Sıcak daldırma yöntemiyle aluminyum kaplanmış toz metalurjisi ile üretilen takım çeliklerinin aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of wear behaviour of hot dip aluminized tool steels produced by powder metallurgy
Yazar: BURAK BİLİM
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
ASP 2012 kalite takım çeliği plastik enjeksiyon kalıp makineleri, şekillendirme ve iş kalıp uygulamalarında sıklıkla tercih edilen ASP serisi toz metalurjisi ile üretilen bir takım çeliğidir. Mikroyapısında bulunan homojen dağılmış karbürler sayesinde, aşınma direnci, çekme dayanımı ve yüksek sıcaklık sertliği gibi mekanik özellikleri oldukça yüksektir. ASP 2005 kalite takım çeliği ise yüksek tokluğa sahip toz metalurjisi ile üretilen bir yüksek hız takım çeliğidir. Bununla beraber yüksek aşınma direnci ve sertliğe de sahiptir. Dövme kalıpları, plastik enjeksiyon kalıpları ve soğuk şekillendirme kalıplarında kullanımı tercih edilen bir malzemedir.
Toz metalurjisi ile üretilen takım çeliklerinin uygulama alanlarında uzun kullanım ömrü imkanı sağlaması ve bu sebeple ekonomik açıdan oldukça avantajlı olmaları, bu çeliklerin kullanım ömürlerinin daha uzun sürelere yayılması üzerine araştırmalar yürütülmesine sebebiyet vermiştir. Bu çalışmada ASP 2005 ve ASP 2012 kalite takım çeliklerine uygulanacak olan metalurjik işlemler sonucunda yüzey özelliklerinde aşınma ve korozyon davranışı açısından hangi yönde değişimler meydana geleceği incelenmiştir.
Bu tez çalışmasında ASP 2005 ve ASP 2012 kalite takım çelikleri; sıcak daldırma yöntemi ile aluminyum kaplanarak kaplama morfolojisinin iki farklı kimyasal bileşime sahip takım çeliği üzerindeki değişimleri değerlendirilmiştir. Kaplama işlemi numunelerin 700 ºC sıcaklıkta ergiyik halde Al – 12Si (ağ.%) alaşımının bulunduğu grafit pota içerisinde 3 dakika daldırılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Daha sonra kaplanmış halde bulunan numunelere ASP 2005 kalite takım çeliği için 1100 ºC'de ASP 2012 kalite takım çeliği için ise 1070 ºC'de 1 saat difüzyon tavlaması uygulanmıştır. Difüzyon tavlaması işleminden sonra numuneler oda sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır.
Kaplama tabakalarında oluşan farklı intermetalik bileşiklerinin oluşturduğu fazların malzemelerin aşınma ve korozyon davranışlarında iyileştirme sağlayacak uygun parametreler ile elde edilebilirliği değerlendirilmiştir. Farklı kimyasal bileşime sahip iki takım çeliği ve difüzyon tavlaması parametreleri ile bu çeliklerin aşınma, korozyon ve sertlik davranışları karşılaştırılmıştır.
Numunelerden alınan kesitler incelenerek difüzyon öncesi ve sonrası kaplama tabakasında gözlemlenen faz ve ara yüzey değişimleri noktasal, çizgisel ve elementel haritalama EDS analizleri aracılığıyla değerlendirilmiştir. Optik mikroskop altında kaplanmış ve kaplama işleminden sonra difüzyon tavlaması yapılmış takım çeliklerinde farklı fazlarda yapılar gözlemlenmiş ve bu bölgelerin sertlik testleri yapılarak kaplamanın değişen morfolojisindeki sertlik değerleri elde edilmiştir. Aşınma testlerinde numune yüzeylerinde oluşan aşınma izlerinin SEM görüntüleri incelenmiş ve bu izlerin profilometre analizi yapılarak derinliği, genişliği ve alanları tespit edilmiştir. Bu sayede aşınma mekaniğinin kaplama tabakasının hangi bölgelerine kadar etkili olduğu değerlendirilmiştir. Yapışma deneyleri ile kaplama tabakalarının ana malzemeler üzerindeki yapışma dayanımları incelenmiştir. Difüzyon tavlamasının korozyon dayanımına olan etkisi ana malzemeler ve su verilmiş takım çelikleri ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir.

Abstract:
ASP 2012 tool steel is a ASP series powder metallurgy tool steel which is used for plastic injection molding machines, forming and hot work mold applications. Homogeneously dispersed carbides in the microstructure provide good mechanical properties (wear resistance and tensile strength). 
ASP 2005 tool steel is a powder metallurgy high speed tool steel which can be used for polishing, hot forming and machining applications which require high toughness, hardness and wear resistance. 
ASP 2005 and ASP 2012 tool steels contain a high percentage of spherical and angular morphology carbides in their microstructure. Carbide size and ratio in ASP 2005 quality steel is higher than ASP 2012 quality steel.
The surfaces of the materials are the only part that is interacting with the environment. Majority of the failures such as corrosion, wear, fatigue and oxidation is caused from the surface during the use of steels in engineering applications. Mechanical properties of the tool steels can be improved by subsequent metallurgical processes such as heat treatment and therefore their chemical composition is optimized to achieve at the desired properties.
Powder metallurgy process allows production the steels in desired specific compositions which are highly difficult to produce with standard melting and casting processes. It also enables the production of parts with complex geometries for metalworking applications, and therefore powder metallurgy is widely preferred in the production of tool steels. Due to the fact that tool steels produced by powder metallurgy method are desired to provide long service life in engineering applications to reduce costs, researches have been continued to extend the service life of these steels to much longer periods.
There is a wide variety of aluminium coating applications being applied for commercial purposes. These applications can be categorized as physical and chemical vapour deposition, electrolytic, pack cementation aluminizing, cladding, spray coating and hot dip aluminizing.
 Hot dip aluminizing (HDA) is a diffusion controlled coating process which the surface of metallic materials is coated with a layer of aluminium. This process is also very economical when compared to other coating methods and allows to coat a variety of metallic materials easily in a short time. In hot dip aluminizing, the material is hold in a molten aluminium bath for a relatively short time to allow diffusion inwards. Outward diffusion from the substrate takes place at the same time. Despite the short-term duration of the process, the high thickness coatings can be grown by hot dip aluminizing.
The main purpose of this study is to characterize the coating microstructure produced on two grades of powder metallurgy tool steels by HDA in combination with a subsequent diffusion annealing and to investigate their wear and corrosion behaviours afterwards.
ASP 2005 and ASP 2012 tool steels produced by powder metallurgy were used as substrate. Samples measuring 10 mm x 10 mm x 55 mm were cut into cubes before they were coated in molten Al-12wt.%Si alloy by the HDA process. For this purpose, the samples were first ground by rubbing against emery papers from 80 to 400 mesh, cleaned ultrasonically to remove grease in phosphoric acid for 3 minutes, and tied with stainless steel wire to allow easy handle during dipping into and removal from the bath for the HDA process.
ASP 2005 and ASP 2012 tool steels were coated by the HDA process in molten Al-12wt.%Si alloy bath at 700C for 3 min. The samples were removed the bath after the predefined coating time, cooled to room temperature in air, and transferred to an electric furnace for diffusion annealing. Diffusion annealing was applied at 1100 C for ASP 2005 and 1070 C for ASP 2012 in an electric furnace for one hour, and the samples were cooled to room temperature in air. It is aimed to modify the coating layers by diffusion annealing allowing further interdiffusion between the layers of the coating.
Following the diffusion annealing heat treatment, the coating structures were analysed by XRD and the elementel compositions of the layers were characterized by EDS. It was also determined by the SEM examinations that diffusion annealing process increased the coating thickness. The phases formed from the outermost layer to the substrate after the diffusion annealing process are FeAl and Fe3Al in ASP 2005 quality powder metallurgy tool steel, while FeAl2, FeAl ve Fe3Al phases in ASP 2012 quality steel.These phases are iron-based and no aluminum-rich phase was detected after diffusion annealing.
Microhardness measurement were applied from the cross section of the coatings to characterize different layers. Rockwell C adhesion tests were carried out to examine the adhesion strength between the substrate material and the coating layer.
In Rockwell C adhesion tests, it was observed that cracks were formed in the coating layer of both HDA + DA applied samples, and the coating layers in which the adhesion test was performed were brittle. However, the crack rate in ASP 2012 tool steel is lower, indicating that the coating layer of this steel is tougher than ASP 2005 grade steel.
Dry sliding wear tests were conducted at room temperature in reciprocating ball – on – disc configuration. The tests were performed against an Al2O3 ball as the counterbody under a normal load of 3 N load, for a total sliding distance of 50 m and with a sliding velocity of 10 mm/s. 
Wear tracks formed after the wear test were analysed with s stylus profilometer and depth, width and area of wear tracks were measured. Wear tracks were also examined with SEM to determine the dominant wear mechanism of the bare substrate, quenched substrate, HDA samples, and diffusion annealed samples.
 Diffusion annealing samples have shown having a wear rate between the bare substrate and quenched tool steels. The highest wear resistance was obtained in quenched ASP 2005 quality tool steel with the highest hardness.
Potentiodynamic corrosion tests were carried out by using platinum (Pt) electrode, which acts as the counter electrode and silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrodes, which act as the reference electrode in 3.5% NaCl aqueous solution. In order to ensure the conductivity of the samples used in the experimental studies, contact was made between the copper wire and the sample and moulding was carried out with the help of epoxy resin in such a way that only the surfaces that would be in contact with the electrolyte were exposed. As a result of corrosion tests, diffusion annealed ASP 2012 tool steel was found to have the highest corrosion resistance.