İnce sert seramik kaplamaların kazımalı aşınma davranışları ile endüstriyel zımbalama işlemine uygulanması
Fretting wear behavior of thin hard ceramic coatings with an application of industrial punching operation
- Tez No: 100679
- Danışmanlar: PROF.DR. E. SABRİ KAYALI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Aşınma davranışı, Seramik kaplama, Zımbalama, Wear behavior, Ceramic coating, Punching
- Yıl: 1999
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İNCE SERT SERAMİK KAPLAMALARIN KAZIMALI AŞINMA DAVRANIŞLARI İLE ENDÜSTRİYEL ZIMBALAMA İŞLEMİNE UYGULANMALARI ÖZET Kazımalı aşınma, birbiriyle temas halindeki malzemeler arasında belirli bir frekansda göreceli yer değiştirme sonucunda meydana gelen aşınma olayıdır. Kazımalı aşınma; çevrim sayısı, normal yük, yer değiştirme miktarı, frekans, temas geometrisi ve ortam şartlan gibi parametrelerden etkilenmektedir. Kazımalı aşınmanın incelenmesinde sürtünme katsayısı-zaman eğrileri kullanılan yöntemlerden biridir. Son yıllarda; dinamik sürtünme kuvvetinin-yer değiştirme miktarına göre değişiminden hareketle sürtünme sırasında harcanan enerjiden yararlanılarak sürtünme katsayısının zamana göre değişimi incelenebilir. Kazımak aşınmada, dinamik sürtünme kuvveti-zaman ölçümleri doğrusal yer değiştirme kullanılarak yapıldığında üç temel karakteristik ortaya çıkmaktadır: Elastik-yapışma, kısmi kayma ve kayma. Bu karakteristiklerin birbirlerinden ayrılmasında; dinamik sürtünme kuweti-yer değiştirme miktarı eğrilerinden elde edilebilen, kazımalı aşınma sabiti (r) kavramı kullanılmaktadır. Araştırmacılar arasında kazımalı aşınma sabitinin farklı değerleri kısmi kayma ile kayma karakteristikleri arasında geçiş kriteri olarak kullanılmıştır. Bazı araştırıcılar için kazımalı aşınma sabitinin değeri 0.33 değerinden büyük olduğunda kayma karakteristiği gözlenmiştir. Başka araştırıcılar için ise bu değer 0.25 'dir. Dinamik sürtünme kuweti-yer değiştirme eğrilerinden sürtünme kuvveti sürtünme için harcanan enerji hesaplanara bulunabilir. Aynı zamanda, kazımalı aşınmayı etkileyen farklı parametrelerin değiştirilmesiyle ortaya çıkan karakteristiklerin belirlenebildiği kazımak aşınma haritaları da meydana getirilmiştir. Kazımak aşınma, malzeme çitlerinin değiştirilmesi,yüzey özellilerinin değiştirilmesi gibi yöntemler kullanılarak önlenebilir. Genel olarak aşınma ile ilgik sorunların giderilmesinde, ark-fiziksel buhar biriktirme (ark-PVD) yöntemi kesme, şekil verme, zımbalama ve enjeksiyonla kakplamada endüstriyel amaçlarla uygulanmaktadır. Bu çalışmada; farkk yük ve frekanslar kullanılarak TİN kaplamak yüksek hız takım çeliği ile AISI 430 ferritik paslanmaz çelik arasında kazımak aşınma karakteristikleri incelenmiştir. Aynı zamanda ticari ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi kullanılarak kaplanmış farkk ince sert seramik kaplamaların; CrN, TİN, tek katlı (TiAlN-T) ve iki katlı (TiAlN-D) TiAIN, ile AISI 430 ferritik paslanmaz çelik arasında kazımak aşınma deneyleri yapılmış ve sürtünme katsayıları, bu kaplamalar ile endüstriyel alan deneylerinde elde edilen sonuçlar ile karşılaştınlmıştır. Bu amaçla; kazımak aşınma deneyleri, enerji dağılımı spektroskopisiyle birlikte taramak elektron mikroskobu incelemesi, kaplama kaknkğı, yüzey pürüzlülüğü ölçümleri ve sertlik deneyleri yapılmıştır. XVKaplamalar, Novatech NVT-12 SIE katodik ark-PVD sistemiyle ticari parametreler kullanılarak yapılmıştır. Kazımalı aşınma deneylerinde kullanılan maksimum yük Hertz gerilme formülü yardımı ile triboçift elastik koşullarda kalacak şekilde hesaplanmıştır. Kaplama-taban malzemesi yapışma mukavemeti Rockwell C sertlik deneyi kullanılarak yapılmıştır. Kaplama sertlikleri Fischer HP 100 ultramikrosertlik cihaza yardımıyla belirlenmiştir. Karşı malzeme olarak kullanılan ferritik paslanmaz çeliğin mekanik özellikleri ASTM standartlarına göre INSTRON kullanılark belirlenmiştir. Kazımalı aşınma deneyleri; oda sıcaklığında, kuru ve göreceli nemin (%25-27) kontrol edildiği koşullarda Plint&Partners Micro Friction Machine TE 70 kullanılark yapılmıştır. Bütün deneylerde yer değiştirme miktarı endüstriyel zımbalama işlemindekine benzer, kullanılan sacm nominal kalınlığı olacak şekilde 500[im olacak şekilde kullanılmıştır. Farklı yük ve frekansın kullanıldığı TİN kaplama- ferritik paslanmaz çelik kazımak aşınma deneylerinde 1-2.5N normal kuvvet ile 5- 20Hz frekans kullanılmıştır. Karşılaştırma yapabilmek için farklı kaplamalar (CrN, TİN, TiAlN tek ve TiAlN iki katlı) ile ferritik paslanmaz çelik arasında yapılan kazımalı aşınma deneylerinde normal kuvvet 2.5N ve frekans 10Hz olarak sabit tutulmuştur. Kazımalı aşınma deneyleri sonrasında kaplama ve karşı malzemelerin yüzeyleri enerji ayınmlı x-ışınlan spektrometresininde içerisinde bulunduğu Jeol JSM- 5400 taramak elektron mikroskobu yardımıyla yapılmıştır. Ark-PVD kaplamak zımbalarda endüstriyel zımbalama işleminde yan yüzeylerde ortaya çıkan aşınma davranışı, laboratuvarda normal kuvvet-frekans değişimi sonucunda elde edilen kazımak aşınma karakteristikleri ve farkk kaplamaların (CrN, TİN, TiAlN-T, TiAlN-D) kazımalı aşınma deneylerinin karşılaştırlması sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: 1) Yapılan endüstriyel çakşmalar sonunda bütün kaplamak zımbalarda soğuk kaynak şeklinde gözlenen adhezif aşınma hasan ve kaplamak zımbalarla AISI 430 ferritik paslanmaz çelikde açılan deliklerde çapak oluşumu gözlenmemekle birlikte; kaplamak zımbalar arasında en az aşınma hasarı, TiAlN-D kaplamak zımbada; en yüksek aşınma hasan ise CrN kaplamak zımbada meydana geldiği gözlenmiştir. 2)Kaplama malzemeleri karşılaştırıldığında; 0.80 değeriyle en düşük sürtünme katsayısı TiAlN-D kaplamada, en yüksek sürtünme katsayısı ise 1.06 değeriyle CrN kaplamada gözlenmiştir. Bu durum endüstriyel çakşmalar ile uyum göstermektedir. 3)Toplam kazımak aşınma miktan ve kaplama malzemesi/karşı malzeme aşınma miktan oranının en az olduğu durum TiAlN-D kaplama- AISI 430 ferritik paslanmaz çelik triboçiftinde gözlenmiştir. Toplam kazımak aşınma açısından CrN kaplama-ferritik paslanmaz çelik ve TİN kaplama-ferritik paslanmaz çelik triboçiftlerinde çık büyük farklılıklar gözlenmemiş olmasına rağmen bütün kaplamalar arasında istenmeyen malzeme aşınmasının; kaplama malzemesi/karşı malzeme aşınma miktan oranının, en fazla olduğu durum ise CrN- AISI 430 ferritik paslanmaz çelik tirboçiftinde gözlenmiştir. 4)TiN kaplama-AISI 430 ferritik paslanmaz çelik triboçifti için farkk normal kuvvet ve frekanslar kullanılarak yapılan kazımak aşınma deneylerinde elde edilen XVIkazımah aşınma sabitleri ve taramalı elektron mikroskobu ile x-ışınlan sonuçlan nokta analizlerinin birlikte değerlendirilmesiyle normal kuvvet-frekans haritası meydana getirilmiştir. TİN kaplama- AISI 430 ferritik paslanmaz çelik triboçifti için normal kuvvet-frekans haritası incelendiğinde genel olarak düşük frekanslı (f=5Hz) bölgelerde kazımah aşınmada kısmi kayma karakterinin ortaya çıktığı gözlenmiştir. 5)TiN kaplama- AISI 430 ferritik paslanmaz çelik triboçifti için oluşturulan normal kuvvet-frekans kazımalı aşınma mekanizma haritasını endüstriyel uygulama ile üişkilendirilerek; kayma karakteristiğinin bulunduğu, yüksek yük ve frekanslı frekanslı bölgede zımbalama işleminin daha kolay olacağı düşünülmektedir. 6)Ark-PVD yöntemi kullanılarak yapılan ince sert seramik kaplamaların sürtünme davranışı; sertlik, kaplama kalınlığı ve yüzey pürüzlülüğünün birlikte etlrilerinin bir fonksiyonu olarak, çok değişkenli doğrusal bir bağıntıyla ifade edilebilmektedir. XVU
Özet (Çeviri)
FRETTING WEAR BEHAVIOR OF THIN HARD CERAMIC COATINGS WITH AN APPLICATION OF INDUSTRIAL PUNCHING OPERATION SUMMARY Fretting wear individually has been described as the damage caused by fretting action. The fretting action or the fretting behavior of materials depends on a large number of parameters: Amplitude displacement, normal load, frequency, type of surface contact etc. are considered in fretting investigations. The dynamic force measurements technique can be used to constitute the friction-time master curve for fretting process. Variation of the tangential force as a function of the displacement are measured during each cycle of the fretting test. Under fretting conditions, elasticaUy loaded tribocouple; three type of fretting regimes are observed: In the first type; the tangential force increases linearly with the displacement and then decreases linearly with the same values in fretting test. This is elastic-stick regime. In the second type, mixed stick-slip (partial-slip); after the linear part, the cycle is elliptical ideally. The non-reversible load curve is observed in total fretting cycle. In gross-slip fretting regime; the tangential force increases and remains at a nominally constant value, then drops. The tangential force remains again at a constant value during the opposite movement. The cycle is close and the idealised shape is trapezoidal or quasi-rectangular. Fretting regime indicator (r) is used for the transition criteria between partial-slip and gross-slip characteristics. When the value of regime indicator is over 0.33, gross-slip fretting regime can be observed on mating surfaces; however there has still been a great confusion in this matter. For some researcher, the value of transition criteria between partial-slip and gross-slip fretting regimes is less than 0.25. The area enclosed by the force-displacement hysteresis loop represents the friction energy that is called as the dissipated energy concept. The friction coefficient is calculated from a complete fretting cycle. The fretting damage can be reduced by different methods: changing of the material couples, surface modification in the contact region etc.. To reduce wear problems; advanced ceramics especially thin hard ceramic coatings have been used in metal and plastic working application such as cutting, forming, punching and injection moulding. One of the surface modification techniques is arc physical vapor deposition (arc-PVD, briefly PVD) performed in commercial application. The aim of this investigation is to describe fretting regimes on TiN coated high speed steel (HSS)-AISI 430 ferritic stainless steel in different normal load and frequency; and also to compare the fretting behavior of the different thin hard ceramic coatings made by commercially arc-PVD process in gross-slip condition with industrial punching application. For this purpose; fretting tests, scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy (EDX), coatings thickness, hardness and roughness measurements were utilized. xvuiFour type of arc-PVD base coatings, CrN, TiN, single (TiAlN-T) and double layered (TiADSf-D) TiAIN coatings; were used for fretting tests. Cathodic arc-PVD system, Novatech NVT-12 SDE; was used with commercial parameters for the coatings. Contact stress was calculated from Hertzian stress formula under the elastic condition of the tribocouple. Adhesion between coatings and substrate were measured by using Rockwell C hardness test. Ultramicrohardness measurement with Fischer HP 100 was used on the specimens to determine coating hardness. Mechanical properties of AISI 430 ferritic stainless steel were measured by using tensile testing in INSTRON machine according to ASTM standard. Fretting tests were performed at room temperature under unlubricated sliding conditions in climatized air (25%<RH<27%). Tests were done on TE 70 Micro Friction Machine, Plint&Partners Ltd., with a computer control. Cylinder-on block contact geometry was used under unlubricated conditions for the fretting tests. For TiN-ferritic stainless steel tribocouples; 500um displacement, 1-2.5N normal force and 5-20Hz frequency were used in fretting tests. For four different coatings; CrN, TiN, TiAIN-T and TiAIN-D; normal force 2.5N, frequency 10Hz and the displacement 500um were performed in fretting tests for the comparison. Friction coefficient between the coatings and AISI 430 ferritic stainless steel were calculated from the running force-displacement hysterisis loops. The secondary electron imaging (SEI) mode of Jeol JSM-5400 scanning electron microscope (SEM) equipped with an energy dipersive spectrometer (EDX) was used to examine changes and chemical compositions in fretting tracks. On the basis of microscopical observations and experimental data, the following conclusions can be drawn: l)Cold welding between punch and AISI 430 ferritic stainless steel and furthermore chip formation on the stainless steel were not observed when all coated punches were used. The best performance among the four different coatings has been achieved in industrial observations by TiAIN-D coated punches. 2)From the comparison the friction coefficient values of coatings from the fretting tests; the lowest friction coefficient was observed with TiAIN-D coating, on the contrary, the highest friction coefficient value has been observed on CrN coating. 3)Based on the wear volume values; the lowest wear volume and the lowest coating wear volume/counter body wear volume ratio were observed on TiAIN-D coating/AISI 430 ferritic stainless steel tribocouple. The highest undesirable material removal; according to coating wear volume/counter body wear volume ratios, were observed on CrN coating/AISI 430 ferritic stainless steel tribocouple. 4)Based on the fretting regime indicator (r) and SEM observations with EDX analysis; frequency vs. normal force fretting wear map was established on the tribocouples, TiN coated HSS and AISI 430 ferritic stainless steel. Both partial- slip and gross-slip fretting regimes have been observed in frequency vs. normal force fretting wear map. Generally, partial-slip regime is in low frequency conditions with material transfer on the fretting wear map. XIX5)Constructed fretting wear map of TiN coating and AISI 430 ferritic stainless steel can be utilized in industrial punching applicaton. For the industrial punching application, it is believed that it would be easier to cut AISI 430 ferritic stainless steel on the gross slip fretting regime (high frequency and high force) which the necessary conditions known the fretting wear map. 6)Multivariable regression characteristic can be presented by using coating friction coefficient, hardness, thickness and roughness. XX
Benzer Tezler
- Ark PVD yöntemiyle tin kaplanmış kesici takımların karakterizasyonu ve performanslarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
M.CENK TÜRKÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. E. SABRİ KAYALI
- GGG 40 sınıfı küresel grafitli dökme demirlerin yorulma davranışına tin kaplamanın etkisi
Başlık çevirisi yok
GÖKHAN BAŞMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KELAMİ ŞEŞEN
- Nötral molekül kaynağı kullanılarak yapılan sıçratma işleminin yüksek hız takım çeliklerinin yüzey özelliklerine etkisi
Başlık çevirisi yok
UMUT H. KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Mo-N kaplamaların ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterisation of Mo-N coatings by arc physical vapour deposition technique
M. KÜRŞAT KAZMANLI
- Thermal and mechanical behaviour of plasma-sprayed oxide ceramic coatings on steels
Başlık çevirisi yok
MURAT VURAL
