TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 25 (1) 1-5 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Kalay -Kurşun Esaslı Yataklardaki aşım Elementlerinin Aşınmaya Etkisi Bekir Sadık ÜNLÜ, Enver ATİK Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Bölümü Muradiye - MANİSA ÖZET Kaymalı yatak malzemesi olarak kalay-kurşun esaslı alaşımlar otomotiv endüstrisinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemelerin esasını oluşturan saf kalay ve kurşun ise iyi kayma özelliği olmasına rağmen çok düşük sertliğe sahip olduğundan düşük aşınma dayanımı göstermekte ve düşük mekanik özellikleri nedeniyle tek başına yatak malzemesi olarak kullanılmamaktadır. İyi bir kayma özelliğine sahip bu malzemelerin içerisine, gibi elementler ilave edildiğinde kaymalı yataklarda iyi sonuçlar vermektedir. Bu çalışmada; kalay kurşun esaslı alaşımı ve bu malzemelerin esasını oluşturan saf, saf ve alaşım elementlerinden saf ve saf dan üretilen kaymalı yatakların sürtünme ve aşınma özellikleri belirlenip, birbiriyle karşılaştırılmıştır. Karşı aşındırıcı olarak SAE 15 çelik mil kullanılmıştır. Deneyler radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında 2 N yük, 15 d/dak ve 2.5 saatte yapılmıştır. Sonuç olarak, malzemesi, saf durumda üretilen numunelere göre daha iyi aşınma direnci göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Kalay-Kurşun Esaslı Yataklar, aşım Elementi, Aşınma 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 sinter yataklar ve polimer malzemeler kullanılmaya başlanmıştır [1]. Kaymalı yatakların seçiminde ise kullanım yerlerine göre kendinden beklenen özellikleri sağlayan malzemeler seçilmelidir. Kaymalı yatak konstrüksiyonlarında mil veya aks genellikle çelikten yapılmakta ve yüzeyleri sertleştirilmektedir. Bu yolla mil veya aksın abraziv aşınmasına karşı bir önlem alınmaktadır. Yatak malzemeleri ise mikrokaynaklanma sonucu ortaya çıkan adheziv aşınmayı önlemek amacıyla demir dışı malzemelerden imal edilmektedir [2]. Yatak malzemelerinden, yüksek basma ve yorulma dayanımı, aşınma ve korozyon dayanımı, sert parçacıkları bünyesine gömebilme yeteneği, düşük sürtünme katsayısı, düşük ısıl genleşme katsayısı, kolay işlenebilme ve düşük maliyet gibi özellikler istenmektedir. Kaymalı yatak malzemelerinden beklenen bu özellikleri bir arada bulunduran malzeme henüz geliştirilememiştir. Bu

2 Teknolojik Araştırmalar 25 (1) 1-5 Kalay -Kurşun Esaslı Yataklardaki aşım yöndeki araştırmalar devam etmektedir [3-4]. Kaymalı yataklardan beklenen en önemli özellik aşınma direncinin iyi olmasıdır. Mil veya akslarda imalat, maliyet ve yenisiyle değiştirme veya tamir etmenin zorlukları nedeniyle aşınmanın minimum düzeyde gerçekleşmesine çalışılmaktadır. Yatak malzemeleri imalat kolaylığı, düşük maliyetleri ve değiştirilmesinin kolay olması nedeniyle aşınmasına (mil veya aksı korumak amacıyla) daha fazla izin verecek şekilde seçilmekte ve tasarlanmaktadır. Yatak malzemeleri metalik ve metalik olmayan malzemelerden yapılmaktadır. Kalay kurşun alaşımları bu gibi özelliklere sahip olduğundan yatak malzemesi olarak önem teşkil etmektedir. Triboloji uygulamalarında otomobil yatakları iyi bir örnek oluşturmaktadır. Bu otomobil yatakları sürtünme alanlarını gösteren Stribeck diyagramında hidrodinamik yağlama bölgesinde çalıştığı görülmektedir [5]. Bir otomobil birçok tribo-bileşenden 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 [6-8]. 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 [9]. Bu çalışmada, endüstride kullanım alanı sınırlı, ve anti sürtünme özelliği iyi fakat sertliği ve aşınma dayanımı da düşük çok düşük olduğundan, tek başına yatak olarak kullanılmayan ve içerisine dayanımı artırmak için % 1 oranlarında ve ilave edilerek alaşımı ve bu malzemelerin esasını oluşturan saf, saf ve alaşım elementlerinden saf ve saf dan üretilen kaymalı yataklar yeni geliştirilen radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında [1]. aşındırılarak sürtünme katsayısı, yatak sıcaklığı, yatak ve mil ağırlık kayıpları belirlenmiştir. Ayrıca bu yatak malzemelerinin içindeki elementlerin etkileri de belirtilerek aşınma özellikleri incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneyler radyal kaymalı yatak aşınma deney 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 kendi ürettiğimiz alaşımı ve bu malzemelerin esasını oluşturan saf ve saf ve içerisine ilav edilen alaşım elementlerinden saf ve saf den üretilen kaymalı yataklar, yükleme için 2 N kuvvet, devir sayısı için 15 d/dak, yağlayıcı olarak SAE 9 yağı seçilmiştir. Deneyler bu parametreler altında tekrarlanmıştır. Sürtünme, sıcaklık ve aşınma değerleri belirlenip kaydedilmiştir. 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 her 3 dakikada bir tekrarlanarak toplam 2.5 saat sürdürülmüştür. Deney 2 N yükte 15 d/dak da yağlı ortamda tekrarlanmıştır. Bu deney sonundaki süre; n=15 devir sayısında v=.785 m/s hıza ve 765 m kayma mesafesine karşılık gelir. 2

3 Ünlü, B. S., Atik, E. Teknolojik Araştırmalar 25 (1) 1-5 Tablo 1: a) SAE 15 çelik milin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık) Malzeme C Si Mn P S Fe SAE Kalan b) yatağın kimyasal bileşenleri (% Ağırlık) Malzeme Aşınmayı etkileyen parametrelerden olan yüzey pürüzlülük değerleri profilemetre cihazında hassas ölçümlerle gerçekleştirilmiştir. yatağın yüzey pürüzlülüğü yaklaşık olarak Ra=1.74 µm, saf kalay yatağın Ra=1.35 µm, saf kurşun yatağın Ra=2.92 µm, saf yatağın Ra=3.16 µm, saf yatağın Ra=1.25 µm ve SAE 15 çelik milin ise Ra=.5 µm dir. Numuneler deney cihazına bağlanarak toplam 2.5 saat olmak üzere her 3 dakikada bir sürtünme kuvveti ve buradan da sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. 3. DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA Kaymalı yatak numuneleri 2 N yük ve 15 d/dak hızla, 3 dakikada bir ölçülmek üzere toplam 15 dak. yağlı ortamda aşındırılmıştır. Mil dönmeye başladığı anda yatakta oluşan sürtünme kuvveti deney cihazına yerleştirilen komparatörde belirli bir deplasman oluşturmuştur. Bu deplasman sürtünme katsayısı bağıntılarında yerine konularak sürtünme kuvveti elde edilmiştir. Sürtünme katsayısı, bu sürtünme kuvveti ve uygulanan yükün fonksiyonu olarak belirlenmiştir. Belirlenen bu sürtünme katsayısı değerleri Tablo 2 de gösterilmiştir. Şekil 1 de sürtünme katsayısı, işlem süresinin fonksiyonu olarak verilmiştir. Deneylerde her 3 dakikada bir yatak sıcaklığı dijital termometre ile ölçülüp kaydedilmiştir. Yatak sıcaklığının süre ile değişimi Şekil 2 de, yatak ve milin ağırlık kaybı sonuçları da Şekil 3 4 de verilmiştir. Deneylerde saf, saf, saf ve saf yatakların sürtünme katsayısı yatak ile yaklaşık birbirine yakın olarak elde edilmiştir. Yatak sıcaklıkları da birbirine yakın olarak gerçekleşmiştir. Buna karşın saf ve saf yatakların mili diğer yataklara göre daha fazla aşındırdığı gözlenmiştir. Ayrıca, en düşük yatak ağırlık kaybı saf, saf ve den üretilen yatakta elde edilmiştir. En fazla yatak ağırlık kaybı saf kurşun yatakta olmuştur. Fakat mili ise en fazla saf ve ardından saf yatak, en az ise yatak aşındırmıştır. Bu şekilde, kalay-kurşun esaslı yatak malzemesinin ve bunların esasını oluşturan saf, saf ve bunlara ilave edilen alaşım elementlerinden saf ve saf malzemelerinden üretilen kaymalı yatakların tribolojik özellikleri belirlenerek endüstride uygun bir şekilde kullanılabilmeleri, birbiriyle karşılaştırılarak gösterilmiştir. 4. SONUÇLAR 1. Saf, saf, saf ve saf yatakların sürtünme katsayısı yatak ile yaklaşık birbirine yakın olarak elde edilmiştir. Yatak sıcaklıkları da birbirine yakın olarak gerçekleşmiştir. 2. Saf ve yataklar mili daha fazla aşındırmıştır. 3. En düşük yatak ağırlık kaybı saf, saf ve den üretilen yataklarda elde edilmiştir. 3

4 Teknolojik Araştırmalar 25 (1) 1-5 Kalay -Kurşun Esaslı Yataklardaki aşım 4. Labaratuarda ürettiğimiz alaşımı hem yatak malzemesinin az aşınması hem de mil malzemesini az aşındırması açısından oldukça önemli sonuçlar vermiştir. Görüldüğü gibi kayma özelliği iyi fakat sertliğinin çok düşüklüğü nedeniyle aşınma dayanımı az olan saf ve Saf içerisine belirli oranlarda saf ve saf gibi alaşım elementleri katılarak tribolojik özellikler iyileştirilmiştir. Sürtünme Katsayısı ( ),8,6,4,2 Şekil 1. Sürtünme katsayısı-işlem süresi değişimi Sıcaklık T( C) Şekil 2. Yatak sıcaklığı-işlem süresi değişimi Ağırlık Kaybı (mg) Şekil 3. Yatak ağırlık kaybı - işlem süresi değişimi 4

5 Ünlü, B. S., Atik, E. Teknolojik Araştırmalar 25 (1) 1-5 Ağırlık Kaybı (mg) Şekil 4. Mil ağırlık kaybı - işlem süresi değişimi 5. KAYNAKLAR 1. Pürçek, G., Esaslı aşımlardan İmal Edilen Kaymalı Yatakların Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, K. T. Ü., Fen Bil. Enst., Neale, M.J., Bearings (A Tribology Handbook), London, Eyre, T. S., Friction an Wear Control in Industry, Surface Engineering, Vol. 7, pp , Schatt W., Wieters K.P., Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, 1997, Shrewsbury, U.K., pp Priest, M., Taylor, C. M., Automobile Engine Tribology-Approaching The Surface, Wear, 241, pp , 2 6. Enomoto, Y., Yamamoto, T., New Materials in Automotive Tribology, Tribology Letters, 5, pp , Dowson, D., History of Tribology, Professional Engineering Publishing, pp. 768, Coy, R. C., Practical Applications of Lubrication Models in Engines, New Dir. Tribology MEP, pp , Upadhyaya, A., Mishra, N. S., Ojha, S. N., Microstructural Control by Spray Forming and Wear Characteristics of a Babbit loy, Journal of Materials Science, 32, pp , Atik,E., Ünlü, B., S., Meriç, C., Radyal Kaymalı Yatak Aşınması Deney Cihazı Tasarımı, Makine Malzemeleri ve Teknolojisi (MAMTEK) Sempozyumu, Manisa, Sayfa 98-13, 21 5