AISI D2 takım çeliğinde lazerle yüzey modifikasyonunun aşınma performansına etkilerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, AISI D2 soğuk iş takım çeliği üzerindeki farklı lazer tekstür desenlerinin tribolojik davranışları, ball-on-disk aşınma test düzeneğinde kuru kayma ve MoS2 katı yağlayıcı koşulları altında, farklı yükler (2N ve 4N) ve kayma süreleri (15 ve 30 dakika) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, lazerle yüzey modifikasyonunun tüm tekstür desenli yüzeylerde aşınma direncini ve sürtünme özelliklerini önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Kuru kayma koşullarında 4N yük ve 30 dakika kayma süresi altında en yüksek hacim kaybı (0,894x10-3 mm3) ve sürtünme katsayısı (?=0,90) değerleri lazersiz yüzeyde elde edilmiştir. Buna karşın, büyük daire deseni tüm koşullarda en üstün performansı göstermiş, 2N yük ve 15 dakika kayma süresi altında hacim kaybını lazersiz yüzeye kıyasla %19 (0,801x10-3 mm3'ten 0,647x10-3 mm3'e) ve sürtünme katsayısını %24 (0,90 ?'den 0,68 ?'ye) düşürerek belirgin iyileşme sağlamıştır. MoS2 katı yağlayıcı kullanımı ise performansı daha da artırmış, büyük daire desenli yüzeyde en etkili sonuçlar elde edilmiştir. Büyük daire deseni ile MoS2 yağlayıcının birlikte kullanımı, 2N yük ve 15 dakika kayma süresi altında tüm test koşulları içerisinde en düşük hacim kaybı (0,106x10-3 mm3) ve minimum sürtünme katsayısı (?=0,109) değerleriyle mükemmel performans sergilemiştir. Kuru koşullara kıyasla, hacim kaybında %84 ve sürtünme katsayısında %82-84 oranında iyileşme sağlanmıştır. SEM, EDS ve 3D profilometre analizleri, tekstürlü yüzeylerde çukurların aşınma kalıntılarını hapsettiğini ve MoS2 varlığında aşınma derinliğinin %85-90 (4 ?m'den 0,4-0,6 ?m'ye) azaldığını göstermiştir. Artan yük ve kayma süresi tüm yüzeylerde hacim kaybını artırsa da, lazer tekstürlü yüzeyler yüksek yük koşullarında bile üstün direnç göstermiştir. Sonuç olarak, optimum lazer tekstür desenlerinin ve MoS2 yağlayıcının birlikte kullanımı, AISI D2 takım çeliğinin tribolojik performansını önemli ölçüde iyileştirmekte ve endüstriyel uygulamalarda takım ömrünün uzatılması için umut verici çözümler sunmaktadır.This study investigates the tribological behavior of different laser texture patterns on AISI D2 cold work tool steel using a ball-on-disk wear test rig under both dry sliding and MoS2 solid lubricant conditions, at various loads (2N and 4N) and sliding durations (15 and 30 minutes). Experimental results demonstrated that laser surface modification significantly improved wear resistance and friction properties across all textured surfaces. Under dry sliding conditions at 4N load and 30 minutes sliding duration, the highest volume loss (0.894x10-3 mm3) and friction coefficient (?=0.90) values were obtained on the untextured surface. In contrast, the large circle pattern exhibited superior performance under all conditions, reducing volume loss by 19% (from 0.801x10-3 mm3 to 0.647x10-3 mm3) and friction coefficient by 24% (from ?=0.90 to ?=0.68) compared to the untextured surface under 2N load and 15 minutes sliding duration. The application of MoS2 solid lubricant further enhanced performance, with the most effective results achieved on the large circle patterned surface. The combination of large circle pattern and MoS2 lubricant exhibited excellent performance with the lowest volume loss (0.106x10-3 mm3) and minimum friction coefficient (?=0.109) values among all test conditions under 2N load and 15 minutes sliding duration. Compared to dry conditions, improvements of 84% in volume loss and 82-84% in friction coefficient were achieved. SEM, EDS, and 3D profilometer analyses revealed that the dimples in textured surfaces effectively trapped wear debris and wear depth decreased by 85-90% (from 4 ?m to 0.4-0.6 ?m) in the presence of MoS2. Although increased load and sliding duration raised volume loss across all surfaces, laser-textured surfaces demonstrated superior resistance even under high load conditions. In conclusion, the combined use of optimum laser texture patterns and MoS? lubricant significantly improves the tribological performance of AISI D2 tool steel, offering promising solutions for extending tool life in industrial applications.