Aşınma Deney Sonuçlarının İrdelenmes

Deneylerin birinci kısmında döküm haldeki ve farklı sıçaklıklarda östemperlenen numunelerin 40 N yük altında ve 1,54 m/s sabit kayma hızında 0-200, 0-400, 0-600, 0-800, 0-1200, 0-1600, 0-2000 m ‘lik kayma mesafeslerinde numunelerin ağırlık kaybının kayma mesafesi ile değişimi inçelenmiştir. Bulunan sonuçlar Şekil 7.7’de grafik halinde verilmiştir.

Şekil 7.7. Döküm haldeki ve östemperlenmiş numunelerin 40 N sabit yük altında ağırlık kaybının kayma mesafesi ile değişimi

Şekil 7.7.’da deney sonuçları incelendiğinde sabit kayma hızında, ağırlık kaybının kayma mesafesinin bir fonksiyonu olduğu görülmektedir. Kayma mesafesinin artması ile aşınma miktarının arttığı tespit edilmiştir. Şekil 7.7’da gösterildiği gibi en düşük ağırlık kaybı 315-120 dk östemperleme yapılan numune gösterirken en yüksek ağırlık kaybını döküm haldeki numune göstermektedir. Bu sonuçlardan dolayı östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin aşınma direnci döküm haldeki küresel grafitli dökme demirden daha iyi olduğu anlaşılmaktadır. Östemperleme ısıl işlemi ile ferrit mikro yapının ösferrite dönüşerek daha kararlı ve daha yüksek dayanım sergilediği söylenebilir. Mikro yapının bu etkisi östemperlenmiş numunelerde aşınma direncinin daha iyi olmasının en önemli nedenidir.

Ayrıca numunelerin östemperleme sıcaklığının 315 ºC’den 375 ºC’ye yükselmesi ile aşınma miktarının da arttığı görülmüştür. Östemperleme sıcaklığının artması ile kalıntı östenit miktarı azalmakta ve buda matris yapının sertliğini düşürmektedir. Kalıntı östenit aşınma esnasında sıcaklığın ve yüzey gerilmelerinin yükselmesinden dolayı martenzite dönüşmektedir. Azalan sertlik değeri aşınma üzerine olumsuz bir etki göstermektedir.

Nili Ahmadabadi ve ark. (1999) yaptıkları çalışmada perlitik küresel grafitli dökme demiri numunelerini 315, 375 °C‘ler de östemperleme işlemi yapmışlar. Elde edilen farklı numuneleri 300 N sabit yük ve 0,6 m\s sabit kayma hızında değişen

kayma mesafesine bağlı olarak, numunelerin ağırlık kaybını ölçmüşlerdir. Kayma mesafesinin artması ile ağırlık kaybının arttığını 1000 m kayma mesafesi sonunda en yüksek ağırlık kaybını 315 ºC östemperlenen numunede 250 mg, en az ağırlık kaybını 315 ºC östemperlenen numunede 200 mg olarak bulmuşlar. Bizim yaptığımız çalışmada 40 N yük 1.54 m/s sabit kayma hızı ve 2000 m kayma mesafesi sonunda 315 ºC östemperlenen numunede 8,5 mg ağırlık kaybı, 375 ºC östemperlenen numunede 11.1 mg ağırlık kaybı bulunmuştur. Bizim bulduğumuz değerlerin Nili Ahmaedabi ve arkadaşlarının buldukları sonuçlardan düşük çıkmasının nedeni uyguladığımız yükün onların uyguladığı yükten daha düşük, dolayısıyla numune yüzeyinde oluşan sıcaklık ve plastik deformasyonun az olmasından kaynaklanmaktadır.

Viafara ve ark. ( 2005 ) yaptıkları çalışmada AISI 1070 perlitik çeliği 850 ºC bir saat östenitledikten sonra 310 °C 30 dk östemperlemiştir. 1 m/s kayma hızı ve 10, 30, 50 N normal yük ve değişik kayma mesafesinde AISI 1070 östemperlenmiş perlitik çeliğin aşınma davranışını incelemiştir. Yaptığı çalışma sonuçunda sabit yük ve kayma hızında ağırlık kaybının kayma mesafesi ile artığını tespit etmiştir.

Ghaderi ve ark. (2003) yaptıkları çalışmada ferritik küresel grafitli dökme demire 900 ºC 60 dk östenitledikleri numuneleri 375 ºC 120 dk östemperlemiştir. Östemperleme ısıl işlemi yaptıkları bu numuneleri 90 N sabit yük ve 250 dev/ dk’da blok-disk deney cihazında değişen kayma mesafesine bağlı olarak numunelerin ağırlık kaybını ölçmüştür. 1000 m kayma mesafesi sonunda 16 mg ağırlık kaybı ölçmüştür. Biz yaptığımız çalışmada 1200 m kayma mesafesinde 375 ºC östemperlenen numunede 8,7 mg ağırlık kaybı ölçtük. Bulduğumuz ağırlık kaybının düşük çıkmasının nedeni uygulanan yükünün bizim uyguladığımız yükten 50 N daha fazla olması olarak açıklanabilir.

Haseeb ve ark. (2000) yaptığı çalışmada ferritik küresel grafitli dökme demire 350 °C’de 120 dk östemperleme ısıl işlemi uygulamışlardır. Sabit yük ve kayma hızında, değişen kayma mesafesine bağlı olarak aşınma miktarını, ağırlık kaybı olarak ölçmüşlerdir. Yaptıkları deney sonuçunda kayma mesafesinin artması ile başlangıçta ağırlık kaybının hızla arttığı ilerleyen kayma mesafelerinde bu artışın azalma eğilimi gösterdiğini belirlemişlerdir.

A şı n m a H ız ı m g\ m .N .10 -3

Şekil 7.8’de döküm halde ve farklı sıcaklıklarda östemperlenmiş numunelerin kuru kayma koşullarında aşınma hızının kayma mesafesine bağlı değişimi gösterilmektedir.

Şekil 7.8. Döküm halde ve farklı sıçaklıklarda östemperlenmiş numunelerin aşınma hızının kayma mesafesine bağlı olarak değişimi

Şekilde görüldüğü gibi kayma mesafesi artıkça aşınma hızı azalmaktadır. En yüksek aşınma hızı döküm haldeki ferritik küresel grafitli dökme demirde olurken en düşük aşınma hızı A 315 ºC östemperlenen numunede olmaktadır. Kayma mesafesi artıkça küresel grafitler yükselen sıçaklık ve plastik deformasyonla aşınma yüzeyine doğru hareketlenerek aşınan metalik yüzeyler arasında yağlama etkisi oluşturarak aşınma hızını azaltırlar. Östemperlenmiş numunelerin aşınma hızı yaklaşık olarak 600 m’den sonra çok yavaşlamıştır. Bunun nedeni sıçaklık artışının mikro yapıda değişikliğe neden olmasıdır. Sıçaklığın etkisiyle sürtünme temas noktalarında kalıntı östenitin martenzite dönüşüme uğraması ile temas noktalarının sertliğinin artmasına neden olur. Mikro yapıdaki bu değişim aşınma hızının kayma mesafesi artıkça azalmasına neden olur. Zimba ve ark.(2002) yaptıkları çalışmada östemperlenmiş küresel grafitli dökme demire aşınma testinde uygulanan yükün artması ile aşınma hızının azaldığını bulmuşlardır. Zimba ve arkadaşlarına göre bunun nedenini çalışma sertleşmesi olarak açıklamışlardır. Yani aşınma deneyinde uygulama yükünün artmasıyla temas noktasına uygulan yüzey basıncı artacağından ayrıça yük artışına

parelel olarak sıcaklıkta yükseleçeğinden bu noktalardaki kalıntı östenit martezite dönüşerek yüzey sertleşmesi meydana getirir. Aşınma esnasındaki bu yüzey sertleşmesi de aşınma hızının azalmasına neden olur.

Şekil 7.9’deki grafikte döküm halde ve farklı sıcaklıklarda östemperleme ısıl işlemi yapılmış numunelerin ağırlık kayıpları sabit kayma hızında, toplam 2000 m kayma mesafesinde kuru kayma koşullarında uygulanan yükün bir fonksiyonu olarak görülmektedir.

Şekil 7.9. Döküm haldeki ve östemperlenmiş numunelerin uygulanan yük bağlı olarak ağırlık kaybının değişimi

Şekil 7.9’de görüldüğü gibi uygulama yükünün artması ile döküm haldeki numuneden östemperlenmiş numunelere göre daha fazla ağırlık kaybı meydana gelmiştir. Söz konusu deney koşullarında döküm haldeki numuneler, düşük sertlikleri sebebiyle kötü bir aşınma performansı sergilemiştir. En iyi aşınma direncini 315 °C de 120 dk östemperlenen numune göstermektedir. Östemperleme sıcaklığı artıkça kalıntı östenit miktarı azaldığından aşınma direnci de kötüleşmektedir. Aşınma esnasında aşınan numunenin yüzeyindeki mikroyapı, yük ve sıçaklığın etkisi ile değişime uğramaktadır. Mikroyapıda bulunan kalıntı östenit martenzite dönüşmektedir. Mikroyapıdaki bu değişim aşınma yüzeyindeki sertliği

artırmaktadır. Bundan dolayı daha fazla kalıntı östenit bulunan A 315 numunesi A 375 numunesinden daha iyi aşınma direnci gösterir. Nili Ahmadabadi ve ark. (1999) yaptıkları çalışmada uygulanan yükün 100 N’dan 200 N’a yükselmesi ile deforme olan bölgelerde martenzit oluştuğunu belirlemişlerdir.

Uygulanan yükün artışı sonuçu aşınan numune yüzeyinde plastik deformasyon meydana gelmektedir. Bunundan dolayı aşınan numunedeki ağırlık kaybı yük artışına parelel olarak artmaktadır. Nili Ahmadabadi ve ark. (1999) yaptıkları çalışmada ferritik küresel grafitli dökme demire 315 ºC, 375 ºC gibi iki farklı sıçaklıkta östemperleme ısıl işlemi yapmışlar, östemperlenen bu küresel grafitli dökme demir numunelerini 0,6 m/s sabit kayma hızında 1000 m kayma mesafesinde aşınma deneyine tutmuşlar uygulama yükünün 200 N’dan 300 N çıkması ile ağırlık kaybının 315 ºC östemperlenen numune için 150 mg dan 250 mg 375 ºC östemperlenen numune için de 80 mg dan 190 mg yükseldiğini bulmuşlar. Bizim çalışmamızda uygulama yükünün 40 N’dan 60 N yükselmesi ile 315 ºC östemperlenen numunede ağırlık kaybı 8,5 mg dan 12,6 mg’a 375 ºC östemperlenen numunede ise 11,1 mg 17,1 mg yükselmiştir. Nili Ahmadabi ve ark. göre yükün artmasına bağlı olarak ağırlık kaybının artmasının nedeni numune yüzeyinde kayma yönüne parelel bölgelerde ağır plastik deformasyonun meydana gelmesi olarak açıklamışlardır.

Ayrıça eş çalışan numune yüzeyinde sıçaklık artışı meydana gelmektedir. Sıçaklık artışından dolayı aşınan pim yüzeyinde demir parçacıkları oksijenle reaksiyona girerek FeO oksitlerini oluşturur, oluşan bu parçacıklar abrasiv aşındırıçılar biçiminde davranarak ağırlık kaybını artırır. Haseeb ve ark. (1999) yaptıkları çalışmada 1,18 m/s sabit kayma hızı ve 6x104 metre sabit kayma mesafesinde uygulanan yükün 7,5-30 N artması ile ağırlık kaybının artığını belirlemiştir. Bunun nedeninin uzun kayma mesafesi sonuçu oluşan ısı yükselmesinden dolayı oluşan demir oksit (FeO) parçacıkların aşınan numune yüzezinde abrasiv aşınma davranışı sergilemesinden kaynakladığını belirtmişlerdir. Şekil 7.10.’da döküm halde ve farklı sıçaklıklarda östemperlenmiş numunelerin kuru kayma koşullarında 40 N sabit yük altında kayma mesafesinin fonksiyonu olarak sürtünme katsayısınınn değişimi görülmektedir.

Şekil 7.10. Döküm halde ve östemperlenmiş numunelerin sürtünme katsayısının kayma mesafesine bağlı olarak değişimi

Şekil 7.10’da görüldüğü gibi deneyin başlangıçında statik sürtünme katsayısı nedeni ile başlangıçta hem östemperlenmiş malzeme hem de döküm haldeki malzemede sürtünme katsayısı belli bir yüksekliğe sahip olmaktadır. Sürünme katsayısının 600 m kayma mesafesine kadar hızlı bir şekilde yükseldiği bilinmekle birlikte bu periyotta kısa ve şiddetli bir aşınma meydana gelmektedir. Yaklaşık 600 m kayma mesafesinden sonra doğru tüm sürtünme katsayısı değerlerinin düştüğü tespit edilmiştir. En yüksek sürtünme katsayısının 315-120 dk östemperlenmiş numunesinde olduğu en az sürtünme katsayısının döküm haldeki numunede olduğu görülmektedir. Sonuçlar incelendiğinde sürtünme katsayısının sertlikle doğru orantılı olduğu görülmektedir. Numunenin sertlik değeri arttıkça sürtünme katsayısı da artmıştır.

Adhesif aşınmanın temel karektesistik özelliği sürtünme ve temas ile çalışan iki malzemenin arasında bir bağ oluşturmasıdır. Deney esnasında bu iki malzeme yapışır ve yumuşak malzemeden kopma meydana gelir. İşte bu bağın oluşması için gecen sürede, sürtünme kuvvetinde artış olduğu görülmektedir. Bu durum tüm numunelerde böyledir. Malzemeden kopmanın meydana geldiği zamanlarda ise sürtünme katsayısı eğrilerinde bir duraklamanın olduğu ve deney sonuna doğru düşüş olduğu görülmektedir.

Sürtünme katsayısı eğrilerinin hepsinde artış olduktan sonra bir durağanlaşmanın ve deney sonuna doğru bir düşüşün olduğu görülmüştür. Bu durumun temel nedeni grafit kürelerinin yağlayıcı özelliğinden kaynaklanmaktadır. Sürtünme katsayısındaki artışın temel nedeni, önce malzeme ile disk yüzeyi arasında kolay temasın olması ve zamanla aşınma artması daha sonra disk yüzeyi aşınan grafitin etkisiyle yağlanarak önce aşınmayı durdurarak daha sonra ısınmanın etkisiyle azalmasıdır.

Zimba ve ark. (2002) yaptıkları çalışmada ÖKGDD bünyesinde bulunan küresel grafitlerin deney sırasında oluşan deformasyonla numune yüzeyine doğru hareketlendiğini ve bu hareketlenme ile oluşan yollardan grafitin numune ile disk yüzeyi arasında kirliliğe neden olduğunu ifade etmiştir. Bu durum numune ile disk arasında bir kirlilik oluşturmakta, iki metalin temasını engellemekte ve yağlayıcı bir özellik göstererek sürtünme katsayısının azalmasına neden olmaktadır.

Şekil 7.11’da döküm halde ve östemperlenmiş numunelerin kuru kayma koşulları altında toplam 2000 m kayma mesafesinde sürtünme katsayısının uygulanan normal yükün fonksiyonu olarak değişimi görülmektedir.

Şekil 7.11. 2000 m kayma mesafesinde döküm halde ve östemperlenmiş numunelerin sürtünme katsayılarının uygulama yükü ile değişimi

Şekil 7.11’de görüldüğü gibi toplam 2000 m kayma mesafesi sonunda her üç numunede yük artıkça sürtünme katsayısının azaldığı görülmektedir. En yüksek sürtünme katsayısı A 315 numunesinde görülürken en düşük sürtünme katsayısıda döküm haldeki numunede görülmektedir. Şekil 7.11’de görüldüğü gibi sertlik artıkça sürtünme katsayısı azalmaktadır. Uygulanan normal yükün artması sonucu yüzeyde oluşan ısı artışıyla birlikte temas noktalarındaki mikroyapı değişikliğe uğramaktadır. Zimba ve ark. (2002) yaptıkları çalışmada uygulama yükünün artmasıyla sürtünme esnasında oluşan ısının artışından dolayı kalıntı östenitin martenzite dönüştügünü belirlemişlerdir. Dolayısıyla yük artıkça sıçaklıkta yükseleçeğinden dolayı bu dönüşüm daha fazla meydana gelmektedir. Mikroyapıdaki bu değişim, sürtünmenin meydana geldiği temas noktalarındaki sertliklerde artış meydana getirerek sürtünme katsayısının, yük artışına bağlı olarak düşmesine neden olaçaktır. Diğer yandan ÖKGDD bünyesinde bulunan grafit, aşınma sırasında oluşan plastik deformasyonla numune yüzeyine doğru hareketlenmekte ve aşındırıcı disk ile numune arasında yağlayıcı bir etki yapmaktadır. Ahmadabadi ve ark. (1999) yaptıkları çalışmada aşınma testi esnasında uygulama yükünün artmasıyla küresel grafitlerin şekillerini kaybederek deformasyona uğradığını ve deformasyona uğranayan grafitlerin yüzeye doğru hareket ederek metalik yüzler arasında yağlama etkisi oluşturarak yüzeyler arasındaki teması engellediğini bulmuşlardır. Bundan dolayı aşınma esnasında uyguladığımız yükün 40 N’dan 60 N yükselmesi ile deformasyona uğrayan bu küresel grafitler yağlama etkisi oluşturarak sürtünme katsayısını azaltmaktadır.

Şekil 7.12’de yüzey pürüzlülüğünün kayma mesafesi ile değişimi görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi östemperlenmiş numunenin pürüzlülük değerinde kayma mesafesi artıkça çok fazla bir değişiklik olmamaktadır. Östemperlenmiş numunenin aşınma direnci yüksek olmasından dolayı yüzey yorulması aşırı derece oluşmadığından dolayı yüzeyden parçacıklar fazla kopmamaktadır. Östemperlenmiş malzeme deney süresince hemen hemen sabit yüzey pürüzlülük değerini korumuştur.

Şekil 7.12. Döküm halde ve östemperlenmiş numunelerin 1,54 m/s sabit kayma hızında 40 N sabit yükte, yüzey pürüzlülüğünün kayma mesafesi ile değişimi

Aksine ısıl işlem yapılmamış numunelerin sertlik değeri düşük olmasından dolayı kayma mesafesi artıkça yüzeyde oluşan sıcaklığın etkisi ile yüzeyden parçacıklar kopmakta yani yüzey yorulmaya başlamaktadır. Yüzey pürüzlülük değeri Ra değeri yükseldikçe yüzey kötüleşmekte ve yüzeyden daha fazla parçacıklar kopmakta, yüzeyde çukurcuklar oluşmakta, östemperlenmiş malzemeye göre daha fazla malzeme kaybı olmakta ve yüzey kaba bir görünüme sahip olmaktadır.

Şekil 7.12’de östemperlenmiş malzemelerin yüzey pürüzlülüğü Ra sürekli değişmektedir. 200 m sonunda A 375 numunesinin Ra 0,758 µm iken A 315 numunesinin Ra 0,655 µm olmuştur. A 315 numunesinin yüzey pürüzlülük değerinin A 375 numunesinden düşük olmasının nedeni A 315 numunesinin daha sert olmasından kaynaklanmaktadır. Yumuşak olan malzeme yüzeninde daha fazla bir yüzey yorulması oluşacağından bu yüzeyden daha fazla miktarda malzeme kopmasına yol açacaktır. Sonuç olarak da yüzey pürüzlülük değerinin daha yüksek olmasına neden olacaktır. Östemperlenmiş numunelerin yüzey pürüzlük değerleri Ra 400 m sonunda, 200 m’deki Ra değerlerine göre azalmıştır. Bunun nedeni ilk 200 metrede adhesiv bir aşınma meydana gelmiş ve derin kanallar oluştuğu için yüzey pürüzlülüğü artmıştır. 400 metre sonunda ise kanalların dışında kalan tümsek

kısımlar karşı yüzey olan sert karşı yüzey olan sert malzemenin yüzeyi plastik deformasyona uğratılmasıyla pürüzlülük azalmış ve 200 metre sonundaki yüzeye göre daha düzgün bir yüzey elde edilmiştir (Şekil 7.13).

Yüzey pürüzlülüğündeki değişimi daha iyi kavrayabilmek için işlem görmemiş numunenin 200 metreden 2000 metreye kadar kayma mesafeleri sonunda oluşan aşınma yüzeyleri 50 kat büyütülerek Şekil 7.13’de verilmiştir. Şekillere dikkat edilecek olursa 200 metrede hızla arttığı sonra yüzey pürüzlülüğünün azaldığı açıkça görülmektedir. Kayma mesafesi arttıkça plastik deformasyon nedeniyle daha pürüzsüz bir yüzey elde edilmektedir.

200 m, Ra=0,324 µm, µ=0,492 400 m, Ra=2,817 µm, µ= 0,505

600 m, Ra 2,623 µm, µ=0,525 1200 m, 2,615 µm, µ=0,547

1600 m, Ra=2,635 µm, µ= 0,542 2000 m, Ra= 2,640 µm, µ=0,544

a) 200 m, Ra=0,3,214 µm, µ=0,492

c) 200 m, Ra= 1,123 µm, µ= 0,525

Şekil 7.14. 40 N yük ve 200 metrelik kayma mesafesinde aşınma izlerinin optik mikroskop görüntüsü a) Döküm halde b) 315 °C 120 dk östemperlenmiş c ) 375 °C 120 dk östemperlenmiş

Söz konusu deney şartlarında ısıl işlem görmemiş numuneler, düşük sertlikleri sebebiyle kötü bir aşınma performansı sergilemiştir. Bu numunelerin aşınma yüzeyleri incelendiğinde şiddetli bir başlangıç aşınması, bunun sonuçu olarak da metalik aşınma artıkları ve malzeme kaybı görülmüştür. Aşınma izleri ısıl işlem yapılmamış numunede derin kanallar şeklinde şeklindedir. Temas yüzeyleri arasına giren aşıntı partikülleri, kazıma yapmakta ve derin kanallara neden olmaktadır. İşlem görmemiş numunede bölgesel kaynakların oluştuğu adhezyon aşınması, siddetli bir başlangıç aşınması olduğunu göstermektedir (Şekil 7.14.a). Aşınan yüzeyler incelendiğinde östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler numunelerinde kayma yönü çiziklerin daha az olduğu dolayısıyla da deformasyon miktarının daha az olacağı tespit edilmiştir. Malzemenin sertliğine bağlı olarak yüksek karbonlu östenit oranın artması sertliği arttırdığı için malzemenin daha az aşındığı söylenebilir ( Şekil 7.14. b).

. a ) 800 m, Ra= 2,512 µm, µ=0,550

c) 800 m, Ra= 0,867 µm, µ=0,615

Şekil 7.15. 40 N yük ve 800 metrelik kayma mesafesinde aşınma izlerinin optik mikroskop görüntüsü a) Döküm halde b) 315 °C 120 dk östemperlenmiş c) 375 °C 120 dk östemperlenmiş

Şekil 7.15. de döküm halde ve östemperlenmiş numunelerin 40 N yük ve 800 m kayma mesafesi sonunda numunelerin aşınma yüzeyleri gösterilmektedir. Şekilde görülen kaba ve derin aşınma çizgileri, şiddetli aşınma karekterislerine sahip olan ısıl işlem yapılmamış numunede önemli miktarda plastik deformasyon olmuştur. Isıl işlem uygulanmamış numunelerde şiddetli çizikler ve derin kanallar görülmektedir ( Şekil 7.15.a ).

315 °C östemperlenmiş numunede ise çok daha düşük dereceli bir hasar ve plastik deformasyon göze çarpmaktadır. Daha düzgün, oksitlenmiş görünüşüyle bu numunelerde şiddetli olmayan, düşük hızlı bir aşınma davranışı mevcuttur (7.15.b). Aşınma yüzeyinin oksitlenmiş görüntüsü ile toz halindeki oksit atıklar östemperlenmiş numunelerde şiddetli olmayan oksitleyici bir aşınmanın etkin olduğunu göstermektedir (7.15.c).