www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (3) 65-71 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Plastik Ekstrüzyon Vidalarında Aşınma ve Yorulma Davranışlarının Nedenleri Ve Çözüm Önerileri Ahmet KOYUN, Anıl NOMAK AKDOĞAN Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Beşiktaş, İstanbul ÖZET Bugün bir çok bilimsel araştırma, iş parçalarının fonksiyonel ömürlerini sağlıklı bir şekilde yerine getirebilmelerini sağlamak ve mümkünse bu ömürleri uzatabilmek adınadır. Yüzeylere uygulanan değişik kaplama türleri ve teknikleri ile ısıl işlemlerin iş parçalarının fonksiyonel ömürleri üzerinde çoğunlukla olumlu etkiler yarattığı bilimsel bir gerçektir. Plastik mamul üreten extrüderlerin vidalarındaki mekanik aşınma ve yorulma hatalarının oluşum mekanizmalarını tesbit etmek, önlenmesi için öneriler getirmek ve kullanım ömürlerini arttırmak amacıyla vidalara uygulandığı bilinen nitrürleme işlemi parametreleri için literatürde sunulmuş optimum çözümleri derlemek bu çalışmanın temel amaçlarını oluşturmaktadır. Anahtar Kelimeler: Aşınma davranışı, Yorulma dayanımı, Nitrürasyon, Ekstrüzyon vidaları 1. GİRİŞ Pek çok uygulamada olduğu gibi ekstrüzyon vidalarıda da görülen yorulma kırılmalarının açıkça yüzeylerden başladığı görülmektedir. Çeliklerde görülen yorulma kırılmalarının bir çoğunun yüzey uygunsuzluklarından başladığı bilinmektedir. Bu nedenle yorulma, özellikle yüzeydeki çentik, girinti, çıkıntı, keskin köşe vb. gibi tasarımdan kaynaklanan kusurlara karşı çok duyarlıdır. Yüzeylerdeki çentik ve keskin köşelerin yorulma özelliklerini olumsuz yönde etkilemesinin nedeni, bunların yüksek çekme gerilimi yoğunluklu bölgeler oluşturmasıdır. Yorulma kırılmalarının çoğunun bu tür yerlerden başlaması çoğunlukla bu nedendendir [1]. Plastik mamul üreten extrüderlerin vidaları da mekanik aşınma ve yorulma hatalarının sıkça görüldüğü çelik malzemelerdir. Bu çalışmanın ilerleyen bölümlerinde, extrüderlerin vidalarıdaki aşınma ve yorulma sonucu meydana gelen kırılmaların nedenleri sunulmuş, nitrürleme işlemi uygulamalarında literatürde sunulan optimum çözümler tartışılmış ve sonuçlar ortaya konmuştur. 2. EKSTRÜZYON VİDALARINDA AŞINMA DAVRANIŞLARININ NEDENLERİ Büyük miktarlarda tüm plastik hammaddeler vida ekstrüderleri ile işlem görmektedir. Burulma etkisi ile sürtünme gerilimine maruz kalan vidalarda aşınma davranışlarının yoğun şekilde görülmesi kaçınılmazdır. Plastik hammadde katı halden sıvı hale geçtiği içinde bu aşınma çok yönlüdür [2].
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 65-71 Plastik Ekstrüzyon Vidalarında Aşınma ve Yorulma Davranışlarının Nedenleri Şekil 1. Vidalı ekstrüder taşıma bölgesi [2]. Guagliano (2005), çift vidali plastik ekstrüder millerinin yorulma hatalarını gözlemlediği çalışmasında, hataların genellikle milin sonunda meydana geldiğini tesbit etmiştir. Mevcut dizaynlarda dişlilerden mile nakledilen torkun büyük kısmının şaft ucundan mile transfer edilmesi beklenmektedir (Şekil 1). Şekil 2. Çift vidali ekstrüderde şaft Bunun anlamı bu bölgede temas baskısının çok yüksek olduğudur. Oluşan gerilme yığılmasına çentik etkisine ilave edildiğinde, bu durumun hata başlangıcını tetikleyici rol oynaması kaçınılmazdır. Bölgede gözlenen izler, hatanın bir yorulma hatası olduğunu kanıtlamaktadır. Hatanın ilerleyişinin mil eksenine 45 lik açıyla olduğu gözlendiğinde ise bu hatanan bir burulma yorulması olayı olduğu ve bu eğilmenin mil için uygun bir yükleme türü olmadığı anlaşılmaktadır. Bir başka gözlemde çatlak başlangıcının, montajı daha kolay yapabilmek için pozisyonu değiştirilen vidalı milin köklerinden başladığı tesbit edilmiştir. Araştırmacı bu olumsuz durumların ortadan kaldırılması için bazı tasarım değişiklikleri önermektedir. Araştırmacıya göre milin baş tarafının tasarımı, çentik etkisini azaltacak şekilde mutlaka yeniden yapılmalıdır (Şekil 2). Şekil 3. Tasarım önerisi [3]. Yorulma çentik etkisi, şaft ve mil arasındaki temas durumunun daha uniform hale getirilmesiyle de azaltılabilir. Bunun anlamı, temas uzunluğu boyunca birleştirme elemanlarının rijitliğinin uniform 66
Koyun, A., Akdoğan A.,N. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 65-71 olmasıdır. Bu durumun dişin eksenel yönde çeşitli genişliklerde ve şaftın yine eksenel yönde çeşitli kalınlıklarda kullanılması ile sağlanabileceği belirtilmektedir. Mil, özellikle şaft temas noktasının başlarında daha ince ve orta bölgelerde kalın olmalıdır. İkinci öneri gelişmeye ve yayılmaya daha açık bir yapıdadır. Araştırmacı, montaj işlemi sırasında yapılacak uygun yağlamanın da yorulma hatası başlangıcına yol açan dişlerdeki yüzey bozulmalarını önleyebileceğini belirtmektedir. Heinze (1998) çalışmasında, Plazma Buhar Biriktirme (PVD) ve Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemleriyle çelik vida malzemesi yüzeylerine yapılacak TiC veya CrN gibi kaplamaları, vidaların aşınmaya karşı dirençlerini arttırdıkları gerekçesiyle önermektedir [2]. Ekstrüder maliyetini arttırsa da ısıl işlemler bazı zamanlarda çentik faktörünün ortadan kaldırılmasını sağlarlar. Yorulma dayanımını arttıracak en etkili tavsiye ise bilya püskürtme gibi yüzey sertleştirme işlemleridir [3]. Malzemenin yüzey sertliğini artırmak için yapılan diğer yüzey sertleştirme işlemleri de uzun yıllardır uygulanmaktadır. 3. NİTRÜRLEME İŞLEMİNDE OPTİMUM ÇÖZÜMLER Malzemenin yüzey sertliğini artırmak için yapılan yüzey sertleştirme işlemlerinden en yaygın olarak kullanılan işlemlerden bazıları nitrürasyon, sementasyon ve borlamadır. Bu bölümde, çeliğin nitrürleme işlemiyle elde ettiği, nitrürasyon tabakası kalınlığı, sertlik ve beyaz tabaka kalınlığı gibi literatürdeki bazı veriler derlenmiştir. Nitrürlenebilirlik; çeliğin azotu absorbe edebilme kabiliyeti ve azotun sağladığı sertlik artışı olarak ifade edilmektedir. Alaşım elementlerinin çeliğin nitrürasyonu sonrası sertliğine etkisinin Şekil 3 deki gibi olduğu bildirilmiştir [5]. Yüksek yüzey sertliği istenen nitrürlenecek bir çeliğin bileşimi üzerinde karar verileceği zaman, seçim, genellikle Al, Cr ve Mo gibi nitrür oluşturan elementler üzerinde yapılmaktadır. Şekil 3 deki diyagramdan da görüleceği gibi; yüzey sertliği üzerinde en büyük etkiye sahip Al dur. Bunu sırasıyla Ti, Cr, Mo ve V takip etmektedir. Ni in etkisi sade karbonlu çeliklerde oluşan yüzey sertliği kadardır [4]. Şekil 4. Alaşım elementlerinin çeliğin nitrürasyonu sonrası sertliğe etkisi [5]. Menthe vd., (1995) tarafından bildirildiğine göre, nitrürasyon derinliği Şekil 4 de görüleceği gibi alaşım elementi miktarının artmasıyla azalmaktadır. Sertlik artışında en büyük etkiye sahip olan Al ve Ti aynı zamanda azotun difüzyonuna en fazla geciktirici etkiyi gösterir. Bu elementlerin miktarı arttıkça, azotun çeliğin bünyesine alınması zorlaşmaktadır. Optimum sertlik ve nitrürasyon derinliğinin sağlanması için tavsiye edilen Al oranı % 1 civarındadır. Karbonun da benzer şekilde azot difüzyonuna karşı kuvvetli bir 67
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 65-71 Plastik Ekstrüzyon Vidalarında Aşınma ve Yorulma Davranışlarının Nedenleri engelleyici özelliği bulunmaktadır. Alaşım elementlerinin difüzyona karşı etki göstermelerinin nedeni, azotla beraber nitrürler oluşturmalarıdır [4]. Şekil 5. Alaşım elementlerinin 400 HV sertlik değerinde ölçülen nitrürasyon derinliğine etkisi (Nitrürasyon işlemi 520 C de 8 saat süreyle yapılmıştır) [5]. Özellikle sanayileşmiş ülkelerde son yıllarda iyon nitrürasyon (glow discharge) metodu yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bunun sebebi bu yöntemin bilinen tekniklere göre birçok avantajlara sahip olmasıdır. Bunlar, işlem zamanının kısa olması, ihmal edilebilir derecede distorsiyon, nitrürleme işleminden sonra ek bir ısıl işlem gerektirmemesi, kirlilik probleminin olmaması, düşük elektrik ve gaz sarfiyatı olmasıdır. Ayrıca işlem sonrası elde edilen tabakaların (beyaz tabaka ve difüzyon tabakası) hassas olarak kontrol edilebilir olması ve işlem sonrası sert, aşınmaya ve yorulmaya dayanıklı yapı elde edilmesi bu avantajlardandır. Düşük alaşımlı çelikler, takım çelikleri, paslanmaz çelikler, demir gibi birçok metal ve alaşımları bu yöntem ile sertleştirilebilir [6]. Düşük basınçlarda anod-katod arasına uygulanan gerilim sonrası oluşan iyon nitrürasyonda kullanılan gazın cinsine göre azot, hidrojen, argon gazlarının iyonları, nötral molekülleri, elektronları yer almaktadır. Özellikle N + iyonları işlemin ana elemanıdır. Çünkü yüzeye azot emdirmek amaçlanmaktadır. Ancak tek başına azot gazı plazmasıyla yapılan nitrürleme işleminde gerekli iyileşmelerin sağlanmadığı gözlenmiştir. Bundan dolayı azot, hidrojen, argon gazlarının birlikte oluşturdukları karışımlardan faydalanma yoluna gidilmiştir. Çelik vd. nin (2000) yaptığı çalışmada da ikili ve üçlü gaz karışımları oluşturularak işlem için en iyi gaz karışımı araştırılmıştır [6]. İyon nitrürasyon işleminden sonra, numuneler incelendiğinde iki farklı bölgenin oluştuğu gözlenmiştir. En dış kısımda demir nitrürlerden Fe2-3 (ε), Fe4N(γ) oluşmuş çok ince bir tabaka meydana gelmiştir. Bu tabaka, beyaz tabaka olarak adlandırılmaktadır. Beyaz tabakanın altında, azot atomlarının demir atomları arasında arayer atomları olarak ve ince bir şekilde dağılmış alaşım nitrürlerinden oluşmuş difüzyon tabakası mevcuttur. Çelik vd.nin AISI 8620 çeliği üzerinde gerçekleştirdikleri deneyler sonucunda Tablo 1 de görüldüğü gibi özellikle hidrojen içeren gaz kompozisyonlarında yüzey sertliğinin arttığı gözlenmiştir. Ancak argonun bulunduğu ikili karışımlarda, argonun yüzeyde sertlikte artışa sebep olurken sertliğin yüzeyden uzaklaştıkça hızla düştüğü ve difüzyon tabakası derinliğinin azlığı dikkat çekmektedir. Nitrürleme zamanının artışı ile difüzyon tabakası derinliğinde artış gözlenmektedir. Ancak nitrürleme zamanının artışı bütün gaz karışımlarında yapılan deneylerde yüzey sertliğinin azalmasına sebep olmuştur. 4 saat 68
Koyun, A., Akdoğan A.,N. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 65-71 nitrürlemede en yüksek sertlik elde edilmesine rağmen, bu süre 8 saate çıkarıldığında sertlik azalmıştır. Yüksek nitrürleme zamanları malzemede temperleme etkisi gösterdiğinden sertlik azalmaktadır. Diğer işlem parametreleri sabitken artan hidrojen miktarı beyaz tabaka kalınlığını önemli derecede azaltmaktadır. Özetle, gaz karışımlarında hidrojen miktarındaki artış ile birlikte malzemenin yüzey sertliği ve difüzyon derinliği artarken, beyaz tabaka kalınlığında azalma olmaktadır. Azot-argon gaz karışım oranları incelendiğinde, argonun sertlik artışına sınırlı bir katkısı olduğu ve bu karışımda beyaz tabaka kalınlığında da düşüş olduğu görülmüştür. Bu düşüş hidrojen gazının etkisinden daha azdır. Tablo 1. AISI 8620 çeliğinin nitrürasyon işlemleri sonucu özellikleri [6]. Difüzyon tabakası, nitrürleme zamanının artışıyla birlikte kalınlaşmaktadır. Argon gazı, azot gazı ile karışım olarak kullanıldığında malzemenin yüzey sertliğine sebep olmaktadır. Ayrıca istenmeyen beyaz tabakanın da incelmesini sağlamaktadır. Ancak sertlik ve beyaz tabaka kalınlığına etkisinin hidrojen gazı kadar olmadığı tesbit edilmiştir. Çalışmada, hidrojen gazının elde edilmesi, taşınması ve maliyeti gözönüne alındığında, azot gazı ile birlikte argon gazının kullanılmasının uygun olabileceği önerilmektedir. Aynı amaçlarla Gavgalı vd. AISI 5140 çeliği farklı sıcaklıklarda (400, 450, 500 ve 550 o C), nitrürleme sürelerinde (1, 4, 8 ve 12 saat) ve gaz karışım oranlarında (0. 11, 0.33, 1 ve 3 N 2 / H 2 ) iyon nitrürleme işlemine tabi tutulmuştur [7]. Mikrosertlik cihazı, burulma test cihazı, XRD ve SEM kullanılarak nitrürlenmiş çeliğin yüzeyden içeri doğru sertlik dağılımı, burulma dayanımı, beyaz tabaka kalınlığı ve faz kompozisyonu belirlenmiştir. Beyaz tabaka kalınlığı, artan nitrürleme sıcaklığı, zamanı ve gaz karışım oranıyla arttığını tesbit etmişlerdir. Burulma momenti, iyon nitrürleme sonucu çok küçük azalma göstermesine rağmen, burulma 69
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 65-71 Plastik Ekstrüzyon Vidalarında Aşınma ve Yorulma Davranışlarının Nedenleri açısı büyük oranda azalmıştır. Burulma açısı, yüzeyde nitrürleme sonucunda oluşan sert ve gevrek beyaz tabaka kalınlığının artması ile azalmıştır. Çalışmada, deneyler sonunda elde edilen bulgular aşağıda özetlendiği gibidir. Tablo 2. AISI 5140 çeliğinin nitrürasyon işlemleri sonucu özellikleri [7]. İyon nitrürasyon işlemi Beyaz Gaz Burulma Burulma Yüzey tabaka Zaman, karışım momenti, açısı, sertliği, kalınlığı, saat oranı, Nm radyan HV µm µm N 2 /H 2 400 4 0.33 27,4 4,11 447 1,8 175 Sıcaklık, C 450 1 0.33 26,9 3,69 473 2,3 200 450 4 0.33 29,7 4,13 713 4 225 450 8 0.33 27,99 4,08 700 5,5 325 450 12 0.33 31,98 3,02 665 7,6 450 500 4 0.33 31,15 3,27 593 8,5 275 550 4 0.33 30,41 2,75 548 11 400 450 4 0.05 29,2 3,40 532 1,2 250 450 4 1 31,91 3,18 622 6,5 200 450 4 3 30,84 2,91 472 9 150 İşlemsiz - - 31,42 17,21 250 - - Difüzyon tabakası kalınlığı, Nitrürleme sıcaklığı arttıkça beyaz tabaka kalınlığı artmaktadır. En yüksek beyaz tabaka kalınlığı, 550 o C sıcaklık, 4 saat işlem süresi ve 0.33 N 2 /H 2 gaz karışım oranında elde edilmiştir. İyon nitrürleme sonucu en yüksek yüzey sertliği 450 o C sıcaklık, 4 saat işlem süresi ve 0.33 N 2 /H 2 gaz karışım oranında elde edilmiştir. Beyaz tabaka kalınlığı arttıkça burulma açısı azalmaktadır. En yüksek burulma açısı, plazma ile nitrürlenmemiş malzemede elde edilmiştir. Nitrürlenmiş malzemeler içerisinde ise en yüksek değere 450 o C sıcaklık, 4 saat ve 0.33 N 2 /H 2 gaz karışım oranında ulaşılmıştır. Araştırmacıların elde ettikleri sonuçlar Tablo 2 de verilmektedir. 4. SONUÇ Ekstrüder vidalarında yorulma hata davranışlarının takip edilmesi büyük önem taşımaktadır. Miller kullanıma hazırlanırken, uygun nitrürasyon atmosferinin ve işlem parametrelerinin seçilmesi ile yüksek korozyon ve aşınma direnci sağlayan tek fazlı ε -nitrür tabakası elde edilebilmektedir. Nitrürasyon işleminde amaç çok ince bir beyaz tabaka elde etmek olmalıdır. Uygun mil tasarımı ve montaj işlemleri sırasında uygun yağlayıcılar ile yağlama tekniklerinin de seçilmesiyle ekstrüder millerinin de yorulma hata davranışları azaltılarak kullanım ömürleri arttırılabilir. KAYNAKLAR 1. Karagöz, M. ve Akagündüz. B., (1999), Yorulma Olayı ve Otomat Çeliğinde Yorulmanın Deneysel Olarak İncelenmesi, Bilim Dergisi, 4: 50-67. 2. Heinze M., Wear resistance of hard coatings in plastics processing, Surface and Coatings Technology 105 (1998) 38 44. 70
Koyun, A., Akdoğan A.,N. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 65-71 3. Guagliano M., Fatigue failure of a bar of a twin-screw extruder for plastics, Engineering Failure Analysis 12 (2005) 950 962 4. Özdemir U. ve Erten M., Plazma (İyon) Nitrürleme yöntemi ve malzeme özellikleri üzerindeki etkisi Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, Temmuz 2003 CİLT 1 SAYI 2 (41-48). 5. Menthe, E., Rie K.T., Schultze J.W., Simson S., Structure and properties of plasma-nitrided stainless steel Surface and Coating Technology, 74-75, 412-416, 1995. 6. Çelik A., Karakan M., Alsaran A., Gaz karışımlarının iyon nitrürleme üzerine etkisinin araştırılması, DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, Cilt: 2 Sayı: 2 sh. 87-94 Mayıs 2000. 7. Gavgalı M., Çelik A., Alsaran A., Totik Y., İyon nitrürleme işleminin AISI 5140 çeliğinin burulma özelliklerine etkisi üzerine bir çalışma, Mühendis ve Makina, Nisan 2002 - Sayı 507 71