www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (4) 15-20 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale (Beyaz Metal) Yataktaki Alaşım Elementlerinin Aşınmaya Etkisinin İncelenmesi Bekir Sadık ÜNLÜ*, Hülya DURMUŞ, Cevdet MERİÇ * Celal Bayar Üniversitesi TMYO Makina Bölümü, Turgutlu - MANİSA Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Bölümü, Muradiye MANİSA Özet Kaymalı yatak malzemesi olarak kalay-kurşun esaslı alaşımlar otomotiv endüstrisinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemelerin esasını oluşturan saf kalay ve kurşun ise iyi kayma özelliği olmasına rağmen çok düşük sertliğe sahip olduğundan düşük aşınma dayanımı göstermekte ve düşük mekanik özellikleri nedeniyle tek başına yatak malzemesi olarak kullanılmamaktadır. İyi bir kayma özelliğine sahip bu malzemelerin içerisine bakır ve antimun gibi elementler ilave edildiğinde kaymalı yataklarda iyi sonuçlar vermektedir. Bu çalışmada; kalay kurşun esaslı (beyaz metal) alaşımı ve bu malzemelerin esasını oluşturan saf, saf ve alaşım elementlerinden saf dan üretilen kaymalı yatakların sürtünme ve aşınma özellikleri belirlenip, birbiriyle karşılaştırılmıştır. Alaşımı oluşturan Sb çok kırılgan bir malzeme olduğundan dolayı bu malzemeden yatak üretilememiştir. Karşı aşındırıcı olarak SAE 1050 çelik mil kullanılmıştır. Deneyler radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında 20 N yük, 1500 d/dak ve 2.5 saatte yapılmıştır. Sonuç olarak, malzemesi, saf durumda üretilen numunelere göre daha iyi aşınma direnci göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Beyaz metal yataklar, Alaşım elementi, Aşınma 1. Giriş Kaymalı yatak malzemesi olarak, teknikte 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 sinter yataklar ve polimer malzemeler kullanılmaya başlanmıştır [1]. Kaymalı yatakların seçiminde ise kullanım yerlerine göre kendinden beklenen özellikleri sağlayan malzemeler seçilmelidir. Kaymalı yatak konstrüksiyonlarında mil veya aks genellikle çelikten yapılmakta ve yüzeyleri sertleştirilmektedir. Bu yolla mil veya aksın abraziv aşınmasına karşı bir önlem alınmaktadır. Yatak malzemeleri ise mikrokaynaklanma sonucu ortaya çıkan adheziv aşınmayı önlemek amacıyla demir dışı malzemelerden imal edilmektedir [2]. Yatak malzemelerinden, yüksek basma ve yorulma dayanımı, aşınma ve korozyon dayanımı, sert parçacıkları bünyesine gömebilme yeteneği, düşük sürtünme katsayısı, düşük ısıl genleşme katsayısı, kolay işlenebilme ve düşük maliyet gibi özellikler istenmektedir. Kaymalı yatak malzemelerinden beklenen bu özellikleri bir arada bulunduran malzeme henüz geliştirilememiştir. Bu yöndeki araştırmalar devam etmektedir [3-4]. Kaymalı yataklardan beklenen en önemli özellik aşınma direncinin iyi olmasıdır. Mil veya akslarda imalat, maliyet ve yenisiyle değiştirme veya tamir etmenin zorlukları nedeniyle aşınmanın minimum düzeyde gerçekleşmesine çalışılmaktadır. Yatak malzemeleri imalat kolaylığı, düşük maliyetleri ve değiştirilmesinin kolay olması nedeniyle aşınmasına (mil veya aksı korumak amacıyla) daha fazla izin verecek şekilde seçilmekte ve tasarlanmaktadır. Yatak malzemeleri metalik ve metalik olmayan malzemelerden
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 15-20 Beyaz Metal Yataktaki Alaşım Elementlerinin Aşınmaya Etkisi yapılmaktadır. Kalay kurşun alaşımları bu gibi özelliklere sahip olduğundan yatak malzemesi olarak önem teşkil etmektedir. Triboloji uygulamalarında otomobil yatakları iyi bir örnek oluşturmaktadır. Bu otomobil yatakları sürtünme alanlarını gösteren Stribeck diyagramında hidrodinamik yağlama bölgesinde çalıştığı görülmektedir [5]. Bir otomobil birçok tribo-bileşenden oluşur. Bunlardan biri yatak sistemleridir. Otomobillerde krank mili yatakları için yüksek aşınma direnci ve yabancı partikülleri gömme kabiliyeti olan tribo malzemeler kullanılır. Bunlar kurşun, kalay, alüminyum ve bakır içeren yataklardır. Bu elementler dayanımı da sağlamak için çelikten imal edilen yatak yüzeyine kaplanırlar [6-8]. Kurşun ve kalay esaslı beyaz metal alaşımları anti sürtünme özelliğinden dolayı yatak malzemesi olarak kullanılır. Bu alaşımlar çelik yatak üzerine farklı işlem şartlarında döküm ve püskürtme ile şekillendirilirler. Döküm alaşımları intermetalik faz içerir. Yatak metalinin püskürtme şekillendirmesi esnasındaki işlem değişiklikleri mikroyapı ve püskürtme çökeltisi gözenekliliği etkiler. Püskürtme şekilli alaşımın aşınma oranı döküm alaşımınkinden daha düşüktür. Bu alaşımın aşınma özellikleri intermetalik fazın azalmasına ve ötektik fazın mikroyapısının iyileşmesine yardımcı olur [9]. Kurşun elementinin antimun, kalsiyum ve kalay ile alaşımları yapılır. Bunlar beyaz metal, ergitilebilir alaşımlar veya lehim olarak adlandırılır. Bu alaşımlara antimun ilavesiyle serlik ve dayanım arttırılır. Antimun sertliğin yanında, kurşunun katılaşması sırasındaki oluşan büzülmeye engel olur [10, 11]. Bakır esaslı alaşımlar iyi korozyon direnci, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, kendi kendini yağlayabilme ve iyi aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı uzun zamandan beri yatak malzemesi olarak kullanılmaktadırlar [12, 13]. Beyaz metal içerisine ilave edilen saf ve saf Sb aşınmanın yanında, yatak malzemesinin mekanik özelliklerini arttırır. Bu malzeme otomobil yataklarında yaygın olarak kullanılır [14]. Bu çalışmada, endüstride kullanım alanı sınırlı, ve anti sürtünme özelliği iyi fakat sertliği ve aşınma dayanımı da çok düşük olduğundan, tek başına yatak olarak kullanılmayan ve, dayanımı artırmak için beyaz metal içerisine katılan saf ve (beyaz metal) alaşımından üretilen kaymalı yataklar yeni geliştirilen radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında [15]. aşındırılarak sürtünme katsayısı, yatak sıcaklığı, yatak ve mil ağırlık kayıpları belirlenmiştir. Ayrıca bu yatak malzemelerinin içindeki elementlerin etkileri de belirtilerek aşınma özellikleri incelenmiştir. 2. Deneysel Çalışma Deneyler radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında yapılmıştır. Bu cihaz kaymalı yatak aşınmasının yanında mil malzemesinin de aşınmasını inceleyebilecek şekilde tasarlanmıştır. Deney malzemeleri olarak; mil numunesi için SAE 1050 çelik mil, yatak numunesi için gemi yataklarından ergitilerek külçeler halinde üretilen alaşımı ve bu malzemelerin esasını oluşturan saf, saf ve saf dan üretilen kaymalı yataklar, yükleme için 20 N kuvvet, devir sayısı için 1500 d/dak, yağlayıcı olarak SAE 90 yağı seçilmiştir. Deneyler bu parametreler altında tekrarlanmıştır. Sürtünme, sıcaklık ve aşınma değerleri belirlenip kaydedilmiştir. Deneylerde kullanılan yatakların iç çapı d=10, genişliği B=10, dış çapı D=15 mm, milin ise çapı d=10 mm dir. Bu malzemelerin kimyasal bileşenleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Deneyler her 30 dakikada bir tekrarlanarak toplam 2.5 saat sürdürülmüştür. Deney 20 N yükte 1500 d/dak da yağlı ortamda tekrarlanmıştır. Bu deney sonundaki süre; n=1500 devir sayısında v=0.785 m/s hıza ve 7065 m kayma mesafesine karşılık gelir. Tablo 1(a) SAE 1050 çelik milin kimyasal bileşenleri (% Ağırlık). Malzeme C Si Mn P S Fe SAE 1050 0.51 0.25 0.75 0.040 0.050 Kalan Tablo 1 (b) yatağın kimyasal bileşenleri (% Ağırlık). Malzeme Sb 80 3 6 11 16
Ünlü, BS, Durmuş, H, Meriç C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 15-20 Aşınmayı etkileyen parametrelerden olan yüzey pürüzlülük değerleri profilometre cihazında hassas ölçümlerle gerçekleştirilmiştir. Numuneler deney cihazına bağlanarak toplam 2.5 saat olmak üzere her 30 dakikada bir sürtünme kuvveti ve buradan da sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. 3. Deney Sonuçlar ve Tartışma Kaymalı yatak numuneleri 20 N yük ve 1500 d/dak hızla, 30 dakikada bir ölçülmek üzere toplam 150 dak. yağlı ortamda aşındırılmıştır. Şekil 1 de sürtünme katsayısı, işlem süresinin fonksiyonu olarak verilmiştir. Deneylerde her 30 dakikada bir yatak sıcaklığı dijital termometre ile ölçülüp kaydedilmiştir. Yatak sıcaklığının süre ile değişimi Şekil 2 de, yatak ve milin ağırlık kaybı sonuçları da Şekil 3 4 de verilmiştir. Aşınmayı etkileyen parametrelerden olan aşınma öncesi ve sonrası yüzey pürüzlülük değerleri Mitutoyo-CE marka profilometre cihazında hassas ölçümlerle yapılıp, Tablo 2 de verilmiştir. Aşınma sonrası yüzey pürüzlülük değerleri Saf da azalmış, diğerlerinde ise artmıştır. Tablo 2. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri. Pürüzlülük SAE 1050 Saf Saf Saf Ra (μm) (Aşınma Öncesi) 0.5 1.35 2.92 0.45 1.33 Ra (μm) (Aşınma Sonrası) 0.4 0.96 2.33 0.68 2.62 Deneylerde saf, saf, ve yatakların sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklıkları yaklaşık birbirine yakın olarak ve düşük değerde elde edilmiştir. Saf yatağın ise sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklıkları yüksek elde edilmiştir. Buna karşın saf Al, saf ve saf yatakların mili diğer alaşımlı yatağa göre daha fazla aşındırdığı gözlenmiştir. Ayrıca, en düşük yatak ağırlık kaybı saf ve alaşımlı yatakta elde edilmiştir. En fazla yatak ağırlık kaybı saf yatakta olmuştur. Fakat mili ise en fazla saf ve ardından saf ve saf yatak, en az ise yatak aşındırmıştır. Optik mikroyapı görüntüleri incelendiğinde; saf yatakta ince ve uzun, saf yatakta ise kalın ve uzun yarıkların oluştuğu, yüzeyden ayrılmış partiküllerin tekrar yüzeye gömüldüğü görülmektedir. Bu durumlar yüzey kalitesinin bozulmasına neden olmaktadır. Saf yatakta aşınma izleri homojen ve malzeme yumuşak olduğundan sıvanma olmuştur. yatakta ise, bölgesel hareket ve sürtünme doğrultusunda paralel olmayan aşınma izleri oluşmuştur. (Şekil 5-8). Bu ince, uzun, yarık kısımlar ve aşınma izleri mikroyapıdaki açık renkli ve kabartılı bölgelerdir. Bu görüntüler Hund Wetzlar CCD-290 ışık mikroskobunda 100 büyütmede çekilmiş olup, 10 mm lik uzunluk 100 μm değerini göstermektedir. Ayrıca, kırılgan olduğu için yatak olarak üretilemeyen Sb malzemesinin kırılgan iç yapısı 500 büyütmedeki SEM görüntüsüyle Şekil 9 da verilerek desteklenmiştir. Bu şekilde, kalaykurşun esaslı yatak malzemesinin ve bunların esasını oluşturan saf, saf ve bunlara ilave edilen alaşım elementlerinden saf malzemelerinden üretilen kaymalı yatakların tribolojik özellikleri belirlenerek endüstride uygun bir şekilde kullanılabilmeleri, birbiriyle karşılaştırılarak gösterilmiştir. 0,12 Sürtünme Katsayısı ( μ) 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Şekil 1. Sürtünme katsayısı-işlem süresi değişimi 17
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 15-20 Beyaz Metal Yataktaki Alaşım Elementlerinin Aşınmaya Etkisi 44 42 Sıcaklık T ( 0 C) 40 38 36 34 32 30 Şekil 2. Yatak sıcaklığı-işlem süresi değişimi Aşıma Kaybı (mg) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Şekil 3. Yatak ağırlık kaybı - işlem süresi değişimi Aşınma Kaybı (mg) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Şekil 4. Mil ağırlık kaybı - işlem süresi değişimi 18
Ünlü, BS, Durmuş, H, Meriç C Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 15-20 Şekil 5. Saf yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü Şekil 6. Saf yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü Şekil 7. yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü Şekil 8. yatağın aşınma yüzeyi görüntüsü Şekil 9. Sb malzemenin iç yapı görüntüsü (x500). 19
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 15-20 Beyaz Metal Yataktaki Alaşım Elementlerinin Aşınmaya Etkisi 4. Sonuçlar 1. Saf, saf, ve yatakların sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklıkları yaklaşık birbirine yakın olarak ve düşük değerde elde edilmiştir. Saf yatağın ise sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklıkları yüksek elde edilmiştir 2. Saf Al, ve saf yataklar mili daha fazla aşındırmıştır. 3. En düşük yatak ağırlık kaybı saf ve alaşımlı yatakta elde edilmiştir. En fazla yatak ağırlık kaybı saf yatakta olmuştur. 4. Külçe olarak alıp, ürettiğimiz (beyaz metal) alaşımı hem yatak malzemesinin az aşınması hem de mil malzemesini az aşındırması açısından oldukça önemli sonuçlar vermiştir. Görüldüğü gibi kayma özelliği iyi fakat sertliğinin çok düşüklüğü nedeniyle aşınma dayanımı az olan saf ve Saf içerisine belirli oranlarda saf ve saf Sb gibi alaşım elementleri katıldığında tribolojik özelliklerin iyileştiği belirlenmiştir. Kaynaklar 1. Pürçek, G., Zn Al Esaslı Alaşımlardan İmal Edilen Kaymalı Yatakların Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, K. T. Ü., Fen Bil. Enst., 1994 2. Neale, M.J., Bearings (A Tribology Handbook), London, 1998 3. Eyre, T. S., Friction an Wear Control in Industry, Surface Engineering, Vol. 7, pp. 143-148, 1991 4. Schatt W., Wieters K.P., Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, 1997, Shrewsbury, U.K., pp.492 5. Priest, M., Taylor, C. M., Automobile Engine Tribology-Approaching The Surface, Wear, 241, pp.193-203, 2000 6. Enomoto, Y., Yamamoto, T., New Materials in Automotive Tribology, Tribology Letters, 5, pp. 13-24, 1998 7. Dowson, D., History of Tribology, Professional Engineering Publishing, pp. 768, 1998 8. Coy, R. C., Practical Applications of Lubrication Models in Engines, New Dir. Tribology MEP, pp. 197-209, 1997 9. Upadhyaya, A., Mishra, N. S., Ojha, S. N., Microstructural Control by Spray Forming and Wear Characteristics of a Babbit Alloy, Journal of Materials Science, 32, pp. 3227-3235, 1997 10. Durmuş, H., Meriç, C., Yılmaz, S. S., Akoral, E., Yüksek Antimunlu Kurşun Alaşımlarında Doğal Yaşlanmanın İncelenmesi, 10. Malzeme Sempozyumu, s. 194-199, Nisan 2004 11. www. İhracatdunyasi.com/Kurşun/html 12. Schmidt R. F., Schmidt D.G., Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), 1993, pp. 346-355 13. 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), 1997, pp.809-815 14. 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, 2004 15. Atik,E., Ünlü, B., S., Meriç, C., Radyal Kaymalı Yatak Aşınması Deney Cihazı Tasarımı, Makine Malzemeleri ve Teknolojisi (MAMTEK) Sempozyumu, Manisa, Sayfa 98-103, 2001 20