Mühendis ve Makina - Cilt: 45 Sayý: 536
makale
42
ALÜMÝNYUM KAPLANAN ÇELÝK MALZEMELERDE
YÜZEY ÖZELLÝKLERÝNÝN ÝNCELENMESÝ
T
GÝRÝÞ
eknolojideki geliþmelerle birlikte kullaným yeri ve çalýþma þartlarýna baðlý olarak malzemelerden dayaným, tokluk, hafiflik ve düþük maliyet gibi özellikler istenmektedir. Isýl iþlemlerle malzemenin bazý dayaným deðerleri iyileþtirilse de aþýnma, darbe dayanýmý, korozyon direnci, kýrýlma tokluðu, hafiflik gibi özellikler ayný anda saðlanamamaktadýr. Bu nedenle yeni malzeme üretmek veya deðiþik yöntemlerle çalýþma koþullarýna en uygun malzemeyi seçmek amaçlanmaktadýr.
Çalýþma ortamýnýn etkisi ile metalik malzemelerin kimyasal yapýlarý ve mekanik özeliklerinde deðiþimler ortaya çýkmaktadýr. Üretilen parçanýn ömrünü ve kalitesini artýrmak, çalýþma ortamýnýn olumsuz koþullarýnýn etkilerini azaltmak ve bazý mekanik özelliklerini iyileþtirmek için metalik ve metalik olmayan kaplama yöntemleri geliþtirilmiþtir. Endüstride en çok kullanýlan malzeme olan çelik üzerine kaplama metalleri (Cr, Ni, Zn, Al, vb.) deðiþik yöntemlerle (sýcak daldýrma, püskürtme, iyon implantasyonu, plazma, vb.) kaplanmaktadýr. Bunlardan Al, Zn malzemelerinin sertliði az olmasýna raðmen, Fe ile oluþturduðu intermetalik fazlar sert ve gevrektir [1,2].
Yüksek dayanýmlý, hafif malzemelerle beraber korozyona dayanýklý, refrakterlik özelliði olan malzemeler tercih edilmektedir. Dayaným deðerleri iyi malzemelere uygun bir kaplama yöntemi ve ýsýl iþlemlerle özellikle korozyona dayanýmlý parçalarýn üretimi gerçekleþtirilebilir. Uçak endüstrisindeki bazý parçalarýn üzerinde yapýlan alüminyum kaplamanýn yüksek sýcaklýk korozyonuna karþý daha yüksek dayaným saðladýðý çalýþmalar sonucunda ortaya çýkmýþtýr [3]. Özellikle uzay araçlarý ve uçaklar için devamlý olarak daha yüksek dayaným/aðýrlýk oranýna sahip malzemeler aranmaktadýr. Uçak yapýmýnda kullanýlan malzemelerde aranan ana özellikler, mukavemet, yoðunluk ve þekillendirilebilmedir. Uçak malzemelerini öncelikle, metal esaslý ve kompozit malzemeler olarak iki grupta incelemek mümkündür. Uçak motorlarýnda ana malzeme olarak alüminyum, magnezyum ve demir esaslý malzemeler kullanýlýr. Paslanmaz çelikler, nikel alaþýmlarý, titanyum alaþýmlarý ve alüminyum alaþýmlarý yaygýn olarak kullanýlan metal esaslý uçak malzemeleridir.
Alüminyum; uçak, roket ve uzay aracý endüstrisinde birçok parçada
Ahmet PASÝNLÝ *, N. Sinan KÖKSAL**
Çelik malzemelerin yüzey özelliklerini iyileþtirmek amacýyla, yüzeyleri alüminyum ile kaplama yapýlmaktadýr. Bu çalýþmada, az karbonlu çelik (Ç1020) ve paslanmaz çelik (AISI 316) malzemelerin yüzeyine sýcak daldýrma yöntemiyle Al kaplama yapýlmýþtýr. Bu iþlem 750 °C sýcaklýkta, 2 ve 10 dak süreyle bekletilerek uygulanmýþtýr. Al kaplama uygulanan numunelere, nötr ortamda 800 °C sýcaklýkta ve 1 ve 6 saat süreyle difüzyon tavlamasý uygulanmýþtýr. Kaplama iþlemi sonrasý uygulanan ýsýl iþlemlerle yüzey mikroyapýsý ve mikrosertlik ölçümler yardýmýyla Al ve difüzyon tabakalarýndaki kalýnlýk deðiþimi incelenmiþtir. Anahtar sözcükler : Alüminyum kaplama, sýcak daldýrma yöntemi, difüzyon,
It was aimed to improve the surface properties of the steel materials which coating by aluminium were applied. In this study, on surface in materials Ç 1020 and AISI 316 was applied Al coating by hot dip method. This process was applied to aluminium at temperature of 750 °C, for 2 and 10 minutes. Samples of Al coated were subjected to diffusion treatment at 800 °C for 1 and 6 hours in notr media. With applied heat treatment processes after coating process were examined on surface microstructure and the changes in the thickness of diffusion layer or Al layer by microhardness values. Keywords : Aluminium coating, hot dip method, diffusion
* Ege Üniversitesi, Ege MYO Makina Bölümü ** Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,
Mühendis ve Makina - Cilt: 45 Sayý: 536
makale
43 kullanýlýr (Örneðin; kanatlarda, motorda, pervanelerde,
yardýmcý parçalarda ve sývý yakýt ya da oksitleyici tanklarýnda). Alüminyum korozyona direnci yüksek bir malzemedir. Doðada, yüzeyinde alüminyum oksit olduðu halde bulunur. Al alaþýmlarý korozyondan korunmak veya dekoratif amaçlarla da kullanýlmaktadýr. Az karbonlu çeliklerde, yüzey oksidasyonu ve çukurlaþma tipi korozyon oluþur ki, yüzeyler kýzýl-kahverengi pas görünümündedir. Korozyona dayanýklý çeliklerde ise, uygun olmayan ýsý transferinden dolayý taneler arasý korozyon tipi görülür ve yüzey üzerinde bazen kýzýl, bazen de kahverengi ya da siyah lekeler biçiminde görünüm oluþur [4]. Bu nedenle yüzeyde oluþturulacak bir kaplama ile bu malzemelerin çalýþma koþullarýndaki olasý sakýncalarýn giderilmesi araþtýrýlmaktadýr [5].
Teorik olarak, anodik bir metal olmasý dolayýsýyla Al kaplama, uygulandýðý metali korumak için harcanarak metalin korumasý saðlanýr. Uygulamada Al kaplamalarýn korozyondan koruma özellikleri yüzeylerinde oluþan oksit tabakasýna baðlýdýr. Al kaplama temiz sularda her sýcaklýkta, diðer sularda ise, yüksek sýcaklýklarda kullanýlabilir [6].
Al kaplama yöntemleri olarak; sýcak daldýrma, püskürtme, elektrik ark püskürtme, akýmsýz metal kaplama, yayýnma ile kaplama, vakum kaplama, katodik saçýným, iyon kaplama gibi yöntemler uygulanmaktadýr. Çalýþmamýzda, az karbonlu çelik ve paslanmaz çelik
numunelere sýcak daldýrma yöntemiyle, 750 °C sýcaklýkta, 2 ve 10 dakika süreyle tutularak alüminyum kaplama iþlemi uygulanmýþtýr. Kaplanan numunelere iþlem sonrasýnda 800 °C sýcaklýk ve 1 ve 6 saat süre ile nötr ortamda difüzyon tavlamasý uygulanmýþtýr. Isýl iþlem sýcaklýðý ve süresine baðlý olarak, yüzeyde oluþan Al
kaplamanýn mikrosertlik deðiþimleri incelenmiþtir. Ayný þekilde, numunelerin kaplama yüzeyinden ana metale doðru kaplama tabakasý ve difüzyon tabakasý kalýnlýklarýnda oluþan deðiþimler de belirlenmiþtir.
DENEYSEL ÇALIÞMALAR
Kimyasal bileþimleri Tablo 1'de verilen iki farklý çelik numune; az karbonlu çelik (Ç 1020) ve paslanmaz çelik (AISI 316) numuneler alýnmýþtýr. Levha þeklinde hazýrlanan numunelerin yüzeyleri alkolle temizlendikten sonra sýcak hava ile kurutulmuþtur. Ýndiksiyon fýrýnýnda sývý akýþkanlýðýný artýrmak amacýyla, ergime sýcaklýðýnýn yaklaþýk 100 °C üzerinde 750 °C'de sývý alüminyum hazýrlandý. Bu sývý Al içerisine sýrasýyla 2 ve 10 dak süreyle daldýrýlarak yüzeylerinde alüminyum kaplama oluþmasý saðlanmýþtýr. Daha sonra Al kaplanan numuneler 800 °C sýcaklýkta, alümina toz içerisinde (nötr ortamda), sýrasýyla 6 ve 8 saat süre ile bekletilerek difüzyon tavlamasý uygulanmýþtýr.
Mikroskobik inceleme için; numuneler bakalite alýnýp sýrasýyla kaba ve ince zýmparalamayla parlatma iþlemleri uygulandý. Daha sonra inceleme yüzeyine bu malzemelere uygun hazýrlanmýþ olan daðlama sývýsý uygun sürede uygulanarak, mikroskopta oluþan kaplama bölgesi incelenmiþtir.
DENEY SONUÇLARI
Numunelerin mikroyapý görüntüleri Þekil 1'de verilmiþ olup, alüminyum kaplama ve difüzyon tabaka kalýnlýklarý, uygulanan ýsýl iþlem sýcaklýðý ve süresine baðlý olarak gösterilmiþtir. Ayný þekilde uygulanan iþlemlerle
Malzeme C N Cr Ni Mo P Si S Mn Fe
Ç 1020 0.19 - 0.04 0.02 - 0.02 0.04 0.03 0.47 Kalaný AISI 316 0.04 0.04 16.8 10.7 2.2 - 0.9 - 2.0 Kalaný Tablo 1. Çelik Numunelerin Kimyasal Bileþimleri (%)
Mühendis ve Makina - Cilt: 45 Sayý: 536
makale
44
numunelerde oluþan tabakalarýn kalýnlýklarý da Tablo 2'de verilmiþtir.
Al kaplanmýþ ve difüzyon tavlamasý uygulanmýþ numunelerin mikrosertlik deðerleri incelendiðinde, Ç1020 malzemedeki difüzyon tabakasýnýn sertliðinin en büyük deðeri 1750 HV, AISI 316 malzemede ise 1250 HV olarak ölçülmüþtür.
Ýþlem gören numunelerde oluþan difüzyon tabakasý kalýnlýðýný belirlemede yardýmcý olmasý açýsýndan, yüzeyden baþlayarak iç kýsýmlara doðru mikrosertlik ölçümleri uygulanmýþ ve elde edilen deðerler Þekil 3'te verilmiþtir.
Kaplama iþlemi uygulanmamýþ Ç1020 malzemenin mikrosertlik deðeri 230 HV, AISI 316 malzemede ise 260 HV olarak ölçülmüþtür.
Malzeme+Ýþlem Tabaka Ç 1020 AISI 316
Al 31,36 15,68
Al Kaplama
(750 °C’de 10 dak) Difüzyon 117,60 78,40
Al 39,20 23,52
Al Kaplama+800 °C’de 1 saat
difüzyon tavlama Difüzyon 141,20 86,24
Al 54,88 23,52
Al Kaplama+800 °C’de 6 saat
difüzyon tavlama Difüzyon 125,40 156,80
Tablo 2. Numunelerdeki Al Kaplama ve Difüzyon Tabaka Kalýnlýklarý (mm)
a) b) c)
Þekil 1. a) Al Kaplanmýþ Ç1020 Numunesinin Ýçyapý Görüntüsü
b) Al Kaplama + 800 °C de 1 saat difüzyon tavlamasý uygulanmýþ Ç1020 numunesinin içyapý görüntüsü c) Al Kaplama + 800 °C de 6 saat difüzyon tavlamasý uygulanmýþ Ç1020 numunesinin içyapý görüntüsü
a) b) c)
Þekil 2. a) Al Kaplanmýþ AISI 316 Numunesinin Ýçyapý Görüntüsü
b) Al Kaplama + 800 °Cde 1 saat difüzyon tavlamasý uygulanan AISI 316 numunesinin içyapý görüntüsü c) Al Kaplama + 800 °Cde 6 saat difüzyon tavlamasý uygulanan AISI 316 numunesinin içyapý görüntüsü
Mühendis ve Makina - Cilt: 45 Sayý: 536
makale
45 SONUÇLAR VE TARTIÞMA
Sýcak daldýrma yöntemiyle kimyasal bileþimleri farklý çelik malzemelerin yüzeylerine Al kaplama uygulanmýþtýr. Malzemelerin yüzeylerinde oluþan Al kaplama tabakasý ve difüzyon tabakasý kalýnlýklarýnda, uygulanan ýsýl iþlem koþullarýna ve iþlem sürelerine baðlý olarak deðiþiklikler gözlenmiþtir. Az karbonlu çelikte paslanmaz çeliðe göre sertlik ve difüzyon tabaka kalýnlýðý gibi deðerlerde daha büyük deðiþimler olduðu görülmektedir.
Al sývý içerisinde bekletme sürelerine baðlý oluþan Al kaplama kalýnlýðý, Ç1020 malzemede belirgin olarak görülmüþtür. AISI 316 malzemede bu deðiþim çok fazla olmamýþtýr.
Malzeme yönünden karþýlaþtýrýldýðýnda, bu uygulamada az karbonlu çeliklerde daha iyi bir kaplama oluþtuðu görülmüþtür. Isýl iþlem olarak difüzyon tavlamasý
uygulandýðýnda, paslanmaz çelik malzemelerde oluþan kaplama tabakasý kalýnlýðý artmýþtýr. Ölçülen mikrosertlik deðerlerindeki artýþlarda, malzemelerde intermetalik sert fazlarýn oluþmasýnýn etkisi olduðu görülmüþtür.
KAYNAKÇA
1. Drewolt, R., "Diffusion Coatings for the Protection of Iron and Steel", Anti Corrosion, pp 11-15, 1969.
2. Hocking, M.G., Surface and Coating Technol., 62, pp. 460-466, 1993.
3. Bondareko, G, G., Borodulin, I.N., "Improving the Heat Resistance of Austenitic Steels by Thermomechanical Treatment Method", Metal Science and Heat Treatment 27, pp 624-627, 1985. 4. Aircraft Weapons System Cleaning and Control, Technical Manual, NAVAIR 01-1-A-509, Naval Air System Command, Washington USA, (September 1980).
5. Pasinli, A., "Aluminium Coating on Steel", Master Thesis, Dokuz Eylül Ü., Fen Bil. Ens., 1992.
6. Çakýr, A., Korozyon Açýsýndan Tasarým ve Malzeme Seçimi 6. Korozyon Sempozyumu, 4-7 Kasým 1998, Ýzmir.
a)
Þekil 3. a) Ç1020 b) AISI 316 Numunelerinin Yüzeyden Merkeze Doðru Mikrosertlik Ölçüm Sonuçlarý
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 0 50 100 150 200 250 300 Yüzeyden Uzaklýk (µm) Mikrosertlik (HV) Ç1020 Al Kaplanmýþ
Al Kaplama+ 800 °C 6 saat tavlanm ýþ Al Kaplama+ 800 °C 1 saat tavlanm ýþ
0 250 500 750 1000 1250 1500 0 50 100 150 200 250 300 Y üzeyden Uzaklýk (µm) Mikrosertlik (HV) AISI 316 Al Kaplanm ýþ
Al Kaplam a+ 800 °C 1 s aat tavlanm ýþ Al Kaplam a+ 800 °C 6 s aat tavlanm ýþ
