Bazalt esaslı SiC takviyeli cam ve cam-seramik kaplamaların özellikleri
The properties of basalt based SiC reinforced glass and glass-ceramic coatings
Yazar: EDİZ ERCENK
Danışman: DOÇ. DR. ŞENOL YILMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Aşınma = Wear ; Kaplama = Coating ; Kinetik = Kinetics

Özet:
Bu çalışmada, bazalt kayaçlarının plazma sprey kaplama tozu olarak kullanılabilirliğinin yanı sıra, bazalta ilave edilen SiC tozları ile kompozit karakterli kaplamaların elde edilerek yapısal ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Kırılıp öğütülerek 53± 45  m boyutuna getirilen bazalt tozları SiC katkısız ve %10-50 SiC katkılı olmak üzere altı ayrı kaplama tozu hazırlanmıştır. Tozların AISI 1040 çelik altlıklar üzerine kaplanması sonucu elde edilen kaplamalar kaplama sonrası soğuma etkisiyle camlaştırılmıştır. Üretilen kaplamalar kontrollü kristallenme ısıl işlemiyle cam seramik kaplamalara dönüştürülmüştür. Elde edilen kaplamaların X ışınları difraksiyon analizi (XRD) ile amorf yapıda olduğu tespit edilmiştir. Kaplamalar, diferansiyel termal analiz (DTA) ölçümlerinden elde edilen sonuçlar yardımıyla, argon atmosferinde kristalizasyon ısıl işlemine tabi tutularak cam-seramik elde edilmiştir. DTA sonuçlarından faydalanılarak 800 °C, 900 °C ve 1000 °C sıcaklıklarda direkt ısıtma yöntemiyle kristalizasyon işlemleri yapılmış, sürenin kristallenmeye etkisini görmek amacıyla her bir sıcaklıkta 1-4 saat süre ile ısıl işlemler gerçekleştirilmiştir. Gerek plazma sprey kaplama işlemi sonrası gerekse kontrollü kristalizasyon ısıl işlemi sonrası kaplamaların kompakt ve fiziksel etkilere karşı dirençli olduğu tespit edilmiştir. Mikro yapısal incelemeler kaplamaların klasik plazma sprey kaplama tabakasına benzer yapıda olduğunu göstermiş olup splatlar, bir miktar porozite, kısmen ergimiş ya da ergimemiş tanesel yapı kaplama tabakasında gözlenen başlıca unsurlar olmuştur.Kaplamaların plazma sprey işlemi sonrası amorf (cam), kontrollü kristalizasyon ısıl işlemi sonrası ise kristalin (cam-seramik) olduğu gözlenmiştir. XRD analizleri sonucunda cam-seramik kaplamaların, Ojit, Diopsit, Fe-diopsit, Albit, Andezin ve Moissonit fazlarından oluştuğu tespit edilmiştir.Kinetik çalışmalardan kristallenme aktivasyon enerjileri SiC katkısına bağlı olarak 323,4 kJ mol-1 ile 253,2 kJ mol-1 arasında tespit edilmiştir. Artan SiC katkısı ile kristallenme aktivasyon enerjisi azalmıştır. Disk üzerinde bilye aşınma deneyleri sonucunda spesifik aşınma hızlarının SiC katkısı, yük ve hıza bağlı olarak ısıl işlem görmemiş kaplamalarda 2,978x10-7 mm3/Nm ile 2,611x10-5 mm3/Nm arasında, ısıl işlem görmüş kaplamalarda ise 3,172x10-7 mm3/Nm ile 3,337x10-5 mm3/Nm arasında değiştiği görülmüştür. Sertlik değerleri ısıl işleme ve SiC ilavesine bağlı olarak artarken kırılma toklukları da cam-seramik dönüşümü ile belirgin oranda artmıştır.Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, bazaltların plazma sprey kaplama yöntemiyle kaplanabileceğini, kaplama işlemi sonrası amorf karakterli olan tabakanın ısıl işlemle kristallendirilerek cam-seramiğe dönüştüğünü, SiC katkısının kompozit etkisi ile kaplamanın mekanik özellilerinde belirgin iyileşme meydana getirdiğini ve SiC katkısının kristallenmeyi teşvik ettiğini göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Bazalt, Kaplama, Takviye, SiC, Cam-Seramik, Kinetik, Aşınma

Abstract:
In this study, the usability of basalt rocks as plasma spray coating powders as well as determination of structural and mechanical properties of basalt added SiC composites based coatings were aimed. After the crashing and sieving process, basalt powders with particle size of 53±45  m were obtained. Six coating powders were prepared as SiC free and 10-50 % wt. SiC added basalt. That powders were coated on AISI 1040 steel substrate by plasma spray technique and vitrified via sudden cooling. The coatings obtained were transformed into glass ceramics by controlled heat treatment. The amorphous structure of coatings was verified by XRD analysis. In order to obtain glass-ceramic, coatings were subjected to crystallization heat treatment in argon atmosphere by using DTA analysis results. Using DTA results crystallization treatments were performed at 800, 900 and 1000 °C by direct heating method and to see effect of heat treatment every heat treatment was performed for 1-4 hours. The compact and having resistance against physical effects coatings were produced by plasma spray coating and heat treatment process. The microstructural analysis showed that the splats, amount of porosity and unmelted particles were determined in coating layers which being characteristics of classical plasma spray coating layer.Coating were amorphous (glass) after plasma spray process and amorphous structure was transformed to cryristaline (glass-ceramic) structure by means of heat treatment process. Augite, ferrian-diopsite, albite, andesine, and moissonite phases formed in coating were verified by XRD analysis.Crystallization and viscous flow activation energies were determined between 323,4 kj mol-1 and 253,2 kj mol-1 according to SiC addition. Crystallization activation energies increased with increasing of SiC addition. Ball-on-disc wear tests results showed that specific wear rates were determined changed between 2,978x10-7 mm3/Nm and 2,611x10-5 mm3/Nm for untreated coatings, 3,172x10-7 mm3/Nm 3,337x10- and 5 mm3/Nm for heat treated coatings depending on SiC addition, load and velocity. It was observed that hardness of coatings increases with addition of SiC. Fracture toughness of coatings was increased with glass-ceramic transition.In the present study, it was found that basalt can be used for glass-ceramic coating by plasma spray coating process, the coating layer which was amorphous after the coating treatment transformed to glass-ceramic thanks to controlled crystallization heat treatment, the effect of SiC added coatings supplied positive effect on mechanical properties and SiC addition promote the crystallization process.Key Words: Basalt, Coating, Reinforce, SiC, Glass-ceramic, Kinetic, Wear