www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:13-11 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi () 37- TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Saf,, den üretilen yatakların aşınma özelliklerinin incelenmesi 1.Giriş Bekir Sadık ÜNLÜ, N. Sinan KÖKSAL Celal Bayar Ü. Mühendislik Fakültesi, Makine Bölümü, Muradiye, 51-Manisa, TÜRKİYE (Geliş Tarihi: 3 Mart, Kabul Tarihi: 1 Nisan ) Özet Kaymalı yatak malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılan pirinç ve bronz alaşımlarını oluşturan elementlerden, ve nin yatak malzemesi olarak kullanılabilirliği ve tribolojik özellikleri araştırılmıştır. Çalışmamızda, aşınma deneyleri; radyal kaymalı yatak aşınma deney düzeneğinde, yağlı ortamda, karşı aşındırıcı olarak SAE 15 çelik mil, yük N, devir sayısı 15 d/dak olarak uygulanmıştır. Her 3 dak sonunda ölçüm yapılarak toplam 15 dak süreyle aşınma deneyleri yapılmıştır. Numunelerde oluşan ağırlık kaybı, yatak sıcaklığı ve sürtünme katsayısı değerleri elde edilmiş ve işlem süresine bağlı olarak grafiklerde verilmiştir. Saf dan üretilen numune diğerlerine göre daha büyük sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklığı değerleri gösterirken ağırlık kaybı den az oluşmuştur. Bronz ve pirinç yataklarla bunları oluşturan alaşım elementlerinin aşınma özellikleri de karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Triboloji, Kaymalı Yatak, Alaşım Elementi Makine elemanlarından kaymalı yataklar, basit ve ucuz yapıları, radyal yönde az yer kaplamaları, iki parça halinde yapılabilmeleri, darbe ve titreşimlere dayanıklılığı, yağlı ortamda çok yüksek performansa sahip olmaları gibi nedenlerle tercih edilirler. Yatakların servis ömrü özellikle karışık sürtünme alanlarındaki çalışma performanslarıyla sınırlıdır ve çalışma şartlarına bağlı olarak yatakların ömürleri teorik olarak ile 5 saat arasındadır. Kaymalı yatakların servis süreleri ise ideal şartlar altında ve hidrodinamik yağlama yapıldığında sınırsızdır. Karışık sürtünme alanlarında ve aşırı yük altında çalışan yataklarda aşınmalar olur. Aşınmaların başlıca nedenleri; aşırı ve ani yükler, düşük kayma hızı, titreşim durumu, sıcaklık farklılıkların yüksek olması, dur-kalk çalışma ve kısmi dönmedir. Kaymalı yataklardan beklenen en önemli özellik aşınma direncinin iyi olmasıdır. Aşınma özelliklerini etkileyen değişkenler oldukça karmaşıktır. Yağlamanın iyi yapıldığı ve yükün bütünüyle sıvı sürtünme ile karşılandığı durumlarda yatak malzemesinin gerekli mukavemet ve rijitlikte olması yeterlidir. Fakat uygulamada optimum çözüm için, ana malzeme içerisine katılan alaşım elementleri, ana malzeme ile etkileşime girerek malzeme özelliklerini değiştirir. Bu nedenle, ana malzeme içerisine katılan alaşım elementlerinin malzeme ve sistem özelliklerine etkisi doğrudan bilinememektedir. Birçok çalışmada, kaymalı yatak malzemelerinin aşınma özelliğini geliştirme yönünde araştırmalar yapılmaktadır [1-3].
Teknolojik Araştırmalar () 37- Saf,, den üretilen yatakların aşınma özelliklerinin incelenmesi Kaymalı yatak malzemelerinin düşük sürtünme katsayısı, yüksek aşınma direnci, yüksek yükleme kapasitesi, iyi korozyon dayanımı, iyi ısıl iletkenlik, düşük ısıl genleşme ve yabancı partikülleri gömme gibi özelliklere sahip olması gerekir. Bakır esaslı alaşımlar iyi korozyon direnci, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, kendi kendini yağlayabilme ve iyi aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı yatak malzemesi olarak kullanılmaktadırlar []. Ana malzeme bakır olmak üzere, içerisine değişik oranlarda,, Pb, Al, P gibi alaşım elementleri katılmaktadır. Bu katkı malzemeleriyle oluşan alaşım, kullanım yerine uygun özelliklerine göre tercih edilmektedir. Bakır, üstün fiziksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bakır, ısıyı ve elektriği en iyi ileten metallerden biridir, aynı zamanda kimyasal olarak oksijenle çabuk reaksiyona girer. En saf olarak üretilen ve satılan metaldir. Bakır alaşımlarında aşınma direncini artırmada kalayın etkisi önemlidir. Kalay içeren bakır alaşımları yüksek aşınma direncine sahip oldukları için yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bakırın aşınma dayanımını artırmak için belli oranlarda kalay eklenir [5, ]. Yatak malzemesi olarak kalay bronzu, büyük ve darbeli yüklerde ve aynı zamanda korozyon tehlikesi olan yüksek sıcaklıklarda kullanıma uygundur. Yaygın kullanılan %9 ve %1 içeren kalay bronzu en iyi yatak performansı gösterir. Ayrıca gıda endüstrisinde bu malzemelerin kullanılması uygundur [7]. katkılı bakır esaslı (pirinç) malzemeler, yüksek mukavemet, iyi korozyon dayanımı, yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, kolay şekillenebilme ve güzel görünüm nedeniyle endüstride çok kullanılan mühendislik malzemeleridir. Ayrıca alüminyum ve silisyum içerenleri yatak malzemesi olarak kullanılabilir. Ancak pirinç yataklar mili fazla aşındırdığı için kullanılması pek uygun değildir [8, 9]. Coupard et all. 1 bronzunda [1] ve J.D. Paulo [11] ise, 3 pirincinde pin-on-diskte farklı yük ve aşındırıcılarla benzer çalışmalar yapmışlardır. Bu çalışmada, endüstride kullanım alanı sınırlı olan, saf, ve den üretilen kaymalı yatakların aşınma özellikleri incelenmiştir. Radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında gerçekleştirilen deneyler sırasında sürtünme katsayısı, çalışma sıcaklığı ve oluşan ağırlık kayıpları ölçülmüştür. Bu alaşım elementlerinin yaygın olarak kullanılan bronz ve pirinç yatakların aşınma özellikleri ile karşılaştırılması da yapılmıştır.. Deneysel Çalışma Deney malzemeleri olarak; mil numunesi için SAE 15 çelik mil kullanılıp, bu malzemenin kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilmiştir, yatak numunesi olarak ise % 99.9 oranında saf, ve den döküm yöntemi ile üretilen yatak malzemeleri seçilmiştir. Tablo1. SAE 15 çelik milin kimyasal bileşenleri (% ağırlık) Malzeme C Si Mn P S Fe SAE 15.51.5.75..5 Kalan Aşınma deneylerinde kullanılan numuneler, döküm yöntemiyle üretildikten sonra, iç çapı d=1 mm, genişliği B=1 mm, dış çapı D=15 mm, milin ise çapı d=1 mm olarak hazırlanmıştır. Aşınma deneyleri radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında yapılmıştır. Çalışma koşullarına uygun tasarlanan bu cihaz [1] kaymalı yatak aşınmasının yanında mil malzemesinin de aşınmasını ölçebilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu deney düzeneğinde, SAE 9 yağı kullanılarak yağlı sistem oluşturulmuştur. Numunelere uygulanan yük N, devir sayısı 15 d/dak, her 3 dakikada bir sistem durdurularak ölçüm yapılmak koşulu ile toplam 15 dak sürede deneyler gerçekleştirilmiştir. 38
Ünlü, B. S., Köksal, N. S. Teknolojik Araştırmalar () 37- Üretilen numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri, mil ile temas edecek yüzeyde yapılan ölçümlerin ortalama değerleri alınıp Tablo de verilmiştir. Tablo. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü değerleri (µm ). Malzeme SAE 15 Yüzey Pürüzlülüğü, Ra (µm ),5 1,35 1,5,5 Numunelere ait sürtünme kuvveti ve sürtünme katsayısı başlangıçta ve her ölçüm sırasında hesaplanmıştır. Mil dönmeye başladığı anda mil-numune arasında oluşan sürtünme kuvveti deney cihazına yerleştirilen komparatörde belirli bir deplasman oluşturur. Ölçülen bu sapma değeri yardımıyla sürtünme kuvveti değerleri elde edilmiş ve numunelerin sürtünme katsayıları hesaplanmıştır. Çalışma ortamında oluşan yatak sıcaklıkları, 3 dak sonunda düzenek durdurulmazdan hemen önceki sıcaklık değerleri olup dijital termometre yardımıyla ölçülmüştür. Aşınma deneyleri sonunda mil ve yatak numunelerindeki ağırlık kayıpları, her defasında numuneler temizlenip, hassas terazide ölçülerek belirlenmiştir. 3. Deney Sonuçları Aşınma deneyleri süresince, sürtünme katsayısının işlem süresine bağlı değişimi Şekil 1 de verilmiştir. Sürtünme katsayısı değerleri incelendiğinde, numunelerin diğerlerine göre başlangıçta ve işlem süresince daha büyük, ve numunelerin ise çok daha küçük değerlere sahip olduğu görülmüştür. Yatak sıcaklığının işlem süresi ile değişimleri incelendiğinde, ilk dak süreden sonra numunelerin sıcaklığında çok fazla değişim olmadığı ve numunesinin diğerlerine göre daha büyük değerlerde olduğu elde edilmiştir (Şekil ). İşlem süresince numunelerde ve mil malzemesinde oluşan ağırlık kayıplarının değişimi, Şekil 3 ve Şekil te verilmiştir. En fazla ağırlık kaybının malzemede oluştuğu görülmüştür. Mil malzemesinde oluşan ağırlık kaybı değerleri incelendiğinde, en fazla bakır yatak malzemesinin bu malzemede ağırlık kaybı oluşturduğu elde edilmiştir.,1 5 Sürtünme Katsayısı (µ),1,8,,, Yatak Sıcaklığı ( C) 35 3 5 3 9 1 15 18 3 9 1 15 18 Şekil 1. Sürtünme katsayısının işlem süresine bağlı değişimi. Şekil. Yatak sıcaklığının işlem süresine bağlı değişimi. 39
Teknolojik Araştırmalar () 37- Saf,, den üretilen yatakların aşınma özelliklerinin incelenmesi 1 5 3 1 8 5 1 15 3 9 1 15 18 Şekil 3. Yatak numunelerinin ağırlık kaybının işlem süresine bağlı değişimi Şekil. Mil malzemede işlem süresine bağlı oluşan ağırlık kaybının değişimi. Sonuçlar Ve Tartışma Uygulamada sınırlı kullanım alanı olan saf alaşım elementlerinin, ve, aşınma direncinin iyi olmasına rağmen, bu malzemelerin mukavemet değerlerinin düşük olması nedeniyle yatak malzemesinde tercih edilmezler. Ancak içerisine belirli oranlarda bu alaşım elementleri katılarak mukavemet değerleri daha yüksek olan bronz ve pirinç yataklar üretilir. Önceki çalışmalarımızda [13] bronz ve pirinç yatakların özellikleri ile saf, ve malzemelerini karşılaştırdığımızda; ağırlık kayıpları saf alaşım elementlerinden üretilen numunelerde daha az oluştuğu görülmektedir (Şekil 5). 1 1 1 8 1 3 3 9 1 15 18 Şekil 5. Yatak malzemelerinde işlem süresine bağlı oluşan ağırlık kaybının değişimi Kullanım koşullarına uygun aşınma özelliklerinin istenildiği durumlarda, alternatif bir yatak malzemesi olarak özelliklerini bildiğimiz saf alaşım elementlerinden üretilen malzemelerin kullanımı önerilebilir.
Ünlü, B. S., Köksal, N. S. Teknolojik Araştırmalar () 37-1 9 8 7 5 3 1 3 9 1 15 18 1 3 Şekil. Mil malzemede işlem süresine bağlı oluşan ağırlık kaybının değişimi.. Kaynaklar 1. Enomoto, Y., Yamamoto, T., 1998, New Materials in Automotive Tribology, Tribology Letters, 5, pp. 13-.. Eyre, T. S., 1991, Friction an Wear Control in Industry, Surface Engineering, Vol. 7, 13-18, 3. Schatt W., Wieters K.P., 1997, Powder Metallurgy, Processing and Materials, EPMA, Shrewsbury, U.K., pp.9.. Schmidt R.F., Schmidt D.G., 1993, Selection and Application of Copper Alloy Castings, ASM Handbook (II), pp. 3-355. 5. Prasad B.K., 1997 Dry Sliding Wear Response of Some Bearing Alloys as Influenced by the Nature of Microconstituents and Sliding Conditions, Metall Trans., pp.89-815.. Backensto A.B. 199, Effects of Lubricants on the Properties of Copper-Tin Powders and Compacts, N. Jersey, Advances in P/M, Proc. of PM Conf., APMI, PP.33-31. 7. Pratt, G.C. 1973, Materials for Plain Bearings, International Metallurgical Reviews, Vol.18, Review 17, pp. 3-5. 8. Niemann G., Makine Elemanları, Cilt-II, 1973, S.3. 9. Meran C., Yüksel M., König R., Pirinç Malzemelerin Kaynak Edilebilirliği ve Uygun Kaynak Parametrelerinin Tesbiti, 1999, MMO Bildiriler Kitabı, S: -1. 1. Coupard D., Castro M.C., Coleto J., Garcia A., Goni J., Palacios J.K., 1997, Wear Behaviour of Copper Matrix Composites, Key Engineering Materials, Vol. 17-131, pp:19-11. 11. Paulo D.J.,, An Experimental Study of the Tribological Behaviour of the Brass/Steel Pair, Materials Processing Technology, pp: 73-77. 1
Teknolojik Araştırmalar () 37- Saf,, den üretilen yatakların aşınma özelliklerinin incelenmesi 1. Atik, E., Ünlü, B., S., Meriç, C., 1, Radyal Kaymalı Yatak Aşınması Deney Cihazı Tasarımı, Makine Malzemeleri ve Teknolojisi Sempozyumu, Manisa, 98-13. 13. Ünlü B.S., Köksal N.S., Atik E., 3, Bakır Esaslı Bronz ve Pirinç Yatakların Tribolojik Özelliklerinin Karşılaştırılması, Dokuz Eylül Ü. Fen ve Mühendislik Dergisi (Basımda).