6 th International-Advenced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 211, Elazığ, Turkey Plazma Püskürtme Yöntemiyle Bir Krank Mili Kol Yatak Yüzeyine Uygulanan ve Zn-3Cu-1C Kompozit Kaplamaların Aşınma ve Mikro Yapı İncelenmesi H. Hazar 1 and Ö. Cihan 2 1 University of Firat, hanbeyhazar@hotmail.com 2 University of Hakkari, omercihan@hakkari.edu.tr The Investigation of the Wear and Microstructure Compozite of the Coatings Zn- 1u- and Zn-3Cu-1C Obtained by Plasma Spraying Method on the Surface a Crankshaft Bearing Abstract In this study, 6LD4 Lombardini crankshaft bearing aluminum based surface have been coated zinc based two different alloy by atmospheric plasma spray method. Coatings and matrix microstructure was analyised with the Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). In the coatings was seen pore and wear tracks a structure. In testing wear, in the loads applied, occurs at least mass loss consist of alloy and maximum Micro hardness value is 87 HV which is seen specimen Zn-3Cu-1C Keywords Crankshaft bearing, plasma spray I. GİRİŞ Plazma, eşit sayıda serbest elektron ve pozitif iyon bulunduran yoğunlaştırılmış bir gaz olarak tanımlanmıştır [1]. Plazma kaplama yöntemi bir tabakanın kuvvetlendirilmiş yüzey özellikleri ile bir ana metalin farklı nitelikli bir tabaka ile birleşmesini sağlar[2]. Plazmanın iki önemli avantaja sahiptir. Birincisi oldukça yüksek sıcaklık, ikincisi maddelere daha iyi ısı transferi oluşturabilmesidir. Isıtılan ortam ile ısıtılan malzeme arasındaki sıcaklık ne kadar yüksek olursa ısıtma hızı da o kadar yüksek olur [3]. Biyel kolunun küçük bölümü, silindir dikey ekseni üzerinde eksenel veya doğrusal yönde hareket gösterir. Bu sırada büyük bölümü (Alt ucu) ise yatak ile bağlı olduğu krank mili kol muylusuna bağlıdır ve bu şekilde mekanizma krank milini döndürür. Biyel kolunu krank miline bağlayan bu yatağa krank mili kol muylu yatağı denir [4]. Makine parçaları olarak yataklar, birbirine temas eden metal parçalardan en önemli numuneleri oluştururlar. Yağlı yataklarda, devinen parçalar arasındaki yağ filmi yeterli durumdaysa yatak malzemesinin ne olduğu, fazla önem arz etmemektedir. Yüzeye sıkıca yapışan filmleri oluşturan kimyasal reaksiyonlar yüzey aşınmasını engeller. Fakat film kırılgan yapıda ve yüzeye sıkıca bağlı değilse, aşınma büyük miktarda hız kazanır. Çünkü sürtünme hareketi sırasında filmlerde çatlama olur ve malzemeye bağlı oldukları noktalarda kopma yaşanır [5,6]. Yatakların temas eden yüzeyinde eksenel şekilde oyukların oluşması, temel aşınma mekanizmalarından kaynaklanmaktadır [7]. Adhesiv aşınma makine parçalarında geniş çapta görülen aşınma tipidir. Bu aşınmanın temeli kaynak bağı teorisi ile açıklanabilir. Bilhassa kayma sürtünmesi yapan ve metalografik yapıları andıran metallerin kaynaklaşmasıdır. İyi bir şekilde parlatılmış yüzeylerin dahi az da olsa bazı bölümleri temas eder. Yüzeyde mevcut oksit tabakasının parçalanarak aşınma çiftinde soğuk kaynaşma oluşur. Kayma hareketi sırasında bu noktalar kesilerek kopma başlar. Kopan parçacıklar yüzeyde çizilmelere yani aşınmaya sebebiyet verir [8]. Yatak yüzeyinde aşınma oranının azaltmak için malzeme yapısının ve oranının iyi seçilmesi gerekir. Yatak malzemelerinden istenilen özellikler şunlardır: İyi bir basma ve yorulma mukavemeti, aşınmaya ve korozyona dayanıklı, gömme kabiliyeti, yani yağda bulunan veya dışarıdan gelen sert parçacıkları abrozyon aşınmasını önlemek için bünyesinde gömebilmeli, sürtünme katsayısı düşük, iyi bir yapışma kabiliyetine sahip olmalı ayrıca kolaylıkla işlenebilmeli, mümkün olduğu kadar ucuz olmalıdır. Teknikte kullanılan yatak malzemelerinin hiç biri tüm bu istenenleri karşılayamaz, her yatak malzemesinin belirli avantaj ve dezavantajları vardır [9]. Bu yüzden yatak malzemesinin alaşımdan meydana gelmesi gerekir. Alüminyum malzemesi bileşenlerde yüksek aşınma direnci gösterir [1]. Alüminyum, hafiflik, iyi ısı ve elektrik iletkenliği, yüksek korozyon direnci ve kolay şekillendirilebilirlik gibi özelliklerinden dolayı birçok mühendislik uygulamalarında kullanılmakta ve bilhassa metal matriksli kompozit üretiminde matriks malzemesi 89
H. Hazar, Ö. Cihan olarak çok yaygın kullanılan bir malzeme haline gelmiştir [11]. Çinko esaslı alaşımlar geleneksel yatak malzemelerine göre birçok avantaja sahiptir [12]. Bu avantajlar yüksek aşınma direnci, iyi dökülebilirlik ve düşük maliyet olarak özetlenebilir [13, 14]. Çinko esaslı alaşımlardan üretilmiş yataklar statik yük altında iyi tribolojik özellik gösterirler [13]. Çinko elementinin kullanılmasının en büyük avantajı yüksek korozyon direncine sahip olmasıdır [15]. Alüminyum ve çinko alaşımına bakırın eklenmesiyle birlikte malzemenin mekanik ve tribolojik özellikleri geliştirilir [16]. Bakır, ince tel ve levha haline dönüştürülebilen, ısı ve elektrik iletkenliği oldukça yüksek, kullanım alanı geniş çapta olan bir metaldir [17]. Ayrıca bakır iyi bir işlenebilirlik ve biçimlendirilebilirlik özelliğine sahiptir [18]. Bu çalışmada 6LD 4 Lombardini krank kol yatağının iç yüzeyi plazma püskürtme yöntemi kullanılarak Zn-2u- ve Zn-3Cu-1C kaplanmış ve kaplanmamış yatak malzemesine göre mikro yapısındaki değişimler incelenmiştir. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Yapılan deneysel çalışmada 6LD 4 Lombardini krank kol yatağının iç yüzeyi plazma püskürtme yöntemi kullanılarak Zn-2u- ve Zn-3Cu- 1C kaplanmıştır. Burada, kaplama yapılan yatakların yüzey yapısına bakıldığında kimyasal bileşiminde oksijen ve karbon elementlerine rastlanılmıştır. Bu elementlerden oksijenin yapıda bulunması, yatağın ısıl işlem sonrasında oksitlenmenin olduğu ve alüminyumun yapısında oksitlenmenin meydana geldiği düşünülmektedir. Diğer element karbonun ise orijinal yatağın yapısında karbonun var olması ve ısıl işlem sırasında karbon tanelerinin yatak yüzeyine çıktığı ve diğer yandan aynı şekilde oksijen elementinin de kaplama yüzeyine çıktığı söylenebilir. Krank kol yatağının ana malzemesi 1.45 C, 4.8 O,.99 Cu, 7.66 Sn ve 76.82 Al kimyasal bileşiminden oluşmuştur. %99. safiyette ve 2 ila -45 µm partikül boyutuna sahip alüminyum, %99. safiyette ve 45 ila -9 µm partikül boyutunda bakır ve %99. safiyette ve 45 ila -9 µm partikül boyutunda olan çinko tozları atmosferik plazma püskürtme yöntemiyle yüzeye kaplanmıştır. Astar tozu olarak 2 µm ila -53 µm partikül boyutunda Ni2Cr kullanılmıştır. Ana malzeme üzerine kaplanacak tozların SEM görüntüleri Şekil 1 de kaplama tozlarının karışım oranı ise Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: Kaplama tozlarının karışım oranları Karışım oranları Numune Zn Al Cu O C 1 55 2 15 5 5 2 35 2 3 5 1 9 Şekil 1: Kaplamada kullanılan tozların SEM görüntüleri (a) Al tozu (b) Cu tozu (c) Zn tozu. Deney ring on ring aşınma test cihazında, statik yük altında ve yağlı ortamda gerçekleştirilmiştir. Deney başlangıcında sartorius marka hassas dijital terazide 1/1 g hassasiyetle tartılan numunelere belirlenen 42N, 67N ve 92N yükte ve çevresel hızda aşınma deneyleri yapılmıştır. Her 169 m yol alındıktan sonra 3 dakikada bir tezgah durdurulmuş, numuneler çıkartılarak üzerinde kalan kopmuş metal artık ve yağlar alkolle temizlendikten sonra tartılmış ve kütle kayıpları kaydedilmiştir. Mikro yapı çalışmalarını incelemek için, yataktan alınan numuneler dik bir şekilde yerleştirilerek numunenin yan yüzeyinde işlem yapılmıştır. Mikro yapı çalışmalar için numune yüzeyleri 8-12 mesh lik zımpara kâğıdına tutularak yüzeyleri temizlenmiştir. Ardından 6/4 mikronluk elmas pasta ile parlatılmıştır. Daha sonrasında numune yüzeyleri HNO3 ve alkol karışımlı çözeltide
Plazma Püskürtme Yöntemiyle Bir Krank Mili Kol Yatak Yüzeyine dağlanması yapılarak hazır hale getirilmiştir. Her bir numunenin mikro yapısı için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılım spektrometresi (EDS) analizi yapılmıştır. Numunenin, üst yan yüzeyden alt yan yüzeye doğru 1 sn yük süresince 1 gf yük tatbik edilerek mikro sertliğine bakılmıştır. Kaplama işlemi yapan atmosferik plazma özellikleri; modeli Sulzer Metco 8 KW 9MB Plazma tabanca cihazıdır. Bu tabancanın besleme hızı birim saatte 3 libredir, kaplama kalınlığı 28 ila 33 mikron olup tabanca ile iş parçası arasındaki mesafe 85 mm dir. 92N'da Ağırlık kaybı (gr) III. SONUÇLAR VE TARTIŞMA, Zn-3Cu-1C ve orijinal yatağın ağırlık kayıpları Şekil 2 de verilmiştir. 42N'da Ağırlık kaybı (gr) 67N'da Ağırlık kaybı (gr),35,3,25,2,15,1,5,5,4,3,2,1,6,5,4,3,2,1 1 2 Aşınma mesafesi (m) 1 2 Aşınma mesafesi (m) Zn-3Cu- 1 2 Aşınma mesafesi (m) 1C Zn-3Cu- 1C Elde edilen sonuçlardan oluşturulan grafiklerde 169 m aşınma mesafesi boyunca 3 dk süreyle numunelerde oluşan kütle kayıplarına bakılmıştır. in 42-67-92N da ağırlık kayıpları sırasıyla,3-,42-,51 dir. Zn- 1u- nin 42-67-92N da ağırlık kayıpları sırasıyla,6-,11-,19 dur. Zn-3Cu- 1C nin 42-67-92N da ağırlık kayıpları sırasıyla,18-,29-,42 dir. Sonuçlar incelendiğinde, artan yükle beraber hem kaplamalı hem de kaplamasız numunelerdeki ağırlık kaybı sonuçları, diğer uygulanan yüklere göre daha fazla aşınma miktarı oluşmuştur. Dolayısıyla uygulanan yükün artması ile birlikte tüm malzemelerinde kütle kayıplarında artış gözlenmiştir. Yapılan literatür taramaları da bu görüşü desteklemektedir [19,2]. Aşınma sonrası matrikste oluşan ağırlık kaybı, diğer numunelere göre kendini belirgin şekilde göstermektedir. teki aşınma oranının yüksek olması, yatağa uygulanan yükün artması ile sistem yüksek sıcaklıklara çıkmakta ve bunun sonucu olarak da ısı beraberinde aşınmayı meydana getirmektedir şeklinde izah edilebilir. e kaplanan nin bağ yapısı Zn- 3Cu-1C nin yüzey bağına göre daha güçlüdür. Bu yüzden nin aşınma direncinin daha iyi olduğu düşünülmektedir. Aşınma sonrası numunelerdeki yatak yüzeylerinin SEM mikrografları Şekil 3 te görülmektedir. Aşınma testi yapılan numunelerin X2 büyütmeli olarak aşınma izleri incelenmiştir. Resimler incelendiğinde gözeneklerin genelde küçük boyutlu olduğu ve homojen dağıldığı gözlenmiştir. Bu durum yağ emmede ve çalışma esnasında yağ filminin çalışmasına önemli katkıda bulunur [8]. Kaplamalarda tribolojik özellikler partiküllerin hızına ve sıcaklığına bağlıdır [2]. Kaplamadaki partikülün hızı ve sıcaklığın daha iyi olması, kaplamanın substrate daha iyi yapışması, yüzeye yayılması ve hızlı bir şekilde katılaşması matrikse oranla daha iyi sonuç alındığı Şekil 3 de görülmektedir. Güçlendirilmiş alüminyum kompozitli yatakların yüzeyi alüminyum alaşımlı yataklara göre daha az adhesiv aşınma izleri meydana gelir [21]. Bu çalışma da gösteriyor ki kaplanmış yatakların matrikse oranla daha az aşındığı, aşınma izlerinin de daha az oluştuğu yapılan çalışmada da görülmektedir. Şekil 2. Numunelerin 42N, 67N ve 92N da ağırlık kayıpları. 91
H. Hazar, Ö. Cihan (c) Şekil 4. EDS analizi (a) (b) Zn-3Cu-2Al- 5O-1C (c) Şekil 3. Numunelerdeki kaplama tabakası SEM görüntüleri (a) Zn- 1u- (b) Zn-3Cu-1C (c) Çinko esaslı kaplamalar ve orijinal yatağın EDS analiz görüntüleri Şekil 4 de verilmiştir. kaplamasının yüzeyinden alınan spektrumda %52.48 Zn, %15.18 Cu, %21.63 Al, %3.96 O, %6.9 sonucu alınmıştır. Zn-3Cu-1C kaplamasının EDS analizi %35.79 Zn, %28.48Cu, %17.72 Al, %5.24 O, %12.77 C bulunmuştur. Esas yataktan EDS için alınan spektrumda ise %75.34 Al, %9.95 Sn, %.72 Cu, %4.6 O, %9.93 C şeklindedir. Numuneler 1 gf yük altında 1 sn de Şekil 5 deki mikrosertlik grafiği elde edilmiştir. Maksimum sertlik değerleri matrikste 43, 55, Zn-3Cu- 1C ise 87 HV dir. Bakır yüzeye homojen olarak dağılır. Ayrıca bakır diğer elementlere göre sert olmasıyla birlikte kompozit malzeme içerisinde oranının da artması sertliği artıracaktır. Bu bağlamda düşünüldüğünde Zn-3Cu- 1C numunesinde sertlik, diğer numunelere göre daha fazladır. Sertlik değeri (HV) 1 8 6 4 2 1 2 Yükleme süresi (sn) Matris Şekil 5. Numunelerde mikrosertlik IV. GENEL SONUÇLAR (a) Çinko esaslı alaşımlar yatak üzerine atmosferik plazma püskürtme yöntemi ile kaplanmıştır. Kaplama sonrası yatakta oksijen ve karbona rastlanılmıştır. Oksijenin yüzey yapısının oksitlenmesinden ileri geldiği karbonun ise matriksteki karbon tanelerinin kaplama sonrası yüzeye çıktığı düşünülmektedir. Aşınma testinde kütle kaybının en az numunesinde görülmüştür. Numunelerin mikro yapısında gözenekli yapıya ve yüzeyde aşınma izleri gözlenmiştir, bu gözenekli yapıların kaplamalı yataklarda daha net göründüğü, gözeneklerin Zn-Al-Cu alaşımından oluştuğu ve böylece yağlayıcılık iyileşmiştir. Maksimum mikro sertlik değeri yapısındaki yüksek bakır nedeniyle Zn-3Cu-1C de görülmüştür. (b) 92
Plazma Püskürtme Yöntemiyle Bir Krank Mili Kol Yatak Yüzeyine TEŞEKKÜR Yazarlar 23 No lu projeye desteklerinden dolayı Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (FÜBAP) Koordinasyon Birimine teşekkür etmektedir. KAYNAKLAR [1] S. Özel, Alüminyum alaşımı ve bronzu yüzeyine oksit ve karbür bileşiklerinin plazma sprey yöntemiyle kaplanmasının araştırılması, Yüksek Öğretim Tez Arşivi, Elazığ, 29. [2] E. Lugscheıder, and P. Jokıel, " Plasmaspritzen- Verfahren, Anwendungen, Entwicklungen," Metall, Heft 3, pp. 23-235, 1993. [3] S. Janes, " Flame and plasma sraying," Handbook of Ceramics, Schmid Verlag, 1987. [4] İ. Can, Kurşun esaslı krank mili kaymalı yatak malzemesinin aşınma davranışı, Yüksek Öğretim Tez Arşivi, Elazığ, 25. [5] W. Domke, Werkstoffkunde and Werkstoffprüfung, Germany, pp. 224-228, 1987. [6] W. Verlak Girardet. Essen, Germany, pp. 332-341, 1987. [7] K. Zhang, N.Y. Tang, and A.B. Filc, A practical approach to enhance wear resistance of bearings in molten zinc, Sheridan Science and Technology Park 238 Speakman Drive Mississauga, Ontario, Canada L5K 1B4, Ontario, Canada L5K 1B4. [8] S. Özçelik, Cu ve Fe esaslı T/M yatak malzemelerinin aşınma özelliklerinin deneysel incelenmesi, Yüksek Öğretim Kurumu Tez Arşivi, Konya, 27. [9] M. Akkurt, Makine Elemanları, Cilt I, İstanbul, 199. [1] A.M. Hassan, A. Alrashdan, M.T. Hayajneh, and A.T. Mayyas, Wear behavior of Al-Mg-Cu-based composites containing SİC particles, Tribology International, vol. 42, pp. 123 1238, 29. [11] M. Erdoğan, Çelik takviyeli alüminyum kompozit üretimi ve mekanik özelliklerinin deneysel incelenmesi, Yüksek Öğretim Kurumu Tez Arşivi, Kütahya, 25. [12] T. Savaşkan, and O. Bican, Effects of silicon content on the microstructural features and mechanical and sliding wear properties of Zn 4Al 2Cu ( 5) Si alloys, Materials Science and Engineering: A, vol. 44, pp. 259 269, 25. [13] S. Murphy, G. pürçek, and T. Savaşkan, Sliding wear of cast zincbased alloy bearings under static and dynamic loading conditions, Wear, vol. 252, pp. 693-73, 22. [14] G. Pürçek, T. Savaşkan, T. Küçükömeroğlu, and S. Murphy, Dry sliding friction and wear properties of zinc-based alloys, Wear, vol. 252, pp. 894-91, 22. [15] H. Czıchos, The mechanism of the metallic adhesion bond, Iopscience, vol. 1, pp. 189-1897, 1972. [16] T. savaşkan, A.P. Hekimoğlu, and G. Pürçek, Effect of copper content on the mechanical and sliding wear properties of monotectoid-based zinc-aluminium-copper alloys, Tribology International, vol. 37, pp. 45 5, 24. [17] O. Arslan, Bakır sektör profili, İstanbul Ticaret Odası, pp. 1, 26. [18] C. R. Popescu, Processing and characterisation of sic-fibre reinforced cu-matrix composites, Max Planck Ensitute, pp. 35-36, 23. [19] S.F. Moustafa, S.A. El-Badry, A.M. Sanad, and B. Kieback, Friction and wear of copper-graphite composites made with cu-coated and uncoated graphite powders, Wear, vol. 253, pp. 699-71, 22. [2] S. Alam, S. Sasaki, and H. Shımura, Friction and wear characteristics of aluminum bronze coatings on steel substrates sprayed by a low pressure plasma technique, Wear, vol. 248, pp. 75-81, 21. [21] B.S. Ünlü, and E. Atik, Tribological properties of journal bearings manufactured from particle reinforced Al composites, Materials and Design, vol. 3, pp. 1381-1385, 29. 93