Pvd tekniği kullanılarak farklı seramik malzemelerle kaplanmış segmanların aşınma davranışlarının incelenmesi

Abstract

İçten yanmalı motorlarda farklı makine elemanları arasındaki sürtünen yüzeyler performans kaybına, zamanla meydana gelen aşınmalar ise motor ömrünün azalmasına neden olmaktadır. Sürtünmenin fazla olduğu durumda, motorlu taşıtın yüksek performans sergileyebilmesi için daha fazla yakıt tüketmesi gerekmektedir. Bu da zararlı egzoz gazlarının doğaya salınımını artırmaktadır. Makine elemanlarından özellikle piston segmanları, sürtünme kayıplarının yaklaşık %50'sini oluşturmaktadır. Segmanlar kullanım sürecinde, yüksek sıcaklıklara ve mekanik sürtünmeye maruz kalmaktadır. Bundan dolayı aşınmaya karşı oldukça yatkın parçalardır. Segman çeşitleri içerisinde tepe segmanı gerek yanma odasına yakınlığından gerek bulunduğu bölgeye taşınan yağ miktarının sınırlı olmasından dolayı diğer segmanlara göre daha fazla aşınmaktadır. Motorda segman aşınması olması halinde birçok çevresel ve ekonomik istenmeyen sorunları beraberinde getirecektir. Bu sorunların önüne geçmek için en etkili yöntem yüzey kaplama işlemidir. Bu çalışmada, tepe segmanlarının yüzey iyileştirilmesinin yapılması ve uygulanan seramik kaplamaların aşınma davranışlarının tespit edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla katodik ark fiziksel buhar biriktirme (PVD) tekniği kullanılarak dökme demirden üretilmiş piston tepe segmanlarının yüzeyleri TiAlCN, AlCrN, tek ve çok katlı TiAlN seramik filmler ile kaplanmıştır. Seramik kaplamaların yapısal karakterizasyonu için X-ışını difraktometresi (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM/EDX) kullanılmıştır. Ayrıca kaplamaların mikro-sertlikleri belirlenmiştir. Numunelerin tribolojik özellikleri, 10 N yük altında, 0,18 m/s kayma hızında, ileri-geri (Reciprocating) aşınma testi ile belirlenmiştir. Tribolojik test sonuçlarına göre kaplanmış segmanların sürtünme katsayılarının kaplamasız numuneye kıyasla azaldığı ve en düşük sürtünme katsayısı değerini TiAlCN (µ=0,21) kaplı numunede olduğu tespit edilmiştir. TiAlCN kaplı numunede, kaplamasız numuneye kıyasla, aşınma kaybında yaklaşık %97 oranında azalma olduğu belirlenmiştir. Ayrıca çalışmada tek ve çok katlı TiAlN kaplamalar hazırlanarak, kaplama kalınlığının tribolojik özelliklere etkisi incelenmiştir. Çok katlı TiAlN kaplamada artan katman sayısına bağlı olarak sertliğin arttığı, aşınma kayıplarının ve sürtünme katsayısının azaldığı gözlenmiştir. Aşınan yüzeylerden alınan SEM ve EDX verileri sonucunda sürtünme esnasında metal oksit bileşiklerinin oluştuğu tespit edilmiş ve oluşan bu bileşiklerin aşınma mekanizması üzerinde etkili olduğu belirlenmiştir. Seramik yüzeylerde oluşan koruyucu oksit tabakasının bozularak yüzeyden ayrılmadığı sürece taban malzeme yüzeyini koruduğu sonucuna ulaşılmıştır.

In internal combustion engines, friction surfaces between different machine elements cause performance loss, wear that occurs over time causes a shortened engine life. In order for the motor vehicle to exhibit high performance, it must consume more fuel. This increases the emission of harmful exhaust gases to nature. Among the machine elements, especially piston rings make up about 50% of friction losses. Rings are exposed to high temperatures and mechanical friction with the cylinder surfaces during their use. Therefore, they are very prone to wear. Among the ring types, the top ring is worn more than other rings due to its proximity to the combustion chamber and the limited amount of oil transported to the region. In the case of ring wear in the engine, it will bring many unwanted environmental and economic problems. The most effective method to avoid these problems is the surface coating process. This study, it is aimed to improve the surface of the top rings and to determine the wear behavior of the applied ceramic coatings. For this aim, the surfaces of piston top rings made of cast iron using the cathodic arc physical vapor deposition (PVD) technique are coated with TiAlCN, AlCrN, mono and multilayer TiAlN ceramic films. X-ray diffractometer (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM / EDX) was used for the structural characterization of ceramic coatings. In addition, the micro hardness of the coatings were determined. The tribological properties of the samples were determined by the Reciprocating abrasion test under 10 N load, at a sliding speed of 0,18 m/s. According to the tribological test results, it was determined that the friction coefficient of the coated rings decreased compared to the uncoated sample and the lowest friction coefficient value was found in the TiAlCN (µ = 0,21) coated sample. It was determined that there was a 97% reduction in abrasion loss in TiAlCN coated sample compared to the uncoated sample. In addition, mono and multi-layer TiAlN coatings were prepared and the effect of coating thickness on tribological properties were investigated. In multi-layer TiAlN coating, it was observed that hardness increased, wear losses and friction coefficient decreased due to the increasing number of layers. As a result of the SEM and EDX data taken from the wearing surfaces, it was determined that metal oxide compounds were formed during friction and these compounds were found to be effective on the wear mechanism. It has been concluded that the protective oxide layer formed on the ceramic surfaces protects the surface of the base material as long as it is not separated from the surface.