Vites kutusu dişlilerinin fosfat kaplama prosesindeki fosfatlama banyolarının karakterizasyonu
Characterization of phosphatizing baths in the phosphate coating process of gearbox gears
Yazar: MUHAMMED MUSTAFA ÇİFTLER
Danışman: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Daldırma kaplama yöntemi = Dipping coating method ; Metal kaplama = Metal coating ; Yüzey kaplama = Surface coating ; Yüzey kaplama yöntemleri = Surface coating methods

Özet:
Otomobillerin hareket aktarma mekanizmalarının başında gelen vites kutusu, çeşitli çap ve formlarda dişli parçalarının mil ya da millerin üzerine belirlenmiş bir hesaba göre dizilmesinden oluşur. Karşılıklı çalışan dişli parçalarının diş sayısı ve çapları arasındaki farklılıklardan yararlanılarak üzerinde bulundukları millerin hızlarının ayarlanmasını sağlanmaktadır. İki farklı mil üzerindeki karşılıklı çalışan dişli parçalarının zamanla aşınması kaçınılmaz olmaktadır. Bu aşınmayı geciktirmek için çelik malzemeden işlenen parçalar çeşitli ısıl işlem ve kaplama proseslerine girmektedir. Bursa'da yerleşik Oyak Renault otomobil fabrikasında da vites kutusunda görev yapan bu dişli parçalarına ısıl işlem prosesinin ardından fosfat kaplama işlemi uygulanmaktadır.
Uygulanan fosfat kaplama işlemiyle dişlilerin yüzeysel özellikleri değiştirilerek otomobilin motorunun çalışması sırasında yapılan yağlama sisteminin daha verimli çalışması sağlanmaktadır. Kaplama işlemiyle oluşturulan pürüzlü yüzeyde daha uzun süre tutulan yağ tanecikleri sayesinde sürtünme azaltılarak, sürtünme sırasında oluşan aşınma, ses ve ısınma da azaltılmaktadır. Böylece dişlilerin, vites kutusunun ve bağlantılı çalışan tüm ekipmanların daha verimli, konforlu ve uzun ömürlü çalışması sağlanmaktadır.
Fosfat kaplama prosesi çeşitli çözelti banyolarının sıralı bir şekilde bulunduğu bir hatta gerçekleştirilmektedir. Genel olarak temizlik, aktivasyon, fosfat kaplama ve durulama gibi aşamalardan oluşur. Dişli parçaları bu prosesten geçerek Renault normlarına göre belirlenmiş olan kaplama kalınlığı ve yüzey prüzlülüğü gibi karakteristiklerde standart değerlere sahip olurlar. Proseste su, asit, çeşitli ticari kimyasallar, otomatik havuz düzeneği, PLC kontrol sistemleri ve bazı mekanik teçhizatlar kullanılmaktadır. Kullanılan kimyasallar çelik malzemeden üretilen dişli parçalarıyla girdikleri etkileşimler sonucunda parça yüzeyinde pürüzlü bir yapı oluşturarak istenilen yüzey karakteristiğini kazandırmaktadırlar. Bu etkileşim sonucunda bir süre sonra havuz içerisinde fazla miktarda çökelti oluşmaktadır. Çökeltinin belirlenmiş bir miktarı aşmasıyla üretime devam edilemeyerek temizlik prosedürü uygulanmaktadır. Temizlik sonrası banyo şartlarının istenilen standartlara yeniden getirilmesiyle kaplama hücresi tekrar devreye alınmaktadır. Bu duruşun sık olması proses ve imalat verimliliği açısından istenmeyen bir durumdur. Bu sebeple bu çalışmada fosfat kaplama prosesindeki banyo şartları ve çökeltinin oluşum mekanizması incelenmiştir.
Fosfat kaplama işlemi için mevcut proses tasarımında herhangi bir kalite sorunu ya da imalat verimsizliği olmamakla birlikte üretim sırasında oluşan kimyasal atıkların
xvi
azaltılması, proseste kullanılan kimyasalların ve işçiliğin azaltılması, ürün başına harcamaların düşürülmesi için çökeltinin oluşumuna etki eden etkenler incelenmiştir.
Çalışma içerisinde proses parametreleri incelenmiş, üretim verileri takip edilmiş, oluşan çökelek üzerinde kimyasal analizler ve XRD analizleri yapılmıştır. Kaplama prosesine giren parçaların çelik kaliteleri ve boyutsal özellikleri göz önünde bulundurulmuştur. Çeşitli SEM görüntüleri elde edilmiş ve EDS analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile kaplama kalitesini sürdürülebilir kılmak ve yapılan kaplama ünitesinin duruşu sonucuyla oluşan kayıpların minimize edilmesi amacıyla öneriler yapılmıştır.
Gerçekleştirilen araştırma ve deneysel çalışmalar sonucunda mangan fosfat kaplama sistemindeki pH değişimiyle farklı çökeleklerin oluşabileceği görülmüştür. Çözelti içerisindeki demir iyonlarının derişiminin de çökelek oluşumuna etkisi olduğu görülmüştür. Fosfat, mangan ve demir bulunan ortamdaki mevcut termodinamik şartlar altında kararlı tepkimelerin pH ile değişiklik gösterdiği görülmüştür. Demir fosfat ve mangan fosfat bileşikleri pH ve demir konsantrasyonu ile farklı şartlar altında birbirlerinden daha kararlı yapıya geçerek çökelek oluşturabilmektedirler. Mevcut prosesimizdeki çökelme mekanizmasında ise çalıştığımız pH aralığının kararlı bileşiği olan mangan fosfat bileşiğinin çökeldiği belirlenmiştir.

Abstract:
Gearbox is leading mechanism for powertrain systems in the automobile technology. It consists of alignment of different sized and formed gears into shafts with a calculation. The difference between number of teeths in gears and the diameter of gears provides rotational speed adjustment for shafts those gears are aligned. It's inevitable that gear parts are worn out with time due to contact and friction between conjugate teeths of gears. The gearbox parts are processed into various heat treatment and coating processes to avoid from this wear mechanism. Oyak Renault Automobile Factory has a phosphate coating technolgy for gearbox parts to protect parts from corrosion and abrasion.
The phosphate coating provides effective lubrication system within gearbox by changing surface characterization of teeths. Hollowed surface allows keeping more lubricant on the surface that it contacts continuously with its conjugate. Thus, the heat, noise and wear are reduced with lower friction between teeths. And It's ensured that the gears, gearboxes and connected equipments are more efficient, comfortable and more durable.
The coating process are carried out in a line which it has several solution baths sequentially. Cleaning, activation, phosphatizing and rinsing are main bath during the coating process. Gear parts have standard characteristic features such as surface roughness, coating thickness after the coating process. Water, acid, various commercial chemicals, automatic bath system, PLC control systems and mechanical equipments are used in the process.
The chemicals used in the process provide desired surface characteristics by forming a hollow structure on the surface of the parts as a result of interactions with steel material. As a result of the interaction between chemicals and steel material, a large amount of precipitate is formed in the bath after a while. It's not allowed to continue the processing further when the precipitation accumulates specified amount within the bath. Cleaning procedure is carrieed out and all conditions are adjusted to the desired standarts, then the coating bath is capable for the processing. This stance is undesirable in terms of process and manufacturing efficiency. Therefore this study examines the formation of precipitate, its effects on the production and the overall process, and the improvement options.
In the present process design for the phosphate coating process, there are no quality problems or manufacturing inefficiencies, but the study examines options to reduce the chemicals, its wastes, workforce and cost per product in the process.
Process parameters were examined, manufacturing data were followed for analyzing the precipitation process. Chemical and XRD analyses were examined from precipitated chemicals. SEM images were taken from several samples to observe
xviii
change on the steel surface by processing in phosphatation. EDS analysis from coated surface was also carried out to investigate coating chemistry. Free acidity and total acidity terms are taken into account to predict predominant reactions in the phosphatation bath. Pourbaix diagrams were used to interpret these reactions. It's observed that total acidity decreases while free acidity increases over time within the bath. And different reactions occur with the acidity shifts.
It's observed that iron (Fe) and manganese (Mn) both forms as hureaulite crystals on the steel surface according acidity of solution. It's confirmed activation of steel surface is an important step to control surface morphology and coating structure which is already specified in some studies.
As a result of the research and experimental studies performed, it was observed that different precipitates can be formed by changing the pH in the manganese phosphate coating system. It was observed that the concentration of iron ions in the solution had an effect on precipitate formation. Stable reactions were examined with changing of pH value under the current thermodynamic conditions in the system. Iron phosphate and manganese phosphate compounds can form precipitates by passing to a most stable structure under different conditions with changing of pH and iron concentration. In the present process, manganese phosphate compound which is the stable compound of the pH range we studied has been observed in the precipitation mechanism.