Zn-60Al-(1-5) Cu Alaşımlarının Kuru Sürtünme Durumundaki Aşınma Özelliklerinin İncelenmesi

makale

Zn-60Al-(1-5) Cu ALAÞIMLARININ KURU SÜRTÜNME

DURUMUNDAKÝ AÞINMA ÖZELLÝKLERÝNÝN

ÝNCELENMESÝ

Ayþegül BEKTAÞOÐLU * Temel SAVAÞKAN **

Bu çalýþmada beþ adet üçlü Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmý kokil döküm yöntemiyle üretildi. Üretilen alaþýmlarýn aþýnma özellikleri çubuk-disk (pin-on-disk) esaslý bir deney düzeneði yardýmý ile incelendi. Söz konusu alaþýmlarýn iç yapýlarýnýn alüminyumca zengin a dendritleri ile bu dendritleri çevreleyen çinkoca zengin h ve bakýrca zengin e ve T' fazlarýndan oluþtuðu gözlendi.

Yapýlan incelemeler sonucunda Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýn sertliðinin artan bakýr oraný ile sürekli artarken, çekme dayanýmýnýn %4 oranýna kadar artan bakýr oranýyla arttýðý ve bu oranýn üzerinde ise bakýr oraný arttýkça azaldýðý belirlendi. Alaþýmlarda aþýnma ile meydana gelen hacim kayýplarýnýn çalýþma süresi ve uygulanan basýnçla hemen hemen doðru orantýlý olarak artýðý gözlendi.

Alaþýmlara ait örneklerin aþýnma yüzeylerinde belirgin çizikler ile sývama tabakalarýna rastlandý. Aþýnma örneklerinin yüzeylerinde bir sývama tabakasý ile bu tabakanýn altýnda yer alan yönlenmiþ bölge þeklinde kendini gösteren bazý yapýsal deðiþimlerin meydana geldiði gözlendi. Bu yapýsal deðiþimler basýnç etkisiyle meydana gelen plastik deformasyon ve sürtünme ýsýsýna dayandýrýlarak açýklandý. Yapýlan deðerlendirmeler sonucunda Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýn kuru sürtünme durumundaki aþýnmasýnda adhezyon ve abrezyon mekanizmalarýnýn etkin olduðu belirlendi.

Anahtar sözcükler : Çinko-alüminyum-bakýr alaþýmlarý, kuru sürtünme aþýnmasý

In this study five ternary Zn-60Al-(1-5)Cu alloys were produced by permanent mould casting. The wear properties of these alloys were investigated using a pin-on-disc machine. The microstructure of these alloys was consisted of aluminium rich a dendrites, zinc-rich h phase and copper rich-e and T' phases.

The hardness of the Zn-60Al-(1-5)Cu alloys increased continuously with increasing copper content. The tensile strength of the alloys also increased with increasing copper content up to 4% Cu, but above this level it decreased as the copper content increased. It was observed that the volume loss due to wear of the alloys showed a linear change with the test duration and the applied pressure.

Distinct scratches and smearing were observed on the wear surface of samples of the alloys tested. Metallographic examinations revealed three different regions in the surface material of the wear samples. These were a smearing layer, a flowed region and the unchanged material with original microstructure. Formation of these different layers was related to the microstructural changes, which occurred due to frictional heat and heavy plastic deformation. As a result of these observations it was concluded that adhesion and abrasion are the main mechanisms for the wear of Zn-60Al-(1-5)Cu alloys under dry sliding condition.

Keywords : Zinc-aluminium-copper alloys, dry sliding wear.

* _{Öðr. Gör., Pamukkale Üniversitesi Denizli Meslek} Yüksekokulu

** Prof. Dr., Karadeniz Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliði Bölümü

Ç

GÝRÝÞ

inko esaslý alaþýmlar günümüzde pek çok alanda geleneksel yatak alaþýmlarýnýn yerini almaktadýr [1-2]. Bu durum söz konusu alaþýmlarýn geleneksel yatak alaþýmlarýna göre daha üstün fiziksel, mekanik ve tribolojik özeliklere sahip olmalarýndan kaynaklanmaktadýr [3-4]. Bu alaþýmlarýn üstün tribolojik özeliklere sahip olmalarý, bunlarýn iç yapýlarý ile yüzeylerinde oluþan çinko ve alüminyum oksit filmlerine dayandýrýlarak açýklanmaktadýr [5]. Söz konusu alaþýmlarýn iç yapýlarý yumuþak bir matris ve sert fazlardan oluþmaktadýr. Bu alaþýmlardaki sert fazlar yük taþýma görevi yaparken, yumuþak fazlar katý yaðlayýcý gibi davranarak kaymayý kolaylaþtýrmaktadýr[6-8].

Bu alaþýmlarýn kullanýmýnda karþýlaþýlan en ciddi problemin ortam sýcaklýðý ve bunun hemen üzerindeki sýcaklýklarda meydana gelen hacimsel büyüme olayý olduðu bilinmektedir [9-10]. Ayrýca, kararlý bir iç yapý elde etmek için uygulanan stabilizasyon iþleminin de bu alaþýmlarýn mekanik özeliklerini olumsuz yönde etkilediði görülmüþtür [11]. Bu sorunlarýn ortadan kaldýrýlmasý ya da en aza indirilmesi için alaþýmlarýn kimyasal bileþimlerinin iyi seçilmesi veya uygun ýsýl iþlemlerin uygulanmasý gerekir.

Çinko esaslý alaþýmlar üzerinde yapýlan çalýþmalar daha çok ötektik (Zn-5Al), ötektoid (Zn-22Al) ve monotektoid (Zn-40Al) bileþimler üzerinde yoðunlaþtýrýlmýþtýr. Yüksek oranlarda alüminyum içeren çinko esaslý alaþýmlarýn sürtünme ve aþýnma davranýþlarý ise yeterince incelenmemiþtir. Söz konusu alaþýmlarýn özellikle kuru sürtünme durumundaki aþýnma davranýþlarý ile ilgili herhangi bir çalýþmaya rastlanmamýþtýr. Bu nedenle, bu çalýþmanýn amacý yüksek oranda (%60) alüminyum içeren üçlü çinko-alüminyum-bakýr alaþýmlarýnýn kuru sürtünme durumunda ve farklý basýnçlar altýndaki aþýnma davranýþlarýný incelemek, bakýr oraný ve basýncýn bu davranýþlara etkisini belirlemek, bu davranýþlarla malzeme özellikleri arasýndaki iliþkileri ortaya koymak ve böylece yatak tasarýmýna yönelik veriler elde etmektir.

makale

resmi Þekil 1'de verilen çubuk-disk (pin-on-disk) esaslý bir deney düzeneði kullanýldý. Bu düzenek rulmanlarla yataklanan bir mil, bir disk, bir örnek tutucusu, yükleme kolu ve hýz kontrol ünitesinden oluþmaktadýr. Deney düzeneðinin diski Fe 70 çeliðinden (Fe-%0,41C-%0,90Cr-%0,14Mo-%0.90Mn-%0,20Si) imal edilerek ýsýl iþlemle 50 RSD-C deðerine kadar sertleþtirildi. Çapý 360 ±0,01 mm olan diskin yüzeyi ise ±3 mm'lik bir hassasiyetle taþlandýktan sonra 0,5mm tane boyutuna sahip alümina ile parlatýldý. Aþýnma örnekleri, boyutlarý 10 x 15 x 30 mm olacak þekilde talaþlý iþlemle hazýrlandý. Deney sýrasýnda aþýnma örneklerinin sýcaklýklarý temas yüzeylerinden 5 mm yukarýya açýlan bir deliðe yerleþtirilen bakýr-nikel termoeleman çifti yardýmýyla ölçüldü.

Her 4,52 km'lik yola karþý gelen bir saatlik süre sonunda ultrasonik yöntemle temizlenen örneklerin kütleleri 0,01 mg'lýk hassasiyete sahip bir terazi ile ölçülerek kütle kayýplarý belirlendi ve her bir alaþým için toplam beþ saat süreli deney yapýldý. Aþýnma deneyleri 0,25, 0,5, 1,0 ve 1,5 MPa'lýk basýnçlar altýnda ve 1,26 m/s'lik sabit kayma hýzýnda gerçekleþtirildi. Aþýnma örneklerinin yüzeyleri ile kayma doðrultusuna dik (enine) DENEYSEL ÇALIÞMA

Alaþýmlarýn Üretimi

Bu çalýþmada beþ adet üçlü Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmý kokil döküm yöntemiyle üretildi. Ergitme iþlemi elektrikli bir pota içerisinde gerçekleþtirildi. Ergitilen alaþýmlar, kimyasal bileþime göre belirlenen ve 550-675°C arasýnda yer alan uygun bir sýcaklýkta 45 x 60 x 190 mm boyutlarýndaki bir kokil kalýba dökülerek katýlaþtýrýldý. Üretilen alaþýmlarýn kimyasal bileþimleri atomik absorpsiyon spektrometresi yardýmýyla belirlendi. Yapýsal incelemeler için alaþýmlardan alýnan örnekler standart metalografi yöntemi ile hazýrlandýktan sonra %5'lik nital içerisinde daðlanarak hem ýþýk mikroskobunda hem de tarayýcý elektron mikroskobunda (SEM) incelendi.

Alaþýmlarýn çekme dayanýmlarý TS138-A standartlarýna uygun olarak hazýrlanan numunelerin 4,5 x 10-_{³ s}-_¹'lik

deformasyon hýzýnda çekme deneyine tabi tutulmalarý sonucunda belirlendi. Brinell sertlik deðerleri 588,4 N'luk yük altýnda 1,6 mm çapýnda batýcý uç kullanýlarak ölçüldü. Vickers mikrosertlik ölçümleri ise 20 g'lýk yük altýnda yapýldý.

Aþýnma Özeliklerinin Ýncelenmesi

Alaþýmlarýn aþýnma özeliklerinin incelenmesinde þematik

1

2

6

3

4

5

Þekil 1. Çubuk-Disk (pin-on-disk) Esaslý Aþýnma Deney Düzeneðinin Þematik Resmi

6 5 2 4 3 1

makale

deðiþimlerin belirlenmesi için bu kesitler üzerinde mikrosertlik ölçümleri yapýldý.

BULGULAR

Kimyasal Bileþim ve Ýç Yapý

Alaþýmlarýn kimyasal bileþimleri Tablo1'de verilmiþtir.

Alaþýmlarýn iç yapýlarýnýn alüminyumca zengin a dendritleri ile bu dendritleri çevreleyen çinkoca zengin h ve bakýrca zengin e ve T' fazlarýndan oluþtuðu görüldü, Þekil 2a ve 2b.

Fiziksel ve Mekanik Deneylerden Elde Edilen Bulgular

Yapýlan fiziksel ve mekanik deneyler sonucunda alaþýmlardan elde edilen yoðunluk, çekme dayanýmý ve sertlik deðerlerinin bakýr oranýna göre deðiþimlerini gösteren eðriler Þekil 3'de verilmiþtir. Bu eðrilerde görüldüðü gibi alaþýmlarýn yoðunluðu ve sertliði artan bakýr oraný ile sürekli artarken, çekme dayanýmý %4 Cu oranýndan sonra azalmaktadýr.

Aþýnma Deneylerinden Elde Edilen Bulgular

Farklý basýnçlar altýnda deneye tabi tutulan aþýnma örneklerinin çalýþma sýcaklýðý ve bu örneklerde aþýnma ile meydana gelen hacim kaybýnýn deney süresine göre deðiþimini gösteren eðriler Þekil 4 ve 5'de verilmiþtir. Bu eðrilere bakýldýðýnda aþýnma örneklerinin çalýþma sýcaklýklarýnýn baþlangýçta hýzlý bir þekilde artarak yaklaþýk bir saatlik süre sonunda sabit deðerlere veya sürekli rejim haline ulaþtýklarý ve bu örneklerde aþýnma ile meydana gelen hacim kaybýnýn deney süresi ile doðru orantýlý olarak deðiþtiði görülmektedir. Söz konusu örneklerin sürekli (b) ç fazý á fazý

10

µ

m

å

T' fazý

10

µ

m

Þekil 2. Zn-60Al-4Cu Alaþýmýnýn Ýç Yapýsýný Gösteren SEM Fotoðraflarý: (a) Ýç Yapý ve (b) T’ Fazýnýn Görünümleri

Kimyasal Bileºim (%) Alaþým Cu Al Zn Zn-60Al-1Cu 0,9 61,9 37,2 Zn-60Al-2Cu 1,8 61,4 36,8 Zn-60Al-3Cu 2,8 62,9 34,3 Zn-60Al-4Cu 4,1 63,6 32,3 Zn-60Al-5Cu 4,9 62,6 32,5 Tablo1. Alaþýmlarýn Kimyasal Bileþimleri

Þekil 3. Zn-60Al-(1–5)Cu Alaþýmlarýnýn Yoðunluk, Sertlik ve Çekme Dayanýmýnýn Bakýr Oranýna Göre Deðiþimlerini Gösteren Eðriler

0 1 2 3 4 5 6 100 110 120 130 140 150 Bakýr oraný (%) Se rtlik (B SD ) 300 350 400 450 500 Çe km e da ya ný m ý ( M Pa ) 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 Yo ðunl uk ( g/ cm 3) Çekme dayanýmý Yoðunluk Sertlik Sertlik Çekme dayanýmý Yoðunluk Yoðunluk (g/cm 3) Bakýr oraný (%)

makale

rejim durumundaki sýcaklýklarý (denge sýcaklýðý) ile 0,5 MPa'lýk basýnç altýnda yapýlan deney sýrasýnda bu örneklerde meydana gelen ortalama hacim kaybýnýn bakýr oranýna göre deðiþimlerini gösteren eðriler ise Þekil 6 ve 7'de verilmiþtir. Bu eðriler denge sýcaklýðýnýn bakýr oraný ile önemli ölçüde deðiþmediðini, ancak ortalama hacim kaybýnýn artan bakýr oraný ile önce azalýp %2 Cu oranýnda bir minimumdan geçtikten sonra %3'ün üzerindeki bakýr oranlarýnda önemli bir deðiþim sergilemediðini göstermektedir. Ayrýca, bu eðriler incelenen alaþýmlar içerisinde en düþük hacim kaybýnýn Zn-60Al-2Cu alaþýmýnda, en yüksek hacim kaybýnýn ise Zn-60Al-4Cu alaþýmýnda meydana geldiðini göstermektedir. Alaþýmlar

içerisinde en düþük hacim kaybýna maruz kalan veya en üstün aþýnma direnci sergileyen Zn-60Al-2Cu alaþýmýna ait aþýnma örneðinin farklý basýnçlar altýndaki çalýþma sýcaklýðý ile bu örnekte aþýnma ile meydana gelen hacim kaybýnýn deney süresine göre deðiþimlerini gösteren eðriler Þekil 8 ve 9'da verilmiþtir. Bu eðrilerde görüldüðü gibi söz konusu alaþýmýn çalýþma sýcaklýðý deneyin baþlangýcýnda aniden yükselerek bir saatlik zaman içerisinde sürekli rejim haline ulaþmakta ve bu alaþýmda aþýnma ile meydana gelen hacim kaybý deney süresi ile doðru orantýlý olarak deðiþmektedir. Bu alaþýma ait örneklerin denge sýcaklýðý ile bu örneklerde aþýnma ile meydana gelen ortalama hacim kaybýnýn basýnca göre

Deney süresi (dakika)

0 10 20 30 40 50 60 70 Ç al ýþm a sý ca kl ýð ý ( 0C) 0 20 40 60 80 100 Zn-60Al-1Cu Zn-60Al-2Cu Zn-60Al-3Cu Zn-60Al-4Cu Zn-60Al-5Cu 0,25 MPa 0,5 MPa

Þekil 4. Zn-60Al-(1–5)Cu Alaþýmlarýnýn Çalýþma Sýcaklýklarýnýn Deney Süresine Göre Deðiþimini Gösteren Eðriler

Deney süresi (saat)

0 1 2 3 4 5 6 Ha cim ka yb ý ( m m 3) 0 50 100 150 200 250 300 Zn-60Al-1Cu Zn-60Al-2Cu Zn-60Al-3Cu Zn-60Al-4Cu Zn-60Al-5Cu 0,5 MPa 0,25 MPa

Þekil 5. Zn-60Al-(1–5)Cu Alaþýmlarýnda Aþýnma ile Meydana Gelen Hacim Kaybýnýn Deney Süresine Göre Deðiþimini Gösteren Eðriler

Bakýr oraný ( % ) 0 1 2 3 4 5 6 D enge sý cakl ýðý ( 0C ) 60 80 100 120 140

Þekil 6. 0,5 MPa’lýk Basýnç Altýnda Aþýnma Deneyine Tabi Tutulan Zn-60Al-(1–5)Cu Alaþýmlarýnýn Denge Sýcaklýðýnýn Bakýr Oranýna Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

0 1 2 3 4 5 6 30 35 40 45 50 55 60 Bakýr oraný (%) Or tala m a h aci m k ay bý (m m 3)

Þekil 7. 0,5 MPa’lýk Basýnç Altýnda Deneye Tabi Tutulan Zn-60Al-(1–5)Cu Alaþýmlarýnda Aþýnma ile Meydana Gelen Ortalama Hacim Kaybýnýn Bakýr Oranýna Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

Çalýþma sýcaklýðý ( °C) Delme sýcaklýðý ( °C) Hacim kaybý (mm 3)

makale

deðiþimini gösteren eðriler ise Þekil 10 ve 11'de verilmiþtir. Bu eðriler de söz konusu alaþýmýn denge sýcaklýðý ile ortalama hacim kaybýnýn basýnç ile doðru orantýlý olarak deðiþtiðini göstermektedir.

Þekil 5 ve 9'da verilen doðru þeklindeki aþýnma grafiklerinin eðimleri lineer regresyon yöntemiyle hesaplanarak alaþýmlarýn aþýnma hýzlarý belirlendi. Alaþýmlarýn aþýnma hýzlarýnýn bakýr oranýna göre deðiþimini gösteren eðri Þekil 12'de verilmiþtir. Bu þekildeki eðriye bakýldýðýnda aþýnma hýzýnýn artan bakýr oraný ile önce azaldýðý, %2 Cu oranýnda bir minimumdan geçtikten sonra tekrar arttýðý ve %3Cu oranýndan sonra da fazla

deðiþmediði görülmektedir. Alaþýmlar içerisinde en üstün aþýnma direnci sergileyen Zn-60Al-2Cu alaþýmýnýn aþýnma hýzýnýn uygulanan basýnca göre deðiþimini gösteren grafik ise Þekil 13'de verilmiþtir. Bu þekil bu alaþýmýn aþýnma Deney süresi (dakika)

0 20 40 60 Ç al ýþm a s ýca klýð ý ( 0C) 0 20 40 60 80 100 120 140 0.25 MPa 0.5 MPa 1,0 MPa 1.5 MPa

Þekil 8. Farklý Basýnçlar Altýnda Aþýnma Deneyine Tabi Tutulan Zn-60Al-2Cu Alaþýmýnýn Çalýþma Sýcaklýðýnýn Deney Süresine Göre Deðiþimini Gösteren Eðriler

Deney süresi (saat)

0 1 2 3 4 5 6 Haci m ka yb ý ( m m 3) 0 100 200 300 400 500 600 0,25 MPa 0,5 MPa 1,0 MPa 1,5 MPa

Þekil 9. Zn-60Al-2Cu Alaþýmýnda Farklý Basýnçlar Altýnda Aþýnma ile Meydana Gelen Hacim Kaybýnýn Deney Süresine Göre Deðiþimini Gösteren Eðriler Basýnç (MPa) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Denge s ýcakl ýðý ( °C ) 40 60 80 100 120

Þekil 10. Zn-60Al-2Cu Alaþýmýnýn Denge Sýcaklýðýnýn Basýnca Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

Basýnç (MPa) 0 1 2 O rta la m a h ac im k ay bý (m m 3) 0 20 40 60 80 100 120

Þekil 11. Zn-60Al-2Cu Alaþýmýnda Aþýnma ile Meydana Gelen Ortalama Hacim Kaybýnýn Basýnca Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

Bakýr oraný (%) 0 1 2 3 4 5 6 Aþ ýn m a hýzý (m 3/sa at) x 10 -1 2 6 8 10 12 14

Þekil 12. 0,5 MPa’lýk Basýnçta Zn-60Al-(1–5)Cu Alaþýmlarýnýn Aþýnma Hýzýnýn Bakýr Oranýna Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

Hacim kaybý (mm

3)

Aþýnma hýzý (m

3/saat) x 10

makale

hýzýnýn basýnçla hemen hemen doðru orantýlý olarak deðiþtiðini göstermektedir.

SEM ile yapýlan incelemeler sýrasýnda örneklerin aþýnma yüzeylerinde genelde sývama tabakalarý ve çiziklerin yer aldýðý gözlendi. Zn-60Al-2Cu alaþýmýnýn 1,0 MPa'lýk basýnç altýnda deneye tabi

tutulan bir örneðinin aþýnma yüzeyinin Þekil 14'de verilen SEM fotoðrafý bu durumu sergilemektedir. Bu alaþýma ait bir aþýnma örneðinin kayma doðrultusuna paralel (boyuna) kesitinin SEM görüntüsü ve bu kesit üzerindeki mikrosertlik deðerinin yüzeyden itibaren deðiþimini gösteren eðri Þekil 15'de verilmiþtir. Bu kesit üzerinde genelde üç farklý yapýsal bölge yer almaktadýr. Bunlardan yüzeyi kaplayan koyu renkli bölge A, yönlenme belirtileri gösteren bölge B ve en iç kýsýmda yer alan yapýsal deðiþime uðramamýþ bölge de C olarak adlandýrýlmýþtýr. Bu eðri aþýnma deneyine tabi tutulan örneklerin sertliðinin yüzeyden itibaren artan derinlikle azaldýðýný, C bölgesi içerisinde yer alan belirli bir derinlikte

en düþük deðerine düþtükten sonra tekrar artarak alaþýmýn ilk sertliðine ulaþtýðýný göstermektedir. Aþýnma örneklerinin enine kesitleri üzerinde de benzer bulgulara rastlanmýþtýr. Basýnç (MPa) 0 1 2 Aþ ýn m a h ýz ý ( m 3/saa t) x 1 0 -1 2 0 5 10 15 20 25

Þekil 13. Zn-60Al-2Cu Alaþýmýnýn Aþýnma Hýzýnýn Basýnca Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

Þekil 14. 1,0 MPa’lýk Basýnç Altýnda Deneye Tabi Tutulan Zn-60Al-2Cu Alaþýmýnýn Aþýnma Yüzeyinin SEM Fotoðrafý

Þekil 15. Zn-60Al-2Cu Alaþýmýna Ait Aþýnma Örneðinin Kayma Doðrultusuna Paralel Kesitinin Görünümü ve Bu Kesit Üzerindeki Mikrosertlik Deðerinin Aþýnma Yüzeyinden Ýtibaren Alýnan Derinliðe Göre Deðiþimini Gösteren Eðri

makale

Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýn dökülmüþ durumdaki iç yapýlarýnýn alüminyumca zengin a dendritleri ile bu dendritleri çevreleyen çinkoca zengin h ve bakýrca zengin e ve T' fazlarýndan oluþtuðu görüldü. Alaþýmlarýn bakýr oraný arttýkça e ve T' fazlarýnýn oranlarýnýn da arttýðý gözlendi, (Þekil 2). Bu durum söz konusu fazlarýn bu elementi içermesinden kaynaklanmaktadýr [12-13].

Ýncelenen alaþýmlarýn sertlik ve çekme dayanýmlarýnýn artan bakýr oraný ile arttýðý, %4 bakýr oranýndan sonra ise bakýr oraný arttýkça azaldýðý görüldü. Bu durum katý çözelti sertleþmesi ve bakýrca zengin fazlarýn mekanik davranýþlarýna dayandýrýlarak açýklanabilir. Þöyle ki, çinko-alüminyum-bakýr alaþýmlarýndaki alüminyumca zengin a

fazý içerisinde bakýrýn en fazla %1 oranýnda çözündüðü ve bu bakýr oranýnýn üzerine çýkýlmasý durumunda ise tane sýnýrlarýnda e ve T' gibi bakýrca zengin metallerarasý bileþiklerin oluþtuðu bilinmektedir [12-14]. Alaþýmlara katýlan bakýrýn bir kýsmýnýn bileþik oluþumu için harcanmasý nedeniyle bakýr oraný arttýkça matrisi oluþturan alüminyumca zengin a fazý içerisindeki bakýr oraný azalmaktadýr. Bu durum da alaþýmlardaki katý çözelti sertleþmesi etkisinin azalmasýna yol açmaktadýr [14-15]. Diðer taraftan bakýrca zengin fazlarýn boyut ve oranlarýnýn artmasý alaþýmlarýn gevrek kýrýlma olasýlýðýný artýrmaktadýr [15]. Bu nedenlerden dolayý bakýr oranýnýn %4 deðerinin üzerine çýkarýlmasý durumunda alaþýmlarýn çekme dayanýmýnda azalma meydana gelmektedir.

Aþýnma deneylerinin baþlangýç aþamasýnda örneklerin sýcaklýðýnýn ani bir yükselme gösterdikten sonra genliði gittikçe azalan dalgalanma þeklinde deðiþtiði gözlendi, Þekil 4-8. Aþýnma örneklerinin çalýþma sýcaklýðýnda gözlenen bu deðiþimler yüzeyler arasýnda meydana gelen sürtünme kuvveti veya sürtünme katsayýsýna dayandýrýlarak

açýklanabilir. Þöyle ki, kuru çalýþma þartlarýnda yapýlan deneylerin baþlangýç aþamasýnda yüzeyler arasýnda oldukça yüksek bir sürtünme kuvveti oluþur ve bu kuvvet ilerleyen zaman içerisinde yüzeylerin birbirine alýþmasý nedeniyle azalma gösterir [15-16]. Sýcaklýk artýþý sürtünmeden kaynaklandýðýndan ölçülen çalýþma sýcaklýðý sürtünme kuvvetinde meydana gelen deðiþime baðlý olarak deðiþmektedir.

Alaþýmlarda aþýnma ile meydana gelen hacim kayýplarýnýn deney süresi ve uygulanan basýnç ile doðru orantýlý olarak arttýðý, ancak elde edilen doðrularýn eðimlerinin alaþýmdan alaþýma deðiþiklik gösterdiði görüldü, (Þekil 5, 9 ve 11). Bu durum aþýnma hýzýnýn alaþýmlarýn kimyasal bileþimi ile uygulanan basýnca baðlý olduðunu göstermektedir. Nitekim sertlik ve mukavemet deðerlerinin artýþ gösterdiði bakýr oranlarýnda hacim kaybý ve aþýnma hýzýnýn azaldýðý görülmüþtür. Bu gözlem malzemelerin aþýnma davranýþýnýn sertlik ve özellikle çekme dayanýmýna baðlý olduðunu göstermektedir [16-19]. Alaþýmlarda aþýnma ile meydana gelen hacim kaybý, ölçülen çalýþma sýcaklýðý ve aþýnma hýzýnýn artan basýnç ile hemen hemen doðru orantýlý olarak arttýðý gözlendi (Þekil 10, 11 ve 13). Bu durum yüzeyler arasýndaki sürtünme kuvveti ve sürtünme katsayýsýnýn artan basýnçla artmasýndan kaynaklanmaktadýr [16].

Alaþýmlarýn aþýnma yüzeylerinde belirgin çiziklerle sývama tabakalarýna rastlandý, (Þekil 14). Bu bulgu kuru çalýþma koþullarýnda bu alaþýmlardaki etkin aþýnma mekanizmasýnýn adhezyon olduðunu, ancak abrezyonun da bu aþýnma davranýþýnda önemli rol oynadýðýný göstermektedir [20-23]. Ayrýca bakýr oraný arttýkça bu alaþýmlarýn aþýnma yüzeylerinde oluþan çiziklerin hem sayýsýnýn hem de geniþliðinin arttýðý gözlendi. Bu durum

makale

da bu alaþýmlarda oluþan bakýrca zengin sert parçacýklarýn sayý ve boyutunun artan bakýr oraný ile artmasýndan kaynaklanmaktadýr. Çünkü bu parçacýklar çalýþma sýrasýnda örnek yüzeyinden koparak disk yüzeyine yapýþmakta ve çalýþma sýrasýnda örnek yüzeyi ile temas ederek aþýnma yüzeyinin çizilmesine yol açmaktadýr.

Yapýlan metalografik incelemeler sýrasýnda aþýnma örneklerinin yüzeylerinde bazý yapýsal deðiþimlerin meydana geldiði gözlendi, (Þekil 15). Bu deðiþimler sývama tabakasý, kayma doðrultusunda yönlenme belirtileri gösteren bölge ve bunun altýnda yer alan deðiþime uðramamýþ orijinal bölge þeklinde kendilerini gösterdi. Mikrosertlik ölçümleri sonucunda bu bölgelerin farklý sertlik deðerlerine sahip olduklarý görüldü. Sözü edilen yapýsal deðiþimlerin oluþumu basýnç etkisiyle meydana gelen plastik deformasyon ve sürtünme ýsýsýna dayandýrýlarak açýklanabilir [23]. Þöyle ki, kuru sürtünme durumunda yüzeyler arasýnda meydana gelen aþýrý sürtünme nedeniyle örnek yüzeyi ýsýnýr ve uygulanan basýncýn etkisiyle de yüzey malzemesi aþýrý deformasyona maruz kalýr. Aþýnma nedeniyle örnek yüzeyinden ayrýlan parçalar önce disk yüzeyine yapýþýrlar, daha sonra örnek yüzeyine transfer olarak basýnç ve sürtünmenin etkisi ile yüzeye gömülür veya sývanýrlar. Hem aþýrý ýsýnan hem de aþýrý plastik deformasyona maruz kalan bu sývama tabakasýnýn (A bölgesi) sertliði deformasyon sertleþmesi ve oksitlenme nedeniyle büyük ölçüde artar. Sürtünme tabakasýnýn altýnda yer alan B tabakasý ise sürtünme ýsýsýnýn etkisiyle yumuþayan ve plastik deformasyon sonucunda kayma doðrultusunda akma belirtileri gösteren bölgeyi temsil etmektedir. Nitekim mikrosertlik ölçümleri bu bölgenin en düþük sertliðe sahip olduðunu göstermiþtir, (Þekil 15). Bu tabakalarýn en altýnda yer alan C bölgesi ise yapýsal deðiþime uðramamýþ bölge olup, orijinal alaþýmla ayný sertliðe sahiptir.

SONUÇLAR

1. Dökülmüþ durumdaki Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýn iç yapýlarý alüminyumca zengin a, çinkoca zengin h ve bakýrca zengin e ve T' fazlarýndan oluþmaktadýr. Alüminyum oraný arttýkça a fazýnýn, bakýr oranýnýn artmasý durumunda da e ve T' fazlarýnýn büyüklük ve oranlarý artmaktadýr.

2. Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýn sertlik ve çekme dayanýmý artan bakýr oranýyla artmakta, ancak %4 Cu oranýndan sonra çekme dayanýmýnda azalma meydana gelmektedir.

3. Sabit basýnç altýnda yapýlan aþýnma deneylerinde söz konusu alaþýmlarda meydana gelen hacim kaybý deney süresi ile hemen hemen doðru orantýlý olarak artmakta ve dolayýsýyla aþýnma hýzý sabit kalmaktadýr.

4. Kuru çalýþma koþullarýnda Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýnýn çalýþma sýcaklýðý ile bu alaþýmlarda meydana gelen hacim kaybý ve aþýnma hýzý uygulanan basýnç ile hemen hemen doðru orantýlý olarak deðiþmektedir.

5. Kuru çalýþma þartlarýnda söz konusu alaþýmlarda aþýnma ile meydana gelen hacim kaybý ve aþýnma hýzý artan bakýr oraný ile azalmakta, %2 Cu oranýnda minimum deðerlerden geçtikten sonra yeniden yükselmekte ve %3 Cu oranýndan sonra önemli bir deðiþim sergilememektedir.

6. Aþýnma örneklerinin yüzeylerinde oluþan sývanma tabakasý ve deðiþik kalýnlýklardaki çizikler Zn-60Al-(1-5)Cu alaþýmlarýnýn aþýnma davranýþýnda adhezyon ve abrazyonun etkin rol oynadýklarýný göstermektedir. 7. Kuru sürtünme þartlarýnda bu alaþýmlara ait aþýnma örneklerinin yüzeyinde sývama tabakasý, kayma doðrultusunda yönlenmiþ tabaka ve deðiþime uðramamýþ alan olmak üzere üç farklý bölge oluþmaktadýr. Sözü edilen yüzey tabakasýnýn oluþumu

makale

ve gömülmelerinden, ara tabakanýn oluþumu ise çalýþma sýrasýnda ortaya çýkan sürtünme ýsýsý ve aþýrý plastik deformasyondan kaynaklanmaktadýr.

KAYNAKÇA

1. Gervais, E. ve Loong, C.A., New ZA Alloys in Die Casting, 11th International Pressure Die Casting Conference, 19-22 June (1984) Lyon-France, 1-25.

2. Appelian, D., Palliwal, M. ve Herrschaft, D.C., Casting With Zinc Alloys, Journal of Metal, November (1981) 12-19. 3. Edward, J. ve Kubel, J., Metal Progress, Advanced Materials

& Processes Inc., 7 (1987) 51-56.

4. Gervais, E., ZA Alloys a Challenge to the Metals Industry, CIM Bulletin, April (1987) 67-72.

5. Marczak, R.J. ve Cioch, R., Tribological Properties of the Concentrated Al-Zn alloys, Proc. 1st Europe Tribology Congress 1(973) London, 223-227.

6. Geng, H. ve Ma, J., Friction and Wear of Al-Zn-Pb Bearings Alloy, Wear, 169 (1993) 201-207.

7. Pürçek, G., Çinko Alüminyum Esaslý Aaþýmlarýndan Üretilen Kaymalý Yataklarýn Tribolojik Özelliklerin Ýncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, KTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon (1994). 8. Prasad, B.K., Effects of Silicon Addition and Test

Parameters on Sliding Wear Characteristics of Zinc-Based Alloys Containing 37.5% Aluminium, Materials Transoctions, JIM, 38, 8 (1997) 701-706.

9. Zhu, Y.H., Yan, B. ve Huang, W., Bearing Wear Resistance of Monotectoid Zn Al Based Alloy (ZA-35), Materials Science and Tecnology, 11 (1985) 109-103.

10. Loong, C.A. , Effects of Temperature, Aging and Thickness on Die Cast Zinc Alloys, SDCE 14th International Die Casting Congress and Exposition, Toronto, Ontario, Canada, Paper No G-T87-027, May 11-14 (1987).

11. Lee, P.P., Savaþkan, T. ve Laufer, E., Wear Resistance and Microstructure of Zn-Al-Si and Zn-Al-Cu Alloys, Wear, 117 (1987) 79-89.

12. Savaþkan, T. ve Murphy, S., Mechanical Properties and Lubricated Wear of Zn25Al-Based Alloys, Wear 116 (1987) 211-224

13. Barnhurst, R.J. ve Farge, J.C., A Study of The Bearing

Characteristics of Zinc-Aluminium (ZA) Alloys, Canadian Metallurgical Quarterly, 3 (1988) 225-233.

14. Savaþkan, T., Aydýn, M. ve Odabaþýoðlu, H.A., Fatigue behaviour of zinc-alimüinyum (ZA) alloys, Materials Science and Technology, 17 (2000) 681-685.

15. Pürçek, G., Çinko-Alüminyum Esaslý Alaþýmlardan Üretilen Kaymalý Yataklarýn Statik ve Dinamik Yük Altýndaki Tribolojik Özelliklerinin Ýncelenmesi, Doktora Tezi, KTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Mayýs (2000) Trabzon.

16. Halling, J., Principles of Tribology, Macmillan Education Ltd., London, (1989).

17. Savaþkan,T. ve Pürçek, G., Çinko-Alimüinyum Esaslý Alaþýmlarýn ve Bu Alaþýmlardan Üretilen Kaymalý Yataklarýn Aþýnma Özelikleri, Türk Mühendis ve Çevre Bilimleri Dergisi (Tr. J. Env. Sci.) 24 (2000) 25-34.

18. Prasad, B.K. ve Patwardhan, A.K., Dry Sliding Wear Response of a Modified Zinc-Based Alloy, Materials Transcations, JIM, 38, 3 (1997) 197-204.

19. Bowden, F.P. ve Tabor, D., Friction and Lubrication, Second Edition, Methuen & Co. Ltd. USA, 1967.

20. Murphy, S. ve Savaþkan, T., Comparative Wear Behaviour of Zn-Al Based Alloys in an Automotive Engine Application, Wear, 98 (1984) 151-161.

21. Toabian, H., Pathak, J.P. ve Tiwari, S.N., Wear Characteristics of Al-Si alloys, Wear, 172, (1994) 49-58. 22. Calayag, T. ve Ferres, D., High Performance High Aluminium

Zinc Alloys for Low speed, Bearings and Bushings SAE Annual Conference, Paper No 820643 (1983) 2241-2251.

23. Pürçek, G., Savaþkan,T., Küçükömeroðlu, T. ve Murphy, S., Dry sliding Friction and Wear properties of zinc-based alloys, Wear 252 (2002) 894-901.

TEÞEKKÜR

Bu çalýþmanýn yapýlmasýnda yardýmlarýný esirgemeyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliði Bölümü Malzeme ve Takým Tezgâhlarý Laboratuarlarýnda görevli tüm teknik personele teþekkür ederiz.