TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (1) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Toz Püskürtme Yöntemi Đle Krank Mili Ana Yatağının Yeni Bir Alaşım Đle Kaplanması Cengiz ÖNER, Đbrahim CAN Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 23119, ELAZIĞ Özet Bu çalışmada, krank mili ana yatağı, geleneksel kaymalı yatak üretim yöntemlerine alternatif olabilecek bir kaplama yöntemi olan toz püskürtme (Flame Spray) yöntemi ile kaymalı yatak üretilmiştir. Üretim üzerinde, yöntemin etkin parametreleri yanında avantaj ve dezavantajları üzerinde durulmuştur. Kurşun, kalay, bakır ve zirkonyum oksit malzemelerinden oluşan yeni bir alaşım ile krank mili ana yatağı kaplanmıştır. Çalışmada alev ayarı, alev-iş parçası yüzeyindeki mesafe ve alevin uygulama süresi, toz alaşımlarının parçacık büyüklükleri ve tabanca meme çapı gibi parametreler belirlenmiştir. Toz alaşımların yoğunluğu, nem oranı, parçacık büyüklüğü ve parçacıkların şekli püskürtme parametreleri üzerinde oldukça etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak toz püskürtme yöntemi ile krank mili ana yatakları çelik kusunetlerinin içerisi belirtilen alaşımlar ile kaplanabileceği uygulamalı olarak saptanmıştır. Anahtar kelimeler: Krank mili ana yatağı, toz püskürtme yöntemi, yüzey kaplama. 1.Giriş Đçten yanmalı motorlarda silindir içerisinde oluşturulan yük veya gücü, motorun hareket mekanizmaları ile yardımcı sistemlere aktaran, pistonun doğrusal hareketlerini dönme hareketine dönüştürülmesini sağlayan krank mili, kam mili vb hareketli parçaları taşıyan hareketsiz kısımlara yatak ve bunların yüzeylerine de yatak yüzeyi adları verilir. Motorlarda kullanılan kaymalı yataklar, değişken yük, sıcaklık ve basınç gibi zorlu şartlar altında çalışmaktadır. Belirtilen zorlu şartlara cevap verebilmesi için yatak metalleri alaşımlardan yapılmaktadır. Bunlardan en önemlileri; beyaz metaller, bakır kökenli metaller ve bronzlardır. Beyaz metaller kurşun, kalay ve alüminyum gibi elementlerden oluşur, diğerlerine nazaran yumuşaktırlar ve iyi yağlama özelliklerinden dolayı yüksek devirli motorlarda tercih edilirler. Bakır kökenli yataklar, beyaz metaller için ön görülen yatak yük sınırının üzerine çıkıldığı durumlarda tercih edilir, bakır kökenli yataklar için ön görülen yüklerin üzerine çıkılması durumunda ise bronz yataklar kullanılır. Bakır ve bronz yataklar yüksek güçlü ve düşük devirli motorlar için tercih edilir. Bu şekilde olan yatakların imalatı zordur ve maliyeti de yüksektir. Motorun çalışması esnasında ana yatakların direncini arttırmak ve diğer problemleri bertaraf etmek için bu konudaki çalışmalar hızla devam etmektedir. Đçten yanmalı motorlarda kullanılacak yatakların geleneksel yöntemlerle üretilmesi pahalı ve büyük emek gerektirmektedir. Geleneksel yöntemlerde birçok sorunla karşılaşılmaktadır. Bu yöntemlerde; yüzey pürüzlülüğü düşük, kolay işlenebilen ve dökümü kolay olan elementlerle uygun yatak üretmek mümkün olmamaktadır. Ayrıca geleneksel yöntemlerde halka çelik kusunet ya da şerit çelik kusunet kimyasal olarak temizlenir, kalay kaplaması yapılır ve ısıtılarak yatak metali savurma veya normal döküm yapılır. Bu şekilde hazırlanan numuneler frezelenerek halka olan yatak tam ortadan ikiye kesilir, düz olan ise yatak boyuda kesilerek preslenip yarım çember halinde şekillendirilir. Bu durum, üretimin verimliliği ve zaman açısından maliyeti önemli derecede arttırır.

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) Toz Püskürtme Yöntemi Đle Krank Mili Ana Yatağının Yeni Bir Alaşım Đle Kaplanması Son yıllarda geliştirilen yüzey kaplama yöntemlerinden biri olan toz metal püskürtme yöntemi, birçok alanda başarılı bir şekilde uygulama alanı bulmuştur. Bu yöntemde, farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip elementler homojen bir şekilde karıştırılıp, toz püskürtme tabancası ile yüzeylere kolaylıkla kaplama yapılabilmektedir. 2.Alevle Metal Püskürtme Đşlemi Metal püskürtme yönteminde toz veya tel halindeki kaplama maddeleri, bir püskürtme tabancasından yanıcı, yakıcı ve taşıyıcı gazların eşliğinde püskürtülerek iş parçasının yüzeyine kaplama oluşturulur. Bu gurupta yer alan teknikler arasında toz alev püskürtme, tel püskürtme, plazma püskürtme gibi sıralanabilir [1]. Toz Metalürjisi de kullanılan metal tozları 200 µm den daha küçüktür ve her geçen yıl daha da küçülmektedir. Metal tozlarının üretiminde kullanılan teknikler metale göre değişmektedir. Başlıca kullanılan metal tozu üretim teknikleri; atomizasyon, doğrudan indirgeme, elektroliz, çökertme ve öğütmedir.[2] Yöntemde, karışım halindeki toz metal alaşımları oksijen ile vakum yapılarak Oksi-Asetilen alevi ortasından kaplanacak yüzeye püskürtülür. Kaplama işlemi esnasında parçanın sıcaklığı 200 C yi geçmeyeceği için soğuk sistem olarak adlandırılır. Alev sıcaklığı 330 C civarındadır. Yapışma mekaniktir kaplama kalınlığı iş parçasının şekline bağlı olarak 0,05 2,5 mm arasında değişmektedir. Yapışma direnci PSI ve kaplama parametrelerine bağlı olarak yüzey pürüzlülüğü µm arasıda değişmektedir. Şekil 1 de yöntemin şematik görüntüsü verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi sistem, yanıcı ve yakıcı gazlar ve bu gazların kontrolünü sağlayan kontrol ünitesi, hava besleme ünitesi, toz besleme ünitesi, nozul (malzeme cinsine göre değişmektedir) ve püskürtme tabancasından oluşmaktadır. Püskürtme sisteminde paslanmaz çelikler, karbon çelikleri, çinko, bakır, alüminyum, babit, bronz alaşımları ve seramikler başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Başlıca uygulama alanları rulmanların oturma yuvaları, piston milleri, her türlü yataklar, şaft ve millerin aşınan yüzeyleri. Otomotiv sanayinde piston segmanları, sekromeçler, krank milleri ve yatakları, debriyaj baskı plakası oturma yüzeyleri olarak gösterilebilir [1]. Gaz kontrol ünitesi Argo n Oksije n Hava besleme ünitesi Toz besleme ünitesi Nozul Püskürtme tabancası Şekil 1 Püskürtme Ünitesi. 3.Materyal ve Metot Bu çalışmada, kurşun (Pb), kalay (Sn), bakır (Cu), ve zirkonyum oksit (ZrO 2 ) tozlarından oluşan bir alaşım ile kaymalı yatak uygulaması yapılmıştır. Bu yöntemde toz malzeme, alev sprey tabancasının üzerindeki bir besleyiciden yer çekimin etkisiyle beslenmekte ve bir taşıyıcı gazın yardımı ile toplanıp ergitilmek üzere 78

3 Öner, C., Can, Đ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) tabancanın nozuluna taşınmaktadır. Bu kısımda ergitilen tozlar kaplama işlemini meydana getirmek üzere kaplanacak malzeme üzerine püskürtülmektedir[3]. Deneylerde kullanılan toz tanecik büyüklüğü µm arasında seçildi. Toz alaşımları Şekil 2 (a) ve 2 (b) de görüldüğü gibi sulzer metco flame sprey (Toz püskürtme) cihazında oksijen ile vakum yapılarak oksi asetilen alevi ortasından kaplanacak olan nikel çelik kusunetin iç yüzeyine püskürtülmüştür. Püskürtme neticesinde elde edilen numuneler Şekil 3 de görülmektedir. Şekil 2(a) Toz Metalin Tabancadan Püskürtülmesi. Şekil 2 (b) Toz Püskürtme Đşleminin Uygulanması. Uygulama sırasında, farklı ergime sıcaklığına sahip olan toz halindeki metal tanecikleri yüzeye mekanik olarak yapışmaktadır. Elde edilen numuneler Şekil 3 de görülmektedir. Geleneksel yatak malzemesi üretiminde yatak malzemesini oluşturan elementlerin ergime derecesinin birbirine yakın olması istenir. Bu; homojen bir yatak malzemesi için önemli bir faktördür. Yatak malzemesi elementlerinin ergime sıcaklıklarının çok farklı olması halinde düşük sıcaklıkta ergiyen elementler iyi bir alaşım ve homojen mikro yapı oluştururken yüksek sıcaklıkta ergiyen malzeme tozları, ergimemekte, alaşım oluşumunu önlemekte ve mikro yapı homojenliğini bozmaktadır. Yüksek sıcaklıkta ergiyen elementlerin erimesinin sağlanması için eriyik sıcaklığının arttırılması durumunda ise; düşük sıcaklıkta ergiyen elementler buharlaşarak uçabilir. Toz püskürtme yöntemi ile yapılan üretimlerde ise alaşım tozlarının ergime sıcaklıklarının birbirine yakın seçilme zorunluluğu yoktur. Bu nedenle toz püskürtme yöntemi ile yatak üretimi çok daha basitleşmiştir. Genel olarak yatak üretiminde kullanılan metallerin ergime noktaları birbirlerinden çok farklıdır ve bu sebeple bu malzemelerle eriyik döküm ya da savurma döküm yapmak normal yollar ile mümkün olmamakta ve bunun için ayrı bir tesis kurmak gerekmektedir. Toz metal püskürtme yöntemi ile çelik kusunetlerin iç yüzeyine kaplama yapmak döküm yöntemlerine nazaran gerekli teknik ve uygulama yönünden çok daha basittir. Üretim yapılmadan önce çelik kusunetin kaplama yapılacak yüzeyi alkol ile yağ ve benzeri maddelerden temizlenir ve vakumlu ortamda kumlama işlemi yapılır. Yatak alaşımını oluşturan toz halindeki elementler belirlenen oranlarda karıştırılarak 80 C deki fırın içerisinde dakika arasında bir süre bekletilerek karışım kurutulur. Eğer bu işlem uygun şekilde yapılmazsa karışımın püskürtme tabancasında ki hareketleri güçleşir ve toz malzeme akışı gerçekleşmez, buna benzer bir durumda elementlerin parçacık büyüklüğüdür. Tanecik büyüklüğü µm çok küçükse parçacıklar birbirine yapışarak 79

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) Toz Püskürtme Yöntemi Đle Krank Mili Ana Yatağının Yeni Bir Alaşım Đle Kaplanması topaklanır ve toz akışı olmaz, büyük olması durumunda tanecikler kanallardan ve nozuldan geçemez beraberinde nozulun yanmasına neden olur. Şekil 3 Toz püskürtme yöntemiyle üretilen yatak numunesi. Bu uygulamada seçilen toz tanecik büyüklüğü µm arasında seçildi, metco sulzer katalogundan alaşıma uygun olarak P7B-B [4] seri nolu nozul ve Tablo 1 deki gaz basınç değerleri seçildi. Tablo 1. Kaplama işleminde kullanılan cihazın püskürtme değerleri. Alev basıncı (PSI) Akış metre (m/s) Oksijen Asetilen Alaşımları oluşturan elementlerin tanecik büyüklüğü eşit olmalıdır aksi durumda büyük olanlar tabanca üzerindeki toz besleme içerisinde büyük parçacıklar karışımın yüzeyine çıkarak karışımın homojenliğini bozar ayrıca tabancanın akış kanalına döküldükten sonra farklı büyüklükteki tanecikler aynı basınçla karşılaşınca daha hızlı ve dışa doğru olacağından kaplamanın homojenliği de bozulur. Bunun yanında toz metalin tanecikleri dairesel şekilde olmalıdır, tanecik şekilleri kristal ve köşeli olursa akış kanalına düştüğü andan itibaren akışı etkileyen bir direnç oluşur, tanecikler nozuldan çıktıktan sonra çıkış şekline bağlı olarak yönlenir ve istenilenin dışında hareket ederek taneciklerin büyük çoğunluğu parçalanabilir. Bu duruma bağlı olarak taneciklerin yüzeye çarpma hızlarından dolayı yüzey kalitesi istenildiği gibi elde edilemez. 4.Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada, krank mili ana yatakları Pb, Sn, Cu ve ZrO 2 tozlarından oluşan yeni bir alaşım kullanılarak toz metal püskürtme yöntemi ile kaplanmıştır. Çalışma sonucunda aşağıdaki sonuçlara varılmıştır. Bu yöntem kullanılarak yatak üretimi yapıldığında açık şekilde görüldü ki geleneksel yöntemlere göre uygulamanın şekli basitleştirilmiş ve ayrıca bir tesis gerektirmediğinden maliyet düşürülmüştür. Geleneksel yöntemler ile yatak üretimi yapılırken döküm için alaşım elementlerinin ergime sıcaklıklarının birbirine yakın seçilmesi zorunluluğu ve döküm sırasında karşılaşılan bütün zorluklarda giderilmiş olur. Toz püskürtme yöntemi ile motorun çalışma şartlarına göre belirlenen alaşım kompozisyonları tanecik büyüklükleri sınırlar içerisinde kalmak ve eşit olmak şartı ile yatak üretimi yapılmasını mümkün kılmaktadır. Fakat bu yöntemde de dikkat edilmesi gereken noktalar vardır; alaşımın formülü malzeme teknolojisine uygun seçilmez ise üretim sonunda yatak yüzeyinde çatlamalar olabilmektedir. Bunların yanında toz püskürtme işlemi sırasında tabanca ve püskürtme yüzeyi arasındaki mesafe işlem 80

5 Öner, C., Can, Đ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (1) tamamlanıncaya kadar değişmemelidir, mesafenin değişmesi durumunda taneciklerin çarpma yapışma hızları değişeceğinden kaplamada kabarma ve pulcuklaşma oluşur. Uygulama yatak üretimini basitleştirse de istenilen saflıkta ve tanecik büyüklüğünde elementlerin bulunmasında sıkıntı yaşanmaktadır. Yukarıda bahsedilen bütün durumlar dikkatli bir çalışma neticesi ile ortadan kaldırılabilir ve bu yöntemle yatak üretimi için alternatif bir yöntem olarak kullanılabilir. Kaynaklar 1. Halamoğlu,T., Metal Püskürtme Yöntemiyle Aşınmaya Dayanıklı Kaplamalar, Yüzey Đşlemler Dergisi, Eylül-Ekim,2003 Syf Sarıtaş,S., Toz Metalurjisi, Makine Mühendisliği El kitabı 2.Basım, Cilt.1, 1994, 2/ Lutz,E.H.,1993, Plazma Ceramicsi Powder Metallurgy International; No:25, Sulzer Metco,Cat.No.5P 999, Model 779,