METALK MALZEMELERDE AINMA Temas eden yüzeylerde, sürtünme kuvvetleri güç kaybına, aınma ise ileme toleranslarının kötülemesine sebep olmaktadır. Dier taraftan, debriyaj ve fren balatası ve de ayakkabı tabanları gibi bazı malzemelerde sürtünme salanabilecek özellik istenmesine ramen, aınma istenmeyen bir olaydır. Buna karılık frezeleme ve talama gibi talalı imalat ilemlerinde ise sürtünme için minimum enerji harcayarak maksimum aınmanın yapılması istenir. SÜRTÜNME Bilindii gibi, iki malzeme birbirlerine temas edecek ekilde yerletirilirse, bu malzemelerden birini dieri üzerinde kaydırmak için uygulanan kuvvete sürtünme kuvveti direnç gösterir. Kaymayı balatan kuvvet (F s ) ile, temas yüzeyine etki eden normal kuvvet (F n ) arasında; baıntısı mevcuttur. Burada s statik sürtünme katsayısıdır. F s = s. F n (1) Kayma baladıktan sonra, sürtünme kuvvetinde bir azalma olur ve bu durumda; F k = k. F n (2) baıntısı yazılabilir. Burada k (< s ) kinetik sürtünme katsayısıdır ekil 1. Statik sürtünme ve dinamik sürtünme esnasında cisme etki eden kuvvetleri ematik gösterimi. Çok iyi torna edilmi metalik bir malzemenin yüzeyi mikroskop altında incelenirse yüzeyde çok sayıda girinti ve çıkıntıların yani pürüzlerin bulunduu görülür. Metal yüzeyi parlatıldıında, pürüzlerin boyutunda on misli bir azalma olur fakat yine de yüzeyde pürüzler bulunur.
Ne kadar hassas ilenmi veya parlatılmı olursa olsun, iki yüzey birbiriyle temas ettiinde, gerçek temas bir takım pürüzlerin birbirlerine dokunduu noktalarda olur. Bu durumda, yüzeye etki eden yük, sadece pürüzlerin birbirlerine temas ettii noktalardan desteklenir ve yüzey alanının küçük bir kısmı yükü taır. Sürtünme Katsayısı Deerleri Vakumda, çok iyi temizlenmi metal yüzeylerini birbirleri üzerinde kaydırmak mümkün deildir. Kayma kuvveti, birleme noktalarında yüksek plastisiteye ve tamamen yapımaya sebep olur. Bu olay metalden yüzey filmini kaldıran ortamlarda (örnein H 2 ) ve atmosfer dıında önemli bir problemdir. Çok miktardaki oksijen veya H 2 0, metalik birleme noktalarında oksit filmi oluturarak deerini büyük ölçüde azaltır. Altın haricindeki bütün metaller, yüzeylerinde belirli bir kalınlıkta oksit filmi olutururlar. Pürüz uçlarında oluan oksit filmleri arasındaki birleme noktalarının, kayma esnasında ana metalden daha gevrek ve düük mukavemetli oldukları saptanmıtır. Bu durumda yüzeyler ince oksit tabakası üzerinde, metalin kendisinden daha düük gerilme deerlerinde kayacak ve buna balı olarak deeri 0,5-1,5 arasında azalacaktır. Yumuak metallerin birbirleri üzerinde kaymaları durumunda (örnein kurun-kurun üzerinde) birleme noktaları daha zayıftır, fakat alanın daha geni olması nedeniyle deeri daha büyük olur (0.5-1.5). Sert metallerin kayması durumunda ise (çelik-çelik üzerinde) birleme noktaları az fakat mukavemetin fazla olması nedeniyle sürtünme yine büyüktür. AINMA Birbirine temas eden mühendislik malzemelerinin, birbirlerine sürtünmesi neticesinde meydana gelen aınma, çeitli makine ve teçhizatın kullanımı sırasında çok büyük ekonomik kayıplara sebep olmaktadır. Aınma, bir yüzeyden dier bir yüzeye malzeme transferi veya aınma parçalarının oluumu neticesinde ortaya çıkan malzeme kaybıdır. DIN 50320'de aınma; "kullanılan malzeme yüzeylerinden mekanik sebeplerle ufak parçaların ayrılması suretiyle meydana gelen deiiklik" olarak tanımlanmaktadır. Temas halinde bulunan katı yüzeylerde, malzeme kaybı üç ekilde gerçekleebilir. Bunlar bölgesel erimeler, kimyasal çözünme ve yüzeyden fiziksel anlamda oluan ayrılmadır. Uygulamada aınma kapsamında, daha çok yüzeyden fiziksel anlamda ayrılan malzemenin sebep olduu hasarlar dahil edilmektedir. Bir aınma sisteminde; ana malzeme (aınan), karı malzeme (aındıran), ara malzeme, yük ve hareket aınmanın temel unsurunu oluturur. Bütün bu unsurların oluturduu sistem teknikte "Tribolojik Sistem" olarak isimlendirilir. Bir aınma sistemindeki önemli etkenlerden biri de çevre artlarıdır. Sistem elemanlarının nem ve korozif etkiler ile karı karıya kalması aınmayı hızlandırır.
Aınma, genellikle önceden bilinen bir hasar tipidir. Birbirleri ile temasta olan malzeme yüzeyleri oksit filmleri veya yalayıcılar ile korunsalar bile, mekanik yüklemeler altında oksit tabakasının veya yalamanın bozulması, iki yüzeyin birbiriyle dorudan temasına sebep olabilir. Bu temas sonucu oluan sürtünme malzemenin çalıma koullarındaki ömrünü ve performansını sınırlayan aınmaya sebep olur. Bu hasar uygun yalama, filtreleme, uygun malzeme seçimi ve uygun tasarım gibi faktörlerle en aza indirilebilir, fakat kesinlikle önlenemez. Aınmayı etkileyen faktörleri dört ana grup halinde toplayabiliriz. I-Ana Malzemeye Balı Faktörler Malzemenin kristal yapısı Malzemenin sertlii Elastisite modülü Deformasyon davranıı Yüzey pürüzlülüü Malzemenin boyutu II- Karı Malzemeye Balı Faktörler ve Aındırıcının Etkisi III- Ortam artları Sıcaklık Nem Atmosfer IV-Servis artları Basınç Hız Kayma yolu Aınma Mekanizmaları Pek çok aınma mekanizması vardır. Bunları aaıdaki ana balıklar altında açıklamak mümkündür. 1) Olu Mekanizmaları Açısından Sınıflandırma 1.1. Adhesiv Aınma Özellikle birbiriyle kayma sürtünmesi yapan, metal-metal aınma çiftinde meydana gelen kaynaklama olayının bir sonucudur. Birbiri üzerinde kayan yüzeylerdeki gerilmeler küçük yüklemelerle dahi akma gerilmesi sınırına, eriirler veya geçerler. Böylece temas eden metaller arasında yapıma kuvvetleri kendini gösterir. Bu nedenle bir parçadan dierine malzeme geçii, souk kaynaklama ve küçük parçaların kopması olayları meydana gelir. Adhesiv aınma, en sık rastlanan aınma türü olmasına ramen genellikle hasarı hızlandırıcı etkide bulunmaz. Adhesiv aınma bir metal yüzeyinin baka bir metal yüzeyindeki baıl hareketi sırasında birbirlerine kaynamı veya yapımı yüzeydeki pürüzlerin kırılması sonucu ortaya çıkar.
Eer iki metal aynı sertlikte ise aınma her iki yüzeyde de oluur. Metaller arasındaki yalamanın mükemmel olması, yüzeye etki eden yükün azaltılması ve malzemenin sertliinin arttırılması adhesiv aınmayı azaltır. Sonuç olarak adhesiv aınma; yüzeye etkiyen normal yükle, kayma yolu ile ve aınan malzemenin yüzey sertlii ile orantılıdır. 1.2. Abrasif Aınma Yırtılma veya çizilme aınması olarak da isimlendirilen abrasif aınma, sistemde hızlı hasara neden olan önemli bir aınma türüdür. Abrasif aınma; biri dierinden daha sert ve pürüzlü olan metal yüzeylerinin birbiriyle temas halindeyken kayma sırasında meydana gelir. Sert parçacıkların yumuak metale batması abrasif aınmaya sebep olabilmektedir. Bu mekanizmaya örnek olarak, sisteme dıarıdan giren toz parçacıklarının veya bir motorda oluan yanma ürünlerinin sebep olduu aınma tarzı verilebilir. Abrasif aınma hızı, malzeme yüzeyine etki eden yük azaltılarak düürülebilir. Böylece parçacıkların yüzeye daha az batması ve çapak kaldırılması sırasında daha az iz bırakması salanır. Malzeme açısından abrasif aınmayı azaltmak için; Daha sert alaım kullanmak, Sertlik arttırmak amacıyla ısıl ilem uygulamak, Malzeme yüzeyini sert bir tabaka ile kaplamak, tavsiye edilir. Bu önlemlerle abrasif aınma hızını azaltmak mümkündür. Abrasif aınma endüstriyel cihazlarda malzeme kayıplarının balıca sebebidir. Aındıran malzeme serbest halde iki metal arasında bulunuyorsa veya yalnız bir metali aındıran sabit veya serbest taneler mevcut ise bu durumda; ki elemanlı abrasif aınma, Üç elemanlı abrasif aınma, eklinde gruplandırma mümkündür.
ekil 2. ki elemanlı ve üç elemanlı abrasif aınma oluum ekilleri. Metal-metal sürtünmelerinde aınma iki elemanlı abrasif veya adhesiv olarak balayıp üç elemanlı abrasif olarak devam eder. Bu durumda araya giren toz, mineral taneleri, çizilme sonucu serbest hale geçen mikro talalar ve parçalanmı oksit parçacıkları üçüncü elemanı (ara malzemeyi) oluturabilir. Serbest hale geçen mikro tala parçacıkları genellikle ana malzemeden daha sert olduklarından (üç elemanlı) abrasif aınma, aınmayı hızlandırmaktadır. Endüstriyel makinelerdeki en önemli aınma türü olan abrasif aınmaya genel olarak aaıda verilen yerlerde rastlanmaktadır. Traktör, greyder gibi tarım ve i makinelerinin bıçak ve tırnaklarında Cevher ileme ve öütme tesislerinde Eleklerde Deirmenlerde Nakil makinelerinde Bu gibi makine ve makine parçalarında yalnızca abrasif aınmadan söz edilebilecei gibi, bunlardan baka aınma türlerinin de birlikte görülmesi mümkündür. 1.3. Tabaka Aınması Abrasiv aınma yüzeyine yakın yerlerinin (sınır yüzeyinin) özelliinin pek önemi yok iken, tabaka aınmasının önemi büyüktür. Çevredeki gazların ve ara malzemenin etkisiyle meydana gelen aınma yüzeyi sınır tabakası, çizilmeyle sıyrıldıından daima yeniden meydana gelir. 1.4. Titreim Aınması Titreim (yorulma) aınması, titreim zorlamalarında yorulma kırılması hasarı olarak ortaya çıkar. Bu aınmada, içyapı tahribatı, çatlamalar, lokal ayrılmalar meydana gelir. Genellikle periyodik yüklemeler dolayısıyla, yüzeyden veya yüzeye yakın yerlerde içyapının parçalanarak yırtılmalar oluturması sebebiyle yüzeyden kısmi çözülmelerin olmasıyla
meydana gelir. 2) Hasarın Fiziksel Görünüüne Göre Sınıflandırma 2.1. Kayma Aınması 2.1.1. Taneli Mineraller Tarafından Oluturulanlar Taneli minerallerin meydana getirdii kayma aınması, mineral sert1iine balı olarak belirlenir. Metal olmayan sert malzemelerde aınma, metal malzemelerde olduu gibi mineral tanelerinin sertliiyle artar, fakat sert malzemenin aınma yüzeyinde gevrek kırılmalar meydana gelir. Aınma esnasında malzeme sertlii, aınma direncinin büyüklüünü etkileyen önemli bir faktördür. 2.1.2. Metal-Metal Aınması Metal-metal sürtünme tiplerinden hidrodinamik sürtünmede genellikle hiçbir aınma olmaz ve malzeme çiftinin önemi yoktur. Çünkü malzemeler bu anda birbirine temas etmemektedir. Fakat tam yalama için minimum bir hız gereklidir. Karıık yalamada kuvvet kısmen hidrolik, kısmen katı cisimlerin teması ile salanır. Bu temas noktalarında malzemelerin özellikleri ve kayma yapan malzeme çiftleri ile yalayıcı maddenin etkisi vardır. Özellikle yasız yüzeylerin sürtünmesinde aınma durumu malzeme çiftinin yüzeyine balıdır. Ayrıca kayma yüzeylerin ilenii (yüzey pürüzlülüü, ilemi dorultusu) de aınmaya büyük ölçüde etki etmektedir. 2.2. Korozif Aınma Aınan yüzeyler, aynı zamanda korozif etkilere de urarsa buna korozif aınma denir. Kimyasal korozyon kendi baına oluabildii gibi dier aınma türleriyle birlikte meydana gelebilir. Yüzeye sıkıca yapıan filmler oluturan kimyasal reaksiyonlar yüzey aınmasını önler. Fakat film kırılgan ve yüzeye gevek ise aınma büyük miktarda hızlanır. Çünkü sürtünme hareketi sırasında filmler çatlar ve yerinden kopar. 2.3. Erozyon Aınması Erozyon (hidro-abrasif) aınması, akıcı maddelerin meydana getirdii aınmadır. Sıvılar, gazlar akı sırasında parçanın sınır yüzeylerinde patlama veya çarpıma etkisi yaparak yüzeyden parçacıklar koparırlar ve girdaplar etkisiyle dalgalı yüzey meydana getirirler. Böylece aınma daha da hızlanır. ekil 3. Erozif aınma
2.4. Yuvarlanma Aınması Bu tür aınma birbiri üzerinde yuvarlanarak hareket eden malzemelerde oluan aınmadır. Bu aınma da üphesiz malzemelerin özelliklerine sıkı sıkıya balıdır. Yuvarlanma esnasında aınma tek bir malzemede oluabilecei gibi her iki malzemede de deien miktarlarda oluabilir. Yuvarlanma aınmasında yüzeylerin yalanıp, yalanmamasının çok büyük önemi vardır. 3) Aınmanın Aldıı Özel Adlar Vasıtasıyla Sınıflandırma 3.1. Öütmeli Aınma Öütmeli aınma, yüksek basınçlar altındaki partiküllerin metal yüzeyleri ile düük hızlarda karılamaları sonucunda, metal yüzeyinden parçacıkların kesilerek veya çok sayıda ufak çizikler açılarak kopartılması ile meydana gelir. Bu yüksek basınç ve düük hız kombinasyonu genellikle hafriyat çalımalarında kullanılan buldozer ve kepçe gibi aır i makinelerinin çalıma koullarında meydana geldii için, bu araçların kesici uç yüzeylerinde bu hasar türü meydana gelir. Kepçelerde kullanılan kesici ve batıcı uçların, öütmeli aınma sonucunda ekil deiimi meydana gelerek körlenme oluur. 3.2. Oymalı Aınma Oymalı aınma, malzeme yüzeyinin çok yüksek gerilmelerdeki çarpma durumlarında, yüzeyden bir parçanın kesilerek veya oyularak kopmasıyla meydana gelir. Bu tip aınmaya genellikle hafriyat, madencilik, petrol kuyularını delme ilemi ve benzeri koullarda çalıan malzemelerin kesme ve delme görevi yapan kısımlarında görülür. Bu ilemler sırasında sert abrasif parçacıkların çok yüksek gerilmeler altında malzeme yüzeyine çarpmaları ile yüzeylerde hızlı bir ekilde hasar oluumu meydana gelir. Oymalı aınma dier aınma türlerine göre çok daha hızlı olarak gelitiinden, bu aınmaya urayan parçaların yenileriyle deitirilerek kullanılması daha ekonomik olmaktadır. 3.3. Kazımalı Aınma Kazımalı aınma, karılaan yüzeylerde mikro kaynamanın meydana geldii adhesiv aınmaya bir miktar benzemektedir. Aralarındaki fark ise; adhesiv aınma, birbirleri üzerinde kayan yüzeylerde meydana gelirken, kazımalı aınma birbirlerine göre hareket etmeyen yüzeylerde meydana gelir. Ancak kazımalı aınma, çok düük genlikteki hareketlerin (vibrasyon) meydana geldii sistemlerde, mikro kaynamanın olumasıyla meydana gelir. Kazımalı aınma, vibrasyonlu ortamlarda çalıan somun, perçin gibi balantı elemanlarıyla birletirilmi sistemlerde otomobil aftlarının birleme noktalarında ve yataklarda en yaygın olarak rastlanılan hasar oluum mekanizmasıdır. Aınma testleri deiik deney düzeneklerinde yapılmaktadır. Aınma deneylerinde en yaygın deney donanımlarından birisi, bir disk (Silindir veya dikdörtgen) üzerine bastırılan pimdir. "Disk üzerinde pim" metodunun baka ekilleri de vardır. Ancak ana fikir hep aynıdır. Bu tip asimetrik düzenlemelerde, pim ya da blok çou zaman numunedir ve bu parçanın aınma hızı ölçülür. Dier parça olan disk ise, "dı yüzey" olarak isimlendirilir. Aınma deney düzenekleri uluslararası standartlara uygun olarak standartlatırılmıtır.
5) Aşınmanın sistematik incelenmesi (Akademik yaklaşım) Aşınmayı tanımlayan pek çok terim vardır ve bu terimler her zaman birbirinden çok ayrı kavramlar da değildirler. Bu durum bazen aşınma mekanizmalarının anlaşılmasını kafa karıştırıcı ve zor hale getirebilmektedir. Aşınma bazen katı madde yüzeylerinin temas ile etkileşim türleri açısından incelenir. Uygulamada birçok farklı temas biçimi vardır. Dik veya eğimli basma ve ayrılma, tek yönlü kayma, tek yönlü yuvarlanma, git-gel şeklinde kayma, git-gel şeklinde yuvarlanma, kayma ile birlikte yuvarlanma gibi durumlar temas eden parçaların hareketi bakımından sınıflandırılan farklı temas biçimleridir. Üstelik bazen serbest katı partiküller de etkileşimde olan yüzeylere çarparak veya temas ederek başka bir temas biçimi meydana getirmektedirler. Bu anılan temas türlerindeki aşınma kayma aşınması, yuvarlanma aşınması, darbe aşınması, titreşimli (fretting) aşınma, çamurlu (slurry) aşınma olarak tanımlanmaktadır. Bu aşınma tanımlamalarının hepsi teknik yaklaşıma ve temas türünün görünümü esasına dayalıdır. Bilimsel olarak aşınma mekanizmalarını temsil etmemektedir /2/. Temas biçimleri bakımından aşınma mekanizmalarına odaklanmak için temas arayüzeyindeki görünen ve gerçek temas durumlarını (bu biçimleri ayırmadan ve detaylandırmadan) değerlendirmek gerekir. Temasın şiddeti, örneğin elastik temas veya plastik temas durumu, aşınma mekanizmalarını ele almak için en basit ve direkt yoldur. Temastaki şiddet aynı zamanda dinamik parametreler, malzeme parametreleri ve atmosferik parametrelerce belirlenen bir tribo-sistem yanıtıdır. Aşağıdaki dört aşınma mekanizması genelde temel ve ana mekanizmalar olarak tanınırlar /4/: 1. Adhezif aşınma 2. Abrazif aşınma 3. Yorulma aşınması 4. Korozif aşınma Adhezif ve abrazif aşınma plastik temas altında oluşan aşınma mekanizmalarıdır. Benzer malzemelerin plastik teması durumunda, temas ara-yüzeyi adhezif bağ mukavemetine sahiptir. Şayet kırılma/ayrılma esasen temas ara-yüzeyindeki güçlü adhezyon (tutunma) sonucu meydana gelmişse, buradaki aşınma, (kırılma modu hakkında herhangi bir ayrıma gitmeksizin) adhezif aşınma olarak adlandırılır. Sert ve keskin bir malzemeyle görece yumuşak bir malzeme arasındaki plastik bir temas durumunda sert olan, yumuşak olana penetre olur (=yüzeyine girer). Eğer kırılma/ayrılma sert olan malzemenin mikro-kesme (micro-cutting) işlemi nedeniyle meydana gelmişse, buradaki aşınma, (kesme işlemine yol açan kilitlenmiş temas biçimi şeklinde tanımlanan ve yine adhezif kuvvetler ve kırılma modunun ayrıntısına girmeksizin) abrazif aşınma olarak adlandırılır. Birbirine yeni temas etmeye başlayan tribo-sistemlerde, yorulma kırılması tekrarlanan sürtünme çevrimlerinden sonra oluşur. Yüzey hasarı yorulma nedeniyle oluşmuşsa, bu aşınma yorulma aşınması olarak adlandırılır. 8
Korozif bir ortamdaki temas durumunda temas ara-yüzeyinde tribo-kimyasal reaksiyon meydana gelebilir. Korozif ortamdaki tribo-kimyasal reaksiyon bir malzeme kaybına yol açmışsa, bu aşınma korozif aşınma olarak adlandırılır. Havada en baskın korozif ortam oksijendir ve metallerin havadaki tribo-kimyasal aşınması genellikle oksidatif aşınma olarak adlandırılır. Yorulma ve korozif aşınma hem plastik hem elastik temaslarda meydana gelebilir. Adhezif, abrazif veya yorulma aşınmasındaki malzeme kaybı, temas bölgesindeki deformasyon ve kırılma ile belirlenir. Buradaki kırılma modları (türleri) yorulma, gevrek veya sünek kırılmadır. Bu tür deformasyon ve kırılmalar mekanik nedenli gerilme ve gerinmeler tarafından oluşturulur. Bu nedenle bu tür aşınmalar genellikle mekanik aşınma olarak tanımlanır. Korozif aşınmadaki malzeme kaybı, aşınma yüzeyindeki kimyasal reaksiyon filminin büyümesi ile belirlenmektedir. Aşınma yüzeyinde kimyasal reaksiyonlar kolaylıkla aktive edilmektedir ve sürtünme deformasyonu, sürtünme ısısı, mikro-kırılmalar ve reaksiyon ürünlerinin ardışık olarak kopması ile de hızlandırılmaktadır. Bu tür bir aşınma genellikle kimyasal aşınma veya tribo-kimyasal aşınma olarak adlandırılır. Bazı durumlarda da sürtünme ısısı nedenli yüzeysel ergime veya ısıl gerilmelerin neden olduğu yüzey çatlakları tarafından malzeme kaybı meydana gelir. Bu aşınma türleri, sürtünme ısısı ve kısmi yüksek sıcaklığın belirleyici olduğu, termal (ısıl) aşınma olarak tanımlanır. Mekanik, kimyasal ve ısıl aşınma bakımından yapılan makroskopik sınıflandırma, aşınmanın kapsamlı bir şekilde anlaşılması ve irdelenmesi için oldukça yararlıdır. Keza hemen hemen tüm aşınma modelleri bu üç türde bulunmaktadır. Şekil 4 aşınma mekanizmalarını ve birbirleri arasındaki ilişkileri özetlemektedir. Şekil 4. Aşınma mekanizmaları ve birbirleriyle olan ilişkileri /2/ 9
6) Aşınma Hacminin Hesaplanması (ASTM G99 a göre) Bilye için; Numune için; Bilye kayıp hacmi (mm 3 ) = ( πh 6 ) [3d2 4 + h2 ] ; h = r r 2 d2 4 d: aşınma izi çapı, r: bilye yarıçapı; 1 mm = 1000 µm numune kayıp hacmi (mm 3 ) = 2πR [r 2 sin 1 ( w 2r ) (w 4 ) (4r2 w 2 )] R : aşınma izi yarıçapı, w : aşınma izi genişliği, r : bilye yarıçapı, 1 mm = 1000 µm Not: sinüs fonksiyonu için derece değil radyan birimi kullanılacaktır!! Özgül aşınma oranı (specific wear rate); özgül aşınma oranı, mm3 N m = kayıp hacmi (mm 3 ) normal yük (N) toplam sürtünme mesafesi (m) 7) Kaynakça 1. İ.Ü. Müh. Fak., Metalurji ve Malz. Müh. Böl. Lab 2 Ders Notları, İstanbul. 2. K. Kato and K. Adachi, Wear mechanisms, in Modern Tribology Handbook, ed.: B. Bhushan, CRC Press, Florida, 2001. 3. J. Stokes, Theory and Application of the High Velocity Oxy-Fuel (HVOF) Thermal Spray Process, Dublin City University (2008), ISBN 1-87232-753-2 (ISSN 1649-8232). 4. J.T. Burwell, Survey of possible wear mechanisms, Wear, 1, 119-141, 1957-58. 5. ASTM G99, Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus, 2005. 10