PVD metodu ile TiN kaplanmış S 6-5-2 yüksek hız çeliğinin aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of wear behaviours of PVD TiN-coated S 6-5-2 high speed steel
Yazar: SONER SAVAŞ
Danışman: Y.DOÇ.DR. ŞENGÜL DANIŞMAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2004
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ill PVD METODU İLE TİN KAPLANMIŞ S 6-5-2 YÜKSEK HIZ ÇELİĞİNİN AŞINMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ ÖZET Bu çalışmada, PVD-katodik ark metodu ile TİN kaplanmış ve kaplanmamış yüksek hız çeliği numunelerin aşınma davranışları pin-on-ring sistemine uyarlanmış aşınma test cihazında incelenmiştir. Ana malzeme olarak DİN S 6-5-2 malzemeden hazırlanan 20 mm çap ve 8 mm yüksekliğe sahip silindirik numuneler kullanılmış, kaplama işlemi katodik ark metoduyla, 55 A katot alamı, 60 dak kaplama süresi, -250 V bias voltajı, 400 °C kaplama sıcaklığı ve 4 mTorr vakum basıncında gerçekleştirilmiştir. Aşındırma elemanı olarak DİN 100Cr6 malzemeden hazırlanan 26 mm çap ve 5 mm yüksekliğe sahip ringler kullanılmıştır. Aşınma deneyleri kuru sürtünme ve oda sıcaklığı şartlarında yapılmış, kayma hızı ve normal yük değişken parametreler olarak kullamlmıştir. Numuneler ve aşındırma elemanlarının ağırlık kayıpları ve numuneler üzerindeki aşınma iz genişlikleri tespit edilmiş, grafik çizici tarafından kayma mesafesine bağlı olarak kaydedilen sürtünme kuvvetlerinden, kararlı hal kayma rejimi ortalama sürtünme katsayıları tespit edilmiş, normal yük-iz genişliği, normal yük-sürtünme katsayısı, kayma hızı-iz genişliği ve kayma hızı-sürtünme katsayısı grafikleri çizilmiştir. Kaplanmamış ve TİN kaplı numunelerin sabit kayma hızlarmdaki yük-iz genişliği grafiklerinden iz genişliklerinin yükle arttığı tespit edilmiştir. Aynı yük ve hız değerlerinde kaplanmamış numunelerdeki iz genişliği değerleri TİN kaplılardakinden daha büyüktür. Bu da, TİN kaplı numunelerin daha yüksek bir aşınma direnci değerine sahip olduğunu ortaya koyar. Sabit kayma hızlarmdaki sürtünme katsayısı değerlerinin, kaplanmamış numunelerde TİN kaplılardakinden nispeten daha yüksek olduğu bulunmuş, artan yük değerleri ile ise belirgin bir değişimin meydana gelmediği tespit edilmiştir. Kaplanmamış ve TİN kaplı numunelerin sabit yüklerdeki kayma hızı-iz genişliği grafiklerinden iz genişliklerinin kayma hızı ile arttığı tespit edilmiştir. Sabit yüklerdeki sürtünme katsayısı değerlerinin, kaplanmamış numunelerde TİN kaplılardakindenIV nispeten daha yüksek olduğu bulunmuş, kayma hızının artması ile sürtünme katsayısının azaldığı tespit edilmiştir. 0.9 m/s kayma hızında 100 N yük ve 1.1 m/s kayma hızında 75 ve 100 N yük değerlerinde, TİN kaplı numunelerdeki aşınma iz genişlikleri ve sürtünme katsayısı değerlerinin kaplanmamış numunelerdekinden daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Bu etki, şiddetli abrazif aşınma koşullan altoda (yüksek yük ve kayma hızı değerlerinde) iz genişliğinin büyümesi ile parçalanan ve aşınma partiküllerine dahil olan kaplama tabakası parçalarının artmasına, ana malzemeden ve aşındırma elemanından daha sert olan bu parçacıkların da üç elemanlı abrazyon ve süpürme etkisini şiddetlendirmesine dayandırılabilir. Ayrıca, deney sonuçlan incelendiğinde, (3, 6, 13, 17, 22 ve 29), (2 ve 25), (4, 8, 12 ve 24), (7, 10, 1 1, 14 ve 37), (23 ve 33), (15 ve 27), (16 ve 19), (28 ve 30), (31 ve 34) ve (35, 36 ve 39) numaralı deneylerden elde edilen aşınma iz genişliği değerlerinin birbirlerine yakın olduğu gözlenmiştir. Bu sonuç, farklı yük ve hız kombinasyonlarında ve yüzey özelliklerinde aşınma miktarının sabit tutulabileceğini göstermektedir. Son olarak, A kayma hızı (0.7-0.9 m/s), B normal yük (50-75 N) ve C yüzey durumu (kaplanmamış ve TİN kaplı) faktörlerinin alt ve üst düzeyleri kullanılarak, gözlem değerleri olan aşınma iz genişliği değerleri iki düzeyli üç faktörlü L8 deney tasanm metoduna göre incelenmiş, çizilen normal olasılık grafiğine göre C'nin en önemli faktör olduğu, bunu B ve A'mn takip ettiği, AB, AC, BC ve ABC etkileşimlerinin ise sonuç değerler üzerinde nispeten daha düşük bir etkiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, seçilen hız ve yük değerlerinde, aşınma iz genişliği üzerinde en etkili olan parametrenin yüzey durumu olduğunu ortaya koymaktadır. Anahtar sözcükler: PVD-katodik ark metodu, TİN kaplamalar, pin-on-ring, aşınma.

Abstract:
V INVESTIGATION OF WEAR BEHAVIOURS OF PVD TiN-COATED S 6-5-2 HIGH SPEED STEEL ABSTRACT In this study, the wear behaviours of PVD-cathodic arc TiN coated and uncoated high speed steel specimens were investigated in a wear tester adapted to pin-on-ring system. DIN S 6-5-2 cylindrical specimens with 20 mm diameter and 8 mm height were used as substrate, and coating process was performed using cathodic arc method at 55 A cathode current, 60 min coating time, -250 V bias voltage, 400 °C coating temperature and 4 mTorr vacuum pressure. DIN 100Cr6 rings with 26 mm diameter and 5 mm height were used as counter material. Wear experiments were performed in dry sliding and room temperature conditions, and sliding speed and normal load were used as variable parameters. The weight loss of the specimens and counter rings, and wear track width on the specimens were determined. The average coefficients of friction in steady-state sliding regime were determined from friction forces which were recorded against sliding distance by recorder, and normal load-wear track width, normal load-coefficient of friction, sliding speed-wear track width and sliding speed-coefficient of friction graphs were plotted. It was found from the load-wear track width graphs of uncoated and TiN coated specimens in constant sliding speeds that the wear track width increased with load. At the same load and speed values, wear track width of uncoated specimens was larger than that of TiN coated specimens. This indicates that TiN coated specimens have a higher wear resistant. It was found that at constant sliding speeds coefficient of friction of uncoated specimens was somewhat higher than that of TiN coated specimens, and it was not observed a clear variation with increased load. It was found from the sliding speed-wear track width graphs of uncoated and TiN coated specimens in constant loads that the wear track width increased with sliding speed. It was found that at constant loads coefficient of friction of uncoated specimens was somewhat higher than that of TiN coated specimens, and it was observed a decrease in coefficient of friction with increased sliding speed.VI At 0.9 m/s sliding speed and 100 N load, and 1.1 m/s sliding speed and 75-100 N loads, wear track width and coefficient of faction values of TiN coated specimens were higher than those of uncoated specimens. It is due to increasing of coating layer debris which tear and join to wear particles with largening of wear track width in severe abrasive wear conditions (at high loads and sliding speeds) and increase three elements abrasion and sweep effect because of its high hardness as compared with substrate and counter material. Also, according to experimental results, it was observed that the wear track widths obtained from (3, 6, 13, 17, 22 and 29), (2 and 25), (4, 8, 12 and 24), (7, 10, 1 1, 14 and 37), (23 and 33), (15 and 27), (16 and 19), (28 and 30), (31 and 34) and (35, 36 and 39) number of experiments were near with each other. This indicates that the wear rate can be kept fixed in different load and speed combinations and surface properties. Lastly, wear track widths were investigated as observation values with two levels three factors L8 experiment design method using the bottom and top levels of the factors A sliding speed (0.7-0.9 m/s), B normal load (50-75 N) and C surface properties (uncoated and TiN coated), and it was found that C was the most important factor, it was followed by B and A, and AB, AC, BC and ABC effects had the minimum influence on the results according to plotted normal probability graph. This indicates that at chosen speed and load values, surface properties is the most effective parameter on wear track width. Keywords: PVD-cathodic arc method, TiN coatings, pin-on-ring, wear.