T.C. ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PLAZMA ELEKTROLİTİK OKSİDASYON YÖNTEMİYLE ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ KAPLANMASI Seçkin TOHUMCU YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI BURSA 2005 i ÖZET Bu çalışmada , %5, %8 ve %11 Si içeren üç farklı Alüminyum Silisyum alaşımının Plazma Elektrolitik Kaplama (PEO) yöntemiyle kaplandıktan sonra aşınma dirençlerindeki değişimler incelenmiştir. Deney sırasında aşındırıcı yüzey olarak SiC zımpara kağıdı ve paslanmaz çelik kullanılmıştır. Alaşımların PEO ile kaplanması neticesinde SiC zımpara kağıdı ile yapılan çalışmada aşınma dirençlerinde en az 30 katlık bir artış gözlenmiştir. Bu artış miktarı %5 Si içeren alaşımda 128.9 katı iken %8 Si içeren alaşımda 72 katı ve %11 Si içeren alaşımda ise 30 katı olmuştur. Alaşımdaki Si miktarındaki artışın PEO kaplamaların aşınma dirençlerinde düşüşe neden olduğu gözlenmiştir. Kaplamasız alaşımlarda ise tam tersine Si miktarındaki artış aşınma direncini arttırmıştır. Anahtar Kelimeler : Plazma Elektrolitik Oksidasyon, Mikro-ark Oksidasyon, Aşınma, Alüminyum. ii ABSTRACT In this work, the wear resistance characteristics of three different Al-Si cast alloys with %5, %8 and %11 Si contents were exemined after spheroidising heat treatment and coating these alloys using Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) method. SiC water proof paper and stainless steel were used as counterfaces in wear tests. The wear resistances were increased at least 30 times when the materials were coated by PEO method. This increase is 128.9 times for %5 Si containing alloy, 72 times for %8 Si and 30 times for %11 Si containing alloy. It is observed that the wear resistance of PEO coatings is negatively affected by the augmentation of the Si content and increasing the Si content of the alloys causes a increase in the wear resistance of uncoated materials. Keywords : Plasma Electrolytic Oxidation, Micro-arc Oxidation, Wear, Aluminium. iii İÇİNDEKİLER ÖZET i ABSTRACT ii İÇİNDEKİLER iii ŞEKİLLER DİZİNİ v TABLOLAR DİZİNİ vii 1. GİRİŞ 1 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI 2 2.1.Aluminyum 2 2.2. Kaplamalar 4 2.2.1. Yaygın Olarak Kullanılan Bazı Kaplama Yöntemleri 6 2.2.1.1. Çinko Kaplama 6 2.2.1.2. Mekanik Kaplama 7 2.2.1.3. Termal Spreyleme 8 2.2.1.4. Nitrasyon 9 2.2.2. Anodizasyon 11 2.2.2.1. Anodizasyon Nedir ? 13 2.2.2.2. Sert Anodizasyon 14 2.2.2.3. Anodizasyon Proses Parametreleri 15 2.2.2.4. Anodik Oksit Kaplamaların Özellikleri 17 2.2.3. Plazma Elektrolitik Oksidasyon Yöntemi 21 2.2.3.1. Elektroliz Olayı 21 2.2.3.2. Akım-Voltaj Karakteristikleri 22 2.2.3.3. Gerekli Ekipmanlar 24 2.2.3.4. Oksit Kaplamalar 26 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 28 3.1. Deney Numuneleri 28 3.2. Deney Cihazı 28 3.3. Mikroyapı İncelemeleri 29 3.4. Aşınma Testi 29 iv 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 30 4.1. Mikro yapı 30 4.2. Aşınma Deneyi 39 4.2.1. SiC Zımpara Kağıdı 40 4.2.2. Paslanmaz Çelik 41 4.5. Sonuçlar 44 KAYNAKLAR 45 TEŞEKKÜR 47 ÖZGEÇMİŞ 48 v ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1. Alümina eldesi Şekil 2.2. Alüminyum eldesi Şekil 2.3. Tenifer yöntemi Şekil 2.4. Anodizasyon işlemi Şekil 2.5. Darbeli akım Şekil 2.6: Akım yoğunluğunun fonksiyonu olarak kaplama kalitesi Şekil 2.7 : Elektrolit sıcaklığının fonksiyonu olarak oksit tabakasındaki sertlik değişimi Şekil 2.8 : Anodik oksit kaplamaya ait tipik bir hücrenin yapısı. Şekil 2.9. Sıvı Solüsyonlarda Elektroliz Prosesi Şekil 2.10. Plazma Elektroliz İçin Akım – Voltaj Diyagramı Şekil 2.11. PEO işlemi için kullanılan tipik bir sistem Şekil 2.12 a-b-c Ark oluşumu Şekil 2.13 : Alüminyum üzerine PEO ile kaplanmış oksit tabakasına ait fotoğraf. Şekil 3.1. Aşınma Deneyi Düzeneği Şekil 3.2.a-b %5 ve %11 Si içeren Al alaşımların kaplanmadan önceki optik mikroskopla çekilmiş görüntüleri Şekil 3.3.a-b %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü. Şekil 3.4.a-b %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü. Şekil 3.5.a-b %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü. Şekil 3.6 a-b %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü . vi Şekil 3.7 a-b %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü . Şekil 3.8 a-b %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü Şekil 3.9 a-b-c %5-%8-%11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SS ile 20.000 m aşındırıldıktan sonraki yüzey görüntüleri. Şekil 3.10 SiC zımpara yüzeyine karşı bağıl aşınma dirençleri Şekil 3.11 Paslanmaz çelik yüzeyine karşı bağıl aşınma dirençleri Şekil 3.12: Paslanmaz çelik yüzeyine karşı oluşan kütle kayıpları vii TABLOLAR DİZİNİ Tablo 2.1 : Alüminyuma ait bazı fiziksel ve mekanik özellikler Tablo 3.1 : Paslanmaz Çelik Yüzey ile 15.000 m. Sürtünme Sonucu Oluşan Kütle Kayıpları Tablo 3.2 : SiC Zımpara Yüzeyi ile 1.5 km Sürtünme Sonucu Oluşan Kütle Kayıpları 1 1. GİRİŞ Hafif metaller gün geçtikçe endüstride daha önemli hale gelmektedir. Özellikle otomobil ve uzay endüstrisinde Alüminyum, Titanyum, Magnezyum ve bunların alaşımları gibi hafif metaller için daha geniş kullanım alanları yaratılmaya çalışılmaktadır. Bu metaller oldukça düşük aşınma direncine sahiptir. Bu dezavantajı minimize etmek için alaşımlandırma, ısıl işlemler ve yüzey kaplama gibi işlemler uygulanmaktadır. Bu kaplama yöntemleri çeşitli elektrolitik kaplamalar (Anodizasyon, PEO vs.) ve termal spreyleme gibi yöntemler olabilir. Bu çalışmada incelenen Plazma Elektrolitik Oksidasyon yöntemi (PEO) alüminyum (Mamaev,2000) titanyum ve magnezyumdan (Yerokhin,2000) elde edilen malzemelerin seramik kaplanması ve metali korozyondan korumak için geliştirilmiştir. PEO kaplamalarla Al alaşımlarının korunması, yüksek mikro sertlik , yüksek elektrik izolasyon direnci , yüzeye iyi yapışması avantajları nedeniyle tercih edilmektedir. PEO yöntemiyle imal edilen seramik kaplamalar çeşitli alanlarda kullanılan Al parçaları sertleştirmek için etkili bir kaplama türüdür. Makine, motor imalatı, hidrolik sistemler tekstil endüstrisi bu alanlardan bazılarıdır. Bu çalışmada Silisyumla alaşımlandırılmış ve yeni ve en etkili kaplama türlerinden biri olan Plazma Elektrolitik Oksidasyon (PEO) yöntemi ile kaplanmış Alüminyum alaşımlarının aşınma dirençlerindeki değişimin araştırılması amaçlanmıştır. 2 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Alüminyum (En Genç Metal, www.aluminyumsanayi.com) Alüminyum yeryüzünde oksijen ve silisyumdan sonra en çok bulunan üçüncü elementtir. Buna rağmen endüstriyel çapta üretimi 1886 yılında elektroliz yönteminin kullanılmaya başlanması ile gerçekleşmiştir. Alüminyum diğer çok kullanılan metaller olan demir, kurşun ve kalay gibi doğada bileşikler halinde bulunur. Alüminyumu oksit halindeki bileşiğinden ilk ayıran ve elde eden kişi 1807 yılında Sir Humprey Davy olmuştur. Daha sonra Hans Christian Oersted, Frederich Wöhler ve Henry Sainte-Clairre Deville, alüminyum eldesinde yenilikler getirmişlerdir. Alüminyumun endüstriyel çapta üretimi 1886 yılında Charles Martin Hall ve Fransa ‘da Paul T. Heroult’un birbirlerinden habersiz olarak uyguladıkları elektroliz yöntemi ile başlamıştır. Bu, günümüzde de halen kullanılan yöntem olduğundan 1886 yılı alüminyum endüstrisinin başlangıç yılı olarak kabul edilir. 1886 yılında Werner Von Siemens’in dinamoyu keşfi ve 1892 yılında K.J.Bayer’in boksitten alümina eldesini sağlayan Bayer Prosesini geliştirmesi ile alüminyumun endüstriyel çapta üretimi çok kolaylaşmış ve bu en genç metal, demir- çelikten sonra dünyada en çok kullanılan ikinci metal olmuştur. Alüminyum, yüzyıldan beri tüm dünyada aynı yöntemle elde edilmektedir. Alüminyum eldesi iki aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada, Bayer metodu ile boksit cevherinden alümina elde edilir. İkinci aşamada ise, elektroliz ile alüminadan alüminyum elde edilir.Alümina tesisleri genellikle boksit cevherlerinin yanına kurulur.Madenden çıkarılan boksit cevheri, kostik eriyiği ile muamele edilerek alüminyum hidroksit eldesi gerçekleşir. Bu işlem sonucunda oluşan erimeyen kalıntılar (kırmızı çamur) ayrılır ve alüminyum hidroksitin kalsinasyonu ile “alümina” (alüminyum oksit) elde edilir. 3 Boksit Karıştırma Südkostik Çözünürleştirme Katı-sıvı ayrımı Filtre Kalsinasyon Çökelme Alümina Taşıma Şekil 2.1: Alümina eldesi Bundan sonraki aşama “alümina” nın “alüminyum”a dönüştürülmesidir. Beyaz bir toz görünümündeki alümina elektroliz işleminin yapılacağı hücre adı verilen özel yerlere alınır. Alümina Silo Alümina Külçe İngot Karbon Anot Billet Kütük Kriyolit Sıvı Döküm Alüminyum Çelik Hücre Karbon Katot Pota Şekil 2.2 : Aluminyum eldesi 4 Şekil 2.2 de alüminadan alüminyum eldesini gösteren şekil bulunmaktadır. Burada amaç alüminyumu oksijenden ayırmaktır. Elektroliz işlemi için 4-5 volt gerilimde doğru akım uygulanır. Dipte biriken alüminyumun alınması ile işlem tamamlanır. Genel olarak 4 birim boksitten 2 birim alümina ve 2 birim alümindan da 1 birim alüminyum elde edilir. Yukarıda söz edilen işlemlerden elde edilen alüminyum “ birincil alüminyum “ olarak tanımlanır. Tablo 2.1’de alüminyumun bazı özellikleri verilmektedir. Sembol Al Atom Numarası 13 Atom Ağırlığı 27 Yoğunluk 2,7 g/cm3 Erime Sıcaklığı 660 0C Kaynama Sıcaklığı 2300 0C Elastiklik Modülü 65000 N/mm2 Genleşme Katsayısı 23,8 10-6/K Çekme Dayanımı 40...180 N/mm2 Kopma Uzaması % 50...4 Tablo 2.1 : Alüminyuma ait bazı fiziksel ve mekanik özellikler 2.2. Kaplamalar Metallere kaplama yapılmasının nedenlerini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz; - Metalin korozyona karşı direncini arttırmak - Aşınma direncini arttırmak - Yüksek iletkenlik, kontrollü direnç sağlamak, manyetik özellikleri geliştirmek. 5 - Yüzeye sertlik kazandırmak - Metal boyanacak ise boyanın yüzeye iyi yapışmasını sağlamak - Göze hoş gelen bir dış görünüm elde etmek Metallere yukarıdaki özellikleri kazandırmak için uygulanan bir çok teknik mevcuttur. Bunlardan birkaçı aşağıdadır. - Elektrolitik Kaplamalar : Elektrolit adı verilen ve metal iyonlarından oluşan bir çözelti içerisinde meydana gelir. İki elektrot vardır, anot ( kaplama metali ) ve katot (kaplanacak metal). Sisteme elektrik akımı uygulandığında anottan çözünen metaller katot üzerinde toplanırlar. - Mekanik (Akımsız) Kaplama : Elektronlar çözeltideki maddelerden temin edilir. Kaplama metali bu çözeltiye toz halinde ilave edilir. - Metal Püskürtme Yöntemi : Toz veya tel halindeki kaplama maddesi, bir püskürtme tabancasında yanıcı, yakıcı ve taşıyıcı gazların eşliğinde püskürtülerek metal yüzeyi üzerine kaplama yapılır. - Difüzyon ile Kaplama : Kaplanacak metalin, kaplama maddesinin bulunduğu gaz yada sıvı bir ortamda difüzyonun sağlanabildiği belirli bir sıcaklığa (çeliklerde östenit sıcaklığı) ısıtılarak bir süre bekletilmesiyle elde edilir. Kaplama işlemine geçmeden önce kaplanacak yüzeylerin temizlenmesi ve hazırlanması gereklidir. Bu işlemler kimyasal ve mekanik olarak gerçekleştirilir. Mekanik işlemler, tel fırça ile fırçalama, kumlama, aşındırma gibi yöntemleri kapsar. Kimyasal olarak , solvent yardımıyla, alkaliler ile ve asitle temizleme yapılabilir. 6 2.2.1. Yaygın Olarak Kullanılan Bazı Kaplama Yöntemleri 2.2.1.1. Çinko Kaplama Çinko kaplamanın özellikleri : - Muntazam ve iyi yapışan kaplamalardır. - Çinkonun atmosferdeki elementlerle etkileşmesi sonucu oluşan korozyon ürünleri kaplama tabakasını koruyucu etki gösterir. - Çinko kaplama üzerine uygulanan pasivasyon işlemi kaplamanın korozyon direncini % 25-35 oranında arttırır. -Çinko kaplama banyosunda bulunabilecek yabancı metallerin çinko ile birlikte kaplamaya dahil olması kaplama örtüsünde problem yaratmaz. - Çinko kaplama örtüsünde küçük boyutlarda kaplanmamış bölgeler olsa bile çinko kaplamanın koruma tesiri devam eder. - Çinko kaplamanın kalınlığı ile korozyon mukavemeti ters orantılıdır. Kullanım durumuna göre 5-50 mikron kalınlıklarında kaplamalar yapılabilir. - Çinko metali ve tuzları zehirlidir. 40 mg/lt konsantrasyonunda öldürücü özelliği vardır. Kaplamanın teknik resimde gösterimi : FeZn12g şeklindeki bir gösterimde ; - Fe ana metali - Zn çinko kaplamayı - 12 En düşük kaplama kalınlığını - g pasivasyon ürününü gösterir. Pasivasyon Çinko kaplamanın korozyon mukavemetini arttırmak için yapılır. Bu banyo pasivasyon tozu ve nitrik asitin su içinde eritilmesi ile hazırlanır. Kaplanmış parçalar 7 banyo içerisine 2-3 sn liğine daldırılır. Çinko kaplamalarda kullanılan 4 tür pasivasyon mevcuttur ; - Mavi pasivasyon (f) - Siyah pasivasyon (s) - sarı pasivasyon (g) - yeşil pasivasyon (o) (İbrahim AKARÇAY, Teknik Makale, Yüzey İşlemler 204, Temmuz-Ağustos, 2000) (Seminer Notları , Elsisan A.Ş. , 2000) 2.2.1.2. Mekanik Kaplama Mekanik kaplama ; kaplanacak parçaların, cam partikülleri karışımının, metalik tozların, hızlandırıcı ve yükseltici kimyasalların ve suyun tamburda birlikte çevrilmesi ile oluşur. Oda sıcaklığında gerçekleştirilebilir. Ortamdan elektriksel yük geçirme işlemi uygulanmaz. Mekanik kaplama işlem sırası şöyledir ; 1- Kaplanacak parçaların ön temizliği 2- Yüzey hazırlama 3- Kaplama metali ekleme Mekanik Kaplama İşlemi : İşlemin ilk basamağında malzemenin yüzeyini temizleyecek ve aktif hale getirecek kimyasallar ve kaplanacak malzemeler tambura konur ve ince bir bakır kaplama yapılır. Bu ince bakır kaplama temiz ve galvanik olarak çabuk kaplanabilir bir yüzey sağlar. Bir sonraki basamakta asıl kaplama metalinin bağlanabilirliğini sağlayacak kimyasal ortamı oluşturmak üzere “hızlandırıcı” veya “yükseltici” kimyasallar eklenir. Kaplanacak metal kuru ve ince toz halindedir ve bu toz su ile karıştırılarak kullanılır. Metal ekleme işlemi istenen kaplama kalınlığına bağlı olarak birkaç sefer tekrarlanır. 8 Çiviler, zincirler, her türlü tel , cıvata, somun, rondela, kablo bağlantıları, otomotiv parçaları bu yöntemle kaplanabilmektedir. Kaplanacak parçalar tamburda çevrilmeye dayanabilmelidir. 1-2 kg dan ağır ve 0.5 m den uzun parçalar mekanik kaplama ile kaplanamaz. Delikli ve girintili şekle sahip parçalarda elektro kaplamaya oranla istenen kaplama kalınlığına ulaşabilmek daha kolaydır. (Alper AKÇAM, Mekanik Kaplama, Yüzey işlemler 62, Mart-Nisan ,2000) 2.2.1.3. Termal Spreyleme Bu yöntemde kaplama metali gaz ortamında ısıtılarak kaplanacak yüzey üzerine yüksek hızlarda püskürtülür. İstenen kaplama performansına göre birkaç değişik teknik kullanılır. Bunlar ; - Alev spreyleme ( APS ) - Düşük basınçlı plazma spreyleme (LPPS) - Patlamalı toz-alev spreyleme - Elektrik ark spreyleme - Yüksek hızlı oksi-yakıt spreyleme ( HVOF) Termal sprey proseslerinde kaplanacak parçanın ısısı düşüktür. Bu aşağıdaki avantajları getirir ; - Kaplanan malzemede çarpılma yoktur bu yüzden son operasyon olarak uygulanabilir. - Kaplanan malzemenin mikro-yapısında değişiklikler olmaz. - Düşük ergime sıcaklıklarındaki malzemeler kaplanabilir. - Kaplama materyali ve kaplanacak materyal birbirlerinden bağımsız olarak seçilebilir ve bir araya getirilebilir, termal sprey katmanlarının kompozisyon biçimi ve özellikleri büyük çeşitlilik gösterir bu yüzden uygulamaya özgü olarak optimize edilebilirler. 9 Yüksek Hızlı Oksi-Yakıt Spreyleme (HVOF): Bu teknik , ani ısıtma ve kaplama metali tozu partiküllerini hızlandırmak için içten yanmalı bir proses kullanır. Yanma sonucu 2800 0C sıcaklığa ve 1800m/s gaz hızına ulaşılır. Yakıt olarak propilen, asetilen, propan ya da hidrojen kullanılabilir. Oksijen , yakıt ve taşıyıcı gaz eşliğindeki toz yanma bölgesine alınır. Sürekli bir yanma oluşur. Bu yöntemde karbürler, Nikel-Krom alaşımları, paslanmaz çelik, Al-Bronz ve Inconel, Hastelloy C, Triballoy 800 gibi süper alaşımlar kaplama malzemesi olarak kullanılabilir. Uçak sanayiinde türbin kanatları, kağıt sanayiinde kurutma silindirleri ve sıyırıcı bıçaklar, tekstil sanayiinde sıyırıcı bıçaklar, tel çekme sanayiinde tel çekme makaraları, petro-kimya sanayiinde salmastra burçları, piston rodları ve sürgülü vanalar bu yöntemin uygulamasına örnektir. (Andrew Jhon Sturgeon, Termal Spray Technology, Surface Enginnering, June 1993) 2.2.1.4. Nitrasyon Bu yöntem çelik, sinter ve dökme demirden her parçaya uygulanarak aşınma direnci ve korozyon mukavemetini arttırır. Sementasyon ve sert krom kaplama gibi yöntemlere alternatif olan kaliteli ve ekonomik bir kaplama yöntemidir. İşlem tuz banyosunda gerçekleştirilir ve TENİFER yöntemi olarak bilinir. Diğer bir adı da QPQ prosesidir. Yöntem 570-580 0C de titanyum yada özel nikel bazlı bir potada gerçekleştirilir. Bir ısıtma ve bir soğutma operasyonundan oluşur. 10 570-580 0C 0 330-400 0C 350 C Zaman Şekil 2.3 : Tenifer yöntemi Kademeli olarak ısıtılan parçalar belirli sürelerde Tenifer tuzu içinde bekletilir. Bu tuzda bulunan alkalisiyanat mamul yüzeyi ile reaksiyona girerek alkali karbonata dönüşür. Oluşan karbonat daha sonra aktif siyanata redüklenir. Tenifer işleminden sonra kullanılan çeliğin cinsine göre parçalar hava, su yada yada özellikle bu işlem için üretilmiş bir sıcak banyoda soğutulurlar. Tenifer yöntemiyle yapılan nitrasyon işleminden elde edilen kaplama iki ayrı tabakadan oluşmaktadır. - Bağlantı tabakası : Bu tabaka demir, azot, karbon ve oksijen bileşimlerinden oluşur. Aşınmaya ve korozyona mukavemetli olduğu gibi sıcak yırtılma ve çatlamaya karşıda dayanıklıdır. Sertliği 800 HV civarında kalınlığı ise 10-20 mikron arasındadır. - Difüzyon tabakası : Bu tabakanın kalınlığı ve sertliği kullanılan çeliğin cinsine bağlıdır. Çeliğin bünyesindeki alaşım elemanı miktarı arttıkça difüzyon tabaka derinliği azalır fakat alaşım elemanı miktarının yüksek olması bu tabakanın sertliğini arttırır. (Aziz Göknil, Tuz Banyosunda Nitrasyon, Yüzey İşlemler 254, Kasım-Aralık, 1997) İşlem Sıcaklığı (0C) 11 2.2.2. Anodizasyon (Alubook, www.alu-info.dk) Anodizasyon bir elektrolitik prosestir. Bu proseste alüminyum parçalar anod ve katod olarak birbirlerine elektriksel olarak bağlanırlar. Elektrolit olarak sıklıkla 160 ile 200 g/l arasında değişen konsantrasyonlarda sülfürik asit çözeltileri kullanılır. Ortam sıcaklığı 18-22 0C ve uygun akım yoğunluğu 1,4 ile 1,8 A/dm2 dir. İşlem sırasında oluşan ısının ortamdan uzaklaştırılması için soğutma ve elektrolit içine hava püskürtme gereklidir. Şekil 2.4 : Anodizasyon işlemi Anodik oksit tabakasının kalınlığı yaklaşık olarak 2-3 dakikada 1µm artış gösterir. 20µm kalınlığında bir kaplama tabakası elde etmek için 40 dakika geçmesi gereklidir. Kaplama süresini düşürmek ve anodik oksit tabakasının kalitesini artırmak için Darbeli Anodizasyon adı verilen yöntem kullanılır. Darbeli anodizasyon prosesi akım yoğunluğunu alt ve üst limitleri arasında dönüştürebilen özel doğrultuculara ihtiyaç duyar. Örneğin akım yoğunluğu temel seviyeden maksimum seviyeye yükseltilir ve burada 0,25 sn boyunca sabit kalır daha sonra tekrar temel seviyeye inerek burada 0,1 sn kalır. Bu olay arka arkaya devam eder. 12 min Şekil 2.5 : Darbeli akım Eğer akım temel seviyeden maksimum düzeye çok hızlı bir biçimde yükseltilip tekrar temel seviyeye düşürülürse sıcaklık artışı olmaz. Anodizasyon işleminde darbe doğrultucuları kullanılması ile daha küçük çaplı gözeneklere sahip oksit tabakası dolayısıyla daha yüksek korozyon ve aşınma dayanımı elde edilir. Oksit tabakası yaklaşık %20-25 daha kısa zamanda elde edilebilir. Sıradan anodizasyon ile 25 µm kalınlığında bir tabaka elde etmek için 50 dk gerekli iken darbeli anodizasyon ile bu süre 40 dakika olmaktadır. Normal anodizasyon işleminde optimum aşınma ve korozyon dayanımı elde etmek için akım yoğunluğu 1,4 ile 1,8 A/dm2 arasında tutulur. Elektrolitin (örneğin sülfürük asit) anodik oksit tabakası üzerindeki korozif etkisinden dolayı anodizasyon işlemi mümkün olduğunca kısa sürede tamamlanmalıdır. Akım yoğunluğunu arttırtmak porosesi hızlandırmasına rağmen banyo sıcaklığını da yükseltir. Bu da elektrolitin anodik oksit tabakası üzerindeki çözücü etkisini arttırır ve dış katmandaki oksit gözenek çaplarının büyümesiyle sertlik, aşınma ve korozyon özelliklerinde azalmalar meydana gelir. 13 2.2.2.1. Anodizasyon Nedir ? Anodizasyon alüminyum yüzeyindeki oksit tabakasının suni olarak kalınlaştırılmasıdır. Kaplanacak alüminyum elektrokimyasal proseste anod olarak ayarlanır. Proses ismini buradan almaktadır. Anodizasyon prosesindeki kimyasal reaksiyonlar aşağıdaki gibi açıklanabilir ; Anodik reaksiyon : Anod yüzeyinde bir oksidasyon prosesi gerçekleşir. 2 Al (metal) + 3H2O -> Al2O3 (oksit kaplama) + 6H + + 6e- Alüminyum su ile reaksiyona girer anodik oksit kaplamayı oluşturur. Katodik reaksiyon : Katod yüzeyinde bir indirgeme reaksiyonu meydana gelir . 6H+ + 6e- -> 3H2 (gaz) Anodizasyon prosesi süresince katod yüzeyinde hidrojen gazı kabarcıklar halinde yavaş yavaş gelişir. Anodik ve katodik reaksiyonlar aşağıdaki toplam reaksiyonu meydana getirirler, 2 Al (metal) + 3H2O -> Al2O3 (oksit kaplama) + 3H2 (gaz) Alüminyum metal oksitlenir ve hidrojen gazı katod yüzeyinde gelişir. Anodizasyon tankında elektrolit adı verilen ve akım akışını kolaylaştıran bir kimyasal solüsyon bulunur. Genellikle elektrolit, sülfürik asit ve az bir miktar da oksalik asit içerir. Elektrolit anodik oksit tabakasına zarar vererek gözenekli bir tabaka oluşmasına neden olur. 14 2.2.2.2. Sert Anodizasyon : Bu tip anodik kaplamalar genellikle normal anodizasyon standartlarından daha kalındır ve özel anodizasyon koşullarında oluşturulurlar.Kaplama kalınlığı 25-250 µm arasında ve kaplama süresi de 240 dakika civarındadır. Çoğunlukla sert anodizasyon kaplamalar sülfürik asit içeren elektrolit kullanılarak elde edilir ve kaplama parametreleri aşağıdaki gibi olabilir ; Elektrolit konsantrasyonu : 5-15 % (hacimsel) sülfürik asit Akım yoğunluğu : 2-10 A/dm2 (DC ve darbeli) Voltaj : 23-120 volt Sıcaklık : -5 ile +5 0C arası. Sert anodizasyon koşullarında kaplama yapılmasının nedenleri, düşük sıcaklık, düşük elektrolit konsantrasyonu ve yüksek akım yoğunluğuna rağmen yüksek sertlik değerlerine ulaşılabilmesi ve çok iyi aşınma direnci elde edilebilmesidir. Elektrolit sıcaklığını düşük seviyede tutabilmek için iyi soğutma ve karıştırma gereklidir. Elektrolit sıcaklığı zaten oldukça düşük seviyede olduğundan su ile soğutma yöntemi burada işe yaramaz bazı özel soğutucuların kullanılması gerekir. Bir anodize kaplamanın sert anodizasyon kaplama şeklinde adlandırılabilmesi için sertlik değerinin 350 HV ‘den daha yüksek olması gerekmektedir. Bu kaplama yöntemi ile 1400 HV sertlik elde edilebildiği görülmüştür. Sert anodizasyon ile kaplanmış alüminyum yüksek ısıl dirence ve çok iyi elektrik yalıtımına sahiptir. Bu yöntemle elde edilen kaplamalar motor endüstrisinde, pistonlar, silindirler ve hidrolik frenler gibi yüksek aşınma direncine ihtiyaç duyulan yerlerde kullanım alanı bulmaktadırlar. Isıya ve kimyasallara karşı direnç istenen uygulamalarda da rahatlıkla kullanılabilmektedirler. 15 2.2.2.3 Anodizasyon Proses Parametreleri : Aşağıdaki parametreler anodizasyon prosesini kontrol etmek için önemlidir; - Akım yoğunluğu - Voltaj - Elektrolit konsantrasyonu - Alüminyum konsantrasyonu - Elektrolitin karıştırılması - Sıcaklık Akım Yoğunluğu : Akım yoğunluğu anodik oksit kaplamanın kalitesini etkiler. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi oksit tabaka kalitesi akım yoğunlu 1,4-1,8 A/dm2 arasında optimum olmaktadır.Akım yoğunluğu çok düşük olursa uzayan anodizasyon zamanı kaçınılmaz olarak elektrolitin kaplama yüzeyine aşırı derecede zarar vermesine neden olacak ve bu da kaplama kalitesini düşürecektir. Şekil 2.6: Akım yoğunluğunun fonksiyonu olarak kaplama kalitesi 16 Yüksek akım yoğunluğu , alüminyum yüzeyinin bölgesel olarak ısınmasına neden olabilir. Bu da oksit sertliğinin düşmesine , aşınma direnci ve korozyon dayanımının azalmasına neden olur. Voltaj : Anodizasyon prosesi boyunca akım yoğunluğu genellikle sabit tutulur fakat voltaj , sıcaklıktaki değişimlere ,oksit tabakasının kalınlığındaki artışa ve dolayısıyla elektriksel dirençteki artışa bağlı olarak değişir. Normal sülfürik asit ile yapılan anodizasyon işleminde voltaj 14-18 Volt arasındadır. Farklı alaşımlar anodizasyon banyosunda farklı özdirençlere sahiptirler. Dolayısıyla farklı malzemeler için farklı voltaj ayarlamaları yapmak gereklidir. Bu nedenle farklı malzemeler aynı anda aynı anodizasyon banyosunda kaplanamazlar. Elektrolit Konsantrasyonu: Sülfürik asit konsantrasyonu genellikle 160-200 g/l arasındadır. Bu, banyonun elektrik geçirgenliğini sağlayacak ve elektrolitin oksit tabakasına zarar vermesini engelleyecek optimum değerdir . Küçük miktarlarda oksalik asit yüksek sıcaklıkta çalışabilmeyi elverişli hale getirebilmek için banyoya ilave edilebilir. Alüminyum Konsantrasyonu : İlk kez çalıştırılacak yeni kurulmuş bir anodizasyon banyosu içerisindeki alüminyum azlığından dolayı verimsiz çalışacaktır. Banyo içerisinde alüminyum miktarının 8-12 g/l arasında olması gereklidir. Artan alüminyum miktarı banyonun iletkenliğini düşürecek ve dolayısıyla voltajın yükseltilmesini gerekli kılacaktır. Karıştırma / Sıcaklık : Kaplanacak yüzeyin sıcaklığı kaliteli bir oksit kaplama elde edebilmek için önemlidir. Şekil 2.7 yükselen sıcaklıkla birlikte oksit sertliğindeki düşüşü göstermektedir. Bölgesel ısınmayı önlemek için elektrolitin etkili bir şekilde karıştırılması gereklidir. Banyo sıcaklığı 20 0C olsa bile parça yüzeyindeki sıcaklık çok daha yüksek olabilir. 17 Şekil 2.7 : Elektrolit sıcaklığının fonksiyonu olarak oksit tabakasındaki sertlik değişimi 2.2.2.4 Anodik Oksit Kaplamaların Özellikleri : Anodik oksit filmi iki katmandan meydana gelir. bariyer katman olarak adlandırılan ince ve yoğun iç katman ve üzerinde gelişen, gözenekli ve kalın dış katman. Bu iç katman oldukça incedir ve toplam kaplama kalınlığının %2’si kadardır. Kalınlığı elektrolit kompozisyonuna ve operasyon koşullarına bağlıdır. Dış katman elektrolitin bozucu etkisi nedeniyle gözeneklidir. Anodik oksit kaplamalar kaplanan metalin bütünleşmiş bir parçasıdır. Tabaka halinde ayırmak mümkün değildir. 18 Şekil 2.8 : Anodik oksit kaplamaya ait tipik bir hücrenin yapısı. Elektrolitin bozucu etkisi dolayısıyla gözeneklilik aşağıdakilere bağlıdır ; - Elektrolit konsantrasyonu - Elektrolit karıştırılma durumu ve sıcaklığı - Anodizasyon tank içerisinde bekleme süresi - Akım yoğunluğu Gözeneklilik anodik oksit tabakasının kalitesi hakkında bilgi verir. Yüksek pürüzlülük düşük kaliteli kaplama demektir. Bununla birlikte bu gözenekler kaplanan yüzeyin renklendirilmesine olanak sağlar. Anodizasyon işleminin Alüminyum ‘ a kazandırdığı özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir ; - Renklendirilebilirlik - Korozyon direnci - Aşınma direnci - Yüzey sertliği 19 - Yüzey görünümü - Elektriksel direnç - Yangın koruması Renklendirilebilirlik ; Anodik film tabakasının büyük kısmının gözenekli oluşundan dolayı renklendirici maddenin bu gözeneklere tutunması mümkündür. Boya maddesi oksit tabakasının bir parçası haline gelir. Korozyon Direnci ; Anodizasyon prosesi ile oluşturulan oksit tabakası alüminyumun korozyon direncini arttırmaktadır. Tuz sprey testi gibi hızlandırılmış korozyon testleri göstermektedir ki sprey solüsyonundaki klor iyonları oksit tabakası üzerinde az da olsa bir etkiye sahiptirler. Oksit tabakasının kalınlığının arttırılması korozyon direncini arttırmaktadır. Aşınma Direnci ; Özellikle sert anodizing prosesi aşınma direncini önemli ölçüde arttırmaktadır. Yüzey Sertliği ; Normal anodizasyon işlemi ile yüzey sertliği 60-130 VPN ‘den 200-350 VPN ‘e kadar çıkabilmektedir. Yüzey Görünümü ; Kaplanmış ürünün yüzey görünümü, anodizasyon prosesinden önce uygulanacak yüzey işlemleri ile daha da iyileştirilebilir. Bu işlemler mekanik (fırçalama, parlatma vs.) , kimyasal elektrokimyasal parlarma olabilir. Genelde bu metodların kombinasyonları kullanılır. 20 Elektriksel Direnç : Oksit tabakası yüksek elektrik direncine sahiptir. Anodizasyon ile kaplanmış Alüminyum parçalar transformatörler ve kapasitörler gibi yerlerde kullanım için uygundur. Yangın Koruması ; Oksitli yüzeyin erime sıcaklığı 650 0C ‘tan 2000 0C ‘a kadar çıkar. Bu da alüminyum konstrüksiyonların ısıya karşı direncini arttırır. 21 2.2.3. Plazma Elektrolitik Oksidasyon Yöntemi (PEO) PEO, alkalin solüsyon içerisinde, kıvılcım deşarjlarıyla yürüyen yüksek sıcaklıkta elektrokimyasal reaksiyonlarla ana metal yüzeyinin oksitlenerek seramik oksit tabakası oluşturması prosesidir. Bu proses elektrokimyasal oksidasyon ile sıvı elektrolitik banyo içerisinde yüksek voltaj kıvılcım prosesini birleştirir. Banyo, içerisinde çözünmüş tuzlar halinde elementler içerir (silikatlar). Bu elementler işlem sonunda oluşan alümina kaplamalara dahil olurlar. Bu teknik iki kısımdan oluşur. İlk olarak sıvı ortam içerisinde iş parçası ile karşı elektrot arasında farklı elektrot potansiyelleri uygulanması sonucu oluşan elektroliz olayı , ikincisi ise iş parçası yüzeyi civarında oluşan elektriksel deşarjlardır. Elektroliz sırasında oluşan bu elektriksel deşarj olayı yaklaşık yüz yıl önce keşfedilmiş (Sluginov tarafından) olmasına ve detaylı olarak 1930 ‘lu yıllarda Günterschultze ve Betz tarafından çalışılmış olmasına rağmen pratik olarak faydalanılmaya 1960 ‘lı yıllarda başlanmıştır. Bu teknik için bugüne kadar farklı isimler kullanılmıştır. Örneğin; mikro-plazma oksidasyon, anot kıvılcım elektroliz, mikro-ark oksidasyon. (Yerokhin, 1999) 2.2.3.1. Elektroliz Olayı Sıvı solüsyonlardaki elektroliz olayı birkaç elektrot prosesiyle gerçekleşir. Gaz halinde oksijenin serbest kalması ve metal oksidasyonu anodik yüzeyde oluşur. Elektrolitin kimyasal aktivitesine bağlı olarak oksidasyon prosesi yüzeyde çözülmelere veya oksit film tabakası oluşumuna neden olabilir. Gaz halinde hidrojenin serbest kalması ve/veya katyon redüksiyonu ise katodik yüzeyde oluşmaktadır. 22 Şekil 2.9: Sıvı Solüsyonlarda Elektroliz Prosesi Elektrik akımını ileten asit, tuz ve baz çözeltilerine elektrolit denir. Bir elektrolit içerisine iki elektrot batırılır ve bu iki elektrot arasına bir potansiyel farkı dolayısıyla bir elektrik alan uygulanırsa, çözeltideki pozitif iyonlar elektrik alan yönünde, negatif iyonlar ise elektrik alana zıt yönde hareket ederler. 2.2.3.2. Akım-Voltaj Karakteristikleri Şekil 2.10 ‘da iki tip akım-voltaj diyagramı görülmektedir. Tip-a akım-voltaj eğrisi, anodik yada katodik yüzeyde gaz oluşumuyla yürüyen metal-elektrolit sistemini göstermektedir. Tip-b eğrisi ise oksit film oluşumunun gerçekleştiği bir sistemi göstermektedir. U1-U2 bölgesindeki bir Tip-a sistemi için, potansiyeldeki bir artış ışıldama eşliğinde bir akım salınımına neden olur. Akım artışı, elektrot yüzeyinde oluşan gaz reaksiyonu ürünlerinin (O2 veya H2) kısmi koruyucu etkisi ile sınırlıdır. Elektrodun elektrolitle temas halinde olduğu bölgelerde akım yoğunluğu artmaya devam eder. Bu da elektroda temas halindeki elektrolidin lokal olarak kaynamasına neden olur. Akım U2 ‘ye ulaştığında ise elektrod , düşük elektriksel iletkenliği olan sürekli bir gaz buhar plazması 23 ile çevrelenir. Hemen hemen bütün voltaj bu ince , elektrod üstü bölgeye düşer. Bu bölge içerisindeki elektrik alan kuvveti E 106 ile 108 V/m arasındaki bir değere ulaşır. Bu da buhar kılıfı içerisinde iyonizasyon prosesinin başlaması için yeterlidir. İyonizasyon olayı, dağınık gaz kabarcıkları içinde küçük kıvılcımlar şeklinde belirir ve sonra buhar plazma kılıfın her yerinde parlak ve düzgün olarak yayılır. U2-U3 Buhar kılıfının hidrodinamik stabilizasyonundan dolayı, akım düşer ve U3 noktasından sonra parlak deşarjlar, yoğun kıvılcımlara dönüşürler. Tip-B sisteminde, ilk olarak U4 noktasında daha önceden var olan pasif film tabakası çözünür. Sonra U4-U5 repasivasyon aralığında gözenekli oksit film tabakası gelişir. U5 noktasında oksit film içerisindeki elektrik alan kuvveti film tabasının bozulduğu kritik bir değere ulaşır. Bu sırada küçük ışıldayan kıvılcımlar gözlemlenir. U6 noktasında ısıl iyonizasyonun da yardımıyla daha yavaş ve daha büyük kıvılcım deşarjları meydana gelir. U6-U7 bölgesinde ısıl iyonizasyon, gelişen oksit film içerisinde oluşan negatif şarj tarafından kısmen durdurulur. Bu da deşarj gecikmesine neden olur. Bu etki mikro-arkların sürekliliğini belirler. Bu mikro-arklar sayesinde film tabakası giderek erir ve elektrolit içerisinde bulunan elementlerle alaşımlanır. U7 noktasının üzerinde film içerisinden metal yüzeyine nüfuz eden mikro-ark boşalmaları oluşur ve çok güçlü kıvılcımlara dönüşür. (Yerokhin 1999) Şekil 2.10 : Plazma Elektroliz İçin Akım – Voltaj Diyagramı 24 Prosesin başlangıcında hızlı bir biçimde ince bir tabaka halinde çok sayıda gözenekten oluşan bir oksit tabakası Al yüzey üzerinde oluşur. Voltaj kritik değeri aştığında oksit tabakasının gözenekleri kırılır ve kıvılcım boşalmaları başlar. Plazma oluşur ve kıvılcım boşalmalarıyla oluşan anlık sıcaklık 2000 0C ‘ye ulaşır. Dış yüzeyde soğuma çok hızlı gerçekleştiğinden γ-Al2O3 oranı burada yüksektir. İç katmanın soğuma hızı yavaş olduğundan α -Al2O3 miktarı yüksektir. (Tian , 2002) 2.2.3.3 Gerekli Ekipmanlar Şekil 2.11: PEO işlemi için kullanılan tipik bir sistem (1) Pencere , 2 Mikser, 3 Bağlantı kabloları, 4 egzoz ve havalandırma sistemi, 5 kasa, 6 güç kaynağı ünitesi, 7 iş parçası, 8 soğutma sistemi, 9 banyo, 10 yalıtım plakası. PEO ekipmanı temel olarak bir elektroliz ünitesi ve bir elektrik kaynağından oluşur. Elektroliz ünitesi genellikle paslanmaz çelik küvet içerisinde su soğutmalı bir banyodur. Bu paslanmaz çelik küvet aynı zamanda karşıt elektrod olarak iş görür. Küvet izole edilmiş bir tabana yerleştirilir ve zemine sabitlenmiş bir çelik kafes içerisine kapatılır. Elektroliz ünitesi; elektrolit karıştırıcısı, geri dönüşüm ünitesi ve gaz egzoz düzeneği ile birlikte iş görür. 25 Kaplanacak materyal akım kaynağına bağlanır elektrolit içerisinde 30-40 mm derinliğe daldırılır. Parçayı tutmak için genellikle üzeri plastik kaplanmış bir metal çubuk kullanılır. Elektrolit soğutucu, karıştırıcı ve gaz egzoz sistemleri çalıştırıldıktan sonra elektroliz ünitesine gerekli voltaj uygulanır. PEO Prosesinde normal şartlarda akım yoğunluğu 0,01 – 0,3 A/cm2 olarak ayarlanır. Kaplama ana metal yüzeyinde geliştikçe voltaj, başlangıçta hızlı daha sonra yavaşlayarak artar ve sonra da voltaj artışı durur. Kritik voltaj oranı elektrod yüzeyindeki kıvılcım deşarjı oluşumuna bağlı olarak değişir. Bu değer metal-elektrolit kombinasyonuna bağlıdır ve genellikle 120-350 V arasındadır. Prosesin ilk adımı olarak elektrodu çevreleyen beyaz uniform bir ışık görülür(U5). İşlem devam ettikçe bu beyaz ışık , yüzey üzerinde hızlı hareket eden parçalı sarı renkli kıvılcımlara dönüşür (U6). Son olarak da birkaç kırmızı renkli ark yüzey üzerinde yavaşça hareket ederken görülür (U7). Şekil 2-12 a Şekil 2-12 b Şekil 2-12-c (Yerokhin , 2003) 26 Şekil 2-12 ‘de PEO prosesi sırasında oluşan mikrodeşarjlar görülmektedir. Şekil 2-12 a proses başlangıcından 10 dk sonrasını, Şekil 2-12 b 35 dk sonrasını ve Şekil 2-12 c ise 65 dk sonrasını göstermektedir. 2.2.3.4 Oksit Kaplamalar : Alüminyum alaşımları üzerine PEO ile elde edilen oksit tabakaları 3 farklı katmandan meydana gelmektedirler. Gözenekli dış katman genellikle düşük sıcaklıklarda meydana gelen reaksiyonların ürünlerinden meydana gelir. Yoğun daha iç katman yüksek sıcaklık modifikasyonlarından oluşurken kaplama metalinin alaşım elementlerinin daha kompleks fazları bir geçiş katmanı olarak yoğun katmanın altında yer alır. Katmanların rölatif büyüklükleri , kompozisyonları ve yapıları ana metal ve elektrolit kompozisyonları ile uygulama şartlarına bağlıdır. 1 2 3 Şekil 2.13 : Alüminyum üzerine PEO ile kaplanmış oksit tabakasına ait fotoğraf. (Yerokhin,1999) 27 Şekil 2.12’de SEM ile çekilmiş yüzey fotoğrafı görülmektedir. Burada 1 ile gösterilen bölge gözenekli dış katmanı, 2 ile gösterilen bölge yoğun geçiş katmanını , 3 nolu bölge ise ince, kompleks fazların oluşturduğu bölgeyi göstermektedir. b ‘de ise PEO kaplamanın en üst gözenekli katmanı temizlendikten sonra optik mikroskopla elde edilmiş bir fotoğraf görülmektedir. Burada parlak bölgeler alümina ve siyah bölgeler alümina silikat fazı göstermektedir. Elektrolitteki silisyum konsantrasyonun arttırılması kaplamanın yapısında Si içermesi ve kompleks Al-Si-O fazlarının oluşması nedeniyle kaplama tabakasının daha hızlı gelişmesine neden olur. Bu çift fazlı bir orta tabaka oluşumuna neden olabilir. (A.A. Voevodin, 1996) Oksit tabakası yoğunlukla α-Al2O3 ve γ-Al2O3 ‘ten oluşur. Dıştaki gözenekli katman γ-Al2O3 ‘ten meydana gelir. Bu katmanın içeriği oksidasyon prosesi süresince sabit kalır. İçteki yoğun katmanın %50 ‘den fazlası α-Al2O3 ‘tür ve bu da mikrosertlik ve aşınma direnci sağlar. (Xue, 2000) Kaplama kalınlığındaki artışta aşınma direncinin artmasına neden olur. (Nie, 1999) 28 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3.1. Deney Numuneleri Bu çalışmada ağırlık olarak %5 , %8 ve %11 Silisyum içeren 3 farklı Alüminyum alaşımı kullanılmış ve bu alaşımlar Uludağ Üniversitesi Laboratuarlarında hazırlanmışlardır. Numunelerdeki diğer alaşım elemanlarının ağırlık oranları yaklaşık olarak şu şekildedir ; %1,1 Cu, %0,9 Mg, %0,9 Ni, %0,5 Fe, %0,2 Zn (Uğuz,2001 , Bayram,1999). Kaplanmış numuneler C5, C8 ve C11 olarak, kaplanmamış numuneler ise U5, U8 ve U11 olarak gösterilmişlerdir. Döküm işleminden sonra numuneler. 520 0C de 8 saat bekletilerek küreselleştirme ısıl işlemine tabi tutulmuşlardır. Bu şekilde numunelerdeki Si partikülleri küreselleştirilerek numunelerin kırılma tokluğunda artış sağlanmıştır. Parçaların PEO kaplama işlemi Microplasmic Corporation, USA tarafından gerçekleştirilmiştir. Kaplama kalınlıkları %5 Si içeren Al alaşımı için 80-90µm ,%8 ve %11 Si içeren Al alaşımları için ise 90-110 µm arasındadır. 3.2. Aşınma Deney Cihazı Deney cihazı bir elektrik motoru yardımıyla sabit bir hızla dönen bir disk ve deneye tabi tutulacak numuneyi disk üzerinde konumlamaya yarayan bir düzenekten oluşmaktadır. Şekil 3.1 ‘de deney cihazının şematik görünümü vardır. ŞEKİL3.1 : Aşınma Deneyi Düzeneği 29 3.3. Mikroyapı İncelemeleri Elektron mikroskobuyla (SEM) yapılan incelemeler TUBİTAK / GEBZE laboratuarlarında gerçekleştirilmiştir. 3.4. Aşınma Testi Aşınma testi bir dönel diskli deney cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir (Şekil 3.1) . Ortalama 9 mm çapında ve 15 mm boyunda deney numuneleri kullanılmıştır. Aşındırıcı yüzey olarak paslanmaz çelik ve P500 Silisyum Karbür zımpara kağıdı kullanılmıştır. Aşınmayla oluşan Si ve SiC partikülleri deney süresince ortamdan uzaklaştırılmamışlardır. Numuneler 55 devir/dak. ‘lık sabit hızla dönen disk üzerinde merkezden 95 mm öteye yerleştirilmişlerdir. Numunelere 0,1 N/mm2 lik bir baskı uygulanmış ve numunelerin hepsi aynı koşullarda deneye tabi tutulmuşlardır. Zımpara kağıdı ile1,500 m ve paslanmaz çelik ile 20,000 m mesafe kat edilmiş her 5.000 m sonunda deney durdurularak numunelerin ağırlık kaybı ölçülmüştür. Ağırlık ölçümü 0,1 mg hassasiyetindeki bir elektronik tartı ile yapılmıştır. Ölçüm işleminden önce numuneler aşınma sırasında oluşan partiküllerden temizlenmişlerdir. Parçaların aşınma dayanımları kütle kayıplarıyla ilişkilendirilmiştir. Zımpara kağıdı ve çelik ile yapılan deneylerde elde edilen sonuçlar alınan mesafeler farklı olduğundan ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Her iki aşındırıcı yüzeye karşı en fazla aşınmaya uğrayan %5 Si içeren alaşım referans materyal olarak kabul edilmiştir. 30 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 4.1. Mikro yapı Şekil 3.2.a’ da %5 Si içeren Al alaşımının , Şekil 3.2.b ‘de ise %11 Si içeren Al alaşımının kaplanmadan önce optik mikroskopla çekilmiş görüntüleri görülmektedir. Siyah olarak görünen bölgeler Si partiküllerini göstermektedir. Şekil 3.3 de %5 Si içeren Al alaşımının, Şekil 3.4 ‘te %8 Si içeren alaşımın ve Şekil 3.5 ‘te de %11 Si içeren alaşımın PEO ile kaplandıktan sonraki ve aşınma deneyine tabi tutulmadan önceki kaplama tabakasının yüzey görünümü görülmektedir. Elektron mikroskobuyla çekilen fotoğraflardan Si miktarındaki artışın PEO kaplama tabakalarında daha gözenekli bir yüzey görünümüne neden olduğu gözlenmektedir. Şekil 3.6 ‘te %Si içeren Al alaşımının SiC zımpara kağıdı ile 1500 m aşındırıldıktan sonraki yüzey görüntüsü vardır. Aşınmamış yüzey ile karşılaştırıldığında dıştaki gözenekli tabakanın yok olduğu ve daha sert olan iç tabakanın meydana çıktığı görülmektedir. Aynı durum Şekil 3.7 ve 3.8 ‘de görülen C8 ve C11 alaşımlarında da gözlenmektedir. Her üç şekilde de SiC zımpara parçacıklarının kaplama yüzeyinde oluşturduğu çizikler görülebilmektedir. Şekil 3.9 kaplanmış yüzeylerin paslanmaz çelik yüzeyi ile 20 km aşındırıldıktan sonraki yüzey fotoğraflarını göstermektedir. 20 km sonunda kaplama tabakasının tamamen aşındığı görülebilmektedir. 31 Şekil 3.2.a U5 alaşımının optik mikroskopla çekilmiş görüntüsü (Bayram,1999) Şekil 3.2.a U11 alaşımının optik mikroskopla çekilmiş görüntüsü (Bayram 1999) 32 Şekil 3.3.a %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü, 200 büyütme. Şekil 3.3.b %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü, 1000 büyütme. 33 Şekil 3.4.a %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü, 200 büyütme. Şekil 3.4.b %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü, 1000 büyütme. 34 Şekil 3.5.a %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü, 200 büyütme. Şekil 3.5.b %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın deneye tabi tutulmadan önceki yüzey görüntüsü, 1000 büyütme. 35 Şekil 3.6 a %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü , 200 büyütme. Şekil 3.6 b %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü , 1000 büyütme. 36 Şekil 3.7 a %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü , 200 büyütme. Şekil 3.7 b %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü , 1000 büyütme. 37 Şekil 3.8 a %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü , 200 büyütme. Şekil 3.8 b %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SiC Zımpara ile 1500 m aşındırılmış yüzeyinin görüntüsü , 1000 büyütme. 38 Şekil 3.9 a %5 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SS ile 20.000 m aşındırıldıktan sonraki yüzey görüntüsü. Şekil 3.9 b %8 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SS ile 20.000 m aşındırıldıktan sonraki yüzey görüntüsü. Şekil 3.9 c %11 Si içeren PEO kaplamalı alaşımın SS ile 20.000 m aşındırıldıktan sonraki yüzey görüntüsü. 39 4.2. Aşınma Deneyi Al-Si alaşımı deney numunelerinin zımpara kağıdı ve paslanmaz çelik ile yapılan testlerinden elde edilen sonuçlar Tablo 3.1 ve Tablo 3.2’ de gösterilmektedir. Tablo 3.1 ‘de paslanmaz çelik ile 20.000 m boyunca yapılan deney sonucunda elde edilen toplam kütle kayıpları, Tablo 3.2’de ise P500 SiC zımpara kağıdı ile 1500 m boyunca yapılan deney sonucunda elde edilen toplam kütle kayıpları gösterilmektedir. Tablo 3.1 : Paslanmaz Çelik Yüzey ile 20.000 m. Sürtünme Sonucu Oluşan Kütle Kayıpları Bağıl Toplam Kütle Materyal %Si Miktarı Yüzey Karşıt Yüzey Aşınma Kaybı (20 km ) Direnci U5 5 Kaplanmamış Paslanmaz 0,1971 1 U8 8 Kaplanmamış Paslanmaz 0,1763 1,12 U11 11 Kaplanmamış Paslanmaz 0,1644 1,2 C5 5 Kaplanmış Paslanmaz 0,0795 2,48 C8 8 Kaplanmış Paslanmaz 0,1014 1,94 C11 11 Kaplanmış Paslanmaz 0,1051 1,87 Tablo 3.2 : SiC Zımpara Yüzeyi ile 1.5 km Sürtünme Sonucu Oluşan Kütle Kayıpları Bağıl Toplam Kütle Materyal %Si Miktarı Yüzey Karşıt Yüzey Aşınma Kaybı (1,5 km ) Direnci U5 5 Kaplanmamış SiC Zımpara 0,3352 1 U8 8 Kaplanmamış SiC Zımpara 0,2616 1,281 U11 11 Kaplanmamış SiC Zımpara 0,2361 1,42 C5 5 Kaplanmış SiC Zımpara 0,0026 128,9 C8 8 Kaplanmış SiC Zımpara 0,0036 93,1 C11 11 Kaplanmış SiC Zımpara 0,0076 44,1 40 4.2.1. SiC Zımpara Kağıdı SiC zımpara kağıdı ile yapılan deneyde en fazla aşınmaya maruz kalan U5 alaşımı referans materyal olarak kabul edilmiş ve bağıl aşınma direnci 1 alınmıştır. Diğer bağıl aşınma dirençleri bu alaşıma göre hesaplanmışlardır. Tablo 3.2’den görülebileceği gibi alaşımdaki Si miktarı %5 ten %8’e çıkarıldığında bağıl aşınma direncinde %28,1’ lik bir artış görülmektedir. Si miktarı %11’e çıkarıldığında ise bağıl aşınma direncinde yaklaşık %14’lük bir artış daha gözlenmektedir. Aynı alaşımlar PEO ile kaplandıklarında ise muazzam bir fark oluşmaktadır. %5 Si içeren alaşımı PEO ile kapladığımızda aşınma direnci yaklaşık 129 katına çıkmaktadır. %8 Si alaşımı PEO kaplandığında aşınma direnci 72 katı , %11 Si alaşımı kaplandığında ise aşınma direnci 30 katı artmaktadır. Kaplanmamış alaşımlardaki Si artışı aşınma direncini arttırmış fakat PEO kaplanmış alaşımlarda ise tam tersine Si miktarındaki artış aşınma direncini düşürmüştür. SiC Zımpara 140 120 10 0 80 Kaplamasız 60 PEO Kaplamalı 40 20 0 5 8 11 %Si Şekil 3.10 SiC zımpara yüzeyine karşı bağıl aşınma dirençleri Bağıl Aşınma Direnci 41 4.2.2. Paslanmaz Çelik Burada yine en fazla aşınan materyal olan U5 alaşımı referans olarak alınmış ve bağıl aşınma direnci 1 olarak kabul edilmiştir. Zımpara kağıdı ile yapılan deneydekine benzer sonuçlar elde edilmiştir. Kaplanmamış alaşımlarda Si miktarındaki artış ile aşınma direncinde oluşan artış burada da görülebilmektedir. Tablo 3.1 ‘den görülebileceği gibi kaplanmamış alaşımlarda Si miktarı %5 ‘ten %8’e çıktığında bağıl aşınma direncinde %12 lik bir artış elde edilmektedir. Si miktarı %8’den %11 ‘e çıktığında ise yaklaşık %8 lik bir ilave artış oluşmaktadır. %5 Si içeren alaşım PEO ile kaplandığında bağıl aşınma direnci yaklaşık 2,5 katı artış göstermiştir. %8 Si alaşımı PEO kaplandığında oluşan aşınma direnci artışı yaklaşık 1,7 ,%11 Si alaşımı için ise yaklaşık artış 1,6 olmaktadır. Burada da Si miktarındaki artış bir önceki deneyde olduğu gibi PEO kaplamalı alaşımların aşınma dirençleri üzerine olumsuz bir etki yapmıştır. 3 2,5 2 Kaplamasız 1,5 PEO Kaplamalı 1 0,5 0 5 8 11 %Si Şekil 3.11 Paslanmaz çelik yüzeyine karşı bağıl aşınma dirençleri Bağıl Aşınma Direnci 42 Daha önce de belirtildiği gibi paslanmaz çelik ile yapılan deney 5 km.’de bir durdurularak materyallerde oluşan kütle kaybı ölçülmüştür. Şekil 3.11 ‘de kat edilen mesafe ve kütle kayıpları görülmektedir. 0,25 u5 0,2 u8 u11 c5 0,15 c8 c11 0,1 0,05 0 0 5 10 15 20 Aşınma Mesafesi (km) Şekil 3.12: Paslanmaz çelik yüzeyine karşı oluşan kütle kayıpları Kaplamasız materyaller için içerikteki Si miktarındaki artış mikro sertliğin artmasına neden olur ve buna paralel olarak da aşınma dirençlerinde bir artma meydana gelir. (Uğuz, 2001) Hem paslanmaz çelik hem de SiC zımpara ile yapılan deneyde elde edilen en önemli bulgu PEO kaplamalı alaşımlarda Si miktarındaki artışın aşınma direncinde Kütle Kaybı (gr) 43 düşüşe neden olmasıdır. Bunu PEO kaplamaların 3 farklı katmanlı yapıya sahip oluşu ile açıklayabiliriz. Dış katman düşük sıcaklıklarda oluşur ve gözenekli bir yapıya sahiptir. Yoğun orta katman yüksek sıcaklık değişimleri ile meydana gelir. Ana metal alaşım elementlerinin kompleks fazlarının oluşturduğu ince katman ise en içte yer alır.(Yerokhin 1999) Dıştaki gözenekli katman , kaplama işlemi sırasında deşarj bölgesinde var olan plazma bileşenleri ile elektrolit arasındaki etkileşimin sonucu oluşur. Deşarj prosesinin son safhasında plazma materyali bu bölgeden atılır, hızlı bir şekilde soğur ve elektrolitle reaksiyona girer. Kararlı hale gelen reaksiyon ürünleri (silikatlar gibi) yüzey üzerinde yoğunlaşır ve bunlar gözenekli katmanı oluştururlar. Nispeten daha düzgün olan α-Al2O3 fazı daha yumuşak olan γ-Al2O3 ve alüminasilikatlar ile çevrelenir. Maksimum α-Al2O3 miktarı maksimum sertlik ve sonuçta maksimum aşınma direnci sağlar. Daha fazla silikat (veya alüminasilikat) içeren oksit kaplamaların daha düşük sertliğe ve aşınma direncine sahip oldukları iddia edilmektedir. Bu yüzden Si miktarındaki artış ile aşınma direncindeki düşüş arasındaki ilişki silikat miktarındaki artışla açıklanabilir. (Yerokhin 1998) (Voevodin 1996) 44 4.5. Sonuçlar 1. Al-Si alaşımlarında Si miktarı arttıkça sert Si partiküllerinin oranı arttığı için aşınma direnci de artmaktadır. 2. Al alaşımlarının PEO kaplanması sonucunda aşınma dirençlerinde artış görülmektedir. 3. Al alaşımlarında Si miktarındaki artış PEO kaplamaların aşınma direncini düşürmektedir. Bunun sebebi de alaşımdaki Si miktarındaki artışın kaplamadaki silikat (veya aluminasilikat) içeriğinde artışa neden olmasıdır. 45 KAYNAKLAR ALUBOOK, www.alu-info.dk ALPER AKÇAM, Mekanik Kaplama, Yüzey işlemler 62, 2000 ANDREW JHON STURGEON, Termal Spray Technology, Surface Enginnering, June 1993 AZİZ GÖKNİL, Tuz Banyosunda Nitrasyon, Yüzey İşlemler 254, 1997 BAYRAM A., UGUZ A., The Effect Of Spheroidising and Na-Modification on the Mechanical Of Al-Si Cast Alloys, Metal, 53, 3/99. İbrahim AKARÇAY, Teknik Makale, Yüzey İşlemler 204, Temmuz-Ağustos, 2000 MAMAEV A.I.,CHEKANOVA Y.Y., RAMAZANOVA A., 2000 Protection Of Metals 36/6 (2000) 605. NIE X., LEYLAND A., SONG H.W., YEROKHIN A.L., DOWEY S.J., MATTHEWS A.,1999. Thickness Effects On The Mechanical Properties Of Micro-Arc Discharge Oxide Coatings On Aluminium Alloys, Surface and Coating Technology 116-119 ,1055- 1060 TIAN J., LUO Z., QI S., SUN X.,2002. Structure and Antiwear Behavior Of Micro-Arc Oxidized Coatings On Aluminium Alloy, Surface and Coating Technology 154 ,1-7. TİMUR ULUCAK, Aluminyum – En Genç Metal, www.aluminyumsanayi.com UGUZ A.,BAYRAM A.,2001. Effect of Si Content And Microstructure On The Wear Behaviour Of Al-Si Alloys, Metal 12/2002. 46 XUE W.,DENG Z.,CHEN R.,ZHANG T., 2000. Growth Regularity Of Ceramic Coatings Formed By Microarc Oxidation Al-Cu-Mg Alloy, Thin Solid Films 372(2000) 114-117. VOEVODIN A.A.,YEROKHIN A.L.,LYUBIMOV V.V.,DONLEY M.S., ZABINSKI J.S., 1996. Surface and Coating Technology 86-87 516. YEROKHIN A.L., VOEVODIN A.A., LYUBİMOV V.V., ZABİNSKİ J., DONLEY M.,1998., Plasma Electrolytic Fabrication of Oxide Ceramic Surface Layers For Tribotechnical Purposes On Aluminium Alloys, Surface and Coating Technology 110 140-146 YEROKHIN A.L., LYUBİMOV V.V., ASHİTKOV R.,1998. Phase Formation İn Ceramic Coatings During Plasma Electrolytic Oxidation Of Aluminium Alloys, Ceramic International 24 1-6 YEROKHIN A.L., NIE X., LEYLAND A.,MATTHEWS A., DOWEY S.J.,1999 Plasma Electrolyses For Surface Engineering. Surface and Coating Technology 122,79-93 YEROKHIN A.L., NIE X., LEYLAND A.,MATTHEWS A.,2000. Characterisation of Oxide Films Produced By Plasma Electrolytic Oxidation of a Ti-6Al-4V Alloy, Surface And Coating Technology 130(2000) 195. YEROKHIN A.L., SNIZKHO L.O., GUREVINA N.L., LEYLAND A., PILKINGTON A., MATTHEWS A.,2003. Spatial Characteristic Of Discharge Phenomena In Plasma Electrolytic Oxidation Of Aluminium Alloy, Surface and Coating Technology. 47 TEŞEKKÜR Tez çalışmalarım süresince bana verdiği destek ve yardımlarından dolayı değerli hocam Prof.Dr. Agah UĞUZ ‘a teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca numunelerin kaplanmasında verdiği destekten dolayı Microplasmic Corporation CEO’su Sn. Jerry Patel’e, numunelerin SEM ile fotoğraflarının çekilmesi konusundaki yardımlarından dolayı değerli hocam Prof.Dr. Ali Arslan Kaya’ya, deneyler süresince yardımlarını esirgemeyen Arş.Gör.Hakan Aydın ,Arş.Gör.Rükiye Güner ve Öğr.Gör. Mehmet Ceylan’a teşekkürü bir borç bilirim. 48 ÖZGEÇMİŞ 1976 yılında Artvin’de doğan Seçkin TOHUMCU lise öğrenimini Bursa Cumhuriyet Lisesinde 1992’ de tamamladıktan sonra Uludağ Üniversitesi Bura MYO Makine Teknikerliği Programını 1995 ‘de bitirmiştir Ardından Balıkesir Üniversitesi Makine Mühendisliği 2000 yılında bitirmiş ve 2001 yılında da Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalında yüksek lisans eğitimine başlamıştır. Halen yüksek lisans eğitimine devam etmektedir ve aynı zamanda buzdolabı sektöründe hizmet veren bir firmada proje mühendisi olarak çalışmaktadır.