CuSn10 Yataklar n Tribolojik Özelliklerinin Belirlenmesi C.B.Ü. Fen Bilimleri Dergisi ISSN 1305-1385 C.B.U. Journal of Science 1.1 (2005) 45 51 1.1 (2005) 45 51 CuSn10 YATAKLARIN TR BOLOJ K ÖZELL KLER N N BEL RLENMES Bekir Sad k ÜNLÜ*, Enver AT K, Cevdet MER Ç Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisli i Bölümü Özet:Kaymal yatak malzemesi olarak bak r esasl ala mlardan bronzlar yayg n bir ekilde kullan lmaktad r. Bu ala mlar kaymal yataklardan beklenen özellikleri sa lamaktad rlar. yi bir tribolojik özelli e sahip bu malzemeler, kaymal yataklarda iyi sonuçlar vermektedir. Bu çal mada; CuSn10 bronzundan üretilen kaymal yataklar n farkl yük ve h zlarda kuru ve ya l ortamlardaki sürtünme ve a nma özellikleri incelenmi ve kar la t r lm t r. Kar a nd r c olarak SAE 1050 çelik mil kullan lm t r. Deneyler radyal kaymal yatak a nma test cihaz nda 10 N ve 20 N yükleme ve 750 d/dak ve 1500 d/dak da kuru ve ya l ortamda toplam 2.5 saatte yap lm t r. Sonuç olarak, kuru ortamda yap lan deneylerde yüksek, ya l ortamda ise çok daha dü ük sürtünme katsay s ve a nma kayb görülmü tür. Anahtar Kelimeler: Triboloji, A nma, Bronz Yatak DETERMINATION OF TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF CuSn10 BEARINGS Abstract:For copper based alloys bronzes are widely used as journal bearing material. These alloys ensure that expected properties for journal bearings. These materials that have tribological properties good conclusions give at journal bearings. In this study, CuSn10 bronze that were manufactured journal bearings friction and wear properties has been examined and compared. SAE 1050 steel shaft has been used as counter abrader. Experiments have been carried out 10 N and 20 N loading and 750 and 1500 rpm totally 2.5 h times by using radial journal bearing wear test rig. As a results, high friction coefficient and weigh loss have been obtained at dry condition more than lubricated condition. Keywords: Tribology, Wear, Bronze Bearing ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- * Sorumlu yazar bekir.unlu@bayar.edu.tr
C.B.Ü. Fen Bil. Dergisi (2005) 45 51, 2005 / B. Sad k ÜNLÜ/Enver AT K 1. G R Kaymal yatak malzemesi olarak, önceleri tahta, demir, deri v.b. malzemeler kullan lm t r. Zamanla bunlar n yerini pirinç, bronz, beyaz metal alm t r. Son zamanlarda alüminyum ve çinko esasl malzemeler kullan lmaya ba lanm t r. lerleyen teknoloji ile birlikte devaml ya lama imkan olmayan yerlerde kendinden ya lamal sinter yataklar ve belirli kullan m alanlar için polimer malzemeler kullan lmaya ba lanm t r. Kaymal yataklar n seçiminde ise kullan m yerlerine göre kendinden beklenen özellikleri sa layan malzemeler seçilmelidir. Kaymal yataklardan beklenen en önemli özellik, a nma direncinin iyi olmas d r. Bu yönde birçok çal mada kaymal yatak malzemelerinin a nma direncini geli tirme yönünde ara t rmalar yap lmaktad r [1-4]. Kaymal yatak malzemelerinin dü ük sürtünme katsay s, yüksek a nma direnci, yüksek yükleme kapasitesi, iyi korozyon dayan m, iyi s l iletkenlik, dü ük s l genle me ve yabanc partikülleri gömme gibi özelliklere sahip olmas gerekir [5, 6]. Bak r esasl ala mlar iyi korozyon direnci, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, kendi kendini ya layabilme ve iyi a nma direnci gibi özelliklerinden dolay uzun zamandan beri yatak malzemesi olarak kullan lmaktad rlar [7, 8]. Bak r ala mlar nda kalay n etkisi a nma dayan m nda önemlidir. Kalay içeren bak r ala mlar ndan kalay bronzlar yüksek a nma direncine sahip olduklar için yatak malzemesi olarak kullan lmaktad r [9]. lave edilen kalay miktar bronz malzemenin a nma dayan m n art rmaktad r [10]. Yatak malzemesi olarak kalay bronzu, büyük ve darbeli yüklerde ve ayn zamanda korozyon tehlikesi olan yüksek s cakl klarda uygundur. En iyi yatak performans gösteren ve en yayg n kullan lan % 90 Cu ve % 10 Sn içeren kalay bronzudur [11]. Kaymal yataklardaki a nma ve a nma mekanizmalar da birçok faktörlere ba l d r. Bu faktörler ve etkileri tribolojik sistem içinde incelenebilir. Bunlar; temel sürtünme eleman, kar sürtünme eleman, ara maddesi, çevre, yükleme ve hareketten olu ur [12]. Yataklarda, bu mekanizmalardan adhezyon a nmas n yükleme önemli ölçüde etkiler. Yataklar n uygun yükleme durumunda a nma miktar azalmaktad r [13]. Ayr ca; yüklemenin yan s ra, çal ma ortam da tribolojik özellikleri etkiler [14]. Bu çal mada, bak r esasl malzemelerden CuSn10 bronzu yeni geli tirilen radyal kaymal yatak a nma test cihaz nda [15] a nd r larak deney süresi sonundaki sürtünme katsay s ve a nma kay plar belirlenmi tir. Ayr ca; bu yataklar n yüzeylerinde olu an a nma izlerinin mikroyap görüntüleri de erlendirilmi tir. 2. DENEYSEL ÇALI MA 2.1. Deney Malzemelerinin Haz rlanmas Deneylerde kullan lan yata n iç çap d=10 +0.005 mm, geni li i B=10 mm, d çap D=15 mm ve milin çap d=10 mm dir. Yatak malzemesi CuSn10 (% 10 Sn, % 90 Cu) bronzudur. Mil malzemesinin kimyasal bile enleri Tablo 1 de verilmi tir. Deneyler toplam 2.5 saat sürdürülmü tür. Deney 10 N ve 20 N yükte, 750 d/dak. ve 1500 d/dak. da kuru ve ya l olarak tekrarlanm t r. Bu deney sonundaki süre; n=750 d/dak. da v=0.392 m/s h za ve 3532.5 m kayma mesafesine; n=1500 d/dak. da v=0.785 m/s h za ve 7065 m kayma mesafesine kar l k gelir. Tablo 2 de ise bronz yatak numunelerinin yükleme ve h z durumlar verilmi tir. Deneyler bu parametrelerde yap lm t r. Bu i lemin amac ; tek bir malzeme grubu üzerinde yataklar n farkl yük, h z ve Ya lama durumlar nda tribilojik etkilerini belirlemektedir. 46
CuSn10 Yataklar n Tribolojik Özelliklerinin Belirlenmesi Tablo1. SAE 1050 milin kimyasal bile enleri (% A rl k) Malzeme C Si Mn P S Fe SAE 1050 0.51 0.25 0.75 0.040 0.050 Kalan Tablo 2. Bronz yatak numunelerinin yükleme ve h z de erleri. Deney Ortam No F(N) n(d/dak) Kuru 1 10 750 2 10 1500 3 20 750 4 20 1500 Ya l 5 10 750 6 10 1500 7 20 750 8 20 1500 2.2. Radyal Kaymal Yatak A nma Test Cihaz Kaymal yataklarda genellikle yatak malzemesi, mil malzemesine göre daha dü ük a nma dayan m na sahip malzemelerden seçilir. Böylece milin a nmas büyük oranda azalt lm olur. Bu nedenle kaymal yatak a nma cihazlar, yatak malzemelerinin a nmas n incelemek üzere tasarlanmaktad r. Bu çal mada tasarlanan kaymal yatak a nma cihaz ile yatak malzemelerinin a nma davran lar n n incelenmesinin yan s ra, kolayl kla tak l p sökülebilen ve milin sadece kaymal yatak içinde çal an k sm ndan olu an numune kullan larak, milin a nma davran lar n incelemek de mümkün olmaktad r. Böylece farkl yatak malzemesi geli tirebilmenin yan nda mil malzemesi ve bunlara yap lacak i lemlerin de a nmaya etkisi incelenebilmektedir. Ayr ca, yataklar n do rudan a nd r lmas daha uygundur [4, 14]. Denneylerde kullan lan a nma test cihaz ; kaymal yatak üzerine rijit bir çubukla bas l bir a rl k ve yata a ba l bir çubuk ve bir komparatörden ibarettir ( ekil 1). Yata n dönme yönünde olu an sürtünme kuvveti ve buna ba l çubu un olu turdu u yer de i tirmenin ölçülmesiyle sürtünme katsay s belirlenir. Ya l ortamda yap lan deneylerde sürtünme az, komparatörün yay katsay s fazla oldu undan çok az miktarda deplasman olu mu tur. Bunun yerine komparatörün yerine k=0.004 N/mm olan bir çeki yay ba lanm t r. Sürtünme kuvvetinin etkisiyle yeterli miktarda olu an deplasmanlar bu yolla ölçülmü tür. 47
C.B.Ü. Fen Bil. Dergisi (2005) 45 51, 2005 / B. Sad k ÜNLÜ/Enver AT K 2 1 3 4 5 6 7 8 ekil 1. Radyal Kaymal Yatak A nma Test Cihaz : 1. Komparatör, 2. Rijit Çubuk, 3. Yük Temas Noktas (Rulman), 4. Mil numunesi, 5. Kaymal yatak numunesi, 6. Levha Çubuk, 7. Motor, 8. Yükler. 3. DENEY SONUÇLARI ve TARTI MA Kaymal yatak numuneleri 10 N ve 20 N yük, 750 d/dak ve 1500 d/dak dönme h z nda, toplam 2.5 saat kuru ve ya l ortamda a nd r lm t r. Tablo 3 te bronz yatak numunelerinin a nma öncesi ve sonras yüzey pürüzlülü ü de erleri verilmi tir. Bütün numunelerin yüzey pürüzlülü ü de erleri Mitutoyo-CE marka cihazda ölçülmü tür. Buradan da görüldü ü gibi, kuru ortamda a nd r lan numunelerin pürüzlülük de erleri a nma sonras daha da artm t r. Ya l ortamda a nd r lan numunelerin pürüzlülük de erleri a nma sonras azalm t r. kuvveti artan yükle ve h zla artmakta ve sürtünme katsay s n etkilemektedir. Kuru ortamdakilere göre, ya l ortamdaki sürtünme katsay s yakla k 10 kat daha az oldu u belirlenmi tir. Yatak a rl k kay plar yakla k 50 kat daha az ve mil a rl k kay plar ise yakla k 5 kat daha az olarak gerçekle mi tir. CuSn10 bronzunda, kuru ortamda yap lan deneylerde sürtünme katsay s 0.6 ile 0.8 aras nda belirlenmi tir. Bu sonuçlar Tablo 2. de belirtilen yükleme ve h z de erlerine göre ekil 2-4 aras nda verilmi tir. Bu konuda, D.Coupard et all. Pim-disk deney cihaz nda CuSn12 bronzuna kar n Bu kaymal yatak malzemesinde kuru AISI 54100 çeli inde kuru ortamda 5 N ortamda yap lan deneylerde sürtünme yükte, 235 mm/s h zda ve 30 dakikada katsay s, ya l ortamda elde edilen yapt deneylerde sürtünme katsay s n sürtünme katsay s ndan daha yüksek elde yakla k olarak 0.6 ve 2 N yükte, ise edilmi olup fazla miktarda a nma sürtünme katsay s n 0,7 olarak gözlenmi tir. Ya l ortamda yap lan belirlemi lerdir [16]. Bulunan sürtünme deneylerde ise oldukça dü ük sürtünme katsay s de erleri bu çal maya paralellik katsay s de erleri elde edilmi ve çok az göstermektedir miktarda a nma gözlenmi tir. Sürtünme. Tablo 3. Numunelerin yüzey pürüzlülü ü de erleri. Pürüzlülük SAE 1050 1 2 3 4 5 6 7 8 Ra ( m) (A nma Öncesi) 0.5 1.61 1.60 1.62 1.64 1.63 1.62 1.60 1.61 Ra ( m) (A nma Sonras ) 0.8-0.3 (kuru-ya l ) 1.69 2.11 1.86 1.74 1.45 1.37 1.14 1.03 48
CuSn10 Yataklar n Tribolojik Özelliklerinin Belirlenmesi Optik mikroskop görüntüleri incelendi inde; kuru ortamdaki bronz yataklar n a nma yüzeylerinde bölgesel çizikler olu arak a nma olmu tur. Yataklar n yükleme ve h z de erleri artt nda a nma yüzeylerinde çizik ve pürüzlülük artm t r ( ekil 5-8). Ya l ortamdaki yatak yüzeylerinin a nma yüzeylerinde ise çizik olu umu ve a nma izleri az, küçük ve sürtünme do rultusunda olmu tur ( ekil 9-12). Sürtünme Katsay s ( ) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Yükleme ve Hz De erleri A rl k Kayb (mg) 20 15 10 5 0 Yükleme ve Hz De erleri ekil 4. CuSn10 yata n yükleme ve h z de erlerine göre mil a rl k kay plar ekil 2. CuSn10 yata n yükleme ve h z de erlerine göre sürtünme katsay lar A rl k Kayb (mg) 500 400 300 200 100 0 ekil 5. Kuru ortamdaki 10 N, 750 d/dak, CuSn10 Yükleme ve Hz De erleri ekil 3. CuSn10 yata n yükleme ve h z de erlerine göre yatak a rl k kay plar ekil 6. Kuru ortamdaki 10 N, 1500 d/dak, CuSn10 49
C.B.Ü. Fen Bil. Dergisi (2005) 45 51, 2005 / B. Sad k ÜNLÜ/Enver AT K ekil 7. Kuru ortamdaki 20 N, 750 d/dak, CuSn10.. ekil 10. Ya l ortamdaki 10 N, 1500 d/dak,cusn10 ekil 8. Kuru ortamdaki 20 N, 1500 d/dak, CuSn10 ekil 11. Ya l ortamdaki 20 N, 750 d/dak, CuSn10. ekil 9. Ya l ortamdaki 10 N, 750 d/dak, CuSn10 ekil 12. Ya l ortamdaki 20 N, 1500 d/dak, CuSn10. 50
CuSn10 Yataklar n Tribolojik Özelliklerinin Belirlenmesi 4. SONUÇLAR Bu çal mada, CuSn10 bronzu radyal kaymal yatak a nma test cihaz nda a nd r larak deney süresi sonundaki sürtünme katsay s, a nma kay plar ve bu yataklar n a nma yüzeylerinde olu an a nma izlerinin mikroyap görüntüleri belirlenmi tir. A a daki sonuçlar elde edilmi tir. 1. A nma sonras yüzey pürüzlülü ü de erleri, kuru ortamda artm ve ya l ortamda ise azalm t r. 2. Sürtünme katsay s artan yükle ve h zla artm t r. 3. Ya l ortamda sürtünme katsay s, yatak ve mil a rl k kay plar n n kuru ortama göre çok daha az gerçekle ti i belirlenmi tir. 4. Ya l ortamdaki a nma izlerinin daha az, daha küçük ve sürtünme do rultusunda olu tu u gözlenmi tir. [12]. Ünlü, B. S., Atik, E., Meriç, C., Kaymal Yataklarda A nma Mekanizmalar, Makine & Metal Teknolojisi, Say 127, 2002, S. 45-50 [13]. Varol, R., Cu ve Fe Esasl T/M Yatak Malzemelerinin A nma Özellikleri, DEÜ Müh. Fak. Fen ve Müh. Dergisi Cilt 3, Say 1, S. 81-90, Ocak 2001 [14]. Atik, E., Ünlü, B., S., Meriç, C., Radyal Kaymal Yatak A nmas Deney Cihaz Tasar m, Makine Malzemeleri ve Teknolojisi (MAMTEK) Sempozyumu, 2001, Manisa,98-103 [15]. Coupard, D., Castro, M.C., Coleto, J., Garcia, A., Goni, J., Palacios, J.K., Wear Behaviour of Copper Matrix Composites, Key Engineering Materials Vols. 127-131, pp:1009-1016, 1997 5. KAYNAKLAR [1]. Schatt, W., Wieters K. P., Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, Shrewsbury, U.K., pp. 492, 1997 [2]. Enomoto, Y., Yamamoto, T., New Materials in Automotive Tribology, Tribology Letters, 5, pp.13-24, 1998 [3]. Eyre, T. S., Friction an Wear Control in Industry, Surface Engineering, Vol. 7, 143-148, 1991 [4]. Ünlü, B. S., Kaymal Yataklarda Tribolojik Özelliklerin ve Borlanm Demir Esasl Malzemelerin Yatak Olarak Kullan labilirli inin Yatak Olarak Kullan labilirli inin Belirlenmesi, Doktora Tezi, C. B. Ü. Fen Bil. Enst., Manisa, 2004 [5]. Paulo Davim, J., An Experimental Study of the Tribological Behaviour of the Brass/Steel Pair, Materials Processing Technology, pp: 273-277, 2000 [6]. Schmidt, R. F., Schmidt, D.G., Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), pp. 346-3557, 1993 [7]. 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), pp.809-815, 1997 [8]. Backensto, A.B. (1990): Effects of Lubricants on the Properties of Copper-Tin Powders and Compacts, N.Jersey, Advences in P/M, Proc. Of PM Conf., APMI, PP.303-314 [9]. Pratt, G.C. (1973): Materials for Plain Bearings, International Metallurgical Reviews, Vol. 18, Review 174, pp. 23-25 [10]. Akkurt M., Makine Elemanlar Cilt I, Birsen Yay nevi, stanbul, 1990, s.440 [11]. Schatt, W., Wieters, K.P., Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, 1997, Shrewsbury, U.K., pp.492 51
C.B.Ü. Fen Bil. Dergisi (2005) 45 51, 2005 / B. Sad k ÜNLÜ/Enver AT K 52