Oksit Kaplama Performansı

Oksit kaplamaları alüminyum altlıklarda dikkate değer mukavemetlendirme etkisi sağlayabilir. Bu etki, ince sac altlıklarda efektif Elastisite modülünde % 100-200’lik gözlenen artışla daha belirgin hale gelir. Bu artış, saç kalınlığına ve oksit tabakasının nispi derinliğine bağlıdır. Oksit tabakasının etkili yapışması, mikro indentasyon

testleriyle değerlendirildiği gibi [14, 79, 80], kaplama kalınlığıyla artma eğilimdedir. 200-250 μm kalınlığındaki kaplamalarda yapışma mukavemeti 350-380 GPa olup altlık malzemenin (alüminyumun) çekme limiti ile karşılaştırılabilir değere ulaşabilir. Yapışma artışının bir açıklaması, difüzyon işleminden dolayı kaplamanın iç bölgesindeki yapısal değişmelerdir. Ayrıca, daha kalın bir kaplamanın daha iyi yük taşıma sağlayacağı muhtemeldir. Bundan dolayı ara yüzey bölgesi uygulanan yük altında daha az gerilmeye maruz kalır. Yapısal değişiklikler oksit filmi boyunca homojen olmayan sertliklerin oluşmasına neden olur (Şekil 3.3).

Şekil 3.3: Kaplama kesiti mikro sertlik dağılımı: (1) α-Al2O3; (2) γ-Al2O3; (3) mullit [2]

Genelde en sert bölge, kaplama- altlık ara yüzeyinden yaklaşık 20-30 μm uzaklıkta bulunur ve yoğun iç kaplama bölgesinde yüksek sıcaklık fazlarının maksimum kontenti ile alakalıdır. Maksimum sertlik değerleri α-alumina esaslı kaplamalar için 17-22 GPa, γ-fazlı kaplamalar için 10-15 GPa ve mullit esaslı kaplamalar için 4-9 GPa ile uyuşmaktadır. Her bir durumda, kaplamanın gözenekli dış bölgeleri daha düşük sertliğe sahiptirler.

Önceki çalışmaların birçoğu MAO kaplamalarının kaplama kesiti boyunca sertlik gradyanı gösterdiği en büyük sertliğin ara yüzeyden yaklaşık 10 μm uzaklıkta olup kaplama yüzeyine doğru sertlik azaldığını belirtir [68]. Bu sertlik gradyantı kaplamanın dış yüzeyine yakın γ-Al2O3 faz kompozisyonu ve diğer yarı kararlı

fazlardan kaplama hacmindeki α-Al2O3 ve diğer tavlı (annealed) malzemelerin faz

3.4.2 Tribolojik performans 3.4.2.1 Aşınma direnci

MAO tekniğiyle alüminyum üzerinde oluşturulan kaplamaların abrasif aşınma direnci, WC esaslı kompozitler, termal difüzyon bor kaplamaları ve koronduma göre daha fazladır [81]. Şekil 3.4 çeşitli malzemelerin ve kaplamaların birbirine göre göreceli aşınma dirençlerini ve MAO kaplama potansiyelini gösterir.

Şekil 3.4: Talc’a göre bazı malzemelerin göreceli aşınma direnç (εw ) diyagramı; H: malzeme

sertliği [81]

MAO kaplamaların tane boyutu 70 μm den daha küçük SiC tozlu abrazif disk altındaki aşınması testleri yapılmıştır [14]. Şekil 3.5’te belirtilen gözenek değişimini ve kaplama boyunca bir birini izleyen homojen olmayan sertlik dağılımını dikkate alarak aşınma rejimi aşağıdaki gibi farklı bölgelere ayrılabilir.

1. Dış tabakanın (I. bölge) yüksek aşınma hızı, nispeten düşük sertlik ve gözeneklerle alakalıdır.

2. Kaplamanın iç bölgesindeki (II. bölge) minimum aşınma hızı, bu bölgedeki en yüksek sertlik ve en düşük gözenekle alakalıdır.

3. Kaplama-altlık ara yüzeyindeki (III. bölge) aşınma hızının ani artışı, işlem görmemiş yumuşak alüminyum altlık malzemenin açığa çıkmasıyla ani sertlik ve yük taşımasının düşmesinden dolayıdır.

Şekil 3.5: Aşınma derinliği (I), sertlik (H) ve aşınma oranının (dI/dt) zamanla değişimi ve gözenekliğin (P) kaplama kalınlığı (h) ile değişimi: I. bölgenin (dış gözenekli tabaka) kalınlığı 30-60 μm; II. bölgenin (yoğun iç tabaka) kalınlığı 100-170 μm ve III. bölgenin

(difüzyon tabakası) kalınlığı 3-5 μm. [81]

Korozif ortamlardaki komponantların aşınma direnci plazma elektroliz tarafından artırılabilir. Örneğin iyi aşınma direnci özellikleri hidrokarbon ve sülfürik bileşikleri içeren ortamlarda bulunmuştur [82]. Burada oksit tabakasının aşınma mekanizması metalin aşınma mekanizmalarından farklıdır. Metallerin mekaniksel işlemleri ve korozif kötüleşmesi aynı zamanda oluşabilir. Bunun aksine, oksit yüzeyinde bu işlemler ayrı olarak meydana gelir. Aşınma bir biriyle temas eden elemanlarda oluşur. Oysa korozyon oksit tabakasının gözeneklerinde oluşur.

3.4.2.2 Sürtünme davranışı 3.5.2.2.1 Yağlamalı sürtünme

Oksit kaplamaların yağlayıcı şartlar altındaki sürtünme performansı hem yağlı hem de sulu ortamlarda çalışılmıştır. Gözenekli oksit filmi yağ ile doyurulduğunda çelik temaslı çiftler için tipik sürtünme katsayısı μ=0,4’ten, oksit çelik çiftinde μ=0,015’e düştüğü kaydedilmiştir [14].

Alüminyum alaşımları üzerine oluşturulan MAO kaplamalarının birbirine karşı disk üzerinde sürtünme karakteristikleri endüstri ve deniz suyu ortamlarında çalışılmıştır [14, 83]. 16 MPa’la kadar basınçlarda α-Al2O3 esaslı kaplamaların sürtünme

katsayılarının μ=0,023-0,025 olduğu belirtilmiştir. 8 MPa kritik basınçlarda γ-Al2O3

esaslı kaplamalarda ise μ=0,005-0,008’lik sürtünme katsayısı göstermişlerdir. Mullit esaslı kaplamalarda sürtünme çiftleri 4 MPa’la kadar kritik basınç sağlayabilir.

3.4.2.2.2 Yağsız sürtünme

Alüminyum oksit kaplamalarının kuru sürtünme şartları altında da sürtünme davranışları çalışılmıştır [79, 83]. Oksit kaplamalarının, Al2O3, çelik ve WC-Co

bilyeye karşı olan disk üzerinde bilye testleri vakum altında, nitrojen ve nem kontrollü hava içerisinde gerçekleştirilmiştir.

Şekil 3.6: MAO kaplamaların çeşitli ortamlarda farklı malzemelere karşı disk üzerinde bilye testlerinden elde edilen sürtünme katsayılarının karşılaştırılması

Şekil 3.6’da gösterilen sonuçlar sürtünme temasının hem mekaniksel hem de kimyasal unsurları hesaba katılarak açıklanabilir. Benzer mekaniksel özellikli malzemelerin temasındaki, örneğin oksit kaplamaların Al2O3’e karşı ya da

kaplamaların kendilerine karşı, sürtünme katsayısı temas eden yüzeyler arasındaki tribo-kimyasal etkileşimler tarafından açıklanmıştır. Bu etkileşim çok güçlü bir şekilde dış ortamın kimyasal kompozisyonuna bağlıdır. Örneğin havanın nemi % 80 artırıldığında, sürtünme katsayısında düşüşe neden olan ince yağlayıcı alüminyum hidroksit filminin oluşmasını sağlar.

Farklı mekaniksel özellikli malzemelerin sürtünmesi (örneğin oksit kaplamaların çeliğe ve WC-Co karşı sürtünmesi) sürtünme temas alanlarının sürekli yenilenmesi eşliğinde olur. Bu sebepten dolayı, sürtünme katsayısının artışıyla sonuçlanan temas alanında kimyasal etkileşim ivmelenir. Bu tip çiftlerde kuru sürtünmeyi azaltmak için oksit kaplamalarının üzerine ince karbon filminin depozite edilmesi düşünülmüştür [84]. Bu, oksit kaplamasının WC-Co bilyeye karşı sürtünmesi, sürtünme katsayısının 0,49–0,62 den 0,17- 0,32 lere düşmesini sağlamıştır.

Son zamanlarda yapılan incelemeler [2] oksit kaplamalarında, kaplama kalınlığının temas rejimine bağlı olarak mekaniksel özellikleri belirlemede önemli bir etkiye sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Tribolojik performansa göre, kalın MAO kaplamaları kayma, çizme ve çarpma (impact) testlerinde en iyi performansı gösterirken, ince kaplamaların şaşırtıcı bir şekilde hem çarpma hem de düşük-yük kayma aşınmalarında etkilidir. Orta kalınlıktaki MAO kaplamaları ise nispeten daha kötü performans sergilemişlerdir [2]. Belirli bir temas şartlarında kaplamaların performansını optimize etmek için kalınlıkla birlikte kaplamaların mikro yapı ve kompozisyonunda ayarlanması gerekmektedir. MAO alumina kaplamalarının mükemmel yük taşıma kabiliyetine sahip olması, alüminyum alaşımlarını korumak için, yeni çok tabakalı ve hibrit/dubleks kaplama yapılarının geliştirilmesinde PVD veya diğer kaplama yöntemlerinde altlık malzeme olarak kullanılması ümit vaat edici olmuştur.