Uygulama notu | Nemli ortamda triboloji
Nemin DLC kaplama tribolojisine etkisi
Bağıl nem, elmas benzeri karbonun sürtünmesini, transfer filmini ve aşınmasını nasıl değiştirir
Araştırma ve deneysel test
NANOVEA Laboratory
Görsel tasarım ve editörlük
Andrew Shore
Giriş
Elmas benzeri karbon (DLC) kaplamalar, mükemmel aşınma direnci ve çok düşük sürtünme katsayısı (COF) gibi gelişmiş tribolojik özelliklere sahiptir. DLC kaplamalar farklı malzemeler üzerine biriktirildiğinde onlara elmas özellikleri kazandırır. Üstün tribomekanik özellikleri, DLC kaplamaları havacılık parçaları, tıraş bıçakları, metal kesme takımları, rulmanlar, motosiklet motorları ve tıbbi implantlar gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda tercih edilir kılar.
Nemli ortamda DLC aşınma değerlendirmesi neden önemlidir
DLC kaplamalar yüksek vakum ve kuru koşullarda çelik bilyelere karşı çok düşük COF (0,1’in altında) gösterir1, 2. Ancak DLC kaplamalar çevresel koşullardaki değişimlere, özellikle bağıl neme (BN) duyarlıdır3. Yüksek nem ve oksijen konsantrasyonuna sahip ortamlar COF’ta belirgin bir artışa yol açabilir4. Kontrollü nemde güvenilir aşınma değerlendirmesi, tribolojik uygulamalardaki DLC kaplamaların gerçekçi çevre koşullarını simüle eder. Kullanıcılar, farklı neme maruz kalan DLC aşınma davranışlarını doğru biçimde karşılaştırarak hedef uygulamaları için en iyi DLC kaplamaları seçer.
ℹ️ Nem kontrollü sürtünme ve aşınma laboratuvar hizmetleri hakkında daha fazla bilgi edinin.
Ölçümün amacı
Bu çalışma, nem kontrolörüyle donatılmış NANOVEA tribometresinin DLC kaplamaların çeşitli bağıl nemlerdeki aşınma davranışını incelemek için ideal bir araç olduğunu göstermektedir.
NANOVEA T200 Compact
Pnömatik tribometre
Test prosedürü
DLC kaplamaların sürtünme ve aşınma direnci NANOVEA tribometresiyle değerlendirildi. Test parametreleri Tablo 1’de özetlenmiştir. Tribo-hazneye bağlı bir nem kontrolörü bağıl nemi (BN) ±%1 doğrulukla hassas biçimde kontrol etti. Testlerden sonra DLC kaplamalardaki aşınma izleri ve SiN bilyelerdeki aşınma izleri optik mikroskopla incelendi.
Not: Yağlayıcı içinde veya yüksek sıcaklık gibi çevre koşullarında farklı malzeme eşleşmelerinin performansını simüle etmek için herhangi bir katı bilye malzemesi kullanılabilir.| Parametre | Değer |
|---|---|
| Kupon numune malzemesi | Paslanmaz çelik SS304 |
| Bilye malzemesi | SiN |
| Bilye çapı | 6 mm |
| Normal kuvvet | 2 N |
| Dönme hızı | 200 rpm |
| Test süresi | 15 dk |
| Aşınma izi yarıçapı | 3 mm |
| Yağlayıcı | Yok |
| Ortam | Hava |
| Sıcaklık | 24°C (oda) |
| Nem | %10, %30, %50, %70 ve %90 |
Tablo 1: Aşınma ölçümlerinin test parametreleri.
Sonuçlar ve tartışma
DLC kaplamalar düşük sürtünmeleri ve üstün aşınma dirençleri sayesinde tribolojik uygulamalar için mükemmeldir. DLC kaplamanın sürtünmesi Şekil 2’de görüldüğü gibi neme bağlı bir davranış gösterir. DLC kaplama, nispeten kuru koşullarda (%10 BN) aşınma testi boyunca ~0,05 gibi çok düşük bir COF gösterir. BN %30’a çıktığında DLC kaplama test boyunca ~0,1’lik sabit bir COF sergiler. BN %50’nin üzerine çıktığında ilk 2000 devirde COF’un başlangıç alışma aşaması gözlenir. DLC kaplama, %50, %70 ve %90 BN’de sırasıyla ~0,20, ~0,26 ve ~0,33 maksimum COF gösterir. Alışma döneminin ardından DLC kaplamanın COF’u %50, %70 ve %90 BN’de sırasıyla ~0,11, 0,13 ve 0,20’de sabit kalır.
| Bağıl nem | Maksimum COF (alışma) | Kararlı COF |
|---|---|---|
| 10% | – | ~0.05 |
| 30% | – | ~0.1 |
| 50% | ~0.20 | ~0.11 |
| 70% | ~0.26 | ~0.13 |
| 90% | ~0.33 | ~0.20 |
Tablo 2: Farklı bağıl nemlerde DLC kaplamanın COF değeri.
Şekil 3 aşınma testlerinden sonra SiN bilye aşınma izlerini, Şekil 4 ise DLC kaplama aşınma izlerini karşılaştırır. DLC kaplama düşük nemli bir ortama maruz kaldığında aşınma izinin çapı daha küçüktü. Temas yüzeyindeki tekrarlı kayma sürecinde SiN bilye yüzeyinde bir DLC transfer tabakası birikir. Bu aşamada DLC kaplama, bağıl hareketi kolaylaştıran ve kayma deformasyonunun yol açtığı ek kütle kaybını sınırlayan etkili bir yağlayıcı gibi davranan kendi transfer tabakasına karşı kayar. Düşük BN ortamlarında (ör. %10 ve %30) SiN bilyenin aşınma izinde bir transfer filmi gözlenir ve bu da bilyedeki aşınma sürecini yavaşlatır. Bu aşınma süreci, Şekil 4’te görüldüğü gibi DLC kaplamanın aşınma izi morfolojisine de yansır. DLC kaplama, temas arayüzünde sürtünmeyi ve aşınma oranını belirgin şekilde azaltan kararlı bir DLC transfer filmi oluştuğu için kuru ortamlarda daha küçük bir aşınma izi gösterir.
Sonuç
Nem, DLC kaplamaların tribolojik performansında hayati bir rol oynar. DLC kaplama, kayan karşı yüzeye (bu çalışmada bir SiN bilye) aktarılan kararlı bir grafitik tabakanın oluşması sayesinde kuru koşullarda belirgin şekilde artmış aşınma direnci ve üstün düşük sürtünme gösterir. DLC kaplama, bağıl hareketi kolaylaştıran ve kayma deformasyonunun yol açtığı ek kütle kaybını sınırlayan etkili bir yağlayıcı gibi davranan kendi transfer tabakasına karşı kayar. Bağıl nem arttıkça SiN bilye üzerinde film gözlenmez; bu da SiN bilyede ve DLC kaplamada aşınma oranının artmasına yol açar.
NANOVEA tribometresi, ISO ve ASTM uyumlu döner ve doğrusal modlarla tekrarlanabilir aşınma ve sürtünme testleri sunar; isteğe bağlı nem modülleri tek bir ön entegre sistemde mevcuttur. Kullanıcıların farklı nem koşullarında çalışma ortamını simüle etmesine olanak tanır ve malzemelerin farklı çalışma koşullarındaki tribolojik davranışlarını nicel olarak değerlendirmek için ideal bir araç sağlar.
Kaynaklar
1. C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100–101 (1998) 180.
2. K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225–229 (1999) 65.
3. R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133–134 (2000) 437.
4. R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31.
Nemli ortamda DLC kaplama tribolojisi hakkında sık sorulan sorular
Nem DLC kaplamalar için neden önemlidir?
DLC kaplamalar yüksek vakum ve kuru koşullarda çeliğe karşı çok düşük sürtünme (0,1’in altında) gösterir, ancak çevresel değişimlere, özellikle bağıl neme duyarlıdır; yüksek nem ve oksijen konsantrasyonu sürtünmeyi belirgin şekilde artırabilir.
Kontrollü nemde DLC aşınması nasıl test edilir?
Tribo-hazneye bağlı bir nem kontrolörüne sahip tribometre bağıl nemi ±%1 içinde tutar. Burada 6 mm’lik bir SiN bilye, DLC kaplama üzerinde 2 N ve 200 rpm’de 3 mm yarıçapta 15 dakika boyunca %10, %30, %50, %70 ve %90 BN’de çalıştırıldı.
Sürtünme nemle nasıl değişti?
COF %10 BN’de ~0,05, %30 BN’de ~0,1 idi. %50 BN’nin üzerinde ilk 2000 devirde bir alışma aşaması ortaya çıktı; %50, %70 ve %90 BN’de sırasıyla ~0,20, ~0,26 ve ~0,33’te tepe yapıp ~0,11, 0,13 ve 0,20’de dengelendi.
DLC sürtünmesi kuru koşullarda neden daha düşüktür?
Kayma sırasında karşı bilye üzerinde bir DLC transfer tabakası birikir; böylece kaplama kendi transfer filmine karşı kayar. Bu film etkili bir yağlayıcı gibi davranır ve kütle kaybını sınırlar. Film düşük nemde (%10 ve %30 BN) oluşur, ancak nem arttıkça gözlenmez.
Nem aşınmayı nasıl etkiledi?
SiN bilye aşınma izleri düşük nemde daha küçüktü ve DLC kaplama da kararlı transfer filmi sayesinde kuru ortamlarda daha küçük bir aşınma izi gösterdi; bilyenin ve kaplamanın aşınması bağıl nemle birlikte arttı.
DLC kaplamalar nerelerde kullanılır?
Mükemmel aşınma dirençleri ve çok düşük sürtünme katsayıları sayesinde havacılık parçalarında, tıraş bıçaklarında, metal kesme takımlarında, rulmanlarda, motosiklet motorlarında ve tıbbi implantlarda.
