G20Mn5QT döküm çelik alt tabaka ve 316L üzerinde teğetsel aşınma testleri gerçekleştirildi kaplama kaplama teğetsel fretting aşınma test cihazı kullanılarak bilye/düzlem temas modunda. Farklı yer değiştirme genlikleri (D=10, 20, 40 μm) ve 30 N sabit normal yük altında teğetsel fretting hasar mekanizması ve hasar evrim yasası tartışıldı. Döküm çelik alt tabakanın yüzey fazları ve 316L kaplama kaplaması, aşınma bölgesinin yüzey morfolojisi ve aşınma izinin kimyasal elementleri X-ışını difraktometresi (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), beyaz ışık interferometresi ve elektron spektrometresi (EDS) kullanılarak analiz edildi ve karakterize edildi. Sonuçlar, 316L kaplamanın lazerle kaplanmasından sonra Cr0.19Fe0.7Ni0.11 gibi Cr içeren sert fazlar ve kaplama işlemi sırasında oluşan düzgün metalografik yapının kaplama yüzeyinin sertliğini %14.3 oranında artırdığını; normal yük Fn = 30 N olduğunda, yer değiştirme genliğinin artmasıyla döküm çelik alt tabakanın ve kaplama kaplamasının mikro hareket çalışma durumunun kısmi kayma bölgesinden karışık bölgeye ve tam kayma bölgesine kademeli olarak değiştiğini ve kararlı aşamadaki sürtünme katsayısının kademeli olarak arttığını ve aşınma hasarının derecesinin kademeli olarak yoğunlaştığını göstermektedir; Kısmi kayma bölgesinde, döküm çelik alt tabakanın ve kaplama kaplamasının hasar mekanizması yapışma aşınmasıdır ve karışık bölge ve tam kayma bölgesinde, hasar mekanizması aşındırıcı aşınma, delaminasyon ve oksidasyon aşınmasıdır; 316L kaplama kaplamasının hasar derecesi döküm çelik alt tabakanınkinden daha hafiftir. Karışık bölgede ve kayma bölgesinde, 316L kaplama tabakasının aşınma oranı G4.26Mn20QT döküm çelik alt tabakaya kıyasla yaklaşık %5 oranında azalır. %19.1. G20Mn5QT döküm çelik alt tabakaya kıyasla, 316L kaplama kaplaması daha yüksek anti-fretting aşınma performansı sergiler.

Bogie şasisini ve tekerlek takımını birbirine bağlayan temel bileşenlerden biri olarak, aks kutusunun servis stabilitesi, trenin güvenli çalışmasını etkileyen önemli bir faktördür. Lokomotif tekerlekleri ve raylar arasındaki dinamik kuvvet, aks kutusunun alternatif yükler taşımasına neden olur. Yüklerin etkisi altında, cıvatalar ve contalar arasındaki sıkı oturan yüzey, aks kutusunun servis güvenilirliğini ve emniyetini ciddi şekilde etkileyen aşınmaya eğilimlidir. G20Mn5QT döküm çeliği, iyi plastisitesi ve gevrek kırılmaya karşı mükemmel direnci nedeniyle döküm çelik aks kutularının imalatında yaygın bir malzeme haline gelmiştir [3]. Şu anda, bilim insanları esas olarak G20Mn5QT döküm çeliğinin kırılma tokluğuna ve uç kaynaklarının yorulma performansına odaklanmaktadır [4]. Ancak, G20Mn5QT döküm çeliğinin sürtünmesi, aşınması ve koruması üzerine yapılan araştırmalar nispeten azdır ve aşınma ve ilgili koruma hakkındaki raporlar daha da nadirdir. Aslında, uygun yüzey mühendisliği teknolojisinin kullanımı, malzemenin aşınma önleyici performansını etkili bir şekilde iyileştirebilir. Lazer kaplama, ileri bir malzeme yüzey modifikasyon teknolojisi olarak, elektrokaplama, termal püskürtme ve buhar biriktirme ile karşılaştırıldığında yüksek lazer ışını enerjisi, yoğun organizasyon, kaplama ile alt tabaka arasında yüksek bağ mukavemeti, büyük parçacık boyutu ve içerik çeşitliliği gibi avantajlara sahiptir.

316L paslanmaz çelik tozu (kısaca 316L), düşük maliyet, güçlü korozyon direnci, yüksek plastik tokluk, iyi şekillendirilebilirlik ve kaynaklanabilirlik özelliklerine sahip yaygın olarak kullanılan bir kaplama malzemesidir. Alt tabaka ile karşılaştırıldığında mükemmel mukavemet, tokluk, aşınma direnci ve korozyon direnci gösterir. Zhao Fangfang ve arkadaşları, 316 çeliğin yüzeyine 45L kaplama kaplaması hazırladılar. Kaplama ince ve düzgün bir mikro yapı gösterdi ve kaplamanın mikro sertliğini ve aşınma direncini büyük ölçüde iyileştiren düzgün dağılmış sert noktalar içeriyordu. Dong Hui ve arkadaşları, ısıl işlem sıcaklığının (650, 700, 750 ve 800 °C) Ni / 316L kaplama kaplamalarının sürtünme ve aşınma özellikleri üzerindeki etkisini incelediler. Farklı sıcaklıklarda ısıl işlem, kaplamanın sürtünme katsayısını ve aşınma oranını azaltabilir ve 750 °C ısıl işleme karşılık gelen kaplamanın aşınma direnci en iyisidir. Ek olarak, lazerle oluşturulan hızlı soğutma işlemi sırasında daha yoğun ve daha ince taneli bir yapı üretilir, bu da lazer kaplama 316L kaplama kaplamasının daha iyi aşınma direnci göstermesini sağlar. Majumdar ve arkadaşları, farklı SiC içeriklerinin (%5 ve %20 kütle kesri) 316L kaplama kaplamalarının performansı üzerindeki etkisini incelediler. Sonuçlar, kaplama tabakasının mikro sertliğinin alt tabaka ile karşılaştırıldığında sırasıyla %125 ve %400 oranında arttığını ve kaplama tabakasının aşınma direncinin de önemli ölçüde iyileştirildiğini gösterdi. Şu anda, farklı malzemelerin yüzeylerinde hazırlanan 316L kaplama kaplamalarının performansı yurtiçinde ve yurtdışında incelenmiştir. Ancak, G316Mn20QT döküm çelik parçaların yüzeyinde hazırlanan 5L kaplama kaplamalarının mikro-tribolojik özellikleri hakkında hala araştırma eksikliği vardır.

Bu çalışmada, G316Mn20QT döküm çelik parçaların yüzeyine lazer kaplama teknolojisi ile 5L kaplama kaplamaları hazırlanmış ve G20Mn5QT döküm çeliğinin ve 316L kaplama kaplamalarının teğetsel mikro hareket aşınma davranışı incelenmiştir. G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamalarının teğetsel mikro hareket aşınma davranışı dinamik tepki, aşınma izi mikromorfolojisi ve aşınma alanının tribokimyasal durumu açılarından karşılaştırılmış ve analiz edilmiştir. Böylece, G316Mn20QT döküm çelik malzemelerin mikro hareket aşınma performansını iyileştirmek için 5L kaplama kaplamalarının güçlendirme mekanizması ortaya konulmuş, aks kutularının güvenli servisini sağlamak ve aks kutularının servis ömrünü uzatmak için önemli teorik öneme ve endüstriyel uygulama değerine sahip olan döküm çelik aks kutularının yeniden üretimi ve onarımı için teorik destek sağlanmıştır.

1 Deneysel kısım
1.1 Deneysel materyaller
Şaft kutusu montaj kolu ve cıvata contasının gerçek montaj koşullarına dayanarak, bu makaledeki üst sürtünme çifti Q355E çelik bilyedir, bilye numune çapı 15 mm ve yüzey pürüzlülüğü Ra = 0.05 μm'dir. Alt numunenin taban malzemesi G20Mn5QT döküm çeliğidir ve numune tel kesme yoluyla 20 mm × 10 mm × 8 mm boyutlarında bir blok numuneye işlenir. Şaft kutusu montaj yüzeyinin ve cıvata contası birleşme yüzeyinin montaj pürüzlülük gereksinimlerine dayanarak, numune yüzeyi testten önce çok dereceli zımpara kağıdı ile önceden parlatılır ve taban malzeme yüzey pürüzlülüğünün (Ra) 0.1 μm'yi geçmemesi sağlanır ve ardından numune susuz etanole yerleştirilir. Numune yüzeyindeki kirleri temizlemek için ultrasonik temizleme kullanıldıktan sonra, numune üflenerek kurutulur ve kullanım için sabit sıcaklıktaki bir kurutma fırınına yerleştirilir. Mikro hareket sürtünme çifti malzemesinin (Q355E/G20Mn5QT döküm çeliği) temel kimyasal bileşimi ve mekanik özellikleri sırasıyla Tablo 1 ve Tablo 2’de listelenmiştir.

316L lazer kaplama numunelerinin deneysel hazırlama yöntemi, alt tabaka numunelerininkiyle tutarlıdır. Lazer kaplama ekipmanı, 6000 koaksiyel nozul, bir toz besleyici ve bir kontrol kabini ile donatılmış bir RFL-C3 (Wuhan Ruike Fiber Lazer Teknolojisi A.Ş.) yüksek güçlü fiber lazerdir. Koruyucu gaz ve taşıyıcı gaz her ikisi de argondur. Lazer ışını dalga boyu 1 nm, odak uzaklığı 070 mm, tarama modu doğrusal taramadır ve örtüşme oranı %11.6'tır. Kaplama alt tabakası malzemesi, 40 mm×20 mm×5 mm boyutlarında bir G175Mn150QT döküm çelik levhadır. Kaplama malzemesi, 30~316 μm toz parçacık boyutuna sahip, gaz fiziko-kimyasal yöntemi ile hazırlanan 53L paslanmaz çelik tozudur. Kaplamadan önce, plaka ultrasonik temizlik için etanole yerleştirilir ve toz 150 saat boyunca 100 °C'de bir vakumlu kurutma fırınına yerleştirilir. Kaplama kaplamasının düzgünlüğü toz besleme hızı, lazer gücü ve tarama hızı gibi faktörlere bağlıdır. Fan ve arkadaşları, G2Mn316QT döküm çeliğinin yüzeyine 20L kaplama kaplaması hazırladılar. Enine kesitin mikro sertliğini, çekme özelliklerini ve aşınma hızını kapsamlı bir şekilde karşılaştırarak, optimum kaplama parametreleri elde edildi: 5 2 W lazer gücü, 300 mm/dak tarama hızı ve 500 g/dak toz besleme hızı. 14L paslanmaz çelik tozunun ana kimyasal bileşimi Tablo 316'te gösterilmektedir ve morfolojisinin SEM fotoğrafı Şekil 3'de gösterilmektedir.

1.2 Test ekipmanı ve yöntemleri
Tüm fretting aşınma testleri, araştırma ekibi tarafından bağımsız olarak geliştirilen ve üretilen teğetsel fretting aşınma test cihazında gerçekleştirildi. Yapısal prensibi Şekil 2'de gösterilmiştir. Test sırasında, Q355E çelik bilye üst numuneydi, üst numune fikstürüne takılı kuvvet iletim koluna sabitlendi ve üst normal yük ağırlık tarafından yüklendi. G20Mn5QT döküm çeliği ve 316L kaplama kaplaması, alt numune fikstürüne sabitlenen alt numunelerdi. Üst numune bilye fikstürü, alt modüle kıyasla nispeten hareketsiz kaldı ve alt numune blok fikstürü, teğetsel ileri geri hareket gerçekleştirmek için ses bobini motoru tarafından tahrik edildi. Hareket yer değiştirmesi, yer değiştirmenin kapalı devre kontrolünü gerçekleştirmek için yüksek hassasiyetli bir kafes yer değiştirme sensörü tarafından bilgisayara iletildi. Test yükü kalibre edilmiş bir karşı ağırlık tarafından yüklendi ve teğetsel kuvvet, gerçek zamanlı olarak bir piezoelektrik kuvvet sensörü tarafından toplandı. Gürültü giderme ve filtreleme işlemleri sonrasında teğetsel yer değiştirme ve sürtünme kuvveti ana bilgisayar kontrol yazılımına iletildi ve Ft-D (sürtünme kuvveti-yer değiştirme genliği) eğrisi gerçek zamanlı olarak fretting işleminin durumunu gösterdi.
G20Mn5QT döküm çeliğinin ve 316L kaplama kaplamasının farklı yer değiştirme genlikleri altında teğetsel fretting aşınma özelliklerini keşfetmek amacıyla, teğetsel fretting aşınma testleri için normal yük Fn = 30 N ve yer değiştirme genlikleri D = 10, 20 ve 40 μm (küçük yer değiştirme, orta yer değiştirme ve büyük yer değiştirme olarak adlandırılır) seçildi. Test hatasını azaltmak için, tüm fretting testleri 20~25 ℃ oda sıcaklığında sıkı bir şekilde kontrol edildi. Bağıl nem (RH) %55 ± %10'da kontrol edildi, ses bobini motorunun ileri geri frekansı (f) 5 Hz, süre 4 000 s ve toplam fretting test çevrimi sayısı 2×104 kez oldu. Örnek verilerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini sağlamak için, her test grubu aynı koşullar altında en az 3 kez tekrarlandı. Ana test parametreleri Tablo 4'te listelenmiştir.

1.3 Mikro aşınmanın karakterizasyonu ve analizi
Bu deneyde, 000L kaplama kaplamasının yüzeyden çekirdeğe kadar olan mikro sertlik dağılımını test etmek için bir mikro sertlik test cihazı (KELITI-316ZB, Çin) kullanıldı; G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının fiziksel yapısını analiz etmek için bir X-ışını difraktometresi (XRD, Rigaku Ultima IV, Japonya) kullanıldı. Test voltajı ve akımı sırasıyla 40 kV ve 200 μA idi, hedef malzeme Cu hedefiydi, kırınım tepe noktası yarım yükseklik genişliği (DS) = kırınım tepe noktası tam genişliği (SS) = 1°, kırınım tepe noktası entegre yoğunluğu RS = 0.3 mm, tarama hızı 2000 d/dk ve tarama aralığı 30°~100° idi. Taramalı elektron mikroskobu (SEM, JEOL JSM-6610LV, Japonya) ve eşleşen elektron spektrometresi (EDS, OXFORD X-MAX50 INCA-250, Japonya), aşınma izinin yüzey ve kesit morfolojisini gözlemlemek ve aşınma izinin kimyasal element bileşimini analiz etmek için kullanıldı; beyaz ışık interferometresi (3B profil, Bruker Contour GT, Almanya) aşınma izinin kontur karakteristik parametrelerini toplamak için kullanıldı ve aşınma hacmi, aşınma alanı ve aşınma izinin maksimum aşınma derinliği elde edildi. Aşınma oranı (W) hesaplama formülü şu şekildedir: Şekildeki formül (1)'e bakınız, burada W aşınma oranıdır; V aşınma hacmidir (mm3); Fn normal yüktür (N); N çevrim sayısıdır; D ileri geri mikro hareketin toplam mesafesidir (m).

2 Sonuçlar ve analiz
2.1 316L kaplama kaplamasının mikro yapısı ve sertlik derecesi
Şekil 3(a), 316L kaplama kaplamasının derinlik yönü boyunca Vickers sertlik dağılımını göstermektedir. Alt tabakanın (Alt tabaka, Alt) ortalama mikro sertliği yaklaşık 210HV0.2'dir, ısıdan etkilenen bölgenin (Isıdan etkilenen bölge, HAZ) sertliği yaklaşık 300HV0.2'dir ve kaplama katmanının (Kaplama katmanı, CL) sertliği yaklaşık 240HV0.2'dir, bu da döküm çelik alt tabakanınkinden %14.3 daha yüksektir. Şekil 3(b), döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplama numunesinin yüzeyinin faz analizinin XRD spektrumunu göstermektedir. Döküm çelik alt tabakanın ana fazı γ-Fe iken, 316L kaplama kaplamasının ana fazı Cr ve Fe-Cr faz metal bileşikleridir (Cr0.19Fe0.7Ni0.11). Kırınım tepe alanı, Fe-Cr faz metal bileşiklerinin içeriğinin orijinal γ-Fe fazından daha az olduğunu göstermektedir. 0.19L kaplama kaplamasında çöken az miktardaki Cr0.7Fe0.11Ni316 yeni fazı, kaplama tabakasının sertliğini iyileştirir. Şekil 3(c), 316L kaplama kaplamasının metalografik yapısını göstermektedir. Kaplama kaplamasının yüzeyinde delik ve çatlak gibi önemli kusurlar yoktur ve kaplama tabakasında ince sütunlu kristaller ve eş eksenli kristaller gibi çeşitli kristal yapılar üretilir. Bu organizasyonel yapının yoğunluğu ve düzgünlüğü, kaplama sertliğinin alt tabakaya kıyasla önemli ölçüde iyileşmesini sağlar.

2.2 Fretting çalışma özellikleri
2.2.1 Ft-DN eğrisi analizi
Sürtünme kuvveti-yer değiştirme genliği (Ft-D) eğrisi, fretting sürtünme çifti temas arayüzünün gerçek zamanlı çalışma durumunu ve malzeme tepki davranışını etkili bir şekilde yansıtabilir ve dinamikleri karakterize etmek için önemli bir parametredir. Şekil 4, G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplamanın farklı yer değiştirme genliklerindeki Ft-DN eğrilerini gösterir ve Şekil 5, Ft-DN eğrisi yörüngesinin başlangıç ​​konumunun ve hareket yönünün şematik diyagramını gösterir. Şekil 4'te gösterildiği gibi, D=10 μm olduğunda, alt tabakanın ve kaplama tabakasının Ft-D eğrileri, döngünün sonuna kadar başlangıçtaki düz paralelkenardan düz bir çizgiye dönüşür. Döngünün başlangıcındaki düz paralelkenar, temas yüzeyinin göreceli kaymasını destekleyen sürtünme çifti yüzeyindeki oksit filmin veya adsorpsiyon filminin koruyucu etkisine atfedilir. Döngü sayısının artmasıyla sürtünme çifti yüzeyindeki film çıkarılır, üst ve alt numuneler doğrudan temas halinde olur, sürtünme kuvveti hızla artar, temas merkezi yapışma halindedir ve Ft-D eğrisi sonunda düz bir çizgiye sabitlenir ve mikro hareket kısmi kayma rejiminde (PSR) çalışır. Bu sırada, iki temas arayüzü arasındaki sürtünme deformasyonu esas olarak malzemenin elastik deformasyonu tarafından koordine edilir; D = 20 μm olduğunda, alt tabakanın ve kaplama tabakasının Ft-D eğrisi başlangıçtaki düz paralelkenardan eliptik bir şekle doğru kademeli olarak gelişir, arayüzün mikro hareket durumu hala merkez yapışma ve kenar mikro kaymasındadır, merkez yapışma alanı kademeli olarak azalır, yerel alan zaten üç gövdeli bir temastır, ancak iki gövde arasındaki temas hala büyük bir rol oynar ve mikro hareket karışık rejimde çalışır
(Karışık rejim, MR), bu anda İki temas arayüzü arasındaki sürtünme deformasyonu esas olarak malzemenin elastik-plastik deformasyonu tarafından koordine edilir; benzer şekilde, D = 40 μm olduğunda, alt tabakanın ve kaplama tabakasının Ft-D eğrisi Eğrilerin hepsi döngü boyunca düzenli bir paralelkenar sunar. Bu anda, mikro hareket kayma rejiminde (SR) çalışır [29-30] ve iki temas arayüzü arasındaki sürtünme deformasyonu esas olarak malzemenin plastik deformasyonu tarafından koordine edilir. Bu nedenle, normal yükün sabit tutulması koşulu altında, yer değiştirme genliğinin artmasıyla, G20Mn5QT döküm çelik alt tabakasının ve 316L kaplama kaplamasının mikro hareket çalışma durumu değişim eğilimi kısmi kayma bölgesinden ve karışık bölgeden tam kayma bölgesine değişir ve Ft-D eğrisi küçük yer değiştirmede düz bir çizgiden orta yer değiştirmede elipse ve büyük yer değiştirmede paralelkenara dönüşür.

2.2.2 Sürtünme katsayısı eğrisi
Sürtünme katsayısı eğrisi, mikro hareket aşınma sürecinde sürtünme çiftinin temas durumunu gerçek zamanlı olarak yansıtabilir ve mikro hareket aşınma davranışını değerlendirmek için önemli bir dinamik tepki parametresidir. Şekil 6, üç farklı yer değiştirme genliği altında G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının zamanla değişen sürtünme katsayısı eğrilerini göstermektedir. D=10 μm olduğunda, alt tabakanın ve kaplama tabakasının sürtünme katsayısının zamanla değişen eğrileri, giriş, yükselme ve kararlı aşamalara ayrılabilir. Mikro hareket çalışmaya başladığında yüzey filminin yağlanması nedeniyle sürtünme katsayısı küçük olur, bu durum Ft-D eğrisinde paralelkenar olarak yansır. Mikro hareket devam ettikçe sürtünme çiftinin yüzeyindeki oksit filmi zarar görüyor ve üst ve alt numuneler doğrudan temas halinde oluyor. Yapışma, sürtünme katsayısının hızla artmasına ve maksimum değere ulaşmasına neden olur. Temas kenarı, mikro kayma nedeniyle daha az aşınma kalıntısı üretir, ancak üretilen aşınma kalıntısı miktarı, arayüzler arasındaki temas durumunu değiştiremez ve hala orijinal iki gövde temasıdır. Yükselme aşamasından sonra sürtünme katsayısı hafif dalgalanmalar gösterir ve sabit kalır. Bu aşama Ft-D eğrisinde doğrusal bir tip olarak yansıtılır. Kararlı durumda, alt tabakanın ve kaplama tabakasının sürtünme katsayıları sırasıyla 0.411 ve 0.406'dır. D=20 μm olduğunda, alt tabakanın sürtünme katsayısı eğrisi beş aşamadan geçer: giriş, tırmanma, stabilizasyon, alçalma ve stabilizasyon. Yaklaşık 100 çevrimden sonra başlangıçtaki yüzey filmi kaldırılır, temas çifti yüzeyinin doğrudan temas alanı artar, sürtünme katsayısı yükselir ve temas alanı yapışma durumuna gelir. Çevrim sayısının daha da artmasıyla, temas yüzeyleri arasındaki bağıl kayma giderek baskın hale gelir, üçüncü gövde tabakasının oluşum hızı artar, bunun sonucunda sürtünme katsayısı azalır. Sonuçta iki cisim teması ile üç cisim teması yeni bir dengeye ulaşır ve sürtünme katsayısı tekrar sabitlenir. Kaplama tabakasının sürtünme katsayısı eğrisi dört tipik aşamayı göstermektedir: giriş, tırmanma, alçalma ve stabilizasyon. Başlangıçtaki yüzey filminin kaldırılması sürtünme katsayısının artmasına neden olur. Belirli sayıda çevrimden sonra iki cisim teması üç cisim temasına dönüşür ve sonunda dengeye ulaşır. Sürtünme katsayısı hızla düşmeye başlar ve sonunda tekrar kararlı bir duruma ulaşır. Bu aşamada Ft-D eğrisi, işlem başlangıcında düz bir paralelkenar sunar, daha sonra düz bir çizgiye ve daha sonra da bir elipse dönüşür. Kararlı aşamada, alt tabakanın ve kaplama tabakasının sürtünme katsayıları sırasıyla 0.612 ve 0.647'dir. Yer değiştirme genliği D=40 μm'ye çıktığında, alt tabakanın ve kaplama tabakasının sürtünme katsayısı eğrileri dört aşamayı göstermektedir: giriş, tırmanma, alçalma ve sabitleme. Sürtünme çiftinin temas alanı artmaya devam etmekte, ara yüzeyde oluşan aşınma artıkları sürtünmeye derinlemesine katılmakta ve sürtünme katsayısı artış eğilimi göstermektedir. Mikro hareket çevriminin artmasıyla temas gövdesi ara yüzünde oluşan üçüncü gövde tabakası yataklama ve yağlama görevi üstlenmekte ve sürtünme katsayısı azalma eğilimi göstermektedir. Sürekli proseste aşınma kalıntılarının oluşumu ve boşaltımı dinamik bir denge oluşturduğunda, sürtünme katsayısı eğrisi stabil olma eğilimindedir. Bu sırada Ft-D eğrisi paralelkenarda durağandır. Alt tabakanın ve kaplama tabakasının kararlı aşamadaki sürtünme katsayıları sırasıyla 0.675 ve 0.728'dir. Mikro hareketin kayma bölgesinde çalışması durumunda, kaplama tabakasının sürtünme katsayısının rodaj ve tırmanma aşamalarından sonra daha da yukarı yönlü bir eğilim gösterdiğini belirtmekte fayda var. Bunun nedeni, mikro hareket işlemi sırasında 316L kaplama kaplamasının oluşturduğu aşınma kalıntılarının, sürtünme çiftinin göreceli hareketini engelleyen sert parçacıklar haline gelmesi ve bu durumun da sürtünme katsayısını daha da artırması olabilir. Mikro hareket sürtünme katsayısı incelendiğinde, 316L kaplama kaplamasının sürtünme katsayısının G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanınkinden daha yüksek olduğu, bunun da iyi bir sürtünme azaltma etkisine sahip olmadığını gösterdiği görülmektedir. Ancak 316L kaplama malzemesinin aşınma direncine ilişkin araştırma, aşınma yüzeyinin aşınma hacmi ve aşınma hızının ayrıntılı karakterizasyonunun kapsamlı bir değerlendirmesine dayanmalıdır.

2.3 Aşınma morfolojisi ve aşınma mekanizması analizi
Şekil 7 ve 8, G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının farklı yer değiştirme genliklerindeki aşınma izlerinin genel morfolojisinin SEM fotoğraflarını ve sabit normal yük Fn = 30 N'da yerel hasar özelliklerini göstermektedir. Mikro hareket yer değiştirme genliğinin artmasıyla, alt tabakanın ve kaplama yüzeyinin aşınma alanının kademeli olarak arttığı görülebilir. Yer değiştirme genliği D = 10 μm olduğunda, alt tabaka ile kaplama tabakası arasındaki temas yüzeyinin hasar morfolojisi tipik bir mikro hareket halkası sunar, temas yüzeyinin merkezi yapışır ve belirgin bir hasar gözlenmez, yüzey taşlama izleri açıkça görülür ve kenar mikro kayma bölgesinde az miktarda aşınma kalıntısı birikimi vardır. Bu sırada aşınma mekanizması esas olarak adhesif aşınmadır. Yer değiştirme genliği D = 20 μm olduğunda, alt tabaka ile kaplama tabakası arasındaki temas yüzeyinin hasar morfolojisi eliptiktir, alt tabaka aşınması daha ciddidir, aşınma izi yüzeyinde pul pul dökülme ve karıklanma görülür, etrafta gevşek aşınma döküntü parçacıkları birikimi vardır ve aşınma izi alanında hafif plastik deformasyon görülebilir. Bu sırada, kaplama tabakasının aşınma izinin yüzey morfolojisi alt tabakanınkine benzerdir, kaplama tabakasının delaminasyonu nispeten hafiftir, yüzeyde belirgin bir plastik deformasyon gözlenmez ve yüzey aşınma derecesi alt tabakanınkinden daha düşüktür. Bu sırada aşınma mekanizması esas olarak adhesif aşınma, aşındırıcı aşınma ve delaminasyondur. Yer değiştirme genliği D = 40 μm olduğunda, alt tabaka yüzeyinin delaminasyon ve karıklanma olayı ciddidir, aşınma izi hasarı ağırlaşır ve kenarda çok sayıda boşaltılmış aşınma döküntü parçacığı vardır. Buna karşılık, kaplama tabakasının aşınma derecesi daha düşüktür. Kaplama yüzeyindeki aşınma döküntüsü parçacıkları, mikro hareket işlemi sırasında temas yüzeyini kaplamak için tekrar tekrar öğütülür ve sıkıştırılır. Aşınma izinin kenarında belirgin bir aşınma döküntüsü parçacığı birikimi yoktur. Bu sırada, aşınma mekanizması esas olarak aşındırıcı aşınma ve delaminasyondur. Döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının yüzey aşınma morfolojisi karşılaştırıldığında, aynı mikro hareket çalışma koşulları altında, kaplama tabakası yüzeyinin aşınma derecesinin önemli ölçüde daha düşük olduğu görülebilir. Bu, lazer kaplama işlemi sırasında oluşan Cr içeren sert faza atfedilir. Bu sert fazlar, kaplama sertliğinin iyileştirilmesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Kaplama tabakasının daha yüksek sertliği nedeniyle, döküm çelik alt tabakadan daha iyi aşınma direncine ve soyulma önleme yeteneğine sahiptir ve mikro hareket işlemi sırasında kaplama tabakasının hasar derecesi de daha azdır.

Mikro hareket çalışması sırasında aşınma izi yüzeyinin oksidasyon reaksiyonunu keşfetmek ve aşınma mekanizmasını daha ayrıntılı açıklamak amacıyla, döküm çelik alt tabaka ve 316L kaplama üzerinde EDS hat tarama analizi gerçekleştirildi. Şekil 9, farklı yer değiştirme genlikleri altında üç mikro hareket çalışma alanında alt tabaka ve kaplama katmanındaki O elemanının EDS hat taramasını göstermektedir. Ordinat sayım oranıdır (Saniye başına sayım, cps), apsis numune yüzeyinin tarama mesafesidir ve tarama konumu Şekil 7 ve 8'de gösterilmiştir. Şekil 9'dan, mikro hareket kısmi kayma bölgesinde çalıştığında, aşınmamış alandaki alt tabaka ve kaplama katmanının O elemanı sayım oranında belirgin bir dalgalanma olmadığı ve aşınma izinin kenarındaki mikro kayma alanında hafif oksidasyon meydana geldiği görülebilir. Mikro hareket karışık bölgede ve kayma bölgesinde çalıştığında, O elementi sayım oranı tarama yönü boyunca büyük ölçüde dalgalanır, aşınma alanındaki O elementi içeriği artar ve aşınma izinin ortasındaki O elementi içeriği kenardakinden biraz daha düşüktür. Bu sırada, sürtünme arayüzünde oksidasyon reaksiyonu meydana gelir. Ek olarak, aşınmamış alandaki O elementi içeriğindeki artış, daha büyük yer değiştirme genliğinin üçüncü gövde tabakasının boşalmasını teşvik etmesinden kaynaklanmaktadır, bu da aşınma kalıntılarının aşınma izinin kenarında birikmesine neden olur ve kenardaki ince aşınma kalıntısı parçacıkları O elementiyle tamamen temas halindedir ve bunun sonucunda O içeriğinde bir artış olur. Bu nedenle, mikro hareket karışık bölgede ve tam kayma bölgesinde çalıştığında, aşınma mekanizması oksidasyon aşınmasını içerir.

2.4 Aşınma izi morfolojisi parametrelerinin ve aşınma hacminin analizi
Şekil 10, farklı yer değiştirme genlikleri altında G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının üç boyutlu morfoloji bilgilerini göstermektedir. Şekil 10(a) ve (b)'den görülebileceği gibi, normal yük sabit olduğunda, döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplamanın yüzey aşınma alanı, mikro hareket yer değiştirme genliğinin artmasıyla önemli ölçüde artmaktadır. Mikro hareket kısmi kayma bölgesinde çalıştığında, alt tabaka ve kaplama tabakası aşınma izi nedeniyle hafif hasar görür. Aşınma izinin ortasında normal yükten dolayı hafif bir çukurluk, kenarında ise mikro kayma ve az miktarda aşınma kalıntısı birikimi bulunmaktadır. Maksimum aşınma derinlikleri sırasıyla 0.94 ve 0.53 μm’dir. Mikro hareket karma bölgede çalıştığında aşınma izinin oluştuğu alan artmakta ve etrafında belirgin aşınma kalıntıları birikmektedir. Bu sırada alt tabakanın hasar alanı, kaplama tabakasının hasar alanından önemli ölçüde daha büyüktür ve aşınma derinlikleri sırasıyla 4.26 ve 1.26 μm'dir. Mikro hareket tam kayma bölgesinde çalıştığında, aşınma izi ciddi şekilde hasar görür ve aşınma izinin yüzeyinde pullanma nedeniyle çukurlar oluşur ve yüzey ve kenar aşınma döküntü parçacıklarıyla dağılır. Alt tabakanın hasar alanı, kaplama tabakasının hasar alanından daha büyüktür ve aşınma derinliği de sırasıyla 19.05 ve 5.75 μm olarak önemli ölçüde farklıdır. Mikro hareket tam kayma bölgesinde çalıştığında, kaplama tabakasının yüksek sertliğinden kaynaklanabilecek, kaplama tabakasının yüzeyinde hafif bir malzeme birikme olayının meydana geldiği ve bu durumun mikro hareket çalışması sırasında sürtünme çifti Q355E çelik bilyenin düşüp soyulmasına ve yüzeyde sıkışmasına neden olduğu belirtilmelidir. Şekil 10(c), G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının aşınma hacmini ve aşınma oranını göstermektedir. Şekil 10(c)'den görülebileceği gibi, mikro hareket kısmi kayma bölgesinde çalıştığında, alt tabaka ve kaplama tabakasının aşınması nispeten azdır. Yer değiştirme genliği arttıkça, alt tabakanın ve kaplama tabakasının aşınma hacmi de artmaktadır. Mikro hareket karma bölgede ve tam kayma bölgesinde çalıştırıldığında, kaplama tabakasının aşınma hacmi ve aşınma hızı, alt tabakanın aşınma hacminden önemli ölçüde daha düşük olmakta ve aşınma hızı sırasıyla yaklaşık %4.26 ve %19.1 oranında azalmaktadır. G20Mn5QT döküm çeliği ve 316L kaplama tabakasının aşınma izlerinin üç boyutlu morfolojisi ve iki boyutlu profil özelliklerinin analizi sonucunda, kaplama tabakasının hasar derecesinin alt tabakanın hasar derecesinden önemli ölçüde daha düşük olduğu görülmektedir. 316L kaplama tabakası, mikromotion karşılıklı hareket sürecinde alt tabakaya göre daha iyi bir sürtünme azaltma etkisi göstermese de, homojen organizasyonel özellikleri ve yüksek sertliği sayesinde mükemmel aşınma direncine sahiptir.

2.5 Kesitsel morfoloji analizi
Şekil 11, farklı yer değiştirme genlikleri altında G20Mn5QT döküm çelik alt tabaka ve 316L kaplama kaplamasının kesitsel hasar morfolojisinin SEM fotoğraflarının şematik diyagramlarını göstermektedir. Şekil 11'de gösterildiği gibi, sabit normal yük altında, yer değiştirme genliği D=20 ve 40 μm olduğunda, Şekil 11(a)'da gösterildiği gibi, alt tabaka aşınma izinin kesit yüzeyinde belirgin delaminasyon ve aşınma çukurları gözlemlenebilir; bu, delaminasyonun varlığının malzemenin yüzeyden ayrılmasına ve delaminasyon çukurları oluşturmasına neden olduğunu ve bunun da malzeme hasarını daha da kötüleştirdiğini göstermektedir. Yer değiştirme genliğinin artmasıyla, alt tabaka malzemesinin delaminasyon derecesi artar, aşınma izinin yüzeyi delaminasyon pullu aşınma kalıntılarıyla dağılır ve aşınma çukurunun derinliği Şekil 11(b)'de gösterildiği gibi artar. Alt tabakaya benzer şekilde, yer değiştirme genliği D=20 μm olduğunda, aşınma izi profilinde delaminasyon ve aşınma çukurları görülebilir, ancak bu sırada malzeme delaminasyon derecesi düşüktür. Yer değiştirme genliği D=40 μm'ye çıktığında, profil morfolojisi belirgin malzeme delaminasyon özelliklerine sahiptir ve aşınma çukuru derinliği artar. Yüzey, aşınma döküntüsü katmanlarıyla dağılır ve malzeme aşınma derecesi, Şekil 11 (c) ve (d)'de gösterildiği gibi artar. Aşınma alanının profil morfolojisinin analizi yoluyla, yer değiştirme genliğinin sürekli artmasıyla, döküm çelik alt tabakanın ve kaplama tabakasının malzeme delaminasyon özelliklerinin daha belirgin hale geldiği ve aşınma çukuru derinliğinin kademeli olarak arttığı görülebilir. Döküm çelik alt tabaka ile karşılaştırıldığında, 316L kaplama kaplaması mikro aşınma süreci sırasında daha düşük derecede malzeme delaminasyonuna sahiptir ve delaminasyondan kaynaklanan aşınma çukuru derinliği daha sığdır, bu da 316L kaplama kaplamasının döküm çelik alt tabakaya göre daha iyi soyulma önleyici performansa sahip olduğunu göstermektedir.

2.6 Aşınma mekanizmasının analizi
Şekil 12, farklı fretting alanlarındaki G20Mn5QT döküm çelik alt tabaka ve 316L kaplama kaplamasının fretting aşınma hasarının şematik diyagramını göstermektedir. Fretting kısmi kayma bölgesinde olduğunda, G20Mn5QT döküm çelik alt tabaka ve kaplama tabakası hafifçe aşınır, aşınma izinin merkezi yapışır ve Şekil 12(a) ve (a1)'de gösterildiği gibi kenarda az miktarda aşınma kalıntısı parçacığı birikir. Aşınma mekanizması esas olarak yapışma aşınmasıdır. Fretting karma bölgede ve kayma bölgesinde olduğunda, alt tabaka ve kaplama tabakasının yüzeyinde belirgin bir sürme ve soyulma olayı vardır ve Şekil 12(b)'de gösterildiği gibi alt tabaka aşınma izinin kenarında gevşek aşınma kalıntısı parçacıkları birikimi vardır; Deplasman genliğinin artmasıyla, soyulmuş aşınma döküntüsü parçacıkları sıkıştırılır ve daha büyük fretting deplasmanı altında aşınma izi yüzeyinde örtülür ve boşaltılan aşınma döküntüsü parçacıklarının bir kısmı, Şekil 12(c)'de gösterildiği gibi, aşınma izinin kenarında aşınma döküntüsü parçacıkları birikimi oluşturur. Kaplama tabakası yüzeyinin yüksek sertliği nedeniyle, aşınma derecesi alt tabakanınkinden daha düşüktür. Şekil 12(b1)'de gösterildiği gibi, aşınma izi alanında malzeme soyulması ile oluşan pullu bir aşınma tabakası vardır ve kenarda daha az aşınma döküntüsü parçacığı birikimi vardır. Deplasman genliği arttıkça, kaplama tabakası aşınma izinin ortasındaki pullu aşınma tabakası sıkıştırılır ve Şekil 12(c1)'de gösterildiği gibi kenarda belirgin aşınma döküntüsü parçacıkları birikmez. Bu sırada, aşınma mekanizması esas olarak aşındırıcı aşınma, delaminasyon ve oksidasyon aşınmasıdır.

3 Sonuç
Bu makalede, G20Mn5QT döküm çelik alt tabakanın ve 316L kaplama kaplamasının anti-fretting hasar özelliklerini tartışmak için farklı alanlardaki üç grup tipik fretting yer değiştirme genliği seçildi. Sonuçlar şu şekildedir:
a. 316L kaplamanın lazerle kaplanması sonrasında, kaplama işlemi sırasında oluşan Cr0.19Fe0.7Ni0.11 gibi Cr içeren sert fazlar ve homojen metalografik yapı, kaplama yüzeyinin sertliğini %14.3 oranında arttırmaktadır.
b. Yer değiştirme genliği arttıkça, G20Mn5QT döküm çelik matrisinin ve kaplama tabakasının fretting çalışma durumu kısmi kayma bölgesinden tam kayma bölgesine doğru kademeli olarak değişir, malzeme hasarı yoğunlaşır ve sabit aşamadaki sürtünme katsayısı kademeli olarak artar. Karıştırma bölgesinde ve kayma bölgesinde, 316L kaplama tabakasının aşınma oranı G4.26Mn19.1QT döküm çelik alt tabakasına kıyasla sırasıyla yaklaşık %20 ve %5 oranında azalır. 316L kaplama kaplaması mükemmel fretting aşınma önleyici performans gösterir.
c. Fretting işlemi kısmi kayma bölgesinde olduğunda, temas alanının merkezi yapışkan ve kenarlar hafif kaygandır ve aşınma mekanizması yapışkan aşınmadır; fretting işlemi karışık bölgede olduğunda, mekanik delaminasyon ve aşındırıcı aşınmanın özellikleri kademeli olarak belirginleşir ve oksidasyon aşınmasının derinliği aşınma davranışını etkiler ve aşınma mekanizması ayrıca yapışkan aşınmayı da içerir; fretting kayma bölgesinde çalıştığında, hasar özellikleri esas olarak sürme ve delaminasyondur ve temas arayüzünde şiddetli sürtünme ve oksidasyon reaksiyonları meydana gelir. Aşınma mekanizmaları delaminasyon, aşındırıcı aşınma ve Oksidatif aşınmadır.