WEAR BEHAVIOURS OF ALLOYED WITH Pb-Sn-Cu-ZrO 2 CRANK SHAFT MAIN BEARING MANUFACTURED BY POWDER SPRAYING PROCESS

Transkript

1 ISSN: e-journal of New World Sciences Academy 2009, Volume: 4, Number: 2, Article Number: 2A0020 TECHNOLOGICAL APPLIED SCIENCES Received: September 2008 Accepted: March 2009 Series : 2A ISSN : İbrahim Can Cengiz Öner University of Firat ican@firat.edu.tr Elazig-Turkiye TOZ PÜSKÜRTME YÖNTEMİ İLE ÜRETİLMİŞ Pb-Sn-Cu-ZrO 2 ALAŞIMLI KRANK MİLİ ANA YATAĞININ AŞINMA DAVRANIŞLARI ÖZET Bu çalışmada; içten yanmalı motorlarda kullanılan geleneksel krank mili ana yataklarına alternatif olabilecek bir krank mili ana yatağı toz püskürtme yöntemi kullanılarak üretilmiş ve yatağın aşınma davranışı deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler gerçek motor şartlarını simüle eden deney düzeneğinde yapılmıştır. Deney sonucunda yataklar sökülmüş ve aşınma sonucunda meydana gelen kütle kayıpları dijital terazi ile tespit edilmiştir. Her iki yatağın çalışma yüzeylerinde oluşan aşınma miktarı, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile belirlenerek yorumlanmıştır. Ayrıca numuneler üzerinden EDS analizi ve mikro sertlik ölçümleri alınmıştır. Elde edilen bulgular ışığında kaplama yapılan numunenin orijinal yatağa göre karşılaşılan zorlanmalara karşı aşınma direncinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Krank Mili Ana Yatak Malzemesi, Motor, SEM Toz Püskürtme, Aşınma WEAR BEHAVIOURS OF ALLOYED WITH Pb-Sn-Cu-ZrO 2 CRANK SHAFT MAIN BEARING MANUFACTURED BY POWDER SPRAYING PROCESS ABSTRACT In this study, a new alternative crank shaft journal bearing is developed by using powder spray method for internal combustion engine and its wear behaviors were investigated experimentally. Experimental studies were determined under real engine conditions. At the end of the experiments, the bearings were pulled up and occur as a result of wear mass loss was determined with a digital balance. Work-surface both of the bearing the amount of wear was discussed with scanning electron microscopy (SEM). Moreover, EDS analysis and micro-hardness measurements on the samples were taken. According to the experimental results, it is observed that the new type of bearing material has showed higher wear resistant. Keywords: Crank Shaft Main Bearing Material, Engine, SEM, Powder Spray, Wear

2 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) İçten yanmalı motorlarda krank-biyel yataklarının sessiz çalışma, büyük darbeli yüklere dayanıklılık ve titreşim sönümleme gibi özelliklerin tercih edilmesi sebebiyle hidrodinamik yataklar kullanılmaktadır. Kullanılan yatakların uzun süre yüksek yük altında çalışması, krank mili yataklarının daha yüksek yorulma direnci, ısıl direnç ve aşınma direnci gibi daha yüksek mekanik özelliklere ihtiyacını artırmıştır. Teknolojik gelişmeler sonucu mil ve yataklar arasındaki yağ kalınlığının gittikçe azalması, yatağın çalışma şartlarını daha zorlu hale getirmektedir. Yağ filmi inceldikçe yatak ile mil yüzeyleri temas etmekte, bu durum ise normalin üzerinde ısınma, aşınma ve yatak sarma riski gibi olumsuzlukları ortaya çıkarmaktadır. Motor maliyetlerinin düşük olması yönündeki taleplerin de aynı zamanda artması, krank millerinin aşınmalarını azaltacak uzun ömürlü yatak malzemelerinin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Kaymalı yataklarda yatak malzemesi, mil malzemesinden yumuşak seçilerek adhesiv şeklindeki aşınma önlenmektedir [1]. Mil malzemesi ise alaşımlı çelikten yapılmakta ve ısıl işlem ile sertleştirilmektedir. Bu nedenle deney süresince milde kayda değer bir aşınma olmadığı kabul edilmiştir. Literatürde kaymalı yatak aşınma deney cihazları, sadece yatak malzemesinin aşınmasını incelemek üzere tasarlanır [1]. Aşınma test cihazları kısmen standartlaştırılmıştır [2, 8 ve 11]. Ancak standart test cihazlarına her sistemin şartlarını uydurmak mümkün değildir. Bu sebeple çalışmada kullanılan deney seti, yükleme, sıcaklık, yağlama ve devir sayıları değiştirilebilecek şekilde tasarlanmıştır. 2. ÇALIŞMANIN ÖNEMİ (RESEARCH SIGNIFICANCE) Bu çalışmada, kurşun esaslı ve seramik malzeme ile yüzeyi kaplanmış yeni bir krank mili ana yatak malzemesi geliştirmeye çalışılmıştır. Bu yeni geliştirilen yatak kaplaması ile yanma sonucu oluşan yüksek basınç kuvvetlerinin yatak yüzeylerinde olması muhtemel aşınmaya karşı daha yüksek aşınma direnci sağlamak ve böylece krank mili muylusunu daha az aşındıran ve krank mili ömrünü uzatan yeni bir yatak üretilmesi amaçlanmıştır. Farklı kimyasal bileşenlere sahip yatak alaşımları çelik kusunet içerisine toz püskürtme yöntemi ile kaplama yapılarak üretimi yapılmıştır [6 ve 9]. Yüksek devirli motorlarda ana yataklar çok farklı etki ve zorlanmaların tesiri altında çalışmaktadır. Yatakların bu zorlu şartlarda çalışabilmesi için yatak malzemelerinin özenle seçilmesi gerekmektedir. Çalışmada geleneksel yatakların eksiklikleri incelenmiş ve bu doğrultuda Pb-Sn-Cu-ZrO 2 içeren yatak malzemesi çelik yatak şeli çalışma yüzeyine toz püskürtme metodu ile krank mili ana yatağı üretimi yapılmıştır. Toz püskürtme yöntemi ile yatak üretimi konusunda farklı bir bakış açısı oluşturulmuştur. Ayrıca seramik malzeme kullanımının motor parçaları üzerine olumlu etkisinin olduğu da çalışmada açıkça belirtilmiştir. 3. DENEYSEL ÇALIŞMA (EXPERIMENTAL STUDY) %99 saflıktaki Pb-Sn-Cu-ZrO 2 toz alaşım elamanları, Tablo 1 de verilen oranlarda, yatak numunelerin yüzeylerine uygulanması amacıyla ticari olarak temin edilmiştir. Temin edilen tozların parçacık boyutları yaklaşık 60 ila 120 mikron arasındadır. Numuneler, Şekil.1 de görüldüğü gibi sulzer metko flame sprey (Toz püskürtme) cihazında oksijen ile vakum yapılarak oksi asetilen alevinin yatak iç yüzeyine püskürtülmesi ile kaplanmıştır. Yatak yüzeyinin farklı birkaç noktası için yüzey sertlik ölçümü yapılmıştır. Elde edilen değerlerin aritmetik olarak ortalaması Tablo 1 de gösterilmiştir. 226

3 Tablo 1. Yataklara ait kimyasal analizler (Table 1. Analysis of cemical analys for bearing) Pb Sn Cu ZrO 2 Diğerleri Sertlik (Rc) Orj.Yatak Malz Kaplama Yap. Yatak Malz G.Kalan Şekil 1. Toz püskürtme işleminin uygulanması (Figure 1. Application of powder spray process) Farklı ergime sıcaklığına sahip olan toz halindeki metal tanecikleri yüzeye mekanik olarak yapışmaktadır. Kaplama esnasında parça sıcaklığı 200 o C yi geçmediği için soğuk sistem olarak adlandırılmaktadır [3]. Çalışmada standart aşınma test cihazları kullanılmamış motor şartlarını olabildiğince sağlayan simule edilmiş bir deney düzeneği kullanılmıştır. Deney düzeneği olarak 4 silindirli bir opel 1800 benzinli motorun piston, kam mili ve supap mekanizması gibi hareketli parçalar sökülmüş, ancak krank mili muyluları ve yatakların basınçlı yağlama sistemi ile yağlanmasını yapmak amacıyla motorun yağlama sistemi çalışır durumda bırakılmıştır. Deney düzeneği, Şekil.2 de görülmektedir. Bu deney düzeneği başlıca 1800cc Opel marka motor bloğu, 2 Hp gücünde bir elektrik motoru, bir adet krank mili, yatak numuneleri, yükleme ağırlıkları, kayış kasnak sistemi, yağ pompası, yağ basınç göstergesi, yağ sıcaklık gösterge düzeneği ve yağ filtresinden oluşmaktadır. Ayrıca deney düzeneğinde mil devri ve sıcaklık da değiştirilebilecek şekilde düzenlenmiştir. Deneyde motorun orijinal krank mili kullanılmıştır. Milin orijinal haliyle yüzey sertleştirme işlemine tabi tutulmuş alaşımlı çelikten yapıldığı ve yüzey sertliğinin yaklaşık 65 Rc değerinde olduğu kabul edilerek, yatak malzemesinin sertliğinin krank miline göre daha düşük kalması ile çalışmada krank milinin aşınmadığı kabul edilmiştir. Ana yataklarının yüklenmesi Şekil.3 de görüldüğü gibi krank mili kol muylularına tek taraflı bağlanan ağırlıklar ile krank milinin balansı (Dengesi) bozularak gerçekleştirilmiştir. Deneyde sadece tek bir yük kullanılmış ve motorun orijinal yatakları ile yeni alaşım kompozisyonu ile hazırlanan kurşun esaslı alaşım yatakların aşınma davranışları karşılaştırılmıştır. Kullanılan toplam yatak yükleme ağırlıkları 450 gr olarak belirlenmiş ve merkez kaç kuvvetleri aşağıdaki gibi hesaplanarak yataklara gelen yük hesaplanmıştır [12]. 227

4 G πn g 30 2 F= r F: Merkezkaç (yatak zorlayan) toplam kuvvet (N), G: Ağırlık (Kg), g: Yer çekimi ivmesi, π:sabit sayı, n: Devir sayısı, r: Krank yarı çapı Şekil 2. Deney Düzeneği (Figure 2. The wiev of experimental setup) Şekil 3. Krank mili ana yatak bağlantı görünümü (Figure 3. Crank shaft main bearings link view) 4. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA (DENEY RESULTS AND DISCUSSION) Deneyde kullanılacak kaplanmış yatak numuneleri, deney motoruna monte edilip denge ağırlıkları bağlanmış yataklar yüklü konuma getirilmiştir. Deney düzeneği 500 saat çalıştırıldıktan sonra krank mili ve yataklar söküldü, saf alkol ile temizlenip basınçlı hava ile kurutuldu. Yataklardaki aşınma miktarını % ağırlık olarak belirlemek için 10-5 gr hassasiyetli elektronik terazi kullanılarak ölçümler yapıldı. Ölçüm sonuçları Tablo 2 de ve Şekil 4 de verilmiştir. 228

5 Tablo 2. Yatakların ağırlık değerleri (Table 2. Weight values of bearings) Çalışma Çalışma Öncesi Sonrası Ağırlık (gr) Ağırlık(gr) Ağırlık Kaybı (gr) Çalışma Zamanı (Saat) Kaplama Yapılan Yatak Orijinal Opel Yatağı Tablo 2 de görüldüğü gibi motor malzemeleri içerisine ZrO 2 katılması veya motor parçalarının ZrO 2 ile kaplanması, malzemenin aşınma davranışını iyileştirmektedir. Periyodik aralıklarla yapılan ağırlık kaybı ölçümlerinde her iki malzeme için yatakta lineer bir ağırlık kaybı olduğu görülmüştür. Toz püskürtme yöntemi ile krank mili yataklarının kaplanması sırasında ZrO 2 nin daha yüksek ergime sıcaklığına sahip olması nedeniyle erimediği katı partikül olarak yatak malzemesi içerisinde dağıldığı görülmüştür. ZrO 2 nin bu haliyle yatak yüzeyinde seramik kaplama etkisine benzer bir davranış sergilediğini söylemek mümkündür. Levy ve arkadaşları, bu amaçla yaptıkları bir çalışmada, kısmen stabilize edilmiş ZrO 2 seramik malzeme ile piston ve supap yüzeylerini kaplamış, belirli bir çalışma sonunda kaplanmış malzemenin yüzey analizlerinin incelenmesinden, parçanın aşınma davranışının iyileştiği sonucuna varmışlardır [4, 5, 7 ve 10]. Yataklarda en çok meydana gelen aşınma tipi adhesiv aşınmadır. Krank mili kaymalı yatak malzemesi basma gerilimi kg/cm 2 arasında olması uygun görülmektedir. Bu değer krank mili aşınmasını azaltıp, yatağa yeterli bir ömür sağlayabilmektedir. Yatak malzemesinin sertliğinin artırılmasıyla yatak aşınması azaltılabilmektedir ancak aşırı sertlik krank millerinin aşınmasına sebep olabilmektedir. Bu durum için optimum bir denge kurulmalıdır. Yeni üretilen yatak malzemesi içerisine katılan ZrO 2 nun malzemenin sertliğini arttırdığı dikkate alındığında ZrO 2 katkılı yatak malzemesinin aşınma davranışının iyileşmesi beklenir. Nitekim numunelerin ağırlık kaybı ölçümlerinde, ZrO 2 katkılı yatak malzemesinin daha az aşındığı Tablo 2 de verilen değerlerden görülmektedir. Şekil 4 ve Şekil 5 de numunelerin yüksek büyütmeli SEM fotoğraflarına bakıldığında, ZrO 2 katkısız orijinal yatakta aşınma çizgilerinin sürekli, geniş ve sık olduğu, ZrO 2 katkılı yatakta ise herhangi bir aşınma çizgisinin yer almadığı, kaplamanın yapısından kaynaklanan kısmi gözeneklerin oluşturduğu yapılar elde edilmiştir. Böylece kaplamalı yatağın, orijinal yatağa kıyasla daha az aşındığı düşünülmektedir. Şekil 4. Kaplama yapılmış yatağın çalışma sonrası SEM fotoğrafı (Figure 4. SEM photos of coating bearing after examination) 229

6 Şekil 5. Orijinal yatağın çalışma sonrası sem fotoğrafı (Figure 5. SEM photos of original bearing after examination) Bununla birlikte, orijinal yatak numunesinde aşınma izlerinin içerisinde pullanma şeklinde kabarma ve dökülmelere sebep olabilecek davranışlar, ZrO 2 katkılı yatakta görülmemiştir. Yatak numuneleri üzerinde yapılan sertlik ölçümlerinde ZrO 2 katkılı yatak numunesinin mikro sertliğinin, kaplamasız numuneye göre %20 civarında arttığı, bu durumun ise mil muylusu üzerinde ekstra aşınma etkisi yaratmadığı görülmüştür. Fakat Tablo 3, Şekil 6 ve Şekil 7 de iki numune için aşınma olan yüzeylerden alınan EDS sonuçları incelendiğinde yatağın alaşımına ait olmayan Fe ve Ni elementleri görülmektedir. Yatak yüzeyinde görülen farklı elementlerin krank milinin aşınmasından dolayı bu elementlerin yatak alaşımı içerisine sınırlı miktarda geçmiş olduğu anlaşılmaktadır. Her iki yatak için EDS sonuçları karşılaştırıldığında toz püskürtme yöntemi ile üretilen yatak malzemesi orijinal yatağa göre daha sert olmasına rağmen milden yatağa malzeme transferi orijinal yatak numunesine göre daha az olduğu görülmüştür. Tablo 3. Yatak yüzeylerinden alınan EDS analiz sonuçları (Table 3. EDS analysis results received from the bearing surface) Opel 1800 Orijinal Yatak Numunesi Toz Püskürtme Yön. Üretilen Numunesi Elmt Spct. Typ. Element% Atomik% Element% Atomik% O ED Ni ED Fe ED Cu ED Sn ED Pb ED Zr ED Toplam

7 Şekil 6. Orijinal yatak numunesinin EDS grafiği (Figure 6. The original bearing of the EDS sample chart) Şekil 7. Kaplama yapılmış yatak numunesinin EDS grafiği (Figure 7. The coating bearing of the EDS sample chart) Toz püskürtme yöntemi ile üretilen yatak malzemesinin önemli özelliklerinden birisi üretimden kaynaklanan doğal gözenekli yapısıdır. Çalışma sırasında gözenekli malzemenin daha iyi yağ tuttuğu ve aşınmayı azaltıcı yönde katkı sağladığı, mildeki aşınmanın az olmasıyla kanıtlanmıştır. Motorlarda kullanılan kurşun esaslı krank mili yataklarının gerek yapısal özellikleri, gerekse yüzey pürüzlülüğü ve sertliğin düşük olması, yataklarda istenmeyen ölçüde aşınmanın meydana gelmesine neden olmaktadır. 5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Toz püskürtme yöntemi ile üretilen krank mili ana yatakları çalışma sonrası orijinali ile karşılaştırma yapıldığında, daha iyi aşınma direnci göstermiştir. Toz püskürtme yöntemi ile yatak üretimi yapılırken yatak yüzeyinde kendiliğinden mikro çukurlar oluşur. Aslında bu olay yöntemin dezavantajı olarak kabul edilebilir, fakat kaymalı 231

8 yataklarda çalışma esnasında bu çukurlara yağ dolarak birer yağlayıcı kese görevi yaparlar. Bu yöntemle üretilen yataklar özellikle motorun ilk çalışması esnasında kuru sürtünmeyi önlediğinden savurma döküm ve diğer döküm yöntemleriyle üretilen yataklardan daha uzun ömürlüdürler. Ayrıca yüzeyde oluşan mikro çukurlar yatak temas yüzey alanını azalttığı için mil ile yatak arasındaki sürtünme kayıpları da bu sayede azaldığı görülmektedir. Yeni kaplamalı yatağın mikro sertliği orijinal yatağa göre fazla olmasına rağmen yatak yüzeylerinden alınan EDS analizlerinden anlaşıldığı üzere milde aşırı düzeyde bir aşınma söz konusu olmamıştır. Bu cümle yerine; Kaplama yapılmış numunelerin mevcut sertlik değerlerinin yüksek olmasına karşın, kaplama malzemesinin esas malzeme ile arasında oluşturduğu bağda herhangi kırılma veya çatlama gözlenmemiştir. Geliştirilen ZrO 2 katkılı yatağın mikro yapı ve sertlik değerlerinin iyileştiği, bu yatağın aşınmasının orijinal yatağa göre daha iyi sonuçlar vermiştir. Toz püskürtme yöntemi ile yatak üretilebilirliği konusunda yapılan bu çalışma; karmaşık, zor ve pahalı olan klasik yatak üretim yöntemlerine kıyasla daha düşük maliyetli, kolay uygulanabilir ve alternatif bir yöntem sunmaktadır. KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Tevrüz, T., (1998). Kuru Sürtünme ile Çalışan Bronzlu Dolgulu Tetrafloroetilen (PTFE) Radyal Yataklarının Tribolojik Davranışları, 7.Denizli Malzeme Sempozyumu, Pamukkale Üniversitesi Müh. Fak., Denizli, 2-4 Nisan Qui, X., Hamdi, A., Elmourisi, A., and Malaczynski, G., Development of Bench Test Methods for the Evaluation of Ion Implanted Materials: Piston/Bore Aplications, Surface and coatings Technology, No:88, Halamoğlu, T., (2003). Metal Püskürtme Yöntemiyle Aşınmaya Dayanıklı Kaplamalar, Yüzey İşlemler Dergisi, ss: Levy, A. and Macadam, S., (1987). The Behavior of Ceramic Thermal Barrier Coatings on Diesel Engine Combustion Zone Components, Surface and Coating Technology, No: 30, Desaki, T., Goto, Y., and Kamiya, S., (2000). Development of the aluminyum alloy bearing with higher wear rezistance. Elsevier Societ of Automotive Engineers of Japan. 21, Metal Handbook, (1997). vol.20, materials selection and desingn, ASM International, OH. 7. Metal Handsbook, (1988). Desk Edition, ASM, Metalspark, Ohio, pp: Metal Handsbook, (1988). Vol.15.9 th Edition, ASM, New York, pp: Goto, Y., Tomikawa, T., and Suga, S., (2002). Development of Pb Alloy Overlay for High Rotational gasoline engines, Elsevier, pp: William, H.C., (1967). Automotive Fuel, Lubricating and cooling systems, Construction, Operation and Maintenance, New York. 11. Nursoy, M., Öner, C., and Can, I., (2008). Wear behavior of a crankshaft journal bearing manufactured by powder spraying, Materials and Design Gieck, K., (1982). Mühendislik formülleri, pp:m1. 232