EROSIVE WEAR OF CUZN10 AND CUSN10 COPPER ALLOYS

5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye CUZN10 VE CUSN10 BAKIR ALAŞIMLARIN EROZİF AŞINMASI EROSIVE WEAR OF CUZN10 AND CUSN10 COPPER ALLOYS Mehmet BAĞCI a, * ve Hüseyin İMREK a a, * S.Ü. Müh. Mim. Fak. Makine Müh. Böl. Kampüs, Konya, Türkiye, E-posta: mehmetbagci@selcuk.edu.tr, himrek@selcuk.edu.tr Özet Birbiriyle temas eden yüzeylerde sürtünme kuvvetleri güç kaybına sebep olmakta iken aşınma ise işleme toleranslarının kötüleşmesine neden olduğundan dolayı endüstriyel anlamda daha önemli bir yere sahiptir. Malzemelerin yüzeylerinde malzeme kaybı ve deformasyonun ortaya çıkması ile sonuçlanan aşınmanın birden fazla çeşidi ile karşılaşılmaktadır. Aşındırıcı partiküllerin ana malzeme yüzeyine belli bir hız ve doğrultuda çarpması sonucunda malzeme yüzeyinde değişiklik meydana getirmesi ile ortaya çıkan erozif aşınma, en çok karşılaşılan aşınma çeşitlerinden birisi olarak kabul edilmekte ve son yıllarda giderek artan ilgi görmektedir. Bakır esaslı alaşımlar iyi korozyon direnci, yüksek termal elektriksel iletkenlik, kendi kendini yağlayabilme ve iyi aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı uzun zamandan beri endüstride kullanılmakta ve bu özelliklerinden dolayı iyi bir tribolojik performans sergilemektedir. Ayrıca metallerin aşınmasında gözlenen birçok önemli özellik pirinç ve bronzların aşınma çalışmalarıyla izah edilebilmektedir. Erozif aşınma ve bakır alaşımları ile endüstride bu kadar yoğun karşılaşılmasından yola çıkılarak bu deneysel çalışmada CuZn10 pirinç deney numuneleri ile CuSn10 bronz deney numunelerinin erozif aşınma davranışları incelenmiştir. Pirinç ve bronz deney numuneleri altı farklı çarpma açısında (15 o, 30 o, 45 o, 60 o, 75 o ve 90 o ) ve üç farklı çarpma hızında ( 23, 34 ve 53 m/s) deneye tabi tutulmuştur. Aşındırıcı partikül olarak üniform martenzit içyapıya ve açısal geometriye sahip 400 µm boyutlarında çelik gritler kullanılmış olup aşındırıcı partiküllerin hızının tayininde ise çift disk metodundan faydalanılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda çarpma açısının ve çarpma hızının bir fonksiyonu olarak erozyon oranı değerleri elde edilmiştir. CuZn10 ve CuSn10 deney numuneleri için çarpma açısının erozyon oranına bağlı olarak değişimine ait grafikler incelendiğinde literatürdeki sünek malzemelerin erozif aşınmasında karşılaşılan duruma benzer bir durum ortaya çıkmıştır. En yüksek erozyon oranı 30 o çarpma açısında meydana gelmiş olmakla birlikte çarpma açısının artmasıyla erozyon oranı değerlerinde azalma gözlenmiştir. Çarpma hızının artmasına bağlı olarak da deney numunelerindeki erozyon oranı değerleri artış göstermiştir. Anahtar kelimeler: Bakır alaşımları, erozif aşınma, erozyon oranı, çarpma açısı, çarpma hızı Abstract While frictional forces between surfaces in contact causes power losses, wear causes tolerance imperfections and that is why the latter has acquired an important place in indusrty. There are several types of wear that result in material losses and deformation on material surfaces. Erosive wear, which occurs when abrasive particles strike material surfaces at certain speeds and impinging angles and cause surface damages is considered as one of the most encountered types of wear and attracts the interests of many researchers. Copper based alloys has been used in industry for a long time due to their good corrosion resistance, high thermal and electrical conductivity, self lubrication property and good wear resistance. These features render these alloys superior tribological performance. In addition, several important features observed in wear mechanisms of metals are explained in wear mechanisms of brass and bronze. This experimental study was made based on the encounter of erosive wear and copper alloys in industry, where in the study, erosive wear behaviours of CuZn10 brass and CuSn10 bronze specimens were investigated. The brass and bronze test specimens were subjected to six different striking angles (15 o, 30 o, 45 o, 60 o, 75 o and 90 o ) at three different impinging speeds ( 23, 34 and 53 m/s). Abrasive particles (grits) having the size of 400 µm with uniform martensitic internal structure and angular geometric structure were used as erodents whereas determination of their striking speed was achieved with the help of a double disc method. At the end of the tests, erosion rates were obtained as functions of striking angles and speeds. When the graphs of erosion rates for the CuZn10 and CuSn10 test specimens against striking angles are studied, it is observed that the the highest erosion rate occurs at 30 o angle. In addition, when the striking angle increases a decrease in wear rates was observed. The increase in impinging speeds was associated with corresponding increase in erosive wear values of the specimens. Keywords: Copper alloys, erosive wear, erosion rate, impinging angle, impinging speed. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

1. Giriş Ülkelerin ekonomileri üzerinde büyük ekonomik kayıplara neden olan ve belli bir süreç içinde gelişen ya da ani olarak vuku bulan malzeme kaybı olarak tanımlanan aşınma; malzeme türüne, yüzeylerin biçimine, yükleme durumuna, yüzey pürüzlülüğüne, sürtünme katsayısına, izafi harekete, aşındırıcıların yüzeye temas etme durumuna, çevresel parametrelere ve buna benzer birçok parametreye bağlı çok karmaşık bir olaydır [1]. Aşınma, çok çeşitli etkenlerin rol aldığı bir olay olduğundan laboratuar koşullarından elde edilen sonuçlara dayanarak uygulamadaki aşınma miktarını tahmin edecek net bir bağıntı henüz geliştirilememiştir. Erozif aşınma, en yaygın karşılaşılan aşınma türlerinden biri olup belirli bir hıza sahip olan katı parçacıkların bir yüzeye çarpması durumunda yüzeyin üst tabakasında malzeme kaybı meydana getirmesi sonucu oluşmaktadır [2]. Katı parçacıkların malzeme yüzeyine çarpmasıyla oluşan katı parçacık erozyonu (püskürtme aşınması), erozif aşınma proseslerinin en yaygın olanıdır ve son yıllarda giderek artan ilgi görmektedir [3]. Uzay havacılık uygulamalarında, enerji dönüşüm sistemlerinde, jet motorlarında, helikopter rotor kanatlarında, türbinlerde ve kömür dönüştürme santrallerinde bu aşınma tipini yoğun olarak görmek mümkündür. Aşındırıcı partiküller hareketli kanatlara, valf deliklerine, boru bağlantılarına, boru dirseklerine ve diğer yüzeylere çarparak şiddetli aşınmalar meydana getirmektedir [4]. Endüstrinin birçok alanında kullanıma sahip olan bakır alaşımlarının erozif aşınmasına verecekleri cevabı araştırmak amacıyla yapılan bu deneysel çalışmada, altı farklı çarpma açısında (15 o, 30 o, 45 o, 60 o, 75 o ve 90 o ) ve üç farklı çarpma hızında ( 23, 34 ve 53 m/s) deney numunelerinin durumu incelenmiş ve sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda sünek malzemeler için küçük çarpma açılarında elde edilen erozyon oranlarının daha yüksek çarpma açılarında elde edilen erozyon oranlarına göre daha fazla olduğu sonucu teyit edilmiştir. Ayrıca aşındırıcı partikül çarpma hızının artmasına paralel olarak erozyon oranında da artışın meydana geldiği yapılan deneylerde gözlemlenmiştir. 2. Deneysel Çalışma 2.1. Deney Tesisatı Deneyler Şekil 1 de gösterilen özel olarak tasarlanmış erozif aşınma deney tesisatında yapılmış olup kuru ve basınçlı hava kullanılarak aşındırıcı partiküllerin deney numunesi yüzeyine çarptırıldığı ve aşınma durumunun incelendiği test metodu kullanılmıştır [10]. Erozif aşınmayı etkileyen en önemli parametrelerden biri olan çarpma açısı, deney numunelerinin yerleştirildiği numune tutucunun kendi ekseni etrafında döndürülmesiyle değiştirilebilmektedir. Ayrıca numune tutucunun aşağı yukarı hareket ettirilmesi sağlanarak nozul ile deney numunesi arasındaki mesafe de net bir şekilde ayarlanabilmektedir. Çarpma hızı, çarpma açısı, parçacık tipi, parçacık şekli, parçacık boyutu, aşındırıcı parçacıkların sertliği, aşındırıcı parçacık akış oranı, hedef malzeme özellikleri ve çevresel parametreler katı parçacık erozyon aşınmasını etkileyen en önemli parametreler arasında gösterilmektedir [5]. Deneysel çalışmamızda incelediğimiz bakır alaşımları, insanlar tarafından kullanılan ilk metal olup çağlar boyunca kullanım açısından da demirden sonra ikinci metaldir. Tarih öncesi dönemde bulunmuştur ve yaklaşık M.Ö. 4000 den, hatta daha önceden başlayarak kullanıldığı düşünülmektedir [6]. Bakır-kalay bronzunun M.Ö. 2400 yılından bu yana kullanıldığı bilinmektedir. Bakır çinko alaşımı olan pirincin ise Roma İmparatorluğundan önce kullanılmaya başlandığı tahmin edilmektedir [7]. Korozyon dayanımının yüksekliği, elektrik ve ısıl iletkenliğinin mükemmelliği, görünüşünün cazipliği, sünekliğinin ve şekillendirilebilirliğinin kolaylığından dolayı bakır ve alaşımları günümüze kadar en önemli mühendislik malzemelerinden biri olarak kalmayı başarmıştır [8,9]. Bu özelliklerinden dolayı motor bobinlerinde, jeneratörlerde, transformatörlerde, elektrikli trenlerin havai hatlarında, troleybüs baralarında, endüstrilere ve evlere elektrik enerjisi nakleden iletim hatlarında, radyatörler ve yağ soğutucularında, yüksek fırın tüyerlerinin, yastık radyatörlerinin ve monkilerin yapımında, ark ocaklarının elektrot tutucularının ve kollarının yapımında kullanılmaktadır. Şekil 1. Erozif aşınma deney tesisatı

Erozif aşınmada önemli bir yere sahip olan aşındırıcı partikül çarpma hızının belirlenmesinde yüksek hızda fotoğraflama [11], lazer doppler anemometresi [12] ve çift disk metodu [13] standartça kabul gören hız ölçüm teknikleridir. Bunlar arasında daha ekonomik ve basit oluşu sebebi ile en yaygın kullanılanı çift disk metodudur ve deneysel çalışmamızda bu metot kullanılarak çarpma hızları tespit edilmiştir. Şekil 2 de görüldüğü gibi nozulun altında dönen ortak bir şafta bağlanmış iki metal diskten ibarettir. Bu disklerin malzemesi aşınma izlerinin net görülebilmesi için fosfor bronzundan oluşmaktadır. Ayrıca bu diskler tahrik motoruna bağlanmış olup disklerin dönmesi bu motor vasıtasıyla sağlanmaktadır. 2.2. Deney Numuneleri Deneysel çalışmada kullanılan CuZn10 ve CuSn10 deney numunelerin kimyasal bileşimleri Çizelge 1 de verilmiştir. Şekil 4 de ise deney numunelerinin mikro yapıları verilmiştir. Çizelge 1 CuZn10 ve CuSn10 deney numunelerinin kimyasal bileşimleri (% ağırlık) Element CuZn10 CuSn10 Cu 89 91 88 90 Zn Kalan 0.50 Sn 0.05 Kalan Fe 0.10 0.15 Pb 0.15 0.40 Ni 0.20 0.25 Mn 0.10 0.05 P 0.25 0.30 Şekil 2. Çift disk metodu ( a ) Üstteki disk üzerindeki radyal bir yarıktan geçen partiküller alttaki disk üzerinde aşınma izi bırakır. Şekil 3 te de görüldüğü gibi erozyon izlerinden birisi bilinen sabit bir hızda diskler dönerken elde edilmekte diğer iz ise dönüş yok iken alttaki disk üzerinde oluşturulmaktadır. ( b) Şekil 4. a) CuZn10 (dövülmüş), b) CuSn10 (dökülmüş) deney numunelerinin mikro yapıları Şekil 3. Alt ve üst disk ile alt disk üzerinde oluşan erozyon izleri Diskler arasındaki mesafe (L) başlangıçta belirlenmiş ve disklerin dönüş devri (ν) ise tahrik motorundan ayarlanmıştır. Yapılan hız ölçüm deneyi sonunda oluşan erozyon izleri arasındaki mesafe (S) ve izlerin yarıçapları (r) ölçülerek aşağıdaki formülde yerine yazılmak suretiyle çarpma hızları (υ) belirlenmiştir [14]. υ = ( 2 * π * r * ν * L ) / S (1) Deneylerde üniform martenzit içyapıya sahip ve açısal geometrik yapıdaki 400 µm ortalama boyutunda çelik gritler (55 HRC, 7.2 gr/cm 3 ) kullanılmıştır. Gritlerin kimyasal bileşimleri Çizelge 2 de, deneyler yapılmadan önceki ve sonraki optik mikroskop görüntüleri ise Şekil 5 de verilmiştir. Çizelge 2 Çelik gritlerin kimyasal bileşimi (% ağırlık) Element Miktarı C 0.85 1.20 Mn 0.60 1.20 Si S P 0.40 min. 0.05 max. 0.05 max.

(a) Erozyon Oranı ( g/kg ) x 10 --3 23 m/s 34 m/s 53 m/s 30 25 20 15 10 5 0 0 15 30 45 60 75 90 Çarpma Açısı ( o ) (b) Şekil 5. Çelik gritlerin a) deney yapılmadan önceki ve b) deney yapıldıktan sonraki optik mikroskop görüntüleri 3. Deneysel Bulgular ve Tartışma CuZn10 ve CuSn10 deney numuneleri altı farklı çarpma açısında (15 o, 30 o, 45 o, 60 o, 75 o ve 90 o ) ve üç farklı çarpma hızında ( 23, 34 ve 53 m/s) erozif aşınmaya tabi tutulmuştur. Elde edilen deneysel verilere bağlı olarak Şekil 6 ve 7 deki grafikler oluşturulmuştur. Bu grafikler sırasıyla CuZn10 ve CuSn10 bakır alaşımlarının üç farklı çarpma hızındaki ( 23, 34 ve 53 m/s) erozyon oranlarının çarpma açısına bağlı olarak değişimlerini göstermektedir. Deneylerde elde edilen sonuçların daha iyi yorumlanabilmesi için benzer deney numunelerine ait grafikler toplu halde verilmiştir. Sonuçlardan elde edilen hassasiyeti artırmak amacıyla her bir deney numunesi her bir çarpma açısında üç tekrara tabi tutulmuş ve bu değerlerin ortalaması referans alınarak grafikler oluşturulmuştur. Grafiklerin oluşturulmasında kullanılan erozyon oranı (g/kg) değerleri, deney numunelerinde meydana gelen ağırlık kaybının, her bir deney numunesi için kullanılan toplam aşındırıcı partikül ağırlığına bölünmesiyle hesaplanmıştır. Erozyon Oranı ( g/kg ) x 10 --3 23 m/s 34 m/s 53 m/s 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 15 30 45 60 75 90 Çarpma Açısı ( o ) Şekil 6. CuZn10 deney numunelerinin 23, 34 ve 53 m/s çarpma hızlarına ait çarpma açısı ile erozyon oranı arasındaki ilişkisi Şekil 7. CuSn10 deney numunelerinin 23, 34 ve 53 m/s çarpma hızlarına ait çarpma açısı ile erozyon oranı arasındaki ilişkisi Malzemelerde meydana gelen erozif aşınma, aşındırıcı partiküllerin çarpma açısına bağlı olarak belirgin biçimde değişmektedir. Pirinç ve bronz malzemeler gibi genel olarak sünek yapıya sahip malzemelerin erozyon oranı için maksimum değer 20 o ila 30 o arasında gerçekleşmekte ve normal geliş açısındaki maksimum aşınma oranının yarısı ile üçte biri arasında değişen bir miktarda oluşmaktadır [15]. Yapılan deneylerde çarpma açısının durumu incelendiği zaman literatürdeki aşınma tarzına benzer bir yapı ile karşılaşılmıştır. Deneylerde maksimum erozyon oranı 30 o lik çarpma açısında elde edilmiştir [16]. Çarpma açısının artmasıyla erozyon oranı değerlerinde azalma gözlenmiş ve bu durumun literatürdeki yumuşak malzemelerin erozyon oranı ile çarpma açısı arasındaki değişim ile örtüştüğü sonucuna varılmıştır [17]. Ayrıca Şekil 6 ve 7 deki grafikler incelendiği zaman tüm hız değerleri için CuSn10 deney numunelerinde CuZn10 deney numunelerine göre daha az erozyon oranı değerleri elde edildiği görülmüştür. Bu durumun, CuZn10 (78 HB) deney numunelerinin sertlik değeri ile CuSn10 (107 HB) deney numunelerinin sertlik değerinin birbirinden farklı olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Şekil 8, 9 ve 10 da ise deney numunelerinin farklı çarpma açılarındaki yüzeylerinde meydana gelen değişimlere ait optik mikroskop görüntüleri gösterilmiştir. Şekil 8 de çarpma açısının 75 o 90 o aralığında olması durumunda deney numunelerinin yüzeylerine çarpan aşındırıcı partiküllerin bir koparma etkisi yaptığı görülmektedir. Şekil 9 daki 45 o 60 o aralığında ise koparma etkisinden sıyırma etkisine doğru bir geçiş gerçekleşmektedir. Şekil 10 da 15 o 30 o aralığında ise artık aşındırıcı partiküllerin deney numunesi yüzeyinde net bir şekilde sıyırma etkisi yaptığı gözlenmektedir. Aşındırıcı partiküllerin çarpma açısındaki bu geçişe bağlı olarak malzeme yüzeyindeki deformasyon artmış ve bu da malzemelerin daha fazla aşınmasına sebep olmuştur.

Kaynaklar Şekil 8. CuZn10 ve CuSn10 deney numunelerinin 15 o 30 o çarpma açılarındaki optik mikroskop görüntüleri Şekil 9. CuZn10 ve CuSn10 deney numunelerinin 45 o 60 o çarpma açılarındaki optik mikroskop görüntüleri Şekil 10. CuZn10 ve CuSn10 deney numunelerinin 75 o 90 o çarpma açılarındaki optik mikroskop görüntüleri 4. Sonuçlar Yapılan deneyler sonunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. [1] DIN 50320, Wear; terms; systems analysis of wear processes; classification of the field of wear, Deutsches Institut für Normung, 1979. [2] Stachowiak, G.W. and Batchelor, A.W., Abrasive, erosive and cavitation wear, Engineering Tribology (Third Edition), 501 551, 2006. [3] Hutchings, I.M., Solid particle erosive wear testing, ASM Handbook, ASM International, Materials Park, vol. 8, 338 345, 2000. [4] Suh, N.P. and Saka, N., Fundamentals of tribology, Massachusetts Institute of Technology Press, 1980. [5] Sundararajan, G. and Roy, Manish, Solid particle erosion behaviour of metallic materials at room and elevated temperatures, Tribology International, vol. 30, 5, 339 359, 1997. [6] American Society For Metals, Metals handbook - Desk Edition, Copper and Copper Alloys, 7. Baskı, 1993. [7] American Society for Metals, Bargel, H.J. and Schulze, G., Werkstoffkunde, Çevirenler: Güleç, Ş. ve Aran, A., Malzeme bilgisi Cilt II, Mbeae Matbaası, Gebze, 1987. [8] Onaran, K., Malzeme bilimi, Bilim ve Teknik Yayınevi, İstanbul, 1993. [9] Erdoğan, M., Malzeme bilimi ve mühendislik malzemeleri, Nobel Yayınevi, Ankara, 1998. [10] ASTM G76 95, Standard test method for conducting erosion tests by solid particle impingement using gas jets, ASTM Annual Book of Standards, 03.02, 2000. [11] Finnie, I., Wolak, J. and Kabil, Y., Journal of Materials, vol. 2, 682 700, 1967. [12] Barkalow, R.H., Goebel, J.A., and Pettit, F.S., Erosioncorrosion of coatings and superalloys in high-velocity hot gases, Erosion: prevention and useful applications, ASTM STP 664, W.F. Adler, Ed., 163 192, 1979. [13] Ninham, A.J. and Hutchings, I.M., Proceedings of the 6 th International Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact, University of Cambridge, 50 51, 1983. [14] Ruff, A.W. and Ives, L.K., Measurement of solid particle velocity in erosive wear, Wear, vol. 35, 195 199, 1975. [15] Hutchings, I.M., Tribology: friction and wear of engineering materials, St. Edmundsbury Press, 1996. [16] Friedrich, K., Friction and wear of polymer composites, Elsevier Science Publishers B.V., 1986. [17] Ludema, K.C., Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology, CRC Press, 1996. CuZn10 ve CuSn10 bakır alaşımlarının her biri ayrı ayrı incelendiği zaman en yüksek erozyon oranının 30 o çarpma açısında gerçekleştiği, çarpma açısının artmasıyla yani 30 o den 90 o ye doğru gidildikçe erozyon oranında bir azalmanın meydana geldiği görülmüştür. Aşındırıcı partikül çarpma hızının artması hem CuZn10 hem de CuSn10 deney numunelerindeki erozyon oranının artmasına sebep olmuştur. Sertlik gibi malzemelerin mekanik özelliklerini etkileyen değişkenler erozif aşınma üzerinde önemli etkiye sahiptir. Sertlik değeri daha düşük olan CuZn10 (78 HB) deney numunelerinin erozif aşınma direnci, sertlik değeri daha yüksek olan CuSn10 (107 HB) deney numunelerinin erozif aşınma direncinden daha az gerçekleşmiştir.