Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Cilt 4 Sayı 2 (2016), 50-55 Journal of Bartin University Engineering and Technological Sciences Vol. 4 Issue 2 (2016), 50-55 Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Grafit Katkılı Poliamid 6 nın Aşınma Davranışlarının İncelenmesi Alim KAŞTAN 1*, Serdar SALMAN 2, Hüseyin ÜNAL 3 1 Organize Sanayi Bölgesi Mesleki ve Teknik Anadolu Lisesi, Antalya / TÜRKİYE 2 Marmara Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalürji Malzeme Mühendisliği Bölümü, İstanbul / TÜRKİYE 3 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği, Sakarya / TÜRKİYE Geliş Tarihi: 12.07.2016 Düzeltme Tarihi: 02.11.2016 Kabul Tarihi: 16.11.2016 Özet Bu çalışmada matris malzeme poliamid 6 (PA 6) mühendislik plastiği, ilave malzeme olarak ise grafit kullanılmıştır. Deneyler için katkısız PA 6, %5 grafit katkılı PA 6, %10 grafit katkılı PA 6 ve %15 grafit katkılı PA 6 olmak üzere dört çeşit malzeme hazırlanmıştır. İlave edilen grafitin PA 6 nın sürtünme ve aşınma davranışı üzerine olan etkisini belirlemek amacıyla farklı kayma hızı ve yükler kullanılarak pim-disk cihazında aşınma deneyleri yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda sürtünme katsayısı-kayma hızı, sürtünme katsayısı-yük, aşınma oranı- kayma hızı, aşınma oranı-yük ve sürtünme katsayısı-yol grafikleri elde edilmiştir. Üretilen kompozitlerin aşınma hızlarını belirlemek amacı ile yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Aşınma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. PA 6 ya grafit ilave edilmesi ile aşınma hızının ve sürtünme katsayısının düştüğü görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Poliamid 6, Grafit, Sürtünme, Aşınma Investigation on Wear Behaviour of Graphite Added Polyamide 6 Abstract In this study, polyamide 6 (PA 6) engineering plastic was used as matrix material and additive material was graphite. For the experiments, four types of materials of pure PA 6, 5%, 10% and 15% graphite reinforced PA 6 were prepared. Wear tests were performed at different speeds and loads using a pin-on-disk device in order to determine the effect of the addition of graphite on the friction and wear behavior of PA 6. As a result of the experiments performed, the coefficient of friction-velocity, coefficient of friction -load, rate of wear-speed, rate of wear-load and coefficient of friction-wear distance parameters were obtained. Density measurements were performed to determine the wear rate of the composite produced. Wear surfaces were examined using scanning electron microscope. The specific wear rate and friction coefficient were observed to decrease by adding graphite to PA 6. Keywords: Polyamide 6, Graphite, Friction, Wear 1. Giriş Günümüzde polimer kompozitler hafif olmaları ve kimyasal dayanımları gibi özelliklerinden dolayı otomotiv, yapı, kimya gibi sektörlerde kullanım alanlarını arttırarak metalik malzemelerin yerini almaya başlamışlardır [1-2-3]. Giderek doğal kaynakların azalması, bu kaynakların uygun şekilde kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Kompozit yapılar sayesinde daha hafif, daha az enerji tüketen, daha ekonomik ve daha performanslı yapılar oluşturulmaktadır. Bugün için inşaat sektöründen uzay sanayine, spor gereçlerinden müzik aletlerine, denizcilikte kullanılan malzemelerden otomotiv sektörüne, çeşitli üretim makinelerin yapılarına kadar polimer esaslı kompozit malzemeler kullanılmaktadır [4]. Polimerler, abrasiv ve adhesiv aşınmaya maruz kalırlar. Metal üzerinde hareket eden polimerlerin davranışı, ikisi arasındaki adhesiv aşınma karakterize eder. Polimer-polimer sistemindeki aşınma, polimer-metal sistemindeki aşınmadan daha şiddetlidir. Aşınma açısından en iyi sonuç, genellikle benzer olmayan plastikler birbiri üzerinde hareket ederken kristal yapıdaki polimerden elde edilir. Sürtünme katsayısı, aşınma faktörü, hacimsel aşınma hızı ve basınç-hız (P-V) oranı, polimer aşınma direncini tanımlamada kullanılan temel ögelerdir. Sürtünme katsayısı, (sürtünme kuvvetinin, uygulanan kuvvete oranı) bir malzemenin diğeri üzerinde ne kadar kolay kayacağını gösterir. Düşük sürtünme katsayısı genellikle aşınma direncinin en iyi göstergelerinden biridir [5]. Poliamid türlerinin içinde mekanik ve fiziksel özellikleri açısından en önemlileri poliamid 6 ve PA 66'dır. Çünkü sertlik, sağlamlık ve ısı mukavemetleri diğer bütün poliamid tiplerine nazaran daha iyidir [6]. Poliamid 6'nın molekül ağırlığı 80000-100000 arasında değişen yüksek kristalliğe sahip, nem aktivitesi düşük, döküm yöntemi ile de imal edilebilen sentetik bir termoplastik olup, naylon türlerinin içinde mekanik ve fiziksel özellikleri açısından en iyi olanıdır. Poliamid 6, molekül ağırlığı ve yapısından dolayı darbe dayanımı yüksek, nem aktivitesi düşük ve işlenebilme kolaylığı gereken uygulamalarda tercih edilir. PA 6 polimerik malzemeler yatak, dişli, aşınma plakaları, birleştirme parçaları, silindirler, yatak segmanları gibi parçaların yapımına uygun olup, çelik, bronz, pirinç, paslanmaz çelik yerine gereken durumlarda tercih edilir. Düşük ve normal kayma hızlarında toz, kum ve benzeri bulunan aşındırıcı ortamlarda P A 6'nın çalışma ömrü, bronz, döküm, demir ve çelikten 2-10 kat daha fazladır. Yine PA 6'ya PTFE ve grafit ilave edilmesiyle iyi kayma ve aşınma özelliklerine sahip malzemeler elde edilir [7]. Grafit(G), gayet yumuşak, yağlı yapıda ve ince levhalar halinde bükülme özelliğine sahip, bir karbon mineralidir [8]. Doğal grafit, tek başına veya diğer bazı malzemelerle, belirli oranlarda karıştırılıp, şekillendirmek suretiyle, çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Grafitin kullanılmasında "sabit karbon" veya "kül içeriği yüzdesi", grafitin saflığını belirleyen ve buna bağlı olarak kullanım alanlarının saptanmasına yardımcı olan parametrelerdir. En saf grafit elektrik bataryalarında, kuru pillerde, çelik sanayii ve elektrometalürji sanayiinde, elektrik cihazlarındaki elektrotlarda, kalem yapımında ve atomik grafit olarak reaktörlerde kullanılmaktadır. Daha az saflıkta olan grafitler ise dökümcülükte, boyacılıkta, refrakter kaplamalarda, fırınlarda refrakter macunların yapımında, grafitli gres yağlarında ve daha birçok alanda kullanılmaktadır [9]. Daha önce birçok araştırmacı Srinivas vd. [10], Anda vd. [11], Du-Xin vd. [12], Nie vd. [13], You vd. [14], Kumar vd. [15], Hlebanja [16], Ünal vd. [17], Li vd. [18] yaptıkları çalışmalarda polimer matrise ilave ettikleri grafitin malzemenin aşınma davranışlarına olan etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmanın amacı, pahalı bir malzeme olan PA 6 ya grafit ekleyerek aşınma özelliklerini geliştirip servis ömrünü arttırmaktır. Sorumlu Yazar: Kaştan A., +905052598347, kastanalim@gmail.com
Kaştan A. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), 2016 51 Kaştan A. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 2. Materyal ve Metot Deneylerde PA 6 ve değişik oranlarda grafit katkılı (%5, %10 ve %15 grafit katkılı) PA 6 kompozit malzemeleri kullanılmıştır. Katkısız PA 6 polimeri; İspanya nın NUREL firmasının Nuramid adlı polimeridir. Grafit ise Almanya dan temin edilmiştir. PA 6 kompozitler kompound üretim makinesi kullanılarak üretilmiştir. Ekstrüzyon makinesi MC 40 Werner Phelieder markadır ve ekstrüzyon sıcaklık aralığı 210 C ile 260 C aralığında ayarlanarak granül formda kompozit malzemeler üretilmiştir. Daha sonra granül formundaki katkısız PA 6 ve grafit katkılı kompozitler ERAT marka enjeksiyon makinasında 220 C ve 260 C sıcaklık aralığında 6mm çapında ve 50mm uzunluğunda yuvarlak kesitli kalıp kullanılarak Ø6x50mm kesitli numuneler üretilmiştir. PA 6 ve kompozitleri değişik yükler (30N, 60N, 90N,120N) altında ve farklı kayma hızlarında (0,4 m/s, 0,8 m/s, 1,2 m/s) pim-disk cihazında AISI 4140 çeliğine karşı 2000 m kayma yolunda aşınmaya maruz bırakılmıştır. AISI 4140 çeliğinin ortalama yüzey pürüzlülüğü Ra=0,28 μm olarak ölçülmüştür. Tablo 1 de deneyde kullanılan malzemeler ve deney şartları verilmiştir. Deneylerden önce ve sonra numuneler 70 C de 4 saat kurutma işlemine tabii tutulmuştur. Sürtünme katsayısını belirlemek amacıyla sürtünme kuvvetini ölçmek için bir loadcell kullanılmıştır. 2000 m lik kayma yolu süresince 64.000 veri alınmış ve bilgisayara otomatik olarak kaydedilmiştir. Daha sonra sürtünme kuvveti değerleri uygulanan kuvvete bölünmek suretiyle numunelerin sürtünme katsayıları aşağıdaki formül yardımı ile hesaplanmıştır. μ (1) Burada; Fs = Sürtünme kuvveti, Fn = Uygulanan yükü, μ = Sürtünme katsayısını göstermektedir. Deneyler süresince ortamın sıcaklığı ve nemi ölçülmüştür. Deney öncesi ve sonrası deney numuneleri 10-4 g hassasiyetli Sartorius marka terazide tartılarak ağırlık farkları bulunmuştur Numunelerin aşınma hızı; ağırlık kaybının, malzemenin yoğunluğu, kayma yolu ve uygulanan yüke bölünmesiyle bulunmuştur. Ws: (2) Tablo 1. Malzemeler ve Test Şartları Yoğunluk Ortam sıcaklığı Yük Kayma hızı Nem Malzemeler (kg/m3) ( o C) (N) (m/sn.) (%) PA 6 1130 25±1 30 56±1 0,4 PA 6+%5G 1160 22±1 60 52±1 0,8 PA 6+%10G 1190 22±1 90 51±1 1,2 PA 6+%15G 1210 25±1 120 52±1 %5 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı değerlerinin 30N yük için, 0,4 m/s kayma hızında 0,15, 0,8 m/s kayma hızında 0,16 ve 1,2 m/s kayma hızında 0,17 olduğu görülmüştür. En yüksek sürtünme katsayısı değeri ise 120N yük ve 1,2 m/s kayma hızında 0,205 tir. Uygulanan yük %300 artırıldığı zaman ise sürtünme katsayısındaki artış %37 ye yükselmiştir. %10 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı 30N yük için 0,4 m/s kayma hızında 0,15, 0,8 m/s kayma hızında 0,155 ve 1,2 m/s kayma hızında 0,165 olmuştur. Sürtünme katsayısı 120N yük ve 1,2 m/s kayma hızında 0,20 ile en yüksek değere ulaşmıştır. Burada; Ws: Aşınma hızı (m3/nm), ΔG: Ağırlık kaybı (kg), δ: Yoğunluk (kg/m3), L: Yol (m), p: Uygulanan yükü (N) göstermektedir. Her bir deney en az üç defa yapılarak, sonuçlar hassas bir şekilde elde edilmiştir. 3. Bulgular 3.1. Sürtünme Katsayısı Yük İlişkisi Şekil 1, 2 ve 3 te PA 6 ve grafit katkılı PA 6 kompozitlerin sürtünme katsayısı-yük ilişkisinin farklı kayma hızlara göre değişimi görülmektedir. Uygulanan yükün artması ile birlikte sürtünme katsayılarında hafif bir yükselme olduğu gözlenmiştir. Katkısız PA 6 nın sürtünme katsayısı değerleri 30N aşındırma yükü altında 0,4 m/s kayma hızında 0,165, 0,8 m/s kayma hızında 0,17 ve 1,2 m/s kayma hızında 0,22 olarak ölçülmüştür. Maksimum sürtünme katsayısı değerinin ise 120N yük ve 1,2 m/s kayma hızında 0,22 olduğu görülmüştür. Şekil 2. PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı- Yük ilişkisi (kayma hızı: 0,8 m/s) Şekil 3. PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı- Yük ilişkisi (kayma hızı: 1,2 m/s) Şekil 1. PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı- Yük ilişkisi (kayma hızı:0,4 m/s) %15 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı 30N ve 0,4 m/s kayma hızında 0,14, 0,8 m/s kayma hızında 0,15 ve 1,2 m/s kayma hızında 0,16 olmuştur. Sürtünme katsayısının en yüksek olduğu değer ise 120N yük ve 1,2 m/s kayma hızında 0,18 e ulaşmıştır. Uygulanan yük %300 (30N-120N) artırıldığı zaman sürtünme katsayısı değerindeki artış %28 olmuştur. %15 grafit katkılı PA 6 kompozit numunelerin sürtünme katsayılarının 30N yük ve 0,4 m/s deki değeri 0,14 iken 1,2 m/s kayma hızında 0,16 olmuştur. 120N yük ve 0,4 m/s deki değeri 0,16 iken 1,2 m/s kayma hızında 0,18 olmuştur. %15 grafit katkılı PA 6 kompozitin sürtünme katsayıları katkısız PA 6 nın ki ile karşılaştırıldığında düşük yüklerde (30N) ve düşük kayma hızlarındaki (0,4 m/s) sürtünme katsayısındaki düşüş %10 civarında iken, yüksek yüklerde (120N) ve yüksek kayma
Kaştan A. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), 2016 52 Kaştan A. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 hızlarında (1,2 m/s) sürtünme katsayısındaki düşüş %18 civarında olmuştur. Yani PA 6 ya %15 oranında grafit ilavesi ile sürtünme katsayısında yaklaşık %18 lik bir azalmaya sebep olmuştur. Benzer şekilde Srinivas vd. yapmış oldukları çalışmada PA 6 ya ilave edilen grafitin sürtünme katsayısını azalttığını tespit etmişlerdir. 3.2. Sürtünme Katsayısı Kayma Hızı İlişkisi Şekil 4, 5, 6 ve 7 de PA 6 ile kompozitlerinin sürtünme katsayısı-kayma hızı ilişkisi görülmektedir. Katkısız PA 6 nın sürtünme katsayısı 30N yükte ve 0,4 m/s kayma hızında 0,155 iken, yük sabit tutularak kayma hızı 0,8 m/s olduğu zaman 0,160 ve kayma hızı 1,2 m/s ye çıkarıldığı zaman ortalama sürtünme katsayısı 0,167 olmuştur. Kayma hızının üç katına çıkarıldığı zaman sürtünme katsayısı %6,6 artmıştır. Diğer yük ve kayma hızlarına baktığımız zaman yük sabit tutulup kayma hızı arttırılınca, sürtünme katsayısının arttığı gözlemlenmiştir. Sürtünme katsayısındaki en fazla değişim 90N yükte 0,8 m/s kayma hızında 0,170 iken, 1,2 m/s kayma hızında 0,205 e yükselmiştir. Şekil 6. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı-Kayma Hızı ilişkisi. (Yük: 90 N) Şekil 7. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı-Kayam Hızı ilişkisi. (Yük: 120 N) Şekil 4. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı-Kayma Hızı ilişkisi. (Yük: 30 N) Şekil 5. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı Kompozitlerinin Sürtünme Katsayısı-Kayma Hızı İlişkisi (Yük: 60 N) %5 grafit katkılı PA 6 nın 30N yük ve 0,4 m/s kayma hızındaki sürtünme katsayısı 0,151, yük sabit tutularak kayma hızı 0,8 m/s iken 0,155 ve 1,2 m/s kayma hızında ise 0,160 değerine ulaşmıştır. Yük sabit tutularak kayma hızı %300 arttırıldığı zaman sürtünme katsayısı %5,9 artmıştır. 60N yükteki sürtünme katsayısının kayma hızına göre değişimi diğer yüklere göre daha az olmuştur. Ancak sürtünme katsayısı azda olsa artış eğilimindedir. 120N yük ve 1,2m/s kayma hızında sürtünme katsayısı en yükseğe çıkarak 0,210 değerine ulaşmıştır. %10 grafit katkılı PA 6 nın 30N yük ve 0,4m/s kayma hızındaki ortalama sürtünme katsayısı 0,145 ile yük sabit tutulup kayma hızı arttırıldığında 0,8 m/s de 0,150 ve 1,2 m/s kayma hızında 0,153 olmuştur. Yani kayma hızı üç katına çıkarıldığı zaman sürtünme katsayısı değeri %5,7 artmıştır. 60N ve 90N yüklerde, 0,4 m/s ile 0,8 m/s kayma hızlarındaki sürtünme katsayı değerleri birbirine çok yakındır. Tüm yük ve kayma hızlarındaki değerlere bakıldığı zaman kayma hızının artması ile birlikte sürtünme katsayısı da artmıştır. Ancak katkısız PA 6 ve %5 grafit katkılı PA 6 ya göre bu artış düşüktür. En yüksek sürtünme katsayısı 1,2 m/s kayma hızında ve 120N yükte 0,20 değerine ulaşmıştır. %15 grafit katkılı PA 6 nın 30N yük ve 0,4 m/s kayma hızındaki ortalama sürtünme katsayısı 0,140 olmuştur. Yük sabit tutularak kayma hızı 0,8 m/s ye çıktığında 0,143 1,2 m/s ye ulaştığında sürtünme katsayısı değeri 0,147 olmuştur. Yük sabit tutularak kayma hızı üç katına çıkarıldığı sürtünme katsayısı değerinde %5 lik artış olduğu tespit edilmiştir. En yüksek sürtünme katsayısı 0,4 m/s kayma hızında ve 120N yükte 0,180 olmuştur. 0,4 m/s kayma hızında yük %400 arttırıldığı zaman sürtünme katsayısı değeri %28,5 artmıştır. En yüksek sürtünme katsayısı ise katkısız PA 6 da gerçekleşmiştir. Aynı zamanda kayma hızının artması ile katkısız PA 6 daki sürtünme katsayısı artısı diğer malzemelere göre daha çok olmuştur. Katkısız PA 6 için, 0,4 m/s kayma hızında ve 30N yükte sürtünme katsayısı değeri 0,155 iken, kayma hızı sabit tutularak yük %400 arttırıldığı zaman sürtünme katsayısı değeri %19 artarak 0,185 e ulaşmıştır. %5 grafit katkılı PA 6 için bu artış, %16, %10 grafit katkılı PA 6 için %14 ve %15 grafit katkılı PA 6 için ise %11 olarak gerçekleşmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda, malzemenin içerisindeki grafit miktarının artması ile sürtünme katsayısında azalma olduğu söylenebilir. 3.3. Sürtünme Katsayısı Yol İlişkisi Şekil 8 deki katkısız PA 6 nın sürtünme katsayısı-yol grafiği incelendiğinde sürtünme katsayısının 350 m ye kadar hızlı bir yükselme eğilimi içerisinde olduğu görülmektedir. Sürtünme katsayısı değeri 1000 m ye kadar dalgalanmakla birlikte 0,45 civarındadır. 1000 2000 m arasında sürtünme katsayısı değerinde düzenli bir artış görülüp, ortalama değer 0,65 e kadar çıkmıştır. %5 grafit katkılı PA 6 da ise 0 900 m arasındaki sürtünme katsayısı değeri 0,18 dir. 900 1700 m ler arasında sürtünme değeri artarak 0,40 a çıkmıştır. Daha sonra 2000 m ye kadar sürtünme değerinde artış görülmemiştir. Grafiklerde görüldüğü gibi başlangıçtaki sürtünme katsayılarındaki artış düzenli olmamıştır. Bunun sebebi ise, çelik disk ve polimer malzeme yüzeylerindeki pürüzlülükten kaynaklanmaktadır. Zaman içerisinde kayma yolu arttıkça disk yüzeyindeki girintiler çelik disk malzemeye göre daha yumuşak olan polimer malzeme ile dolması ve çelik disk yüzeyinde ince bir film tabakası oluşturması ile açıklanabilir. %10 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı-yol grafiği kararlı bir davranış göstermektedir. Sürtünme yolunca 0,20 değerindedir. %15 grafit
Kaştan A. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), 2016 53 Kaştan A. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı yol boyunca değişmemiştir. En düşük sürtünme katsayısı %15 grafitli PA 6 da 0,18 olarak görülmektedir. Katkısız PA 6 daki sürtünme katsayısındaki dalgalanma en fazla, %15 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısındaki dalgalanma en azdır. Şekil 10. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı PA 6 nın Sürtünme Katsayısı-Kayma Yolu ilişkisi (Yük: 120N, Kayma Hızı: 1,2 m/s) Şekil 8. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı PA 6 nın Sürtünme Katsayısı-Kayma Yolu ilişkisi (Yük: 120N, Kayma Hızı: 0,4m/s) Şekil 9 da katkısız PA 6 nın 500 m ye kadar sürtünme katsayısı 0,19 dur. Özellikle 600-800 m ler arasında sürtünme katsayısında hızlı bir artış olduğu görülmektedir. 800 m de sürtünme katsayısı değeri 0,42 olmuştur. Bu değer 2000m ye kadar değişmemiştir. %5 grafitli PA 6 nın sürtünme katsayısı değeri 8000 m ye kadar 0,20 dir. 800-2000 m arasında sürtünme katsayısı değeri 0,22 ye çıkmıştır. %10 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı değerleri 0-400 m ler arasında 0,17, 400-1000 m arasında 0,19 ve 900-2000 m arasında 0,20 olarak ölçülmüştür. %15 grafitli PA 6 nın ise sürtünme katsayısı değerleri 0,3-1,0 arasındadır. Ancak sürtünme mesafesinin artması ile birlikte sürtünme katsayısı değerinin arttığı görülmektedir. Şekil 8, 9 ve 10 daki sürtünme katsayısı-kayma yolu grafikleri verileri altında PA 6 içerisine ilave edilen grafitin sürtünme davranışları üzerinde etkili olduğu görülmüştür. PA 6 içerisindeki grafit oranına bağlı olarak sürtünme katsayısı değeri değişmiştir. Artan grafit oranı ile sürtünme katsayısı değerinde azalma görülmüştür. Benzer şekilde kayma yolu boyunca sürtünme katsayısı grafit oranına bağlı olarak daha kısa kayma mesafesinde daha karalı hale gelmiştir. Nie vd. PA 6 ya ilave ettikleri karbon fiber ile sürtünme katsayısının düştüğünü, yola bağlı olarak daha kısa mesafede ve daha kararlı hale geldiğini vurgulamışlardır. 3.4. Aşınma Hızı Yük İlişkisi Şekil 11,12 ve 13 te katkısız PA 6 ve grafit katkılı kompzitlerinin aşınma hızı-yük ilişkisi davranışları görülmektedir. Genel olarak aşınma hızı değerlerinin katkısız PA 6 ve %5 grafit katkılı kompozitin birbirine daha yakın olduğu görülmüştür. Aynı şekilde %10 ve %15 grafik katkılı PA 6 kompozitlerin aşınma hızıyük davranışlarının benzer olduğu görülmüştür. Şekil 9. Katkısız PA 6 Ve Grafit Katkılı PA 6 nın Sürtünme Katsayısı-Kayma Yolu İlişkisi (Yük: 120N, Kayma Hızı: 0,8 m/s) Şekil 10 incelendiğinde katkısız PA 6 nın 0-600 m yol boyunca sürtünme katsayısı değerinin değişmediği görülmektedir. 600-1500 m ler arasında sürtünme katsayısı dalgalanmalı bir artış eğilimindedir. 1500 2000 m ler arasında ise 0,6 0,7 civarındadır. %5 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı değeri 0-600m yol boyunca değişmemiştir. 600-800m ler arasında sürtünme katsayısı artmış, 800-1100 m ler arasında değişmemiştir. 1100-2000 m ler arasında sürtünme katsayısı artış göstermiştir. %10 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı 0-1100 m ler arasında kararlı bir şekildedir. 1100-1200 m ler arasında artış, 1300 m de düşme olmakla birlikte 1700 m ye kadar aynı değerdedir. 1700-2000 m yol boyunca kademeli bir artış içerisindedir. %15 grafit katkılı PA 6 nın sürtünme katsayısı grafiği diğer üç malzemeden farklılıklar göstermektedir. Başlangıçtan 800 m ye kadar sürtünme katsayısında çok küçük değişimler gözlenmekle birlikte, sürtünme katsayısı değeri 0,18 dir. Şekil 11. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı PA 6 nın Aşınma Hızı Yük ilişkisi (Kayma Hızı:0,4m/s) Şekil 12. Katkısız PA 6 ve Grafit Katkılı PA 6 nın Aşınma Hızı Yük ilişkisi (Kayma Hızı: 0,8 m/s)
Kaştan A. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), 2016 54 Kaştan A. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 Yükün artması ile birlikte katkısız PA 6 ve grafit katkılı kompozitlerinin aşınma hızının arttığı görülmektedir. Ancak bu artış her malzeme için farklı yük ve kayma hızlarında, farklı değerlerde gerçekleşmiştir. Aşınma hızındaki artış en çok katkısız PA 6 için 1,2 m/s kayma hızında yükün 90N dan 120N a çıkarıldığında görülürken, %5 grafit katkılı PA 6 için ise 0,8 m/s hızda yükün 90N dan 120N a çıkarılması sırasında görülmüştür. %10 grafit katkılı PA 6 da ise 0,4 m/s hızda 60N yükten sonra aşınma hızında artış olurken, %15 grafit katkılı PA 6 da ise 1,2 m/s kayma hızındaki yüklerde artış olmamıştır. %15 grafit katkılı PA 6 nın aşınma hızı-yük ilişkisi diğer malzemelerden farklı davranış göstermiştir. Sadece 0,4 m/s kayma hızındaki yüklerde aşınma hızı değerinde artış olmuştur. 0,8 m/s ve 1,2 m/s hızlarda artış olmamıştır. Malzemelerin tümü kıyaslandığında, aşınma hızı -yük değerinin en yüksek olduğu malzeme katkısız PA 6 iken, en düşük olduğu malzeme ise %15 grafit katkılı PA 6 dır. Bu sonuçlardan hareketle PA 6 içerisindeki grafitin yağlayıcı etkisi göstermesi, sürtünme sırasında oluşan ısıyı üniform dağıtması ve karbon tabakaların aşınma yüzeyindeki pürüzleri doldurmasının aşınmayı azalttığı söylenebilir. You vd. yapmış oldukları çalışmada benzer sonuçlar bulmuş ve PA 6 ya ilave ettikleri grafit sayesinde aşınmada azalma olduğunu belirtmişlerdir. Kayma Hızı: 0,4 m/s, yük: 60N Kayma Hızı: 0,4 m/s, yük: 120N Kayma Hızı: 1,2 m/s, yük: 120N a b c d Şekil 14. Değişik kayma hızı ve yüklerden elde edilen pim aşınma yüzeylerinin SEM resimleri a) Katkısız PA 6, b) %5 Grafit katkılı, c) %10 Grafit katkılı, d) %15 grafit katkılı
Kaştan A. ve diğ. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), 2016 55 Kaştan A. et al. / BUJETS, 4 (2), 2016 3.5. Aşınma Yüzeylerinin SEM Analizi Şekil 14 te katkısız PA 6 ve grafit katkılı kompozitlerinin farklı kayma hızı ve yüklerdeki aşınma yüzeylerinin SEM resimleri görülmektedir. Düşük yüklerde ve düşük kayma hızlarındaki aşınma yüzeylerinde belirgin bir abrasiv veya adhezif aşınma türü görülmezken, yükün ve kayma hızının artması sonucunda diskin ve polimer yüzeylerinin sıcaklıklarının artması ile plastik deformasyon oluştuğu gözlemlenmiştir. Ancak grafit oranının artması plastik deformasyon oluşumunu azaltmıştır. Benzer sonuçları Nie vd. de bulmuşlardır. Bu araştırmacılar PA 6 matrise ilave ettikleri karbon fiberlerin aşınma sırasında plastik deformasyonu azalttığını tespit etmişlerdir Sürtünme katsayısı-yük ilişkisini ve Sürtünme katsayısı-kayma hızı ilişkisini gösteren şekillerden de açıkça görüldüğü gibi PA 6 ve değişik oranlarda grafit katkılı PA 6 kompozitleri uygulanan yükün ve kayma hızının artması ile aşınma artmıştır. Bunun sebebi ise uygulanan yükün artması ile çelik disk ve polimer numuneler arasındaki sürtünme sonucunda sıcaklığın artarak yaklaşık 60 C ye kadar yükselmesidir. Bu sıcaklık aralığında özellikle katkısız PA 6 polimer malzemesi yumuşamakta ve daha fazla aşınmaktadır. Aşınan partiküller yine çelik diskin üzerine yapışarak çelik diskin yüzeyini pürüzlü hale getirmektedir. Bu durum şekil 14 a da katkısız PA 6 nın yüksek kayma hızlarında (1,2 m/s) ve yüksek yüklerdeki (1.20 N) aşınma yüzey resimlerinde net bir şekilde görülmektedir. Çelik yüzeyinin pürüzlü olması durumu katkısız PA 6 nın sürtünme katsayısını belirgin bir şekilde artırmıştır. Ancak PA 6 içindeki grafit katkısı arttırıldığı zaman, sürtünme katsayısı değerinin grafitin yağlayıcı özelliğinden dolayı azaldığı gözlemlenmiştir. 4. Sonuçlar 1. Yapılan deneyler sonucunda katkısız PA 6 ve grafit katkılı kompozitlerinin yükün artması ile birlikte sürtünme katsayılarının da arttığı gözlemlenmiştir. 2. Deneylerde kullanılan tüm malzemeler için kayma hızının artması ile birlikte sürtünme katsayısı artmıştır. 3. Malzemelerin sürtünme katsayıları düşük yük ve düşük kayma hızlarında birbirine çok benzerlik gösterirken, yükün artması ile sürtünme katsayısı-yol grafiklerinde önemli değişimler gözlemlenmiştir. 4. Deneyde kullanılan tüm malzemelerde genel olarak kayma hızının artması ile birlikte aşınma oranının da arttığı gözlemlenmiştir. Kayma hızının artması ile aşınma oranındaki artış en çok katkısız PA 6 da görülürken, en düşük artış ise %15 grafit katkılı PA 6 da gözlemlenmiştir. 5. Yükün artması ile birlikte en fazla aşınma oranındaki artışın katkısız PA 6 da meydana geldiği tespit edilmiştir. Diğer malzemelerde ise grafit oranının artması ile birlikte aşınma oranı değerinde azalma meydana geldiği görülmektedir. 6. Deneyde kullanılan malzemelerin aşınma yüzeylerinin SEM görüntüleri incelendiğinde katkısız PA 6 da aşınma sırasında yük ve kayma hızının artması ile disk sıcaklığı artması sonucunda temas yüzeyinden kopan partiküllerin tekrar PA 6 nın kendi yüzeyine yapıştığı, bu yapışmadan dolayı sürtünme katsayısının arttığı görülmektedir. Diğer grafit katkılı PA 6 malzemelerde ise yapışmanın olmadığı tespit edilmiştir. Kaynaklar 1. Friedrich, K., Wear of reinforced polymers by different abrasive counterparts. In: Friedrich K, editor. Friction and wear of polymer composites. Amsterdam: Elsevier Science Publishers;p. 233 87. 1986. 2. Kukureka. S.N., Hooke, C.J., Rao, M., Liao, P., Chen, Y.K., The effect of fibre reinforcement on the friction and wear of polyamide 66 under dry rolling-sliding contact. Tribology International 32:107 16 1999. 3. Chang, L., Zhang, Z., H., Zhang, A., Schlarb, K., On the sliding wear of nano particle filled polyamide 66 composites. Composites ScienceandTechnology 66 3188 3198 2006. 4. Doğanay, S., Ulcay, Y., Farklı Oranlarda Takviye Edilmiş Cam Lifi Polyester Kompozitlerin Deniz Suyu Etkisi Altında Yorulma Davranışının İncelenmesi Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 12, Sayı 2. 2007. 5. Savaşçı, T., Kısa Açıklamalarıyla En Yaygın Kullanılan Fiziksel Nitelikli Standart Plastik Testleri, TMMOB, Plastik Teknolojisi 1 seminer notları, İstanbul, 52-77 1996. 6. Bıllmayer, F., Texstbook of Polymer Secience, John Wiley &Sons Inc., Canada, 407-413 1990. 7. Keskin, S., Plastik isleme Teknikleri ve Kalite Kontrol, Kimya Mühendisleri Odası, İstanbul 142-145 1989. 8. Kadıoğlu, Ü., Bronz, Karbon ve Can Elyaf Katkılı PTFE Polimerinin Aşınma Davranışlarının Deneysel İncelenmesi, SAÜ., Yüksek Lisans Tezi Sakarya, 2003. 9. Lwecinska, B., Mineralogy of Natural Graphites, Polska Akademia Oddzial, Poland, 1980. 10. Srinivas, Ch, L., Sarcar, M, M, M., K, Suman, N, S., Abrasıve Wear Propertıes Of Graphite Filled PA 6 Polymer Composıtes. İnternational Journal Of Mechanical Engineering And Robotic Resaarch, Vol. 1, No. 3, 2012. 11. Andó, M., Sukumaran, j., Rodrıguez, V., Neıs P., Kalácska, G., Czıgany, T., Beats, P, D., Development Of New Pa6 Composites. Mechanical Engineering Letters, Szent István University, Volume 5. 2011. 12. Du-Xin, L., Wen-Juan, L., Ying, X., Xiang-Xiang, L., Effects of Solid Lubricants on Friction and Wear Behaviors of Polyamide 6. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 124, 4239 4248 2012. 13. Nie,W, Z., Li, J., Effect of carbon fibre content on friction and wear properties of carbon fibre reinforced PA 6 composites. Plastics, Rubber and Composites 39 1 2010. 14. You, Y, L., L, Du-Xin., Deng, X., Li, W, J., Xie,Y., Effect of Solid Lubricants on Tribological Behavior of Glass Fiber Reinforced polyamide 6. Polymer composıtes 10.1002/ p.1784-1793 2013. 15. Kumar, S, S., Kanagaraj, G., Investigation on Mechanical and Tribological Behaviors of PA 6 and Graphite-Reinforced PA6 Polymer Composites. Arab J Sci Eng.10.1007/s13369-016- 2126-2 2016. 16. Hlebanja, G., Japić, D., Kulovec, S., Huskić, M., Kalin, M., The Influence Of Expanded Graphite and Polydımethylsiloxane on Mechanical and Tribological Properties of Polyamide 6/Glass Fiber Composites, 1 st International Conference on Polymer Tribology 11 th - 12 th september 2014, Bled, Slovenia. 17. Ünal, H., Yetgin, S, H., Katı Yağlayıcı Katkılı Poliamid Mühendislik Polimerinin Mekanik ve Tribolojik Performanslarının İncelenmesi, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 3 117-124 2015. 18. Lı, J., Xia, Y, C., The Influence of Carbon Fiber Content on the Tribological Properties of PA 6 Composites. Journal of Reınforced Plastics and Composites, vol. 00, No. 00/2009.