BORLANMIŞ VE SEMANTASYON YAPILMIŞ SAE 1020 YATAĞIN AŞINMA ÖZELLİKLERİ WEAR PROPERTIES OF BORONIZED AND CARBURED SAE 1020 BEARING

Transkript

1 BORLANMIŞ VE SEMANTASYON YAPILMIŞ SAE 1020 YATAĞIN AŞINMA ÖZELLİKLERİ WEAR PROPERTIES OF BORONIZED AND CARBURED SAE 1020 BEARING Bekir Sadık ÜNLÜ 1, Selim Sarper YILMAZ 1, Mehmet UZKUT 2 ÖZET Kaymalı yatak malzemesi olarak endüstride döküm yöntemiyle üretilen bakır esaslı bronz malzemeler yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemeler kaymalı yataklardan beklenen özellikleri sağlamaktadırlar. Fakat demir esaslı yataklar mil malzemesi ile aynı olduğundan ve adhesiv aşınmaya yol açtığından kaymalı yatak olarak kullanılmamaktadır. Isıl işlemlerle bu adhesiv aşınma azaltılabilir. Bu çalışmada, demir esaslı SAE 1020, borlanmış B-SAE 1020 ve semantasyon yapılmış S-SAE 1020 yatakların aşınma özellikleri incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: SAE 1020, borlama, semantasyon, aşınma. ABSTRACT Copper based bronze materials manufactured by cast method are widely used as journal bearings in industry. These materials ensure desired properties for journal bearings. But, ferrous based bearings are not used for adhesive wear and same with journal material as journal bearing. This adhesive wear can be decreased by heat treatment. In this study, wear properties of ferrous based SAE 1020, TS DDK 40, and SAE 304 bearings have been examined. Keywords: SAE 1020, boronizing, carburing, wear. 1. GİRİŞ Kaymalı yatak malzemesi olarak, endüstride 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 bronz-demir yataklar ve belirli kullanım alanları için polimer malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Kaymalı yatakların seçiminde ise kullanım yerlerine göre kendinden beklenen özellikleri sağlayan malzemeler seçilmelidir. Malzemelere aşınma dayanımlarını arttırmak için uygulanan yüzey sertleştirme işlemlerinden bazıları; semantasyon ve borlama işlemidir. Semantasyon, ostenit sıcaklığında malzeme yüzeyine karbon emdirilip, su verme işlemidir. Borlama ise bu sıcaklıklarda bor emdirme işlemidir. 1 Öğr. Gör. Dr. Celal Bayar Üniversitesi., Turgutlu MYO, Makina Böl Turgutlu/MANİSA. 2 Yrd. Doç. Dr. Celal Bayar Üniversitesi., Makina Böl Turgutlu/MANİSA. 92

2 Kaymalı yatak malzemesi olarak, bakır esaslı malzemelerden bronz iyi korozyon direnci, yüksek ısıl ve elektriksel iletkenlik, ve iyi aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı uzun zamandır yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır [1-4]. 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 [5]. Düşük ısıl iletkenlik, uygun olmayan yükleme yataklarda aşırı zorlanmalar doğurur. Bu durum yorulma ömrü açısından önem kazanır [6]. Adhezyon aşınması, yataklarda özgül yatak yükü (p) ve yatak çevresel hızı (v) büyüklüklerinden önemli şekilde etkilenir. Ancak yatakların uygun pv değerlerinde kullanılması durumunda aşınma miktarı azalmaktadır [7]. Pratikte demir esaslı malzemeler mil malzemesiyle aynı olduğundan fazla adhesiv aşınma gösterdiği için kaymalı yatak olarak kullanılmamaktadır. Bu adhesiv aşınma borlama ile azaltılır ve yatak olarak kullanılabilir [8]. Demir esaslı olarak kaymalı yatak malzemelerinden dökme demir ve T/M yöntemiyle üretilmiş sinter demir kullanılır [7, 9-13]. Malzeme yüzeyi iyileştirme işlemlerinden biri de borlamadır. Bor ile yüzey sertleştirme, termo-kimyasal bir işlem olup esas olarak borun yüksek sıcaklıkta çelik yüzeyine difüzyonudur. Borlanmış yüzeyler sürtünme katsayısı düşük, aşınma direnci yüksek hale gelir. Malzeme yüksek sıcaklıklarda sertlik ve tribolojik özelliklerini korur [14]. Borlama ile malzeme yüzeyinde sert bir seramik tabakası oluşur. Örneğin Fe yüzeyine uygulanırsa oluşan bu tabaka FeB tabakasıdır. Bor difüze edilmiş yüzeylerin aşınma direnci normal yüzeylere göre yaklaşık 100 kat fazladır [15]. Borlama ile yüzey sertleştirme işlemlerine göre çok sert, sürtünme katsayısı düşük, korozyon direnci yüksek yüzey tabakası elde edilebilmesinin yanında darbesiz yüklemelere ve aşınmaya maruz makina parçalarının borlanması ve matris malzemesine yapılacak uygun ısıl işlemlerle, bunların çalışma ömürlerini oldukça fazla artıracak ve ülkemiz ekonomisine büyük katkılar sağlar [16]. Bor tabakasına C elementinin de etkisi vardır. Az karbonlu çeliklerde daha kalın bor tabakası elde edilmektedir [17]. Borlamadaki en büyük kazanç sertliktir. Çeliklerde 2000 HV dolayındadır. Borlanmış yüzeylerde teflona yakın sürtünme katsayısı elde edilir. Bor tabakası alaşımsız çeliklerde alaşımlılara göre 1,5-2 kat fazladır [18, 19]. Bu çalışmada döküm yöntemiyle üretilmiş demir esaslı; işlemsiz SAE 1020, borlanmış SAE 1020 ve semantasyon yapılmış SAE 1020 yatak numuneleri yeni geliştirilen radyal kaymalı yatak aşınma test cihazında [20] aşındırılarak sürtünme katsayısı, yatak sıcaklığı, yatak ve mil aşınma kayıpları belirlenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deney malzemeleri olarak; mil numunesi için SAE 1050 çelik mil, yatak numunesi olarak demir esaslı işlem yapılmamış SAE 1020, borlanmış B-SAE 1020 ve semantasyon yapılmış S-SAE 1020 kullanılmıştır. Kaymalı yatak deney numuneleri, 20 N kuvvet, 1500 d/dak da toplam 150 dakika yağlı ortamda aşındırılmıştır. Yağlama ise SAE 90 dişli yağı ile yapılmıştır Deneylerde kullanılan yatağın iç çapı d= mm, genişliği B=10 mm, dış çapı D=15 mm, milin ise çapı d=10 mm dir. Bu yatak ve mil malzemelerinin kimyasal bileşenleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Bu deney sonundaki süre; n=1500 devir sayısında v=0.785 m/s hıza ve 7065 m kayma mesafesine karşılık gelir. 93

3 Tablo1. a) SAE 1050 çelik milin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık). Malzeme C Si Mn P S Fe SAE Kalan b) Yatak malzemesinin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık). Malzeme C Si Mn P S Fe SAE Kalan 3. DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA Aşınmayı etkileyen parametrelerden olan aşınma öncesi ve sonrası yüzey pürüzlülük değerleri Mitutoyo-CE marka profilemetre cihazında hassas ölçümlerle yapılıp, Tablo 2 de verilmiştir. Yatakların yüzey pürüzlülüğü aşınma sonrası daha da azalmıştır. Fakat milin ise yüzey pürüzlülüğü aşınma sonrası daha da artmıştır. Bu duruma adhesiv aşınma neden olmuştur. Tablo 2. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri. Pürüzlülük SAE 1050 SAE 1020 B-SAE 1020 S-SAE 1020 Ra ( m) (Aşınma Öncesi) Ra ( m) (Aşınma Sonrası) Malzemeye göre sürtünme katsayısı değişimi Şekil 1 de, yatak sıcaklığı süre değişimi Şekil 2 de, yatak ağırlık kaybı değişimi Şekil 3 de ve mil ağırlık kaybı değişimi de Şekil 4 te verilmiştir. En düşük sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklığı B-SAE 1020 yatakta meydana gelmiştir. En yüksek yatak ağırlık kaybı işlemsiz SAE 1020 ve S-SAE 1020 yatakta ve en yüksek mil ağırlık kaybı ise SAE 1020 yatakta olmuştur. Şekilden görüldüğü gibi deney sonunda aynı koşullarda işlemsiz SAE 1020 ve S-SAE 1020 yatak yaklaşık olarak 2 mg aşınırken borlanmış B-SAE 1020 yatak 0.2 mg aşınmıştır. Mili ise B-SAE yatak 0.2 mg ve S-SAE 1020 yatak 2 mg aşındırırken, SAE 1020 yatak ise 4.9 mg aşındırmıştır. Yani, işlemsiz SAE 1020 yatak, S-SAE yatağa göre ve S-SAE 1020 yatak B-SAE 1020 yatağa göre daha fazla aşınmıştır. SAE 1020 yatak ise mili en fazla aşındırmakla birlikte, kendisi ve S- SAE 1020 yatak en çok aşınmıştır. En iyi yatak ve mil açısından aşınma özellikleri B-SAE 1020 yatakta elde edilmiştir. Buradaki yatak malzemeleri ayrı ayrı işlemsiz (SAE-1020), borlanmış (B-SAE 1020) ve semantasyon yapılmış (S-SAE 1020) olarak incelenip birbiriyle karşılaştırılmıştır. Yatak aşınma kaybı borlanmış yatakta işlemsiz ve semantasyon yapılmış yatağa göre yaklaşık 10 kat daha az gerçekleşmiştir. Borlanmış yatakta mil aşınma kaybı ise, semantasyonlu yatağa göre 10 kat, işlemsiz yatağa göre 25 kat daha az gerçekleşmiştir. Optik mikroyapı görüntüleri incelendiğinde; demir esaslı SAE 1020 yatakta, derin adhesiv aşınma izleri oluşmuştur. Borlanmış SAE 1020 yatakta homojen, düzgün bir aşınma oluşmuştur. Bor tabakasının katı yağlayıcı özellik göstermesi [8, 16] ve seramik yapı oluşturarak adhesiv aşınmanın önemli ölçüde azaldığı gözlenmiştir. Semantasyon yapılmış SAE 1020 yatakta belirgin bir aşınma izi ve yüzeyde yüksek sertlikten dolayı plastik şekil değiştiren bir bölge oluşmamıştır (Şekil 5-7). Bu görüntüler Hund Wetzlar CCD-290 ışık mikroskobunda 100 büyütmede çekilmiştir. 94

4 0,07 Sürtünme Katsayısı ( m) 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 SAE 1020 B-SAE 1020 S-SAE ,5 1 1,5 2 2,5 Süre (saat) Şekil 1. Sürtünme katsayısı-süre değişimi 50 Yatak Sıcaklığı ( 0 C) SAE 1020 B-SAE 1020 S-SAE ,5 1 1,5 2 2,5 Süre (h) Şekil 2. Yatak sıcaklığı-süre değişimi 95

5 Aşınma Kaybı (mg) 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, ,5 1 1,5 2 2,5 SAE 1020 B-SAE 1020 S-SAE 1020 Süre (saat) Şekil 3. Yatak aşınma kaybı-süre değişimi Aşınma Kaybı (mg) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,5 1 1,5 2 2,5 SAE 1020 B-SAE 1020 S-SAE 1020 Süre (saat) Şekil 4. Mil aşınma kaybı-süre değişimi 96

6 Şekil 5. SAE 1020 yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). Şekil 6. B-SAE 1020 yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). Şekil 7. S-SAE 1020 yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü (x 100). 97

7 4. SONUÇLAR 1. En düşük sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklığı B-SAE 1020 yatakta meydana gelmiştir. 2. Yatak aşınma kaybı borlanmış yatakta (B-SAE 1020) işlemsiz (SAE-1020) ve semantasyon yapılmış (S-SAE 1020) yatağa göre yaklaşık 10 kat daha az gerçekleşmiştir. 3. Borlanmış yatakta mil aşınma kaybı ise, semantasyonlu yatağa göre 10 kat, işlemsiz yatağa göre 25 kat daha az gerçekleşmiştir. 4. İşlemsiz SAE 1020 yatak, S-SAE yatağa göre ve S-SAE 1020 yatak B-SAE 1020 yatağa göre daha fazla aşınmıştır. SAE 1020 yatak ise mili en fazla aşındırmakla birlikte, kendisi ve S-SAE 1020 yatak en çok aşınmıştır. En iyi yatak ve mil açısından aşınma özellikleri B-SAE 1020 yatakta elde edilmiştir. 98

8 5. KAYNAKLAR [1] Schmidt, R. F., Schmidt, D. G., Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), pp , [2] 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), pp , [3] 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 , [4] 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 , [5] Schatt, W., Wieters, K. P., Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, Shrewsbury, U.K., pp. 492, [6] Kurban, A. O., Metallerin Isıl Yorulma Ömrü ve Bunun Dizayn Açısından Etüdü, Denizli Bilim Günleri, TMMOB, MMO, Yayın No 221, s , [7] Varol, R., Cu ve Fe Esaslı T/M Yatak Malzemelerinin Aşınma Özellikleri, DEÜ Müh. Fak. Fen ve Müh. Dergisi Cilt 3, Sayı 1, s , Ocak [8] Ünlü, B. S., Kaymalı Yataklarda Tribolojik Özelliklerin ve Borlanmış Demir Esaslı Malzemelerin Yatak Olarak Kullanılabilirliğinin Belirlenmesi, Doktora Tezi, C. B. Ü. Fen Bil. Enst., Manisa, [9] Bradury, S., Powder Metallurgy Equipment Manual-3, N. Jersey, Powder Metallurgy Assoc., pp. 191, [10] Sarıtaş, S., Toz Metallurjisi, Ankara Makine Mühendisleri Odası, Makine Müh. El Kitabı s , [11] Bradury, S., Powder Metallurgy Equipment Manual-3, N. Jersey, Powder Metallurgy Assoc., pp.191, [12] Justino, J. G., Bernardini, P. A. N., Self-Lubricating Bearings: Microstructural and Dimensional Evolution Under Industrial Processing Conditions, Materials Science Forum, , pp , [13] Can, A. Ç., Özmen, Y., Topcu, M., Formation of tangential pre-stress as a residual stress and its influence on the tribological performance of nodular cast irons, Tribology International, 33, pp , [14] Matuschka, A. G., Boronizing, Carl Hanser Verlag, München Wien, [15] Karamış, M. B., Nair, F., Selçuk, B., Borlanmış Malzemelerin Tribolojik Özellikleri, 6. Denizli Malzeme Sempozyumu, s ,

9 [16] Atik, E., Çeliklerin Borlanarak Aşınma Dayanımlarının Artırılması, Mühendis ve Makina, Sayı 445, s , Şubat, [17] Göy, Z., Borlama, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bil. Enst., İstanbul, [18] Bozkurt, N., Bor Yayınımıyla Çeliklerde Yüzey Sertleştirme, Doktora Tezi, İTÜ, Fen Bil. Enst., İstanbul, [19] Yılmaz, S. S., Çeliklerde Bor İle Yüzey Sertleştirme, Yüksek Lisans Tezi, C. B. Ü. Fen Bil. Enst., [20] Atik, E., Ünlü, B. S., Meriç, C., Radyal Kaymalı Yatak Aşınması Deney Cihazı Tasarımı, Makine Malzemeleri ve Teknolojisi (MAMTEK) Sempozyumu, s , Manisa