-xiong, C., Bin-shi,X., Yan, L., Xiu-bing, L., "Structure and Sliding Wear Behavior of 321 Stainless Steel/Al Composite

Coating Deposited by High Velocity Arc Spraying Technique”,Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 18 (2008)

603-609.

[6] Kuroda, S., Fukushima, T., Sasaki, M., Kodama, T., "Microstructure and corrosion resistance of HVOF sprayed 316L stainless

steel and Hastelloy C coatings”, Materials Transactions, 43 (2002) 3177-3183.

[7] Dearnley, P.A., "A Brief Review of Test Methodologies for Surface-Engineered Biomedical Implant Alloys”, Surface and

Coatings Technology 198 (2005), 483-490.

[8] Park, G., Bae, G., Moon, K., Lee, C., "Effect of Plasma Nitridingand Nitrocarburizing on HVOF-Sprayed Stainless Steel Coatings”,

Journal of Thermal Spray Technology, 22 (2013) 1366– 1373.