TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2005 (2) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale T/M Yatak lerinin Aşınma Ve Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması Bekir Sadık ÜNLÜ, Selim Sarper YILMAZ, Remzi VAROL Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü Celal Bayar Üniversitesi, Gölmarmara MYO Süleyman Demirel Üniversitesi, Müh.-Mim. Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü ÖZET Kaymalı yatak malzemesi olarak T/M yöntemiyle üretilen bakır esaslı bronz ve demir esaslı malzemeler yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemeler kaymalı yataklardan beklenen özellikleri sağlamaktadırlar. Kendinden yağlama özelliği olan ve iyi bir tribolojik verimliliğe sahip bu malzemeler kaymalı yataklarda iyi sonuçlar vermektedir. Bu tür yataklar, kendinden yağlamalı olarak yağlama imkanı olmayan yerlerde kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada, bu yöntemle üretilmiş bakır esaslı CuSn10, demir esaslı Fe-Grafit, FeCu-Grafit ve bronz-demir esaslı CuSnFe-Grafit yatakların aşınma ve mekanik özellikleri belirlenip, birbiriyle karşılaştırılmıştır. Anahtar kelimeler: Sinter Yatak, T/M, Aşınma, Mekanik Özellik 1.GİRİŞ Kaymalı yatak malzemesi olarak, teknikte ilk zamanlar tahta, demir, deri v.b. malzemeler kullanılmıştır. Zamanla bunların yerini pirinç, bronz, beyaz metal almıştır. Son zamanlarda alüminyum ve çinko esaslı malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. İlerleyen teknoloji ile birlikte devamlı yağlama imkanı olmayan yerlerde kendinden yağlamalı sinter yataklar ve belirli kullanım alanları için polimer malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Kaymalı yatakların seçiminde ise kullanım yerlerine göre kendinden beklenen özellikleri sağlayan malzemeler seçilmelidir. Kaymalı yatak malzemesi olarak, bakır esaslı malzemeler iyi korozyon direnci, yüksek ısıl ve elektriksel iletkenlik, kendi kendini yağlayabilme ve iyi aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı uzun zamandır yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır [1]. Bakır esaslı malzemelerde anti-sürtünme özelliği olan kalayın etkisi aşınmada önemlidir. Kalay içeren bakır esaslı kalay bronzları yüksek aşınma direncine sahip oldukları için yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır [2]. İlave edilen kalay miktarı ile bu malzemelerin sürtünme ve aşınma özellikleri iyileşmektedir [3-5]. Yatak malzemesi olarak, kalay bronzu korozyon tehlikesi olan yerlerde, yüksek sıcaklıklarda ve gıda maddesi ile temas oluşacak yerlerde kullanılması uygundur [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 [7-8]. Düşük ısıl iletkenlik, uygun olmayan yükleme yataklarda aşırı zorlanmalar doğurur. Bu durum yorulma ömrü açısından önem kazanır [9].

2 Teknolojik Araştırmalar : MTED 2005 (2) T/M Yatak lerinin Aşınma Ve Mekanik Özelliklerinin Adhezyon aşınması, yataklarda özgül yatak yükü (p) ve yatak çevresel hızı (v) büyüklüklerinden önemli şekilde etkilenmektedir. Aşınmanın zamana bağlı olarak geliştiği göz önüne alındığında p.v değeri aşınma miktarı analizinde dikkate alınan bir büyüklüktür. Yatakların uygun pv değerlerinde kullanılması durumunda aşınma miktarı azalmaktadır [10]. Uygulamalarda sık kullanılan kendi kendini yağlayan toz metal yataklar demir ve bakır esaslı yataklardır. Daha yüksek mekanik özellikler elde etmek için T/M yataklar alaşımlandırılarak üretilmektedir [11]. Üretilen T/M parçaların mekanik özellikleri gözenek miktarına ve dağılımına bağlıdır [12-13]. Gözenek tipi, miktarı dağılımı ve toz şekli yatakların kendi kendini yağlama şartlarını iyileştirmek ve emdirilen yağ miktarını düzenlemek üzere kontrol edilmektedir [14-15]. Yağ emdirilmiş kendi kendini yağlayan yataklar toz metalurjisi tekniği ile üretilir. Maliyeti düşüktür. Devamlı yağlama imkanı olmayan bilgisayarlar, elektrik motorları, otomobiller, dikiş makinaları, yazıcılar, tarım ve paketleme makinalarında yaygın kullanılırlar. Bu yatakların gözenekleri yağ ile dolduğunda hidrodinamik yağlama şartları altında çalışırlar [16]. T/M yataklarda presleme basıncı, sinterleme sıcaklığı gibi üretim parametreleri yatak özelliklerini etkiler. Artan basınç ile gözeneklilik azalır. Bunun sonucu mekanik özellikler ve özellikle radyal kırılma dayanımı artar [17,18]. Gözenek tipi, miktarı dağılımı ve toz şekli yatakların kendi kendini yağlama şartlarını iyileştirmek ve emdirilen yağ miktarını düzenlemek üzere kontrol edilmektedir [19]. Ayrıca; yağ emdirme işlemi 6-12 saat süreyle vakum veya atmosfer basıncı altında 80 0 C sıcaklıkta yağ içinde bekletilerek yapılmaktadır. Yağ seçiminde işlem sıcaklığı, yatağın taşıyacağı yük, tolerans ve çevre şartları dikkate alınmalıdır [8-20]. Cu-Sn-Grafit alaşımları kendini yağlayabilme özelliğinden dolayı uzun süredir kullanılmaktadır. Grafit oranı arttıkça yoğunluk ve sertlik düşmektedir. Buna karşın aşınma direnci artmaktadır. Artan Sn miktarıyla ise yoğunluk, sertlik ve aşınma direnci artmaktadır. Lazer sinterleme yapılmış bu tür malzemeler diğerlerine göre daha iyi tribolojik özellikler gösterir [21]. Kendinden yağlamalı yataklar farklı sinterleme sıcaklık ve şartlarında farklı iç yapılar ve farklı yoğunluklara sahip olmaktadırlar [22] Bu çalışmada, T/M yöntemiyle üretilmiş CuSn10 bronzu, Fe-Grafit (% 1Grafit) içeren demir, FeCu-Grafit (% 3 Cu, % 1 Grafit) ve CuSn10-Grafit (% 45 Cu, % 5 Sn, % 49 Fe, % 1 Grafit) malzemeden imal edilmiş yatak numuneleri radyal kaymalı yatak aşınma test cihazında [23] aşındırılarak sürtünme katsayısı ve aşınma kayıpları belirlenmiştir. Ayrıca bu yatakların yüzey aşınmaları metalografik olarak incelenmiştir. 2. Deneysel Çalışmalar Deney lerinin Hazırlanması Deney malzemeleri olarak; mil numunesi için SAE 1050 çelik mil, yatak numunesi olarak CuSn10 bronzu, Fe-Grafit, FeCu-Grafit demir ve CuSn10-Grafit 360 Mpa basınçta preslenip, C de sinterlenerek imal edilmiş T/M yatak numuneleri kullanılmıştır. Deney numuneleri, 20 N kuvvet, 1500 d/dak da ve 150 dakika yağlı ortamda aşındırılarak sürtünme katsayısı ve ağırlık kaybı değerleri ölçülmüştür. Yağlama ise SAE 90 dişli yağı ile yapılmıştır. Her ağırlık ölçümü; numunelerin gözeneklerinde kalan yağlar hexan içerisinde çözündürülüp, temizlendikten sonra yapılmıştır. Deneylerde kullanılan yatağın iç çapı d=12, genişliği B=12, dış çapı D=16 mm, milin ise çapı d=12 mm dir. Bu yatak malzemelerinin kimyasal bileşenleri tablo 1 de gösterilmiştir. Bu deney sonundaki süre; n=1500 devir sayısında v=0.93 m/s hıza ve 7065 m kayma mesafesine karşılık gelir. 32

3 Ünlü, B., S., Yılmaz, S., S., Varol, R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2005 (2) Tablo 1. Yatak malzemelerinin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık) Cu Sn Fe Grafit CuSn Fe-Grafit CuSnFe-Grafit FeCu-Grafit Radyal Kaymalı Yatak Aşınma Test Cihazı Kaymalı yataklarda genellikle yatak malzemesi, mil malzemesine göre daha düşük aşınma dayanımına sahip malzemelerden seçilir. Böylece milin aşınması büyük oranda azaltılmış olur. Bu nedenle kaymalı yatak aşınma cihazları, yatak malzemelerinin aşınmasını incelemek üzere tasarlanmaktadır. Bu çalışmada tasarlanan kaymalı yatak aşınma cihazı ile yatak malzemelerinin aşınma davranışlarının incelenmesinin yanı sıra, kolaylıkla takılıp sökülebilen ve milin sadece kaymalı yatak içinde çalışan kısmından oluşan numune kullanılarak, milin aşınma davranışlarını incelemek de mümkün olmuştur. Böylece farklı yatak malzemesi geliştirebilmenin yanında mil malzemesi ve bunlara yapılacak işlemlerin de aşınmaya etkisi incelenebilmiştir. Bu aşınma test cihazı; kaymalı yatak üzerine rijit bir çubukla basılı bir ağırlık ve belirli bir mesafeden yatağa bağlı bir çubuk ve komparatörden ibarettir. Yatağın dönme yönünde oluşan sürtünme kuvveti ve buna bağlı çubuğun oluşturduğu yer değiştirmenin ölçülmesiyle sürtünme katsayısı belirlenir. Yağlı ortamda yapılan deneylerde, komparatörün yay katsayısı fazla olduğundan sürtünme az olduğundan çok az miktarda deplasman oluşmuştur. Bunun yerine komparatörün karşı tarafına k=0.004 N/mm olan bir çeki yayı bağlanmıştır. Sürtünme kuvvetinin etkisiyle yeterli miktarda oluşan deplasmanlar bu yolla ölçülmüştür Şekil 1. Radyal Kaymalı Yatak Aşınma Test Cihazı: 1. Komparatör, 2. Rijit Çubuk, 3. Yük Temas Noktası (Rulman), 4. Mil numunesi, 5. Kaymalı yatak numunesi, 6. Levha Çubuk, 7. Motor, 8. Yükler 3. Sonuçlar ve Tartışma 3.1. Mekanik Özellikler Mekanik özellikler olarak; yatak malzemelerinin çekme, basma, üç nokta eğme, sertlik ve radyal kırılma deneyleri yapılarak bu malzemelere ait mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu sonuçlar, gruplandırılarak Tablo 2 de gösterilmiştir. Demir ve bakır esaslı T/M yatakların mekanik özelliklerinin karşılaştırılması kendi içlerinde ve döküm yataklarla yapıldığında, kendi içlerinde bronz T/M yataklar demir T/M 33

4 Teknolojik Araştırmalar : MTED 2005 (2) T/M Yatak lerinin Aşınma Ve Mekanik Özelliklerinin yataklara göre daha düşük mekanik özelliklere ve demir ve bakır esaslı döküm yatakların T/M yataklara göre çok daha yüksek mekanik özelliklere sahip olduğu belirlenmiştir. Tablo 2 deki; akma, çekme, kopma, basma, üç nokta eğme ve radyal kırılma dayanımları N/mm 2 cinsinden verilmiştir. Sertlik değerleri ise Brinell (HB) cinsinden verilmiştir. Bu deneyler ALŞA marka 20 ton kapasiteli üniversal çekme cihazında TS-138 ve TS-269 a göre yapılmıştır. Sertlik ölçümleri SADT HARTIP-3000 marka sertlik ölçme cihazında ve mikrosertlik ölçümleri FUTURE-TECH FM-700 marka mikrosertlik ölçme cihazında yapılmıştır. Tablo 2. T/M yatakların mekanik deney sonuçları. Çekme σ ç Kopma σ k Uzama % ε Basma σ b Eğme σ e Sertlik (HB) CuSn Fe-Grafit CuSnFe Grafit FeCu-grafit Radyal Kırılma σ rk 3.2. Aşınma Özellikleri Kaymalı yatak numuneleri 20 N yükte ve 1500 d/dak devir sayısında 2.5 saat yağlı olarak aşındırılmıştır. Mil dönmeye başladığı anda oluşan sürtünme kuvveti yayda bir deplasman oluşturmuştur. Bu deplasmandan dolayı, sürtünme kuvveti elde edilmiştir. Sürtünme katsayısı, bu sürtünme kuvveti ve uygulanan yükün fonksiyonu olarak belirlenmiştir. Ayrıca, ağırlık kaybı değerleri 10-4 hassasiyetindeki terazide ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülük değerleri ise Tablo 3 te verilmiştir. T/M yatakların ve milin yüzey pürüzlülüğü değerleri aşınma sonrası düşmüştür. Tablo 3. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri. Pürüzlülük SAE 1050 CuSn10 Fe-Grafit CuSnFe- FeCu-Grafit Grafit Ra (µm) (Aşınma Öncesi) Ra (µm) (Aşınma Sonrası) T/M yatakların kullanılan malzemeye göre sürtünme katsayısı değişimleri Şekil 2, şekil 3 ve Şekil 4 te verilmiştir. Şekillerden de görüldüğü gibi en düşük sürtünme katsayısı, CuSn10 bronzunda gerçekleşmiştir. En düşük yatak ağırlık kaybı Fe-Grafit yatakta meydana gelmiştir. En yüksek yatak ağırlık kaybı FeCu-Grafit yatakta ve en yüksek mil ağırlık kaybı ise Fe-Grafit yatakta olmuştur. Yani mili en fazla demir yatak aşındırmıştır. İçerisine bakır ilave edildiğinde, yatağın kendisi fazla aşınmakta ve mili daha az aşındırmaktadır. Bronz-demir yatak ise bronz ve demir arasında bir değerde aşınmış olup, mili ise daha az aşındırmıştır. Bu çalışmada, 2.5 saat süre sonunda bronz yatakta yaklaşık 6 mg aşınma kaybı ölçülürken, demir yatakta ise % 25 daha fazla olarak yaklaşık 8 mg aşınma kaybı ölçülmüştür. Bu konuda, R. Varol Cu ve Fe esaslı T/M yatak malzemelerini SAE 1050 çelik mil üzerinde aşındırdığı çalışmasında 25 N yük, 4000 m 34

5 Ünlü, B., S., Yılmaz, S., S., Varol, R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2005 (2) kayma mesafesinde yaklaşık bronz yatağın 6 mg, demir yatağın ise % 25 fazla olarak 8 mg aşınma ölçmüştür [10]. Burada bulunan sonuçlar ile literatürde verilen sonuçlar paralellik göstermektedir. Sürtünme Katsayısı (µ) 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 CuSn10 Fe-C CuSn-Fe FeCu-C Ağırlık Kaybı (mg) CuSn10 Fe-C CuSn-Fe FeCu-C FeCu-C(B) Şekil 2. T/M yatakların kullanılan malzemeye göre sürtünme katsayısı değişimleri. Şekil 3. T/M yatakların kullanılan malzemeye göre yatak ağırlık kaybı değişimleri. Ağırlık Kaybı (mg) CuSn10 Fe-C CuSn-Fe FeCu-C FeCu-C(B) Şekil 4. T/M yatakların kullanılan malzemeye göre mil ağırlık kaybı değişimleri. Ayrıca; bu T/M yatakların aşınma yüzeyi görüntüleri de Şekil 5, şekil 6, şekil 7 ve ve Şekil 8 de gösterilmiştir. Burada, ölçek olarak 10 mm lik büyüklük 100 µm değerini göstermektedir. Bronz yatakta aşınma izleri daha belirgin bir şekilde görülmektedir. Diğer yataklarda grafit ve bakır üniform olarak dağılmış ve daha az aşınma izleri gerçekleşmiştir. Demir ve bronzun birlikte kullanıldığı yatakta her ikisinin sahip olduğu ayrı özellikler göstererek aşınma izlerinin azaldığı ve grafitin katı yağlayıcı etki yaparak yüzeyleri koruduğu gözlenmiştir. Şekil 5. CuSn10 Bronz (T/M) yatağın Şekil 6. Fe-Grafit (T/M) yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). 35

6 Teknolojik Araştırmalar : MTED 2005 (2) T/M Yatak lerinin Aşınma Ve Mekanik Özelliklerinin Şekil 7. CuSnFe-Grafit (T/M) yatağın Şekil 8. FeCu-Grafit (T/M) yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). 4. Sonuçlar 1. Bronz T/M yatakların demir T/M yataklara göre daha düşük mekanik sahip olduğu belirlenmiştir. 2. T/M yatakların ve milin yüzey pürüzlülüğü değerleri aşınma sonrası düşmüştür. 3. En düşük sürtünme katsayısı, CuSn10 bronzunda gerçekleşmiştir. 4. En düşük yatak ağırlık kaybı Fe-Grafit yatakta meydana gelmiştir. İçerisine bakır ilave edildiğinde, yatağın kendisi fazla aşınmış ve mili daha az aşındırmıştır. Bronz-demir yatak ise bronz ve demir arasında bir değerde aşınmış olup, mili ise daha az aşındırmıştır. 5. Kaynaklar 1. Schmidt R. F., Schmidt D.G., Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), 1993, pp Prasad B. K., Dry Sliding Wear Response of Some Bearing Alloys as Influenced by the Nature of Microconstituents and Sliding Conditions, Metall Trans. (A-28), 1997, pp Backensto A. B., Effects of Lubricants on the Properties of Copper-Tin Powders and Compacts, N.Jersey, Advences in P/M, Proc. Of PM Conf., APMI, PP , Simons C., Buchkremer H.P., Stöver D., Green and Sinter Compaction Studies of Cu and Fe Based Friction Materials, Birmingham, EURO PM 95, Proceeding, pp , Günther B., Kanazawa I., Self Lubricating Iron Base Materials by Mechanical Alloying, Birmingham, EURO PM 95 Proceedings, pp , G. Niemann, Makina Elemanları, Cilt-II, 1973, 7. Akkurt M., Makina Elemanları Cilt I, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1990, s Schatt W., Wieters K.P., Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, 1997, Shrewsbury, U.K., p Kurban A. O., Metallerin Isıl Yorulma Ömrü ve Bunun Dizayn Açısından Etüdü, Denizli Bilim Günleri, TMMOB, MMO,Yayın No 221, s , Varol R., Cu ve Fe Esaslı T/M Yatak lerinin Aşınma Özellikleri, DEÜ Müh. Fak. Fen ve Müh. Dergisi Cilt 3, Sayı 1, s , Ocak Ekşi, A., Kurt A., Metal ve Seramik Tozların Bilgisayar Kontrollü Tek Eksenli Kalıpta Preslenmesi, Ankara ODTÜ, II. Ulusal Toz Metalurjisi Konferansı, s , Demir A., Sarıtaş S., Toz Metal Çeliklerin Mekanik Özellikleri, Isparta A.Ü. Müh. Fak. Mak. Müh. Dergisi, Sayı.7, S. 1-13,

7 Ünlü, B., S., Yılmaz, S., S., Varol, R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2005 (2) Varol R., Sarıtaş S., Bilyalı Dövme İşleminin Demir Esaslı T/M Parçaların Yorulma Özellikleri Üzerine Etkisinin Araştırılması, Ankara Gazi Üniversitesi, I. Ulusal Toz Metallurjisi Konf., s , Bradury, S., Powder Metallurgy Equipment Manual-3, N. Jersey, Powder Metallurgy Assoc., P.191, Sarıtaş, S., Toz Metallurjisi, Ankara Makina Mühendisleri Odası, Makine Müh. El Kitabı s.64-82, Raman, R., Chennabasavan, T. S., Experimental Investigations of Porous Bearings Under Vertical Sinusoidally Fluctuating Loads, Tribology International, 31, pp , Arslan, F., Cinbat, S., Dönmez, A. G., Gözenekli Bronz Yatak İmalinde Üretim Parametrelerinin Yatak özelliklerine Etkilerinin İncelenmesi, 1. Ulusal Toz Metalurjisi Konferansı, G. Ü., Ankara, Kurt, A., Türker, M., Sarıtaş, S., Toz Metalurjisi Metodu İle Üretilmiş Bakır Yatakların Aşınma Özellikleri, 1. Ulusal Toz Metalurjisi Konferansı, G. Ü., Ankara, Bradury, S., Powder Metallurgy Equipment Manual-3, N. Jersey, Powder Metallurgy Assoc., P.191, Kurt, A., Toz Metal Bronz Yatak lerinin Özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, G. Ü., Fen Bil. Enst., Ankara, Zuoxing, G., Jiandong, H., Zhenfeng, Z., Laser Sintering of Cu-Sn-C System P/M Alloys, Journal of Materials Science, 34, pp , Justino, J. G., Bernardini, P. A. N., Self-Lubricating Bearings: Microstructural and Dimensional Evolution Under Industrial Processing Conditions, Materials Science Forum, , pp , Atik, E., Ünlü, B., S., Meriç, C., Radyal Kaymalı Yatak Aşınması Deney Cihazı Tasarımı, Makine leri ve Teknolojisi (MAMTEK) Sempozyumu, 2001, Manisa,