TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Ebat: px
Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR"

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 26 (2) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Bakır Esaslı 1 ve 3 Yataklardaki Alaşım Elementlerinin Aşınma ve Mekanik Özelliklere Etkisi Bekir Sadık ÜNLÜ Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye - MANİSA ÖZET Kaymalı yatak malzemesi olarak bakır esaslı alaşımlardan pirinç ve özellikle bronz yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Saf bakır malzemeler ise düşük mekanik özellikleri nedeniyle yatak malzemesi olarak kullanılmamaktadır. İyi bir tribolojik verimliliğe sahip bu malzemeler, kaymalı yataklarda iyi sonuçlar vermektedir. Bu çalışmada; bakır esaslı 1 bronzu ile 3 pirincinden üretilen kaymalı yatakların ve bu malzemeleri oluşturan, ve dan üretilen yatağın da aşınma ve mekanik özellikleri incelenerek, alaşım elementlerinin bu özelliklere etkisi belirlenmiştir. Karşı aşındırıcı olarak SAE 15 çelik mil kullanılmıştır. Aşınma deneyleri radyal kaymalı yatak aşınma test cihazında 2 N yük, 15 d/dak ve 2.5 saatte yapılmıştır.. Anahtar kelimeler: Bakır Esaslı Yatak, Aşınma, Mekanik Özellik, Alaşım Elementi 1. GİRİŞ Kaymalı yatak malzemesi olarak, endüstride önceleri tahta, demir, deri v.b. malzemeler kullanılmıştır. Zamanla bunların yerini pirinç, bronz ve beyaz metal almıştır. Son zamanlarda alüminyum ve çinko esaslı malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. İlerleyen teknoloji ile sinter yataklar ve polimer malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Bakır esaslı alaşımlar iyi korozyon direnci, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, kendi kendini yağlayabilme ve iyi aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı uzun zamandan beri yatak malzemesi olarak kullanılmaktadırlar [1]. Bakır alaşımlarında kalayın etkisi aşınma dayanımında önemlidir. Kalay içeren bakır alaşımlarından kalay bronzları yüksek aşınma direncine sahip oldukları için yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır [2]. İlave edilen kalay miktarı bronz malzemenin aşınma dayanımını artırmaktadır [3]. Yatak malzemesi olarak kalay bronzu, büyük ve darbeli yüklerde ve aynı zamanda korozyon tehlikesi olan yüksek sıcaklıklarda uygundur. En iyi yatak performansı gösteren ve en yaygın kullanılan % 9 ve % 1 içeren kalay bronzudur [4]. Ayrıca yiyecek maddesi ile irtibatlı yerlerde kullanılması da uygundur. Bunun yanında pirinç yataklar mili fazla aşındırdığı için kullanılması pek uygun değildir [5]. Bakır alaşımlarından biri olan pirinç malzemeler ise yüksek mukavemet, iyi korozyon dayanımı, yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, kolay şekillenebilme ve güzel görünüm nedeniyle endüstride çok kullanılan

2 Teknolojik Araştırmalar : MTED 26 (2) Bakır Esaslı 1 ve 3 Yataklardaki Alaşım Elementlerinin mühendislik malzemeleridir. Ayrıca alüminyum ve silisyum içerenleri yatak malzemesi olarak kullanılabilir [6]. Kaymalı yatak malzemelerinin düşük sürtünme katsayısı, yüksek aşınma direnci, yüksek yükleme kapasitesi, iyi korozyon dayanımı, iyi ısıl iletkenlik, düşük ısıl genleşme ve yabancı partikülleri gömme gibi özelliklere sahip olması gerekir [7]. Ayrıca, kaymalı yataklardaki aşınma ve aşınma mekanizmaları birçok faktörlere bağlıdır. Bu faktörler ve etkileri tribolojik sistem içinde incelenebilir. Bunlar; temel sürtünme elemanı, karşı sürtünme elemanı, ara maddesi, çevre, yükleme ve hareketten oluşur [8]. Çinko esaslı alaşımlar ilk olarak II. Dünya savaşında Almanya da bakır açığını karşılamak bronzun yerine yatak malzemesi olarak kullanılmaya başlanmıştır [9]. Çinko esaslı alaşımlar mukavemet, sertlik ve sürtünme özellikleri iyi olduğundan mühendislik uygulamalarında kullanılır. Bu alaşımlardan Al ve içerenleri; saf ve -Al alaşımlarının tribolojik özelliklerinden daha iyidir. -Al alaşımları ısıl işlem ve Mn, Si, ilavesiyle tribolojik ve mekanik özellikler iyileşmiştir. Bu nedenle bunlar kaymalı yatak malzemesi olarak kullanılabilir [1]. Çinko esaslı alaşımlar iyi fiziksel, mekanik ve tribolojik özellikler, düşük maliyet, yüksek aşınma direnci özelliklerinden dolayı yataklarda kullanılır. Ayrıca statik yükleme şartlarında esaslı alaşımların tribolojik özellikleri ısıl işlemlilerden daha iyidir. Dinamik zorlanmalarda ısıl işlemlilerin tribolojik özellikleri daha iyidir [11-13]. Triboloji uygulamalarında otomobil yatakları iyi bir örnek oluşturmaktadır. Bir otomobil birçok tribobileşenden oluşur. Bunlardan biri yatak sistemleridir. Otomobillerde krank mili yatakları için yüksek aşınma direnci ve yabancı partikülleri gömme kabiliyeti olan tribo malzemeler kullanılır. Bunlar kurşun, kalay, alüminyum ve bakır içeren yataklardır. Bu elementler dayanımı da sağlamak için çelikten imal edilen yatak yüzeyine kaplanırlar [14, 15]. Kurşun ve kalay esaslı beyaz metal alaşımları anti sürtünme özelliğinden dolayı yatak malzemesi olarak kullanılır. Bu alaşımlar çelik yatak üzerine farklı işlem şartlarında döküm ve püskürtme ile şekillendirilirler. Döküm alaşımları intermetalik faz içerir. Yatak metalinin püskürtme şekillendirmesi esnasındaki işlem değişiklikleri mikroyapı ve püskürtme çökeltisi gözenekliliği etkiler. Püskürtme şekilli alaşımın aşınma oranı döküm alaşımınkinden daha düşüktür. Bu alaşımın aşınma özellikleri intermetalik fazın azalmasına ve ötektik fazın mikroyapısının iyileşmesine yardımcı olur [16]. Bu çalışmada, bakır esaslı malzemelerden 1 bronzu, 3 pirinci ve bu malzemeleri oluşturan saf, saf ve saf dan üretilen yataklar yeni geliştirilen radyal kaymalı yatak aşınma test cihazında aşındırılarak sürtünme katsayısı, yatak ve mil aşınma kayıpları ve mekanik deneylerle de mekanik özellikleri belirlenmiştir [17, 18]. Ayrıca; aşınma yüzeyi görüntüleriyle desteklenerek bu yatak malzemelerinin içindeki alaşım elementlerin etkileri de belirtilerek aşınma özellikleri incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Aşınma deneyleri radyal kaymalı yatak aşınma test cihazında yapılmıştır. Bu cihaz kaymalı yatak aşınmasının yanında mil malzemesinin de aşınmasını inceleyebilecek şekilde tasarlanmıştır. Deney malzemeleri olarak; mil numunesi için SAE 15 çelik mil, yatak numunesi için 1 bronzu (DIN 175), 3 pirinci (DIN 175) ve saf, saf ve saf dan üretilen yatak, yükleme için 2 N kuvvet, devir sayısı için 15 d/dak, yağlayıcı olarak SAE 9 yağı seçilmiştir. Deneyler bu parametreler altında tekrarlanmıştır. Mekanik deneyler için standart çekme, basma, çentik darbe ve eğme numuneleri hazırlanarak bu deneyler yapılmıştır. Deneylerde kullanılan yatakların iç çapı d=1, genişliği B=1, dış çapı D=15 mm, milin ise çapı d=1 mm dir. Bu malzemelerin kimyasal bileşenleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Deneyler 2 N yükte 15 d/dak da yağlı ortamda ve her 3 dakikada bir tekrarlanarak toplam 2.5 saat sürdürülmüştür. Bu deney sonundaki süre; n=15 devir sayısında v=.785 m/s hıza ve 765 m kayma mesafesine karşılık gelir. 12

3 Ünlü, B. S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 26 (2) Tablo 1: a) SAE 15 çelik milin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık). Malzeme C Si Mn P S Fe SAE Kalan b) 1 bronzu ve 3 pirincinin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık). Malzeme DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA 3.1. Mekanik Deneyler Mekanik özellikler olarak; yatak malzemelerinin çekme, basma, çentik darbe, eğme, sertlik ve radyal kırılma deneyleri yapılarak bu malzemelere ait mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu sonuçlar, gruplandırılarak Tablo 2 de gösterilmiştir. Görüldüğü gibi; alaşımlı bakır yatakların uzama radyal kırılma, ve çentik darbe dayanımı hariç diğer mekanik özellikler saf bakır yatağa göre daha iyi elde edilmiştir. Tablodaki; akma, çekme, kopma, basma, ve radyal kırılma dayanımları N/mm 2 (MPa) cinsinden verilmiştir. Katlama deneyi eğme açıları derece, çentik darbe değerleri Joule (J), sertlik değerleri ise Brinell (HB) cinsinden verilmiştir. Çekme, basma, katlama ve eğme deneyleri ALŞA marka 2 ton kapasiteli üniversal çekme cihazında yapılmıştır. Bu deneyler TS-138 ve TS-269 a göre yapılmıştır. Sertlik ölçümleri SADT HARTIP-3 marka sertlik ölçme cihazında yapılmıştır. Malzeme Akma Dayanımı R p.2 (MPa) Tablo 2. Yatak Malzemelerinin mekanik deney sonuçları. Çekme Dayanımı σ ç (MPa) Kopma Dayanımı σ k (MPa) Uzama % ε Basma Dayanımı σ b (MPa) Çentik Darbe Dayanımı (J) Eğme Açısı (α ) Sertlik (HB) Radyal Kırılma Dayanımı (σ rk ) (MPa) Aşınma Deneyleri Kaymalı yatak numuneleri 2 N yük ve 15 d/dak hızla, toplam 2.5 saat yağlı ortamda aşındırılmıştır. Şekil 1 de sürtünme katsayısı-süre değişimi ve Şekil 2 de yatak sıcaklığı-süre değişimi verilmiştir. Yatak ve mil ağırlık kaybı değerlerinin süre ile değişimi de Şekil 3-4 de verilmiştir. Şekillerden görüldüğü gibi; deneylerde alaşımlı yatakların genel olarak sürtünme katsayısı ve sıcaklık değişimi saf malzemelerden üretilen yataklara göre daha yüksek elde edilmiştir. Alaşımlı 3 yatak, alaşımlı 1 yataktan daha az aşınmıştır. Buna karşın 3 yatağın mili 1 yatağa göre daha fazla aşındırdığı gözlenmiştir. Ayrıca, saf, saf ve saf den üretilen yataklarda yatak ağırlık kaybı diğer yataklara göre daha düşük elde edilmiştir. Fakat mili ise alaşımın esasını oluşturan en fazla saf yatak aşındırmıştır. 13

4 Teknolojik Araştırmalar : MTED 26 (2) Bakır Esaslı 1 ve 3 Yataklardaki Alaşım Elementlerinin Bu nedenle saf bakırın yatak malzemesi olarak kullanılması uygun değildir. Ayrıca, çentik darbe ve radyal kırılma dayanımı diğerlerine göre yüksek olmasına rağmen basma dayanımı, sertlik ve diğer mekanik özellikler daha düşüktür. Yüzey pürüzlülük değeri de aşınma sonrası artmıştır. Diğer yatakların ve milin ise aşınma sonrası yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. Bunun yanında, bu diğer saf yatakların mekanik özellikleri daha düşüktür. Bu nedenle alaşımlı bakır yatakların kullanılması daha uygundur. Aşınmayı etkileyen parametrelerden olan aşınma öncesi ve sonrası yüzey pürüzlülük değerleri Mitutoyo-CE marka profilemetre cihazında hassas ölçümlerle yapılıp, Tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri. Pürüzlülük SAE Saf Saf Saf Ra (μm) (Aşınma Öncesi) Ra (μm) (Aşınma Sonrası) Optik mikroyapı görüntüleri incelendiğinde; saf yataklarda aşınma izleri homojen ve malzeme yumuşak olduğundan sıvanma olmuştur. Bronz yatakta homojen ve küçük aşınma izi, pirinç yatakta ise büyük aşınma izi oluşmuştur (Şekil 5-9). Bu görüntüler Hund Wetzlar CCD-29 ışık mikroskobunda 1 büyütmede çekilmiş olup, 1 mm lik uzunluk 1 μm değerini göstermektedir. Bu şekilde aşınma ve mekanik özellikleri belirlenip, birbiriyle karşılaştırılan bakır esaslı malzemelerden üretilen kaymalı yatakların endüstride uygun bir şekilde kullanılabilmeleri gösterilmiştir. Sıcaklık T ( C) ,5 1 1,5 2 2,5 1 3 Ağırlık Kaybı (mg) ,5 1 1,5 2 2,5 1 3 Şekil 1. Sürtünme katsayısı süre değişimi. Şekil 2. Yatak sıcaklığı süre değişimi. Ağırlık Kaybı (mg) ,5 1 1,5 2 2,5 1 3 Sürtünme Katsayısı ( ),2,15,1,5,5 1 1,5 2 2,5 1 3 Şekil 3. Yatak ağırlık kaybı süre değişimi. Şekil 4. Mil ağırlık kaybı süre değişimi 14

5 Ünlü, B. S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 26 (2) Şekil 5. 1 yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x1). Şekil 6. 3 yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x1). Şekil 7. Saf yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x1). Şekil 8. Saf yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x1). Şekil 9. Saf yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü. 4. SONUÇLAR Aşınma ve mekanik deneylerde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 1. Saf malzemelerden üretilen yataklarda, yatak ağırlık kaybı diğer yataklara göre daha düşük elde edilmiştir. Saf ve dan üretilen yatakların mili alaşımlı yatağa göre daha az aşındırdığı gözlenmiştir. Fakat mili ise en fazla saf bakır yatak aşındırmıştır. 2. Mekanik deneylerden, alaşımlı yatak malzemelerinin mekanik özellikleri genelde diğerlerine göre yüksek elde edilmiştir. 15

6 Teknolojik Araştırmalar : MTED 26 (2) Bakır Esaslı 1 ve 3 Yataklardaki Alaşım Elementlerinin 3. Saf yatakların genelde yüzey pürüzlülük değeri de aşınma sonrası artmıştır. Diğer alaşımlı yatakların ve milin ise aşınma sonrası yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. 4. Saf yataklarda aşınma izleri homojen ve malzeme yumuşak olduğundan sıvanma olmuştur. Bronz yatakta homojen ve küçük aşınma izi, pirinç yatakta ise büyük aşınma izi oluşmuştur. Bu nedenlerden dolayı alaşımlı bakır yatakların kullanılması daha uygundur. KAYNAKLAR 1. Schmidt, R. F., Schmidt, D. G., (1993), Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), pp Prasad, B. K., (1997), Dry Sliding Wear Response of Some Bearing Alloys as Influenced by the Nature of Microconstituents and Sliding Conditions, Metall Trans. (A-28), pp Backensto, A. B. (199), Effects of Lubricants on the Properties of Copper-Tin Powders and Compacts, N. Jersey, Advences in P/M, Proc. of PM Conf., APMI, pp Schmidt, R. F., Schmidt, D. G., (1993), Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), pp Prasad, B. K., (1997), Dry Sliding Wear Response of Some Bearing Alloys as Influenced by the Nature of Microconstituents and Sliding Conditions, Metall Trans. (A-28), pp Backensto, A. B. (199), Effects of Lubricants on the Properties of Copper-Tin Powders and Compacts, N. Jersey, Advences in P/M, Proc. of PM Conf., APMI, pp Pratt, G. C. (1973), Materials for Plain Bearings, International Metallurgical Reviews, Vol. 18, Review 174, pp Niemann, G., (1973), Makine Elemanları, Cilt-II, S Meran, C., Yüksel, M., König, R., (1999), Pirinç Malzemelerin Kaynak Edilebilirliği ve Uygun Kaynak Parametrelerinin Tesbiti, MMO Bildiriler Kitabı yayın No: 221, s Schatt, W., Wieters, K. P., (1997), Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, Shrewsbury, U.K., pp Ünlü, B. S., Atik, E., Meriç, C., (22), Kaymalı Yataklarda Aşınma Mekanizmaları, Makine Metal Teknolojisi, Sayı127, s Pürçek, G., (1994), Al Esaslı Alaşımlardan İmal Edilen Kaymalı Yatakların Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, K. T. Ü., Fen Bil. Enst. 13. Hanna, M. D., Carter, J. T., Rashid, M. S., (1997), Sliding Wear and Friction Characteristics of Six - Based Die-Casting Alloys, Wear, 23-24, pp Savaşkan, T., Pürçek, G., Murphy, S., (21), Sliding Wear of Cast Zinc-Based Alloy Bearings Under Static and Dynamic Loading Conditions, Wear, 931, pp Pürçek, G., Küçükömeroğlu, T., Savaşkan, T., (1999), Al Esaslı Alaşımlardan İmal Edilen Kaymalı Yatakların Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Mühendis ve Makine, Sayı:443, s

7 Ünlü, B. S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 26 (2) Çuvalcı, H., Baş, H., (24), Investigation of the tribological properties of silicon containing zincaluminum based journal bearing, Trib. International 37, pp Priest, M., Taylor, C. M., (2), Automobile Engine Tribology- Approaching The Surface, Wear, 241, pp Enomoto, Y., Yamamoto, T., (1998), New Materials in Automotive Tribology, Tribology Letters, 5, pp Upadhyaya, A., Mishra, N. S., Ojha, S. N., (1997), Microstructural Control by Spray Forming and Wear Characteristics of a Babbit Alloy, Journal of Materials Science, 32, pp Atik, E., Ünlü, B., S., Meriç, C., (21), Radyal Kaymalı Yatak Aşınması Deney Cihazı Tasarımı, Makine Malzemeleri ve Teknolojisi (MAMTEK) sempozyumu, Manisa, s Ünlü, B. S., (24), Kaymalı Yataklarda Tribolojik Özelliklerin ve Borlanmış Demir Esaslı Malzemelerin Yatak Olarak Kullanılabilirliğinin Belirlenmesi, Doktora Tezi, C. B. Ü. Fen Bil. Enst., Manisa 17