Pulse (Darbeli) Plazma Yöntemi ile Çelik Yüzey Özelliklerinin Geliştirilmesi
1.Giriş
Makine parçalarının yüzeylerinin işlenmesi için kullanılan teknolojiler, süreç verimliliği, ürün performansı, malzeme maliyeti, işleme ve ısıl işlem gibi kritik alanlarda mevcut sorunları tam olarak çözememektedir. İş parçalarının yüzey özelliklerinin yetersizliği yeni tekniklerin araştırılmasına sebep olmaktadır.
Bir taraftan çok büyük kalite varyasyonları ve düşük ürün performansı seviyesi ile proseslerinin verimliliğinin azalması diğer taraftan iş parçalarının ömrünün az olması üretim maliyetinin artmasına neden olmaktadır.
[1]. Metaller, ahşap, sentetikler, deri, kauçuk vb. ile çalışan endüstrilerde kullanılan kesme ve şekillendirme aletleri gibi aletlerin yüzeyi ve sürtünme yatakları, eksantrik mili, valfler vb. gibi makine parçaları, muazzam mekanik ve termal yükleri taşımaları gereken koşullar altında çalışmaktadırlar. Bu yüzeylerin yüksek düzeyde sertlik, aşınma dayanımı ve ısı direncine sahip olması çok önemlidir.
[2] Bu amaçla yaygın olarak kullanılan yüzey tekniklerinin pek çoğu pahalı ve verimsizdir. Ayrıca performans ve güvenilirlik özelliği açısından problemler içermektedirler.
[3] Pulse plazma yöntemi yukarıda sayılan pek çok sorunu çözebilmek için önerilmiş bir yöntemdir.
1.1 Pulse Plazma Sistemi
Pulse (darbeli) plazma sistemi; elasto-plastik deformasyon, ses ve darbeli manyetik alan etkisi, ısı, elektrik darbesi işlemi, çalışma sırasında metal ve alaşımların deformasyonunu
içeren bir modifikasyon yöntemidir. Yakıt gaz karışımlarının patlaması ile enerji yoğunluğuna sahip bir jet oluşturulur.
Elektromanyetik alanın bir patlama dalgası üzerine bindirilmesi, iş parçasının yüzey tabakası, tipik olarak 107-1010K/s aralığında ısıtma ve soğutma oranları ile hızlı bir erime ve katılaşmaya maruz kalır.
Darbeli plazma işleminden sonra, yüzey tabakası yüksek sürtünme önleyici özelliklere ve aşınma direncine sahip olmaktadır. Pulse plazmasının boyut sınırlaması veya kalıntı gerilim sorunları yoktur ve bu nedenle karmaşık şekilli endüstriyel parçalar işlemek için uygun bir yüzey modifikasyon tekniğidir.
[1-4,6]. Lazer işlemi, elektron ışını işlemi ve geleneksel iyon implantasyonu ile karşılaştırıldığında, pulse plazma yöntemi, yüksek enerji dönüşümüne, işleme verimliliğine ve işlem kolaylığı özelliklerine sahiptir.
[caption id="attachment_131310" align="aligncenter" width="579"]
Şekil 1: Darbeli plazma modifikasyon sisteminin şematik gösterimi: 1-patlatma odası, 2-merkezi elektrot anot, 3-konik elektrot-katot, 4-elektrotlar arası boşluk, 5-sarf elektrot, 6-güç kaynağı, 7-arası boşluk elektrotlar, 8-darbeli plazma oluşturma, 9-çalışma yüzeyi[/caption]
Numunelerin yüzeyinin modifikasyonu için uygulanan darbeli plazma tekniğinin şematik gösterimi Şekil 1’de gösterilmiştir. Plazmatron, yakıt gaz karışımının oluşturulduğu ve patlama yanmasının başlatıldığı bir patlama odası (1), bir merkezi elektrot anot (2), bir konik elektrot-katot (3), elektrotlar arası boşluk (4), bir sarf malzemesi elektrotu (5) ve bir güç kaynağından (6) oluşmaktadır. Patlamanın başlangıcında, elektrik devresini tamamlamak için iyonize yanma ürünleri patlama odasından (1) elektrotlar
arası boşluğa (4) beslenir.
Bu, gaz-dinamik ve elektromanyetik kuvvetlerin etkisi altında yanma ürünlerinin oluşturduğu iletken tabakanın (7) oluşmasına yol açmıştır. Sarf malzemesi metal çubuk (5), merkezi elektrot ekseni boyunca bir konumda sabitlenmiştir.
Çubuğun ucu ısıtma sırasında buharlaştırılır ve alaşım elementlerinin plazma jetine katılması sağlanır. Numuneler plazmatrondan çıkarıldıktan sonra plazma jeti (8) anot elektrotu ile katot iş parçası (9) arasındaki devreyi kesmiştir [1,3].
3e5 Hz frekanslı döngüsel termal etki, metal tabakanın faz durumunu değiştirerek alaşım elementlerinin transferini hızlandırarak erime noktasına kadar yüzeyin periyodik olarak
ısınmasına neden olur.
Yüzey katmanının yüksek sıcaklık gradyanları ile birden fazla ısıtılması ve soğutulması, bu
katmandaki stres ve gerinimlerde periyodik değişikliklere yol açar, bu da bir metal alaşımın yapısal durumunda önemli değişikliklere neden olur.
Plazma patlatma işlemine, yüzeyde yavaşlayan yüksek hızlı plazma jetinin darbeli mekanik basıncı eşlik eder. Serbest gaz-dinamik şokların (pulse) enerjisi (4 kJ’ye kadar), plazma jetinin kütlesi ve hızı ile belirlenir.
Mekanik etki, katı bir cisimde meydana gelen kimyasal ve kütle değişim süreçlerinin hızlandırılması için etkili bir araç olarak kabul edilmektedir. Bir metal alaşımında salınım işlemlerini aktive eder, uzun dalga akustik fononları uyarır, böylece soğutmayı ve kristalleşmeyi hızlandırır ve ısıtılmış katmandaki alaşım elementlerinin kütle transferini yoğunlaştırır [1,3].
Yüksek hızlı plazma jetine güçlü bir ses dalgası (150 dB’ye kadar) eşlik eder [1-3]. Akustik etki, işlenmiş bir ortamda elastik veya yarı elastik salınımların yayılmasıdır. Akustik dalgalar kimyasal dönüşümleri yoğunlaştırır ve mekanik, termal ve kimyasal etkilerin verimliliğini artırır [3-7].
Yüzeydeki kimyasal etki, kimyasal reaksiyonları (katalizörler) başlatan veya hızlandıran ve iş parçası yüzeyinde bir metal alaşımı ile kimyasal etkileşime giren malzemelerin plazmaya eklenmesi nedeniyle gerçekleştirilir.
Cihaz, hem iş parçası yüzeyine hem de birbirine göre aktif olabilen, kütle ve bileşim bakımından farklı olan kimyasal malzemelerin bir kombinasyonunun plazma jetine eklenmesine izin verir [1-3].
Elektron akımı kendi manyetik alanı tarafından bastırıldığında, iyonlar elektrotlar arası radyal elektrik alanında etkin bir şekilde hızlandırılır [1,9].
Numunelerin çalışan yüzeyleri propan ve azot gazlarının bileşenleri ile etkileşim halinde metal elektrot çubuğundan çözünen alaşım elementlerini içeren bir plazma atmosferi
eşliğinde modifikasyon işlemine tabi tutulmuştur.
Tükenen elektrot olarak tungsten kullanılmaktadır. Tükenen elektrotun iyonize olması iş parçası yüzeylerine plazma bileşenleri ile alaşımlanmasını ve yüzeylerin sertleşmesini sağlamaktadır. İşlem süresi yaklaşık olarak 1 dakika sürmektedir.
Konsantre enerji akışının her darbesi, süper hızlı termal döngülere neden olur ve yüzeyi değiştirir. Bu işlemde tüketilen elektrot, tungsten (W) ve nitrojen (N) atomlarının
iyonlaşmasına neden olur ve bunlar difüzyon mekanizması ile yüzeye dop edilir.
Modifikasyon işlemi sonunda yüzeylerin mikrosertlik değerleri 5-6 kat artmaktadır. Proses
parametreleri de modifikasyon tabakasının kalınlığını ve mekanik özelliklerini etkilemektedir. Pulse (darbe) sayısı arttıkça modifikasyon zonun kalınlığı da artmaktadır [8-9].
Sonuç
Pulse (darbeli) plazma tekniği, yüzey modifikasyonu için kullanılmaktadır. Pulse plazma en önemli avantajları; işlem süresinin çok kısa olması (1 dk.) ve ekonomik olmasıdır. Kısa sürede etkili ve üstün mekanik özellikler yüzeyde üretebilmektedir.
Proses parametreleri, yüzeylerin nihai yapısını ve mekanik özelliklerini belirlemede önemli etkilere sahiptir. Bu parametreler arasında, nozul mesafesi boyunca gaz difüzyonunun
kontrolü, pulse sayısı ve plazma bileşimi en önemlileridir. Bu parametrelerin uygun bir kombinasyonu, en iyi yüzey özelliklerini sağlayacak ve işlem süresinin süresini önemli bir ekonomik faktör olarak belirleyecektir.
Bu teknik sayesinde, artan pulse sayısı ile modifiye edilmiş bir tabakanın kalınlığı artar ve elde edilen yapı homojen hale gelir. Yüzeylerin modifikasyonu sırasında faz ve yapı dönüşümleri meydana geldi. Yeni fazlar ve yapı dönüşümleri, yüzey mekanik özelliklerini ciddi oranda iyileştirmektedir. Sertlik değerleri 4-6 kat artmakta ve aşınma dayanımları gelişmektedir.
Kaynakça / References
1) K. M. Zhang, J. X. Zou, B. Bolle, T. Grosdidier, Vacuum, 87 (2013), 60–68, doi:10.1016/j.vacuum.2012.03.061
2) N. Y. Tyurin, O. V. Kolisnichenko, N. G. Tsygankov, The Paton Welding Journal, (2004), 38–43
3) C. Kwietniewski, W. Fontana, C. Moraes, A. S. Rocha, T. Hirsch, A. Reguly, Surface and Coatings Technology, 179 (2004) 1, 27–32,
4) Q. F. Guan, H. Zou, G. T. Zou, A. M. Wu, S. Z. Hao, J. X. Zou, Y. Qin, C. Dong, Q. Y. Zhang, Surface & Coatings Technology, 196, (2005)
1–3, 145–149,
5) J. L. Fan, T. Liu, H. C. Cheng, D. L. Wang, Journal of Materials Processing Technology, 208 (2008) 1–3, 463–469, doi:10.1016/
6) Y. Y. Ozbek, M. Durman, H. Akbulut, Tribology Transactions, 52, (2009) 2, 213–222, doi:10.1080/10402000802369721
7) V. V. Uglov, V. M. Anishchik, N. N. Cherenda, Y. V. Sveshnikov, V.M. Astashynski, E. A. Kostyukevich, A. M. Kuzmitski, V. V. Askerko, Surface & Coatings Technology, 202 (2008) 11, 2439–2442,
8) Y. Yarali, M. Durman, H. Akbulut, Key Engineering Materials, 264–268 (2004), 561–564,
264-268.561
9) Z. Zhou, J. Linke, G. Pintsuk, J. Du, S. Song, C. Ge, Journal of Nuclear Materials, 386–388 (2009), 733–735
