Plastik enjeksiyon kalıplamada kullanılan berilyum-bakır alaşımının tribolojik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of tribological properties of berrylium-copper alloy used in plastic injection molding
Yazar: MİHRİBAN KABAKCI
Danışman: PROF. DR. HARUN MİNDİVAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Akımsız kaplama = Electroless coating ; Aşınma = Wear ; Berilyum = Beryllium ; Korozyon = Corrosion ; Plastik enjeksiyon kalıpları = Plastic injection molds

Özet:
Berilyum bakır (Be-Cu) alaşımları, yüksek termal iletkenlikleri nedeniyle termoplastik enjeksiyon kalıplarının üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alaşımlar 250 ve 400 C arasındaki sıcaklıklarda çökelme sertleşmesine izin verse de aşınma direncini arttırmak için yine de yüzey koruma kaplamaları tercih edilmektedir. Bununla birlikte, bu kaplamaların belirli sıcaklık aralıkları altında gerçekleştirilmesi durumunda bu alaşımların aşırı yaşlanmasına neden olabilir. Bu durumda altlık malzeme olarak kullanılan Be-Cu alaşımın mekanik özelliklerinde önemli bir kayba neden olarak yüksek doğruluk istenen göbek pimleri ve dar kapatma bölgelerine sahip maça ve kalıp boşluğu gibi bazı endüstriyel uygulamaların imalatını olanaksız hale getirir. Bu çalışmada akımsız Nikel-Fosfor (Ni-P), Nikel-Bor (Ni-B) ve Nikel-Fosfor/ Nikel-Bor (Ni-P/ Ni-B) kaplama yöntemiyle Be-Cu alaşımının korozyon ve aşınma direncini artırmak için bir çözüm olarak önerilmektedir. Kaplamalar ve altlık malzeme olarak kullanılan Be-Cu alaşımının sertliği, kesit boyunca ölçülerek değerlendirildi. Kaplamalar ve Be-Cu alaşımın mikroyapısı ve kristalliği, sırasıyla optik metal mikroskobu (OM) ve X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak karakterize edildi. Kaplama-altlık sistemlerinin korozyon ve aşınma davranışı, ileri-geri aşınma deneyleri, elektrolitik korozyon deneyleri, yüzey profilometresi ve OM ile değerlendirildi. Ni-P kaplama 12 µm kalınlığında düz bir yüzey sergilerken, Ni-B ve Ni-P/Ni-B dubleks kaplamalar ise sırasıyla 7-8 µm ve 12-13 µm ortalama kalınlıkta pürüzlü ve dalgalı bir yüzey görüntüsüne sahiptir. XRD analizi ile akımsız kaplamaların amorf ve kristalin fazların karışımından oluştuğu ve akımsız dubleks kaplamanın tekli kaplamalara kıyasla daha amorf yapı sergilediği belirlenmiştir. Altlık malzeme olarak kullanılan Be-Cu alaşımı sertliğini korurken, akımsız Ni-P kaplamanın sertliği 2,2 kat, Ni-B ve Ni-P/Ni-B dubleks kaplamanın ise 3,7 kat artmıştır. Yüksek yük altında (7,5 ve 10 N) Ni-P kaplamaya kıyasla Ni-B ve Ni-P/Ni-B dubleks kaplamanın aşınma direnci önemli oranda artmıştır. Akımsız Ni-P ve Ni-B kaplamaların korozyon direnci altlık malzeme olarak kullanılan Be-Cu alaşıma nazaran yeterli koruma sağlayabileceği gözlenmiştir.

Abstract:
Beryllium-Copper (Be-Cu) alloys are widely used to manufacture thermoplastics injection molds due to their high thermal conductivity. Even though these alloys admit precipitation hardening at temperatures between 250 and 400 C, they still call for surface protection coatings to improve their wear resistance. However, if these coatings are carried out under specific deposition temperature ranges, it can cause over-aging of these alloys. In this case, it causes a significant loss in the mechanical properties of the Be-Cu alloy used as the substrate material, making it impossible to manufacture some industrial applications such as core pins with high accuracy, and cores and cavities injection mold with narrow closure regions. This work proposes a solution to increase corrosion and wear resistance of Be-Cu alloy through an electroless Nickel-Phosphorus (Ni-P), Nickel-Boron (Ni-B) and Nickel-Phosphorus/Nickel-Bor (Ni-P/ Ni-B) coating. Hardness of coating and substrate was evaluated by measuring the cross-sectional hardness profile. Microstructure and crystallinity of coating and substrate were characterized using optical metal microscopy (OM) and X-ray diffraction (XRD), respectively. Corrosion and wear behavior of coating-substrate systems were evaluated by reciprocating wear tests, electrolytic corrosion tests, surface profilometry and OM. While the Ni-P coating presented a flat surface with a thickness of 12 µm, the Ni-B and Ni-P/Ni-B duplex coatings had a rough and wavy surface appearance with an average thickness of 7-8 µm and 12-13 µm, respectively. By XRD analysis, it was determined that the electroless coatings are composed of a mixture of amorphous and crystalline phases and the electroless duplex coating exhibits a more amorphous structure compared to the single coatings. While the Be-Cu alloy used as the substrate material maintained its hardness, the hardness of the electroless Ni-P coating increased 2.2 times, and the Ni-B and Ni-P/Ni-B duplex coating increased 3.7 times. The application of Ni-B and Ni-P/Ni-B duplex coating increased the wear resistance compared to Ni-P coating under high load (7.5 and 10 N). It has been observed that the corrosion resistance of electroless Ni-P and Ni-B coatings can provide sufficient protection compared to the Be-Cu alloy used as the substrate material.