Anabilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Programı: Malzeme Mühendisliği
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
BUZDOLABI KOMPRESÖR YATAKLARI ĠÇĠN AġINMAYA DAYANIKLI MALZEMELERĠN SEÇĠMĠ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Met. Müh. Ġrem Nur Duru
Tez DanıĢmanı: Prof. Dr. Mustafa Ürgen OCAK 2005
ÖNSÖZ
Bu çalışmanın hazırlanmasında, değerli fikirleriyle yardımcı olan ve desteğini esirgemeyen çok sevgili hocam sayın Prof. Dr. Mustafa Ürgen‟e teşekkürü bir borç bilirim.
Çalışmamın her aşamasında yanımda olan, değerli tecrübe ve bilgilerini benimle paylaşan, bana yol gösterip daima motive eden Sn. Dr. Feriha Sertçelik Birol ve Sn. Murat Ergüler‟e çok teşekkür ederim.
İçten yardımları için başta Sn. Fatih Özkadı, Sn. Dr. Hüsnü Kerpiçci, Sn. Turgay Gönül olmak üzere, çalışmalarımı yürüttüğüm Arçelik A.Ş. Araştırma ve Geliştirme Bölümü çalışanlarının tümüne teşekkür ederim.
Her türlü bilgi ve numune ihtiyacımızı zamanında ve eksiksiz şekilde sağlayan, başta Sn. Tekin Tekkalmaz, Sn. Ersin Öztaş, Sn. Yusuf Şahin, Sn. Bora Abdik olmak üzere tüm Arçelik A.Ş. Eskişehir Kompresör İşletmesi Ürün Geliştirme Bölümü çalışanlarına teşekkür ederim.
Tüm yaşamım boyunca her adımımda yanımda olan, benden gerek manevi, gerek maddi olarak yardımlarını ve desteklerini esirgemeyen çok sevgili aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
ĠÇĠNDEKĠLER
ÖNSÖZ II
ĠÇĠNDEKĠLER VII
TABLO LISTESI X
ġEKIL LISTESI VIII
ÖZET XI
SUMMARY XIII
1. GĠRĠġ 1
2. HERMETĠK KOMPRESÖRLERĠNĠN TANITILMASI 2
2.1. Kompresör Çalışma Prensibi 2
2.2. Yatak Tanımı ve Kompresörlerdeki Yatak Grupları 5
2.3. Yataklarda Karşılaşılan Problemler 7
2.3.1. Aşınma 7 2.3.1.1. Adhesif Aşınma 8 2.3.1.2. Abrasif Aşınma 9 2.3.1.3. Yorulma Aşınması 10 2.3.1.4. Kazımalı Aşınma 10 2.3.2. Sürtünme 10 2.3.3. Yağlama 11 2.3.3.1. Hidrodinamik Yağlama 13 2.3.3.2. Elastohidrodinamik Yağlama 13 2.3.3.3. Sınır Yağlama 13 3. YATAK MALZEMELERĠ 14
3.1. Yatak Malzemelerinden Beklenen Özellikler 14
3.1.1. Karşı Malzeme ile Uyumluluk (Compatibility) 14
3.1.2. Uygunluğu (Conformability) 14
3.1.4. Yüksek Sıcaklığa Dayanımı 15
3.1.5. Yorulma Dayanımı 15
3.1.6. Yüzey Kalitesi 15
3.1.7. Isı İletkenlik Katsayısı 16
3.1.8. Korozyon Dayanımı 16
3.1.9. Yağın Tutunabilme Özelliği 16
3.2. Yatak Malzeme Sistemleri 16
3.2.1. Tekli Metal Sistemleri 16
3.2.2. İkili Metal Sistemleri 20
3.2.3. Üçlü Metal Sistemleri 21
4. KOMPRESÖR BĠYEL PERNO DELĠĞĠ- PERNO YATAĞINDA
KULLANILMASI ÖNERĠLEN MALZEMELER VE YÜZEY ĠġLEMLERĠ 22
4.1. Biyel Malzemesi ve Biyel Yüzeyine Uygulanan İşlemleri 22
4.1.1. Buhar İşlemi 22
4.1.1.1. Malzemenin kimyasal bileşiminin etkisi 25
4.1.1.2. Malzeme Yoğunluğunun Etkisi 26
4.1.1.3. Sertliğin Etkisi 27
4.1.1.4. Isıl İşlemin Etkisi 27
4.1.2. Mangan Fosfat Kaplama 28
4.1.2.1. Üretim Parametrelerinin Kaplama Özelliklerine Etkileri 29
4.1.2.2. Mangan Fosfat Kaplamaların Aşınma Özellikleri 32
5. DENEYSEL ÇALIġMALAR 35
5.1. Numune Hazırlama 35
5.2. Ön Karakterizasyon Çalışmaları 36
5.2.1. Malzeme Bileşimlerinin Tespiti 36
5.2.2. Yüzey Pürüzlülüğü Ölçümleri 36
5.2.3. Sertlik Ölçümleri 37
5.2.4. Aşınma Deneyleri 38
6. DENEY SONUÇLARI VE ĠRDELEMELER 42
6.1. Pim ve Plakalara Uygulanan Ön Karakterizasyon Sonuçları 42
6.1.3. Yüzey Pürüzlülüğü Ölçümleri 44
6.1.4. Sertlik Ölçümleri 44
6.1.5. Yağlı Ortamda Yapılan Kazımalı Aşınma Deneyi Sonuçları 45 6.1.5.1. Sürtünme Katsayılarının Mesafeye Bağlı Olarak Değişimi 45 6.1.5.2. Farklı Plaka Malzemelerine Karşı Kullanılan Pimlerin Aşınma
Hacim ve Oranları 48
6.1.5.3. Plaka Aşınma Yüzeylerinin Profilometrik İncelemesi 53
SONUÇLAR 56
KAYNAKLAR 58
TABLO LĠSTESĠ
Tablo 4.1 Deneylerde kullanılan çelik malzemelerin bileşimi 34
Tablo 5.1 Kazımalı aşınma deney parametreleri 39
Tablo 5.2 Hertz hesaplarında kullanılan bilgiler 40
Tablo 6.1 Plaka ve pim malzemelerinin kimyasal analiz sonuçları 42
Tablo 6.2 Yüzey pürüzlülüğü sonuçları 43
Tablo 6.3 Plaka numuneleri sertlik değerleri 44
Tablo 6.4 Pim numuneleri sertlik değerleri 44
Tablo 6.5 Ortalama sürtünme katsayıları 47
Tablo 6.6 Pimlerdeki aşınma hacmi ve aşınma oranı değerleri 51 Tablo 6.7 Plakalardaki ortalama aşınma derinlikleri 55
ġEKIL LISTESI
Şekil 2.1. Hermetik kompresör parçaları ... 4
Şekil 2.2 Hermetik kompresörde bulunan yatak grupları ... 6
Şekil 2.3 Biyel perno deliği- perno yatağına ait I-Deas çizimi ... 7
Şekil 2.4 Farklı Aşınma Mekanizmaları. ... 8
Şekil 2.5 Stribeck diyagramı ... 12
Şekil 3.1 ASTM A 247‟ye göre dökme demirlerde tipik grafit şekilleri ... 18
Şekil 4.1 Fe/O2 ikili faz diyagramı. ... 23
Şekil 4.2 Aşınmaya uğramamış fosfat kaplamaların taramalı elektron mikroskobu görüntüleri. (a) Açısal kristalleri gösteren kalın kaplama, (b) Küçük boyutlu tanelere sahip ince kaplama . ... 32
Şekil 5.1 Aşınma deney numuneleri (a) plaka numunesi (b) pim numunesi ... 36
Şekil 5.2 Yüzey profilinde Rp, Rt, Rv değerlerinin gösterimi ... 37
Şekil 5.3 Yüzey profilinde Ra değerinin gösterimi ... 37
Şekil 5.4 Hazne içerisindeki plaka ve pimin şematik gösterimi ... 38
Şekil 5.5 Fretting Cihazı PLINT TE 70SLIM Micro-Friction Machine ... 39
Şekil 6.1 Plaka yüzeylerindeki mangan fosfat görüntüleri x700 ... 43
Şekil 6.2 Plaka yüzeylerindeki mangan fosfat görüntüleri x1500 ... 43
Şekil 6.3 Yağlı ortamda yapılan kazımalı aşınma deneyi sürtünme katsayıları ... 46
Şekil 6.4 Bakır içeren plaka 1- Isıl işlemli pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka 48 Şekil 6.5 Mangan fosfatlı kaplama uygulanmış bakır içeren plaka 1- Isıl işlemli pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 48
Şekil 6.6 Bakır içeren plaka 1- Nitrürlü pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 49
Şekil 6.7 Mangan fosfat uygulanmış bakır içeren plaka 1 - Nitrürlü pim ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 49
Şekil 6.8 Bakır içermeyen plaka 2- Isıl işlemli pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 50
Şekil 6.9 Mangan Fosfat uygulanmış bakır içermeyen plaka 2 -Isıl İşlemli pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 50
Şekil 6.10 Bakır içermeyen plaka 2- Nitrürlü pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 50
Şekil 6.11 Mangan Fosfat uygulanmış bakır içermeyen plaka 2 -Nitrürlü pime ait aşınma izleri (a) Pim (b) Plaka ... 51
Şekil 6.12 Pimlerdeki aşınma hacimlerinin karşılaştırılması ... 52
Şekil 6.13 Isıl işlemli pimle çalışmış bakır içeren plaka 1‟deki aşınma profili ... 53
Şekil 6.14 Isıl işlemli pimle çalışmış mangan fosfat kaplı bakır içeren plaka 1‟deki aşınma profili ... 53
Şekil 6.15 Nitrürlü pimle çalışmış bakır içeren plaka 1‟deki aşınma profili ... 53
Şekil 6.16 Nitrürlü pimle çalışmış mangan fosfat kaplı bakır içeren plaka 1‟deki aşınma profili ... 54
Şekil 6.17 Isıl işlemli pimle çalışmış bakır içermeyen plaka 2‟deki aşınma profili .. 54
Şekil 6.18 Isıl işlemli pimle çalışmış mangan fosfat kaplı bakır içermeyen plaka 2‟deki aşınma profili ... 54
Şekil 6.19 Nitrürlü pimle çalışmış bakır içermeyen plaka 2‟deki aşınma profili ... 54 Şekil 6.20 Nitrürlü pimle çalışmış mangan fosfat kaplı bakır içermeyen plaka 2‟deki
SEMBOL LĠSTESĠ
μ : Sürtünme katsayısı F : Teğetsel kuvvet W : Normal kuvvet (Yük) Fs : Statik sürtünme katsayısı
Fk : Kinetik sürtünme katsayısı
μs : Statik sürtünme katsayısı
Wad : Aşınma oranı K : Aşınma katsayısı V : Aşınma hacmi L : Kayma mesafesi η : Yağlayıcı vizkozitesi v : Kayma hızı P : Temas basıncı
σ : Karşılıklı çalışan yüzeylerin ortalama yüzey pürüzlülüğü h : Sıvı film kalınlığı
hmin : Minimum film kalınlığı
Ra : Ortalama yüzey pürüzlülüğü
BUZDOLABI KOMPRESÖR YATAKLARI ĠÇĠN AġINMAYA DAYANIKLI MALZEMELERĠN SEÇĠMĠ
ÖZET
Çevre ve enerji yaptırımları, buzdolabı endüstrisinde kullanılan kompresörlerde verim artışını her geçen gün zorlamakta ve hedef verim değerleri sürekli artış eğilimi göstermektedir. Kompresörde verim artışı sağlamak için yatak kayıplarını azaltma çalışmaları da önemli bir yere sahiptir. Yatak kayıplarını azaltmak; yatak tasarımını iyileştirmek, doğru malzemeler seçmek ve doğru işlemekten geçmektedir. Yatak malzemelerinin aşınma ve sürtünme karakteristikleri kullanma koşullarına bağlı olduğu kadar, yüzey pürüzlülüğü, yüzey sertliği ve kaplamalarının yağlama ve aşınma özelliklerine, ana malzeme mekanik özelliklerine bağlıdır. Hermetik buzdolabı kompresörlerinde biyel perno deliği- perno, biyel krank deliği-krank uzun muylu, gövde silindir deliği-piston, gövde ana muylu- krank uzun muylu olmak üzere 4 ana yatak grubu bulunmaktadır. Bu kompresörlerde kullanılan yataklarda en fazla aşınmanın görüldüğü çift biyel perno deliği-perno yatağıdır. Bu nedenle bu çalışmada biyel perno deliği-perno yatağında kullanılan malzemelerin ele alınması, bu malzemelerin aşınma, sürtünme özelliklerinin belirlenmesi, aşınma ve sürtünmeyi azaltacak farklı malzeme çifti seçeneklerinin araştırılması amaçlanmıştır. Seçilen çiftler aşınma test düzeneğinde denenmiş ve saha deneyleri yapılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde kompresörler, ana bölümleri ve çalışma prensibi ana hatlarıyla verilmiş, kompresörde bulunan yatak grupları tanıtılmış, yataklarda karşılaşılan aşınma, sürtünme ve yağlama problemlerinin anlaşılabilmesi için mekanizmalar açıklanmıştır.
İkinci bölümde problemlerin çözümünde kullanılabilecek yatak malzemeleri; tekli, ikili ve üçlü sistemler özetlenmiştir. Yatak malzemelerinden beklenen karşı malzeme ile uyumluluk, yumuşaklık, yüksek sıcaklığa dayanıklılık, yüksek yorulma dayanımı, yüzey kalitesi, uygun ısı iletkenlik katsayısı, korozyona dayanıklılık, yağ tutabilme özelliği gibi özellikler açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde hermetik pistonlu kompresör için demir esaslı sinter demire karşı yatak çeliği malzemeler önerilmiş ve bu malzemelere uygulanan buhar işlemi, mangan fosfat kaplama, nitrürleme gibi yüzey işlemleri hakkında bilgi verilmiştir. Son olarak önerilen malzeme ve yüzey işlemleri ile yapılan deneysel çalışmalar ve sonuçları irdelenmiştir.
SELECTION OF WEAR RESISTANT MATERIALS FOR REFRIGERATOR COMPRESSOR BEARINGS
SUMMARY
Environment and energy sanctions are forcing the efficiency increases of compressors in the refrigerator industry day by day. Decreasing frictional losses and wear on refrigeration compressor bearings are also important to obtain the efficiency increase for compressor. Decreasing bearing friction loses exceeds improving bear designs, selecting suitable materials, equipments and processing. The friction and wear characteristics of bearing materials depend on the surface roughness, hardness, wear and frictional properties of coating and mechanicals properties of substrate material. Hermetic refrigeration compressors consist of four main bearing groups namely connecting rod-wrist pin, connecting rod- crank, crank –body , piston cylinder hole –body. Between all these bearing groups, connecting rod-wrist pin is the most worn bearing. For this reason, the aims of this project are investigation of the materials used in this couple, determination of friction and wear properties of them and selecting the alternative material couples.
In the first part of this thesis, mechanical parts of compressor are introduced and operation principles are explained.
In the second part, the bearing materials and its properties such as compatibility, embeddability, high temperature resistance, fatigue resistance, surface quality, heat transfer coefficient, corrosion resistance, surface roughness, are explained.
In the next part, iron based sinter material and bearing steel are proposed as connecting rod and wrist pin material. Some of surface treatments, which are applied on this material couple like, vapor treatment, phosphating, and nitriding, heat treatment are also explained.
Finally, experimental studies done with suggested material and surface treatments are investigated.
1. GĠRĠġ
Çevre ve enerji yaptırımları, buzdolabı endüstrisinde kullanılan kompresörlerde verim artışını her geçen gün zorlamakta ve hedef verim değerleri sürekli artış eğilimi göstermektedir. Kompresörde verim artışı sağlamak için yatak kayıplarını azaltma çalışmaları da önemli bir yere sahiptir. Yatak kayıplarını azaltmak; yatak tasarımını iyileştirmek, doğru malzemeler seçmek ve doğru işlemekten geçmektedir. Yatak malzemelerinin aşınma ve sürtünme karakteristikleri kullanma koşullarına bağlı olduğu kadar, yüzey pürüzlülüğü, yüzey sertliği ve kaplamalarının yağlama ve aşınma özelliklerine, ana malzeme mekanik özelliklerine bağlıdır. Hermetik buzdolabı kompresörlerinde biyel perno deliği- perno, biyel krank deliği-krank uzun muylu, gövde silindir deliği-piston, gövde ana muylu- krank uzun muylu olmak üzere 4 ana yatak grubu bulunmaktadır. Bu kompresörlerde kullanılan yataklarda en fazla aşınmanın görüldüğü çift biyel perno deliği-perno yatağıdır. Bu nedenle bu çalışmada biyel perno deliği-perno yatağında kullanılan malzemelerin ele alınması, bu malzemelerin aşınma, sürtünme özelliklerinin belirlenmesi, aşınma ve sürtünmeyi azaltacak farklı malzeme çifti seçeneklerinin araştırılması amaçlanmıştır. Seçilen çiftler aşınma test düzeneğinde denenmiş ve saha deneyleri yapılmıştır. Biyel perno deliği- perno yatağı için düşünülen malzeme çiftlerinin seçiminde işletmede işlenebilirlik, maliyet, ağırlık azaltmaya ve daha esnek yeni tasarımlara olanak verebilecek mekanik özellikler, perno ve biyel malzemesinde en düşük aşınma miktarı ve sürtünme katsayısı göz önüne alınmalıdır.
2. HERMETĠK KOMPRESÖRLERĠNĠN TANITILMASI
2.1. Kompresör ÇalıĢma Prensibi
En sık rastlanan soğutma çevrimi buhar sıkıştırma çevrimidir. Buhar sıkıştırma çevrimi beş ana kısımdan meydana gelmektedir.
Soğutma Kompresörü (Buhar sıkıştırma aparatı)
Kondenser (Sıkıştırılan buharı yoğuşturucu)
Evaporatör (Buharlaştırıcı-Soğutucu)
Genleşme Sistemi (Ekspansiyon valfleri, kılcal borular, seviye kontrol cihazları)
Boru Donanımı [1].
Soğutma çevriminde yüksek basınca sahip soğutucu akışkan yoğuşturucuda buhar fazından sıvı fazına geçerken dış ortama ısı atar. Yoğuşturucudan ısıl değeri atılmış olarak çıkan soğutucu akışkanın basıncı kısılma vanası ile düşürülerek sıcaklığı azaltılır. Kısılma vanasından basıncı ve sıcaklığı azalmış olarak çıkan soğutucu akışkan, buharlaştırıcıdan geçerken, ortamdan ısı çekerek faz değiştirir ve tekrar buhar fazına geçer. Buhar fazındaki soğutucu akışkanın basıncının artırılması amacı ile kompresör kullanılır.
Kompresörler üç tip üretilirler.
Açık kompresör; bir sızdırmazlık elemanından geçen mil, dışarıda elektrik ve doğal gaz ile çalışan bir motordan tahrik alan başka bir mile bağlanmıştır.
Yarı hermetik kompresör; kompresör-motor kombinasyonu döküm bir muhafazanın içine yerleştirilmiştir, valfler ve diğer önemli parçalara erişim için contalı kapaklar kullanılmıştır.
Hermetik kompresör; motorun rotor, stator, sargı gibi elemanları ile kit grubunun aynı muhafaza içinde bulunduğu kompresörlerdir. Kompresör içinde kapalı hacim olarak bir silindir ve bu silindirin içinde sıkıştırma işini
yapan piston bulunur. Piston, hareketini bir krank-biyel mekanizması ile direk motordan alır [1].
Bu çalışmada pistonlu, hermetik, soğutucu gazı muhafazadan emerek çalışan tek silindirli kompresörler incelenmektedir.
Hermetik kompresörler başlıca şu ana bölümlerden oluşmaktadır:
Kompresör ana gövdesi : Silindir, valfler, emme susturucusu, emme manifoldu,
egzoz manifoldu, egzoz susturucuları, valf tablası ve mekanik sistemin yataklarını içermektedir.
Mekanik sistem : Motorun dönme hareketini pistonun ileri - geri salınımlı
hareketine dönüştüren sistemdir. Krank mili, biyel kolu, perno ve pistondan oluşmaktadır.
Yay sistemi : Kompresörde bulunan hareketli mekanik parçaların periyodik
hareketinden dolayı oluşan titreşimleri sönümlemek için kullanılan sistemdir.
Elektrik motoru : Elektriksel gücü mekanik güce dönüştürmekte kullanılan rotor ve
stator ikilisinden oluşan sistemdir.
Muhafaza : Tüm sistemlerin içinde bulunduğu kapalı koruyucu kabuktur. Kompresör kabuğunun görevi, kompresör iç ortamının dış ortamdan hava almayacak şekilde yalıtılmasını sağlamaktır [2]. Kompresör bölümleri şekil 2.1‟ de verilmektedir.
Kompresör performansı için;
Arızasız en uzun ömür
Minumum güç girişine karşılık maksimum soğutma etkisi
Minumum maliyet
Geniş bir çalışma koşulları aralığı
Uygun bir titreşim ve ses düzeyinin sağlanmasına çalışılır.
Kompresör performansına ait iki yararlı ölçünün biri kompresör yer değiştirmesiyle ilgili olan kapasite, diğeri de performans faktörüdür. Sistem kapasitesi kompresörün ulaştığı soğutma etkisidir. Kompresörü terk eden buharın basıncına karşılık gelen sıcaklıktaki soğutucu sıvı ile kompresöre giren soğutucu buharın toplam entalpileri arasındaki farka eşittir.Birimi kJ/kg dir. Bir hermetik kompresörün performans faktörü, motor ve kompresörün ortak çalışma verimini gösterir.
Performans faktörü COP (hermetik) =
) ( . ) ( kW gucu Giris kW Kapasite
Son yıllarda enerji tasarrufu üzerine çekilen dikkat nedeniyle performans faktörü (COP) endüstri için önemli hale gelmiştir. Bu nedenle kayıpların minimumda tutulması gerekmektedir [3]. Kompresörde oluşan kayıp kaynakları elektriksel kayıp, termodinamik kayıp, ve mekanik kayıplardır. Elektrik kaybı elektrik gücünü mekanik güce çeviren elektrik motorunda oluşan kayıplardır. Termodinamik kayıplar gazda akış patikası (emme odacığı, emme borusu, egzoz borusu, egzoz odacığı) boyunca oluşan kayıplardır. Mekanik kayıp, kranktaki mekanik gücü gaz kuvvetine çeviren kompresör bölümünde olan kayıplardır [4].
Mekanik kayıpları azaltma çalışmalarında yataklarda oluşan aşınma ve sürtünmenin azaltılması önem taşımaktadır.
2.2. Yatak Tanımı ve Kompresörlerdeki Yatak Grupları
Hareketli bir yüzeyle, duran veya farklı hızlarda hareket eden ikinci bir yüzey arasında yük iletimine olanak veren makine elemanlarının oluşturduğu sisteme “yatak” denilmektedir. Bir yatağın başlıca görevi, birbirine göre farklı hızlarda hareket etmekte olan elemanları yataklamak ve bu elemanlar arasında yük iletimini
maksimum verimle sağlamaktır. Bu görevin yerine getirilmesinde yatak alaşımının işlevi; uygun yağlayıcı ile beraber, yüzeyler arasındaki sürtünme kaybını ve aşınmayı minimum düzeyde tutmaktır [5].
Tek silindirli hermetik kompresörlerde 4 farklı yatak grubu bulunmaktadır. Bu yatak grupları;
1 No‟lu Yatak Grubu: Biyel Perno Deliği- Perno
2 No‟lu Yatak Grubu: Biyel Krank Deliği-Krank Eksantrik Muylu
3 No‟lu Yatak Grubu: Gövde Silindir Deliği-Piston
4 No‟lu Yatak Grubu: Gövde Ana Muylu-Krank Uzun Muyludan oluşur. Şekil 2.2‟de kompresörde bulunan yatak grupları verilmektedir.
ġekil 2.2 Hermetik kompresörde bulunan yatak grupları
Kompresör yatak gruplarında en fazla aşınma biyel perno deliği- perno yatağında görülmektedir. Bu nedenle biyel perno deliği- perno yatak malzemeleri ve yüzey kaplamaları ile ilgili çalışılmıştır. Biyel perno deliği- perno yatağına ait I-Deas çizimi Şekil 2.3‟de verilmektedir.
ġekil 2.3 Biyel perno deliği- perno yatağına ait I-Deas çizimi [4] 2.3. Yataklarda KarĢılaĢılan Problemler
Kompresör yataklarında aşınma-sürtünme ve yağlama ile ilgili sorunların açıklanabilmesi için öncelikle mekanizmaların anlaşılması gereklidir. Bu amaçla ilk olarak farklı aşınma mekanizmaları, sürtünme teorileri ve yağlama türleri hakkında bilgi verilecektir.
2.3.1. AĢınma
Aşınma, temas halindeki yüzeylerin birbirine transferi veya aşınma parçalarının oluşumu sonucu ortaya çıkan malzeme kaybı olarak tanımlanabilir. Aşınma bu iki katı yüzeyin birbirine bağlı kayma ve dönme hareketi yapması sonucu oluşur [6]. Bir aşınma sistemindeki temel etkenler şunlardır: I- Ana malzeme (aşınan), II- Karşı malzeme (aşındıran) III- Yük, V- Hareket. Bütün bu etkenlerin oluşturduğu sistem tribolojik sistem olarak adlandırılmaktadır.
Bir aşınma sistemindeki önemli etkenlerden biri de çevre şartlarıdır. Sistem elemanlarının nem ve korozif etkilerle karşı karşıya kalması aşınmayı hızlandırır. Birbirleri ile temasta olan malzeme yüzeyleri; oksit filmler, sert kaplamalar ve yağlayıcılarla korunsalar bile mekanik yüklemeler altında tabakaların veya yağlamanın bozulması iki yüzeyin birbiri ile temasına sebep olabilir. Bunun sonucu
Piston Perno
Biyel
Biyel Perno Yataðý
oluşan sürtünme malzemenin çalışma koşulundaki ömrünü ve performansını sınırlayan aşınmaya sebep olur [7].
Aşınmayı etkileyen faktörler şu şekilde özetlenebilir;
Ana malzemeye bağlı faktörler: malzemenin kristal yapısı, malzemenin sertliği, elastiste modulü, deformasyon davranışı, yüzey pürüzlülüğü ve malzemenin boyutu.
Karşı malzemeye bağlı faktörler ve aşındırıcının etkisi
Ortamın etkisi: sıcaklık, nem, atmosfer.
Servis Şartları: basınç, hız, kayma mesafesi [8].
Aşınma malzeme ve yüzey arasındaki temas alanının, elastik ve plastik deformasyonu arasındaki farkları göz önüne alınarak adhesif aşınma, abrasif aşınma, yorulma aşınması ve korozyonlu aşınma olarak 4 şekilde sınıflandırılabilir [7]. Şekil 2.4‟de farklı aşınma mekanizmaları verilmektedir.
ġekil 2.4 Farklı Aşınma Mekanizmaları [6]. 2.3.1.1. Adhesif AĢınma
Adhesif aşınma karşılıklı etkileşim içerisinde birbirlerine göre relatif hareket eden iki yüzeyin birisinden bir parçacığın koparak diğer bir yüzeye yapışması sonucunda bir yüzeyden diğerine malzeme taşınımı olarak tanımlanır. Basınç altında bir araya getirilmiş malzemelerde bulunan karşılıklı pürüzler, sürtünme ile oluşan ısı ve soğuk kaynaşma etkisi ile birbirlerine bağ yaparlar. Yüzeylerin teğetsel hareketi, bağ
kuvvetlerinin en zayıf olduğu noktadan kopmaya neden olur. Bunun sonucu olarak bir yüzeyden diğerine malzeme transferi gerçekleşir [9].
Adhesif Aşınmanın Önlenmesi: Adhesif aşınmanın önlenmesinde aşağıdaki
yöntemlere başvurulabilir:
I-Yağlama: Adhesif aşınma, sıcaklığın bölgesel olarak arttığı bölgelerde meydana geldiğinden, iyi bir yağlamanın yapılması ile hem yüzeyler arasındaki sürtünme azaltılabilir, hem de yağlayıcılar sistemden ısıyı uzaklaştırırlar. Dolayısıyla da mikro-kaynak bölgesinin oluşumu engellenmiş olur.
II-Birbiri içerisinde çözünmeyen metaller kullanmak: Birbiri içerisinde çözünmeyen iki metalin bir arada kullanılmasıyla, adhesif aşınmayı meydana getiren mikrokaynak prosesinin oluşumu engellenecektir.
III-Düz yüzeyler kullanmak: Eğer birbiri ile etkileşen yüzeylerde soğuk kaynamayı meydana getirecek şekilde karşılaşacak pürüzler yok ise adhesif aşınma meydana gelmeyecektir.
IV-Metal-Metal teması önlemek: Adhesif aşınmayı meydana getiren metal-metal temasını engellemek amacıyla metal yüzeylerinde kimyasal filmler oluşturmak aşınmayı engeller. Örneğin bu amaca yönelik yapılan fosfat kaplamalar, sistemdeki yağlayıcıların daha aktif olarak çalışmasına yardım eder [10].
2.3.1.2. Abrasif AĢınma
Abrasif aşınma malzeme yüzeylerinin kendisinden daha sert olan partiküllerle temasta olması ve sert partiküllerin malzeme yüzeyinden parçalar koparması ile meydana gelir. Abrasif aşınma iki elemanlı ve üç elemanlı olarak meydana gelmektedir. İki elemanlı abrasif aşınma sürtünen elemanların doğrudan birbirleri ile etkileşimi sonucu meydana gelir. Üç elemanlı abrasif aşınma ise ana ve karşı malzeme arasına serbest ara malzeme girmesi veya aşınma sonucu yüzeyden ayrılan parçacıkların ara malzeme gibi davranmaları sonucu oluşmaktadır [8].
Abrasif Aşınmanın Önlenmesi
Abrasif aşınmanın önlenmesinde veya abrasif aşınma hızının en aza indirilmesinde aşağıdaki yöntemlere başvurulabilir:
I- Yüzey sertliğini arttırmak: Abrasif aşınmanın engellenmesinde veya aşınma hızının azaltılmasında en etkili yol, malzeme yüzey sertliğinin arttırılmasıdır. Bu, yüzeyin kaplanması, ısıl işlemle sertleştirilmesi gibi yöntemlerle olabilmektedir. Malzeme sertliğinin arttırılmasının sakıncası malzeme gevrek kırılma riskini de yükselmesidir.
II- Abrasif parçacıkları uzaklaştırmak: Abrasif aşınmaya sebebiyet veren sert partiküllerin sistemden uzaklaştırılması ile abrasif aşınma engellenebilir. Bu nedenle abrasif aşınmanın meydana gelebileceği ortamlarda kullanılan hava, su ve yağlarda bulunan partiküller filtre edilerek sistemden uzaklaştırılabilir [10].
2.3.1.3. Yorulma AĢınması
Yorulma aşınmasında, birbirleriyle temas halinde bulunan yüzeylerde basma ve çekme gerilmelerinin etkisi ile yapıda mikro çatlakların oluşmakta ve bu şekilde malzeme aşınmaktadır. Yorulma aşınmasında ortamla temas halindeki yüzeyler arasında dinamik bir ilişki mevcuttur. Temas halindeki yüzeyler ortamla reaksiyona girer, ürünler yüzeyde oluşur ve reaksiyon ürünleri çatlak oluşumu ve abrasif aşınmaya neden olur [6].
2.3.1.4. Kazımalı AĢınma
Birbiri ile temas halinde bulunan malzemelerin kendi aralarında belli frekansta göreceli olarak yer değiştirmeleri sonucunda meydana gelen aşınma türüdür. Kazımalı korozyon malzemelerin yüzeyinde ortam şartlarının da etkisi ile etkileşerek kimyasal bir reaksiyon meydana getirmesi ve bu reaksiyon sonucunda meydana gelen ürünlerle kazımalı aşınma sistemlerinin etkilenmesidir. Kazımalı aşınmada etkin parametreler çevrim sayısı, normal yük, yer değiştirme miktarı, frekans ve ortam şartlarıdır [11].
2.3.2. Sürtünme
Sürtünme birbirine göre izafi olarak hareket eden cisimlerin birbirlerine uyguladıkları direnç olarak tanımlanabilir. Sürtünmeyi tanımlamak için pek çok teori öne sürülmüştür. Bu teoriler arasında en önemlileri Amontons ve Coulomb‟un teorileridir. Coulomb, sürtünme katsayısının hızdan bağımsız olduğunu gözlemlemiş ve statik sürtünme katsayısını (µs) kaymaya başlama kuvveti ile, kinetik sürtünme katsayısını da (µk) hareketi devam ettirme kuvveti ile tarif etmiştir [12].
Bu teorilere göre;
• Sürtünme kuvveti, normal yükle orantılıdır,
• Sürtünme kuvveti, geometrik temas alanına bağlı değildir. • Sürtünme kuvveti, kayma hızına bağlı değildir,
• Statik sürtünme katsayısı (µs), dinamik sürtünme katsayısından (µk) daha büyüktür.[13]
Bunu sonucu olarak aşağıdaki ifade çıkarılmıştır: µ =
W F
(2.1)
µ: Sürtünme katsayısı
F: Teğetsel kuvvet (sürtünme kuvveti) W: Normal kuvvet (yük)
Bowden ve Tabor‟a göre, sürtünme kuvveti, iki cisim arasına soğuk kaynaklanmış bağlantıyı kesmek için gereken kuvvettir. Sürtünmenin meydana gelmesindeki en önemli etken, yüzeylerin birbiri ile temas eden tepeciklerindeki adhesif ve kohesif bağlardır. Ayrıca bu tepeciklerdeki deformasyonların da direncin artmasında etkisi vardır. Temas halindeki iki yüzey arasında adhezyon ve kohezyon bağının oluşumu, büyük ölçüde yüzeylerin pürüzlülüğüne ve pürüzlerle temas halindeki muhtemel değme geometrilerine bağlıdır.
2.3.3. Yağlama
Sürtünme ve aşınma mekanizmaları birbirine karşı hareketli iki yüzey arasındaki fiziksel etkileşime dayalıdır. Yağlama bu iki yüzey arasında bir yağlayıcı ile beraber hareket eden iki katı yüzey arasında sürtünme ve aşınmayı azaltan ya da oluşan ısı ve aşınma ürünlerini uzaklaştırmaya yarayan bir prosestir. Yağlamanın rolü katı bir film, sıvı veya gaz malzeme ile hareket yüzeylerini ayırmaktır. Yağlama prosesi temas yüzeylerinin geometrisi, hareketli yüzeylerin pürüzlülüğü, yük, yağlayıcının fiziksel ve kimyasal özellikleri, malzeme bileşimi ve yüzeye yakın tabaka özelliklerine bağlı olarak pek çok şekil alır [6].
Kompresör yağlarının temel işlevi;
Yataklardaki sürtünme ve aşınmayı azaltmak,
Yatak yüzeylerinden ısıyı uzaklaştırmak,
Isı, kirlilik ve aşınma ürünlerinden kaynaklanan korozyonu engellemek,
Gürültüyü azaltmaktır.
ġekil 2.5 Stribeck diyagramı [14]
Stribeck diyagramı (Şekil 2.5) sürtünme katsayısı ve Sommerfeld sayısı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Sommerfeld sayısı hız ve viskozitenin çarpımının temas yükü ya da temas basıncına oranı olarak ifade edilebilir. Bu diyagram sınır, karma ve hidrodinamik yağlama rejimlerinden oluşmaktadır. Hidrodinamik yağlama rejiminde yağ film kalınlığının yüzey pürüzlülüğüne oranı iki yüzeyi birbirinden ayıracak düzeydedir. Bu durumda, sürtünme viskoz akışkan içindeki kesme kuvvetlerinden kaynaklanır. Karma yağlama rejiminde, viskozitede yada kayma hızındaki düşüş yada yükteki artış sonucunda yağ filim kalınlığı düşer ve metal metale sürtünme hidrodinamik sürtünmeye eklenir. Sınır yağlama şartlarında ise yük tamamen temas halindeki yüzey pürüzleri tarafından karşılanır [14].
Geometri, yağlayıcı özellikleri ve işlem koşullarına bağlı olarak 3 temel yağlama rejimi tanımlanmaktadır.
1. Hidrodinamik ve Elastohidrodinamik yağlama (h≥σ) 2. Karışık Yağlama (h ≈ σ)
3. Sınır yağlama (h ≤ σ)
h: sıvı film kalınlığı σ: Karşılıklı yüzeylerin ortalama yüzey pürüzlülüğü λ: Spesifik film kalınlığı hmin: Minimum film kalınlığı
2.3.3.1. Hidrodinamik Yağlama
Hidrodinamik film kalınlığı, teğetsel yüzey hızları ile birleşme aralığı boyunca yağlayıcının araya sıkışmasıyla ya da temas yüzeyler arasında relatif normal hızı ile temas alanına yağlayıcının sıkışması ile oluşabilir. Hidrodinamik basınç malzemelerin sertlikleriyle karşılaştırıldığında düşüktür ve belirgin bölgesel deformasyona neden olmaz [6]. Hidrodinamik yağlama yüksek hız ve düşük yük altında gözlenir. Yüzeyler arasında uygulanan yükü kaldırabilecek incelikte bir film tabakası oluştuğundan pürüzler (asperity) birbirine temas edemez ve aşınma gözlenmez.
2.3.3.2. Elastohidrodinamik Yağlama
Temas geometrisinin bir çizgi veya nokta şeklinde olması durumunda bölgesel basınç değerleri hidrodinamik yağlama değerlerinin oldukça üzerinde olur. Yüksek basınç, viskozite ve yüzeylerde gerçekleşen elastik deformasyon özelliklerinin değiştirir ve bu durumda elastohidrodinamik yağlama görülür [6].
2.3.3.3. Sınır Yağlama
Sınır yağlama çok yüksek temas basıncı ve çok düşük kayma hızlarında görülür. Hidrodinamik kuvvetler ince bir elastohidrodinamik film bile oluşturamaz ve pürüzler arasında direk temas oluşur. Sınır yağlama koşullarının oluştuğu bu durumda yüzeyler uygun yağlayıcılarla korunmazsa çok yüksek sürtünme katsayıları ve şiddetli aşınma oranları gözlenir. Sürtünme katsayısı yağ viskozitesinden çok, temas noktasındaki pürüzlerin deformasyonu için gerekli olan enerjiye bağımlıdır [6].
3. YATAK MALZEMELERĠ
3.1. Yatak Malzemelerinden Beklenen Özellikler
Çeşitli uygulamalar için yatak malzemesi seçiminde göz önünde bulundurulması gereken birçok özellik bulunmaktadır. En önemli yatak malzemesi özellikleri, karşı malzeme ile uyumluluk, çalışma koşullarına uygunluk, gömülebilme kabiliyeti, korozyon dayanımı, yüksek sıcaklık dayanımı ve yorulma dayanımıdır. Bazı durumlarda işlenebilirlik, ısıl iletkenlik, genleşme katsayısı gibi özellikler de önem kazanmaktadır. Tüm özellikleri karşılayan malzemeler bulunmamakla birlikte çalışma şartları göz önünde bulundurularak en iyi sonuçların alınacağı malzemeler seçilmelidir.
3.1.1. KarĢı Malzeme ile Uyumluluk (Compatibility)
Yüzeylerin yağsız çalışma şartlarında kendi kayganlığı ve karşılıklı çalıştığı malzeme ile uyumluluğu aranılan bir özelliğidir. Bu kayganlık zaman zaman oluşan metal-metal temaslarında yatak malzemesinin aşırı ısınıp hasar görmesini önler.
Metal-metal teması iyi yağlama koşullarında bir sorun yaratmaz. Fakat ekipmanın çalışmaya başlaması ve durması sırasında yağ filmi ilk anda oluşmaz ve yağ filmi oluşana kadar karşı malzeme yüzeyi yatak malzemesi üzerinde kaymaktadır. Karşı malzeme olarak genellikle çelikler ve döküm malzemeler kullanılır. Bu malzemelerde oyuk oluşma eğilimi daha az, yağlayıcıyı adsorbsiyon kabiliyeti yüksektir ve aşınma dirençleri iyidir. [15].
3.1.2. Uygunluğu (Conformability)
Yatak malzemelerinin, statik ve dinamik yükleri karşılayabilmesi için yeterli sertlik değerine ve mukavemete sahip olmaları gereklidir. Yumuşak yatak malzemeleri gömülebilme kabiliyetini ve kenar basınçlarının doğurduğu gerilmelere karşı yeterli sünekliği gerektiren yerlerde kullanılırlar. Buna karşılık daha sert malzemeler, daha çok hidrodinamik yağlamanın garanti edilemediği ve bunun sonucu olarak da
meydana gelecek sürtünmede aşınma direnci yüksek olması gereken yerlerde kullanılırlar [15,16].
3.1.3. Yatak Malzemesinin YumuĢaklığı (Embeddability)
Yatak malzemelerinin sertlik ve elastiste modülü değerleri uygulanan yükü taşıyabilmeli ama mümkün olduğunca da düşük değerlerde olmalıdır. Böylece geometrik hatalar tolere edebilir ve yağın içine kaçabilen sert partiküller, yatak veya karşı malzeme yüzeyine fazla hasar vermeden yatak malzemesi içine gömülebilir. Yatak malzemesi bu sert parçaları içine alabilecek kadar yumuşak olmazsa karşı malzeme yüzeyi çizilerek zarar görebilir [15,16].
3.1.4. Yüksek Sıcaklığa Dayanımı
Çalışma sıcaklığı yükseldikçe yatak malzemeleri mukavemetlerini yitirmeye başlar. Bu nedenle yatak malzemeleri, yatak sıcaklığının üst sınırlarında dayanımı azalmamalı ve gereğinden fazla yumuşak hale gelip şeklini kaybetmemelidir [15].
3.1.5. Yorulma Dayanımı
Normal şartlar altında yatak malzemesi titreşimli ve sürekli değişen yükler altında çatlamadan görevini sürdürmesi gerekmektedir [15].
3.1.6. Yüzey Kalitesi
Kaymalı yatak çiftlerinin aşınma mekanizması çoğu zaman adhesif aşınmadır. Yatak yüzeyleri birbirine temas ettiğinde, yüzeylerin pürüzlülüğü nedeniyle, toplam yüzey alanı yerine çok daha az bir yüzey alanına sahip noktasal alan temas eder ve bu noktalarda yüzey basıncı çok yüksek olur. Bölgesel yüksek yüzey basınçların sonucunda, hareketin seyri temas bölgelerinde plastik şekil değiştirme ve yüksek enerji konsantrasyonlarıyla gerçekleşir. Böylece, kaynak ve sinter köprüleri oluşur. Bu bağlantılar, ana malzeme ya da karşı malzemede zayıf noktalarda kırılmalara sebep olurlar. Aşırı yüklenmiş yataklarda ya da yağlama süreksiz olduğunda, büyük yüzeyli kaynak oluşumu görülebilir, bu durum yatak sarmasına neden olur. Bu nedenle yatak malzemesinin ve şaft malzemesinin yüzey kaliteleri iyi olmalıdır. [15,17].
3.1.7. Isı Ġletkenlik Katsayısı
Şaft ile yatak arasında kalan yağ filmi üzerindeki kesme kuvvetleri, yağ sıcaklığının oldukça yükselmesine neden olur. Yağ ısısının yatak malzemesi üzerinden yatak gövdesine kolayca iletilerek ısının daha fazla yükselmesinin önlenmesi, yatak ömrü açısından faydalıdır. Bu durumda da yatak malzemesinin ısı iletkenlik katsayısının yüksek olması bir avantajdır. Ayrıca ısınmada yatak boşluğunun emniyetli değerden daha fazla küçülmemesi için ısıl genleşmesi de az olmalıdır [15,17].
3.1.8. Korozyon Dayanımı
Yağın kullanım sırasında bozulması, dış kirlilikler, yakıt ve su karışması yağın kirlenmesine ve korozif bir ortam oluşmasına neden olur. Dolayısıyla yatak malzemelerinin korozyon dayanımı yüksek olmalıdır. Yatak malzemesinin korozyonu oksidasyon inhibitörleri kullanımı, uygun yağ seçimi ve yağın periyodik değişimleri ile önlenebilmektedir [15,17].
3.1.9. Yağın Tutunabilme Özelliği
Yatak malzemesi ile şaft yüzeyi arasında yağ filminin mümkün olduğu kadar çabuk oluşabilmesi için yağ molekülleri yatak malzemesine mümkün olduğu kadar çabuk yapışabilmelidir. [15]
3.2. Yatak Malzeme Sistemleri
Aşınma ve sürtünmeyi azaltıcı uygulamalarda kullanılan yatak malzemeleri,
Tekli metal sistemleri
İkili metal sistemleri
Üçlü metal sistemleri şeklinde sınıflandırılabilir [17].
3.2.1. Tekli Metal Sistemleri
Tekli metal sistemleri bakır esaslı alaşımlar, bronz malzemeler ve alüminyum esaslı alaşımlar, dökme demirler, karbon ve alaşım çelikleri, yatak çeliklerinden oluşmaktadır.
- Bakır Esaslı Malzemeler: Bakır esaslı yatak malzemeleri % 20 - 40 kurşun içeren bakır-kurşun ikili sistemleridir. Bakırca zengin matriks iyi bir sertlik dayanımı ve ısı iletme kabiliyeti sağlarken, kurşunun yarattığı kaygan yüzey çalışma koşullarını iyileştirir.
- Bronz Malzemeler: Bronz malzemeler, kurşun bronz, kalay bronz ve yüksek mukavemetli bronz olmak üzere 3 grupta incelenebilir. Kurşun, bakır-kurşun alaşımlarında olduğu gibi malzemeye iyi yüzey uygunluğunu (compatibility) kazandırmaktadır. Kalay ise mukavemet, yorulma direncini ve sertliği arttırmakta ve bu sayede kurşun esaslı bronz malzemelerde, basit bakır-kurşun alaşımlarında elde edilenden daha iyi değerlere ulaşılmaktadır. Bronz malzemelerde kurşun miktarı arttıkça mukavemet değerlerinde ve yüksek sıcaklıktaki kararlılıklarında düşüş gözlenirken, yüzey kalitesi ve uygunluğu (compatibility), uyumluluk (conformability), gömülebilme kabiliyetinde de (embeddability) artış görülür. Bu nedenle yeterli mukavemet ve yük taşıma kapasitesi sağlanabiliyorsa yüksek miktarda kurşun içeren, yumuşak bronz malzemelerin kullanımı en iyi sonuçları verecektir. Bronz malzemeler uygun yataklama özellikleri, mükemmel döküm ve işlenebilme karakteristikleri, ekonomik oluşları nedeniyle döküm burçlarda yoğunluklu olarak kullanılmaktadır.
- Alüminyum Malzemeler: Aluminyum esaslı alaşımlar yüksek sertlikleri, düşük
maliyetleri ve yatak malzemesi özelliklerini daha iyi karşılamaları nedeniyle bakır, antimon ve kalaya alternatiftirler. Sıcaklık dayanımının yüksek olması, ısı iletme kabiliyeti ve hafif oluşu alüminyum alaşımlarının özelliklerindendir. Alüminyum yatak malzemeleri genellikle yüksek korozyon direnci, yük taşıma kapasitesi ve ısı iletiminin istendiği koşullarda kullanılmaktadır [17,18].
- Dökme Demirler : Dökme demirler hem iyi bir mühendislik malzemesi, hem de
ucuz olmalarından dolayı oldukça sık kullanılan malzeme gruplarının başında gelir. Dökme demirlerin sünekliklerinin düşük olmasından dolayı mekanik işlemlerle şekillendirilmeleri oldukça zordur. Ancak kolay ergitilebilirler ve son derece karmaşık şekillerdeki son boyutlarda rahatlıkla dökülebilirler. Dökme demirlerde, karbon ve silisyum oranları arasındaki denge değiştirilerek, çeşitli metalik ve metalik olmayan elementler ile alaşımlandırma yapılarak, ergitme, döküm ve ısıl işlem uygulamaları değiştirilerek, mukavemet, sertlik, işlenebilirlik, aşınma ve korozyon
direnci özellikleri istenen değerlere çekilebilir. Dökme demirler, kimyasal bileşim, üretim sırasındaki soğuma hızı, uygulanan sıvı işlemi ve ısıl işlemin farklılık göstermesine bağlı olarak çeşitli sınıflara ayrılır. Endüstride en çok kullanılan dökme demir çeşitleri gri dökme demir, küresel grafitli dökme demir, beyaz dökme demir, ve temper dökme demirdir. Şekil 2.6‟da dökme demirlerde tipik grafit şekilleri verilmektedir [16, 17].
ġekil 3.1 ASTM A 247‟ye göre dökme demirlerde tipik grafit şekilleri
I-küresel grafit, II-hatalı biçimlenmiş küresek grafit, III-temper grafit, IV-yumru grafit, V-yengeç şekilli grafit, VI- düzensiz tipte küreler, VII-lamel grafit [17]
-Demir Esaslı Sinter Malzemeler : Toz metalurjisi yöntemi ile yağ emdirilmiş, kendi
kendini yağlayan kaymalı yataklar ve kayma elemanları, yüksek kaliteli ve karmaşık parçalar ekonomik olarak üretilebilmektedir. Toz metalurjisi farklı boyut, şekil ve paketlenme özelliğine sahip metal tozlarını sağlam, hassas ve yüksek performanslı parçalara dönüştürür. Bu işlem; şekillendirme veya presleme ve daha sonra parçacıkların sinterleme yolu ile ısıl bağlanması basamaklarını içerir. Toz metalurjisi düşük enerji tüketimi, yüksek malzeme kullanımı ve düşük maliyete sahip
otomatikleşmiş sistemleri kullanması sayesinde verimlilik, enerji ve hammadde gibi günümüz kaygılarını ortadan kaldırır. [18,19].
Toz Metalurjisi ile üretilen yataklar genel olarak kullanılan malzeme bileşimine göre;
- Sinter Bronz Malzemeler
- Sinter Demir-Bronz Malzemeler
- Demir Esaslı Sinter Malzemeler şeklinde sınıflandırılabilir [18].
Sinter yataklar, toz büyüklüğü, toz büyüklük dağılımı, sıkıştırma basıncı ve sinter koşullarının uygun seçilmesiyle, belirli sınırlarda değişebilen gözenek hacmine sahip olarak imal edilir ve daha sonra yağ emdirilir. Hareketsiz halde ya da çok düşük kayma hızlarında gözenek hacminde bulunan yağın kapiler kuvvetiyle, gözeneklerin ve yatak boşluğunun kapiler kuvveti denge halinde bulunur. Hareketin başlamasıyla, karşı malzeme ve yatak arasında ince bir film tabakası meydana gelir. Çalışma esnasında yağ, gözenek hacmi içerisinde yüklenen bölge sahasına basılır ve gözeneklerin yüklenmeyen bölge hareket eden yağ, yağlama kanalına sevk edilir ve böylece yağ dolaşımı tam olarak sağlanmış olur. Çalışma sona erdiğinde mil üst yüzeyi ve yatak çalışma yüzeyi arasında bulunan yağ, kapiler etki ile büyük ölçüde tekrar yatak içerisine geçer [19].
Yağ emdirilmiş sinter yatakları kullanımında, karşı malzemenin sertliği ve yüzeyi önemli rol oynar. Oluşan yağ filmi çok ince olduğu için, yatak yüzeyi ile metalik temasların mümkün olduğunca küçük pürüzlüklerde olmasına çalışılır. Aksi takdirde, yatağın ömrü çok düşer. Bundan dolayı, milin sertleştirilmesi ve hassas taşlama, lepleme ya da parlatma ile çok iyi işlenmesi gerekir [19].
Sinter yatakların üstünlüğü, daha çok küçük kayma hızlarındadır. Bu durumlarda masif yatakla gerekli yağ filminin teşekkül ettirmek genellikle mümkün olmaz. (sınır yağlama koşulu). Gözenekli olmalarında ve bundan dolayı da sürekli dayanım değeri nispeten düşük olduğundan, darbeli yüklerde sinter yataklar kullanılmaz. Her koşul altında, emdirilen yağın oksidasyona ve yaşlanmaya dayanıklı olması gereklidir. Yağ emdirilmiş yataklar yanında, katı madde yağlamalı sinter yataklar da kullanımda önemli bir yer işgal eder. Bu yataklarda, toz halindeki yağlayıcı katı maddeler presleme ve sinterleme esnasında ana karışım içerisine katılırlar. Daha çok
demir ya da bronz esaslı kayma malzemeleri içerisine, %4 ile %20 kadar kayma sağlayan grafit, molibdendisülfür ya da kurşun katılabilir. Metal grafit kompozit malzemelerde, kayma yüzeyi üzerinde grafit filmi teşekkülü ile yağlama etkisi sağlanır.
3.2.2. Ġkili Metal Sistemleri
İkili metal sistemlerde güçlü bir yatak altı yapısı sağlamakta, bu mukavemetli yatak altı malzemesi yumuşak, mukavemetsiz ve nispeten ince bir yatak alaşımı ile kaplanmaktadır. Düşük karbonlu çelikler en yaygın kullanıma sahip yatak altı malzemeleridir. Alaşım çelikleri, bronzlar, pirinçler ve alüminyum malzemeler de yatak altı malzemesi olarak kullanılmaktadır. [17]
En yaygın kullanıma sahip yatak malzemeleri “babbitt” metal, bakır-kurşun alaşımı ve alüminyumdur. Babbitt metali, kurşun, bakır, antimuan ve/veya arsenik içeren alaşımlardır ve son derece uygun yüzey özelliğine sahip, yüzey kalitesi ve kayganlığı yüksek olan malzemelerdir. Ancak yorulma dirençlerinin düşük olması en büyük dezavantajlarıdır. Yüksek yük kapasiteleri, yüksek yorulma direncine ihtiyaç duyulan ve yüksek sıcaklıkta yapılan uygulamalarda, babbitt metalleri tercih edilmez [16]. En iyi yüzey performansını kalay esaslı ve kurşun esaslı babbitt malzemeler göstermektedirler. Sınır yağlama koşullarında iyi çalışır ve çeliğin zarar görmesini engellerler. Mükemmel yüzey uygunluğu (compatibility) ve kalitesi ile gömülebilme kabiliyetine (embeddability) sahiptirler, bu sayede üretim sırasında ortaya çıkan geometrik hataları tolere edebilir, kirlilik yaratan partiküllerin yüzeylerine gömülmesini sağlayabilirler. En sık kullanılan Babbitt malzemeler yaklaşık % 4-8 bakır, % 4-14 antimon içeren kalay esaslı malzemeler ile maksimum % 29 kalay, % 10-15 antimon içeren kurşun bazlı malzemelerdir. Kalay esaslı Babbitt malzemeler sahip oldukları daha iyi korozyon direnci, zayıf yağlama koşullarında karşı malzeme üzerine sıvanma eğiliminin daha düşük oluşu ve çelik yatak altı malzemelere iyi yapışmaları nedeniyle kurşun esaslı Babbitt malzemelere oranla daha çok tercih edilmektedir. Fakat kalayın daha pahalı olmasından dolayı çoğu uygulamada korozyona karşı önlemler alınarak (korozyonu önleyici yağ kullanımı ile) kurşun esaslı Babbitt malzemeler kullanılmaktadır [17].
Babbitt metallerin yüksek mukavemetli bronz veya çelik yatak altı malzemelere yapışmaları çok iyidir. Babbitt tabakası kalınlığı uygulamaya göre değişmektedir.
Optimum mukavemet ve yorulma direnci 0,001-0,005 in. lik kalınlıkta elde edilir, fakat bu durumda yüzey uygunluğu ve gömülebilme kabiliyeti düşer. Daha kalın Babbitt tabakaları iyi yüzey uygunluğu ve gömülebilme kabiliyeti istendiği, fakat yüksek yorulma direncine ihtiyaç duyulmadığı uygulamalarda kullanılır[17].
Tekli sistemlerdeki alüminyum ve bakır alaşımları ile ikili sistemler karşılaştırılırsa ikili sistemlerde diğer özelliklerde herhangi bir kayıp olmaksızın, yükleme kapasitesinin büyük miktarda arttığı görülmektedir [15]. İnce tabakalı üretim, kurşun ve kalay yapılara güçlendirici etki yapar. Yükleme kapasitesi %50‟ye yakın bir oranda artar. Benzer bir durum bakır ve alüminyum alaşımlarda görülse de inceltme etkileri bu kadar belirgin olmamaktadır. İkili metal sistemler biyel ve ana yataklarda ancak 48 MPa‟lık yüklemelere maruz kalacak koşullarda kullanıma uygundur. Bronz yatak altı malzemeleri çelik yatak altı malzemeleri kadar başarılı performans karakteristiği sergilememektedir [17].
3.2.3. Üçlü Metal Sistemleri
Üçlü metal sistemleri ağır yük uygulamaları için geliştirilmişlerdir. Yataklarda hem iyi yüzey kaliteleri elde etmek, hem de yorulma direncini yükseltmek için önce çelik yatak altı tabakası gerekli kalınlıkta bakır/kurşun veya alüminyum alaşımı ile kaplanır. Bunun üzerine ince bir Babbitt metal tabakası (25-50mm kalınlığında) döküm veya elektroliz yoluyla kaplanır. Babbitt tabakası istenilen yüzey kalitesini ve kayganlığını sağlarken, altındaki yatak malzemesi de yorulma direncini yüksek tutar. Herhangi bir nedenle (aşırı yük, vibrasyon vb. gibi) Babbitt tabakası sıyrılacak olursa bakır- kurşun veya alüminyum tabakası yatak malzemesi olarak görev yapmaya devam eder. Yumuşak malzemeler çok daha ince bir tabaka halinde yüke maruz kalırsa yorulma dirençleri daha fazla olur. Kalın tabakalarda yorulma daha çabuk görülür. Yüzeyde veya yüzeyin altında oluşan çatlaklar giderek yatağın hasar görmesine neden olur [16,17].
Bu tür yatak malzemeleri ikili metal sistemlerindeki kalın babbitt yüzey tabakaları kadar iyi gömülebilme (embeddability) özellikleri göstermemelerine rağmen, yüksek yük uygulamalarında sıkça kullanılmaktadırlar [17].
4. KOMPRESÖR BĠYEL PERNO DELĠĞĠ- PERNO YATAĞINDA KULLANILMASI ÖNERĠLEN MALZEMELER VE YÜZEY ĠġLEMLERĠ
Kompresörlerde kullanılan yataklarda en fazla aşınma biyel perno deliği-perno yatağında görülmektedir. Biyel kolu ve perno temas noktasındaki düşük hız ve yüksek yük değerleri sınır yağlama koşuluna neden olmakta, yüzeyleri birbirinden tam olarak ayıracak yağ filmi oluşamadığından yüzeydeki pürüzler (asperity) arasında direk temas oluşmaktadır. Bu durum yüksek sürtünme katsayısı ve şiddetli aşınmaya yol açar.
Bu nedenle çalışmada biyel perno deliği-perno yatağında kullanılan malzemelerin ele alınması, bu malzemelerin aşınma, sürtünme özelliklerinin belirlenmesi, aşınma ve sürtünmeyi azaltacak farklı malzeme çifti seçeneklerinin araştırılması amaçlanmıştır. Biyel perno deliği- perno yatağı için düşünülen malzeme çiftlerinin seçiminde işlenebilirlik, maliyet, ağırlık azaltmaya ve daha esnek yeni tasarımlara olanak verebilecek mekanik özellikler, perno ve biyel malzemesinde en düşük aşınma miktarı ve sürtünme katsayısı göz önüne alınmalıdır.
Biyel malzemesi olarak demir esaslı sinter malzeme, perno malzemesi yatak çeliği olan SAE51200 (100Cr6) çelik malzeme seçilmiş ve bu çiftlere farklı yüzey işlemleri uygulanarak aşınma ve sürtünme önlenmeye çalışılmıştır.
4.1. Biyel Malzemesi ve Biyel Yüzeyine Uygulanan ĠĢlemleri
Biyel malzemesi olarak toz metalurjisi yöntemi ile üretilmiş demir esaslı malzeme seçilmiştir. Bu malzemelere ilk olarak buhar işlemi uygulanmakta, ardından mangan fosfat kaplama yapılmaktadır.
4.1.1. Buhar ĠĢlemi
Buhar işlemi, aşınmaya maruz kalan parçaların yüzey sertliğini arttırmak için kullanılan, sinter endüstrisinin ikincil operasyonlardan biridir. Buhar işlemi 400-600°C sıcaklıklarda ve atmosferik basıncın biraz üzerindeki basınçlarda, önceden ısıtılmış parçalar üzerine uygulanır. İşlem süresi 2 saat kadardır [21]. Sinter malzemelerde birbirine bağlı gözenek ağları bulunduğundan, buhar malzeme içerisinden rahatlıkla geçmektedir. Böylece yüksek sıcaklıkta buhar geçişi ile sadece dış yüzeyde değil, birbirine bağlanmış bu ağ yapısının tüm yüzeylerinde de demir
oksit filmi oluşur. Buhar işleminde kullanılan sıcaklığa ve atmosfer şartlarına bağlı olarak hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3O4), wüstit (FeOx) olmak üzere 3 farklı demir
oksit türü elde edilebilir. Buhar işlemi sonucunda magnetit filmi (Fe3O4) oluşması,
tabakanın yüzeye iyi yapışması ve yoğun bir yapıya sahip istenir [22].
İşlem 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 reaksiyonu gereğince gerçekleşir. Magnetit
oluşumu yalnızca PH2O / PH2 oranı 0,1 ve 1, sıcaklık ise 400-600°C arasında
olduğunda gerçekleşir. Düşük sıcaklıklarda (25°C) demir buharla reaksiyona girdiğinde oluşacak ürün Fe(OH)2 olacaktır. Sıcaklık 60°C ye yükselirse Fe3O4 elde edilir. 570°C nin altındaki sıcaklıklarda FeO oluşumuna rastlanmaz. 570-700°C arasında hem FeO hem de Fe3O4 elde edilir ve sıcaklık arttıkça FeO miktarı artar.
Fe/O2 ikili faz diyagramına bakıldığında (şekil 4.1) FeO in 570°C nin üstündeki
sıcaklıklarda ötektik olarak α-Fe ve Fe3O4 ye ayrıştığı görülmektedir [23].
ġekil 4.1 Fe/O2 ikili faz diyagramı [23].
Buhar işleminin başlangıç hızı oldukça yüksektir, ağırlık artışından hesaplanan değerlere göre toplam ağırlığın %50 si ilk 10 dakika içinde kazanılmaktadır. İlk bir saatin sonunda reaksiyon hızı oldukça düşmektedir [23].
Buhar işleminin avantajları ;
Yüzeyde, sertliği 50 HRC civarında olan magnetit tabakası oluşumu ile malzemenin abrasif aşınmaya karşı direncini arttırır. Oksit yalnızca yüzeyde
aşınma etkisi ile yüzeyde bulunan oksit tabakası zarar görse de gözeneklerdeki oksit, aşınma direncine katkıda bulunacaktır. İşlem şartlarına bağlı olarak malzeme sertliğinde de % 40-100 civarında bir artış olacaktır.
Oksit tabakası yüzeye oldukça iyi yapıştığından çatlak, boşluk gibi yüzey hataları oluşumuna daha az eğilimlidir.
İşlem şartlarına bağlı olarak basma mukavemetinde yaklaşık %25 artış görülür.
Yüzeyde 5 mikron civarında bulunan oksit tabakası geçirgen olmadığından malzemenin korozyona karşı direncini de arttırmaktadır.
Yüksek yoğunluğa sahip sinter malzemelere buhar işlemi uygulandığında yüzeyde bulunan gözenekler tamamen kapanır, sıvı ve gaz geçişi engellenir. Böylece malzemeye elektrolitik kaplama yapılacaksa, gözeneklere elektrolit doluşu engellenmiş olur. Gözeneklerin tamamen kapanması sayesinde parçalar yüksek basınçlı gazlardan da korunmuş olur.
Boyutsal olarak çok küçük bir değişiklik meydana geldiği için (en fazla 10 mikron) herhangi bir boyutsal probleme yol açmaz.
Ekonomik bir işlemdir.
Buhar işlemi sonucunda çekme mukavemetinde, darbe direncinde ve süneklik değerlerinde düşüşün görülmesi de bu işlemin dezavantajlarıdır. [23]
Buhar işlemi yapılacak sinter malzemelerde; yüzeyin yağlayıcı ve diğer istenmeyen maddelerden tamamen arındırılmış olması, Fe2O3 oluşumunu engellemek amacıyla
fırındaki havanın buhar verilmeden önce atılması, fırının tüm noktalarının buhar verilmeden önce 100°C ye kadar ısıtılması, böylece 2 Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
reaksiyonunun engellenmesi gerekmektedir. [24]
Bu yüzey işlemini etkileyen başlıca proses parametreleri sıcaklık, süre, oksit atmosferinin bileşimi, malzemenin kimyasal bileşimi, yoğunluğu ve malzemenin toz tipidir [22].
4.1.1.1. Malzemenin kimyasal bileĢiminin etkisi
Kimyasal bileşimin ve alaşım elementlerinin; ana malzemenin mekanik özellikleri ile demirin oksidasyonuna etkisi bulunmaktadır.
Bakır, parçaların mekanik özellikleri geliştirdiği için demr esaslı sinter malzemelerde alaşım elementi olarak kullanılmaktadır. Molinari ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarda [24,25], bakırın demir esaslı sinter malzeme içinde homojen olarak dağılmadığını, metalik formda ya da ana malzeme ile katı çözelti oluşturmuş şeklinde tane sınırlarında biriktiğini görmüşlerdir. Ayrıca bakırın demir katı çözeltisindeki aktivitesinin de düşük oluşu, oksitleyici atmosferde reaktivitesini düşürmektedir. Bu nedenle de buhar işleminde sadece demir oksitlenirken, bakır metal-oksit ara yüzeyinde kalmaktadır. Seçici oksitlenme nedeniyle yüzeyde mikro hatalar ve iç gerilmeler oluşmaktadır. Bakırın mikro yapıda yarattığı homojensizlik ve demirle bakırın oksidasyona karşı farklı davranışları, yüzeyde farklı kalınlıkta oksit tabakasına neden olmaktadır. Bu homojensizlikler nedeniyle oksit tabakasının yapışması kötü olmakta ve yoğun bir yapı sağlanamamaktadır.
Razavizadeh ve Davies yaptıkları çalışma sonucunda [26], bakır içeren demir esaslı sinter malzemelerde, bakır miktarı arttıkça abrasif aşınmaya karşı direncin de arttığını, fakat bakır içeren demir esaslı sinter malzemeye buhar işlemi uygulanmasının aşınma direncine negatif etkide bulunduğunu görmüşlerdir. Bu negatif etkinin sebebi bakırın oksitle dolan gözenekler etrafında çökelti oluşturması ve bu çökeltilerin çatlak ve boşluk oluşumunu kolaylaştırmasıdır.
Karbon katkısı ise demirin sertliğini arttırıcı etkisi bulunmaktadır. Fakat sertliği arttırıcı etkisinin dışında buhar işlemi sırasında karbonun malzemeye pozitif etkisi bulunmaktadır [26].
Sonuç olarak kimyasal bileşim malzemelerin aşınma davranışını belirgin şekilde etkilemektedir. Bu nedenle toz metalurjisi ile üretilmiş malzemelere buhar işlemi uygulanması tasarlanırken kimyasal bileşim önemli bir proses parametresidir. Bileşimde bakır katkısından mümkün olduğunca kaçınılması gerekirken, karbonun pozitif etkisi göz önünde bulundurulmalıdır [25].
4.1.1.2. Malzeme Yoğunluğunun Etkisi
Yapılan çalışmalar sonucunda, düşük yoğunluğa sahip parçalarda yüzeyde oluşan oksit kalınlığının daha fazla, boşlukların daha büyük, pürüzlülük değerlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür.
Malzeme yoğunluğunun artışı sertlik değerlerini de düşürmektedir. Sertlik, yüzeydeki oksit tabakasından ve oksidin gözeneklere doğru hareketinden etkilenmektedir. Düşük yoğunluklarda gözeneklerin oksitle doluşu ilk bir saat için yüksektir. Sonrasında işlem süresinden etkilemez. Buhar işleminin süresi sadece yüksek yoğunluğa sahip malzemeleri etkilemektedir. Yüksek yoğunluğa sahip malzemelerde gözeneklerin doluşu sınırlıdır, bu nedenle dış yüzeyin aşınma direncine katkısı önem kazanır [27].
Leheup ve arkadaşları demir esaslı sinter malzemenin karşılıklı aşınma (reciprocating) hareketi yapan aşınma test cihazında yaptıkları testleri sonucu, yoğunluk veya gözenekliliğinin düşük hız değerlerinde aşınma davranışına çok fazla etkisinin bulunmadığını, yoğunluğun etkisinin artan hız ile arttığını görmüşlerdir. Birbirine bağlı ağ yapısı gösteren gözeneklerin kapanmasının aşınma mekanizmasına etkisi büyüktür. Yoğunluk değerinin ve tribolojik koşulların değiştirilmesi ile birbirinden 7 kat farklı aşınma miktarı sonucu elde edilebileceğini belirtmişlerdir. Bununla birlikte gözenek miktarının sürtünme katsayısına herhangi bir etkisi yoktur [28].
4.1.1.3 SıkıĢtırma Basıncının Etkisi
Sıkıştırma basıncı ve toz büyüklüğü gözenekliliğe, demir matriksi ve gözenek morfolojisine etkide bulunmaktadır. Gözeneklilik miktarı yüksek olan örneklerde oksit miktarının da yüksek olduğu belirlenmiştir. Sinter malzemelerde düşük miktarda gözeneklilik yüksek sıkıştırma basıncı kullanarak elde edilebilir. Tozların boyutları da gözeneklilik miktarı ile ters orantılıdır. Sıkıştırma basıncı ve toz tanecik büyüklüğünde yapılacak değişikliklerin toz şekline etkisi olmayacaktır [28].
Belirli bir toz büyüklüğü için sıkıştırma basıncı arttığında ya da sıkıştırma basıncı sabit tutulup toz büyüklüğü arttırıldığında gözeneklilik miktarında büyük bir azalma görülmektedir.
Toz büyüklüğü arttığında toz şekli küreden sapmaktadır. Sıkıştırma basıncının gözenek morfolojisine belirleyici bir etkisi bulunmamaktadır.
Birbirine bağlı ağ yapısı oluşturan gözeneklerdeki oksit miktarı sıkıştırma basıncı ve toz büyüklüğü arttıkça azalmaktadır. Oksit miktarı gözeneklilikten oldukça fazla etkilenmektedir.
Toz boyutlarının azalması sıkıştırma basıncının artması ile sağlanmakta ve bu durum ana malzeme sertliğinin artmasına neden olmaktadır [28].
Eyre ve Walker yaptıkları çalışmada gözenekli sinter demir malzemelerin sıkıştırma basıncı ve sinterleme sıcaklığı arttırılıp, gözeneklilik miktarı azaltılarak aşınma özelliklerinin iyileştirilebileceğini görmüşlerdir [28].
4.1.1.3. Sertliğin Etkisi
Razavizadeh ve Davies yaptıkları çalışmada [23] sinterlenmiş malzemelerin sertliğinin, yoğunluğun bir fonksiyonu olduğunu görmüşlerdir. Buhar işlemine tabi tutulan tüm parçaların sertliğini artmaktadır, fakat 450°C de buhar işlemi uygulandığında, yüksek yoğunluğa sahip malzemeler, düşük yoğunluğa sahip malzemelere oranla daha yüksek sertlik değerine sahipken, 600°C de buhar işlemi uygulandığında düşük yoğunluğa sahip malzemeler, yüksek yoğunluğa sahip malzemelere oranla daha yüksek sertlik değerine sahiptir.
Razavizadeh ve Davies sertlik ve aşınma ilişkisini incelemek için yaptıkları diğer bir çalışmada [26] aynı sertlik değerine sahip malzemelerin farklı aşınma özelliklerine sahip olduğunu görmüşlerdir. Buhar işlemi görmüş Fe-Cu alaşımları ve yalnızca sinterlenmiş alaşımlar için farklı koşullarda yapılan deneylerde en yüksek sertliğe sahip olan alaşımlarda en az aşınma hacmi ile karşılaşılmıştır. Fakat buhar işlemi görmüş bakır içeren alaşımların sertliği, bakır içermeyen sinter alaşımlarından daha yüksek bile olsa aşınma hacmi daha büyük çıkmıştır. Bu durum bakır içeren malzemelere buhar işleminin olumsuz etkilediğinin bir göstergesidir [26].
4.1.1.4. Isıl ĠĢlemin Etkisi
Molinari ve Straffelini sinterlenmiş malzemelere uygulanan buhar işlemi ve ısıl işlemin aşınma davranışlarına etkisini görmek amaçlı yaptıkları çalışmada farklı bileşimlerdeki sinter malzemeleri 540°C de buhar işlemine tabi tutmuşlar, bir grup sinter malzemeye de ısıl işlem uygulamışlardır. (860°C de 10 dakika östenitleme+ 65°C de yağda su verme + 2 saat 150°C de temperleme). İşlem sonunda en yüksek sertlik ve en düşük aşınma hızı değerleri ısıl işlem uygulanan örneklerde
görülmüştür. Buhar işlemi uygulanmış malzemelerin sertlik değerleri işlem uygulanmamış parçalara göre daha yüksek, aşınma hızları daha düşüktür. Yapılan deneyler sonucunda malzemeye buhar işlemi veya ısıl işlem uygulayarak plastik akışa karşı direnci arttırmanın malzemenin aşınma davranışına olumlu etkisi olduğu anlaşılmıştır [29].
Isıl işlem görmüş parçalarda aşınma deneyi sonunda yalnızca oksidatif aşınma görülürken işlem görmemiş ve buhar işlemi görmüş parçalarda hem oksidatif aşınma (yüzeyde oksit parçaçıklarının oluşumu) hem de ara yüzey tabakaları arasında plastik kayma görülmüştür. Plastik kayma miktarı işlem görmemiş parçalarda daha fazladır. [29]
Bilindiği gibi buhar işlemi dış yüzeyde ve birbirine bağlanmış gözeneklerde oksit tabakası oluşumu ile malzemeyi sertleştirmektedir. Dış yüzeydeki oksit tabakası zarar gördüğü zaman gözenekler içinde bulunan oksit filmi etkisini göstermektedir. Fakat buhar işleminin malzemeye faydası sınırlıdır, çünkü zayıf bir sertleştirme işlemi yapılmaktadır. Isıl işlemde ise martensitik dönüşüm sayesinde oldukça yüksek miktarda sertlik artışı sağlanmaktadır. Plastik akışa karşı direnç, ısıl işlemle arttırıldığından tabakalar arası plastik kayma görülmez, malzemede etkili olan mekanizma yalnızca oksidatif aşınmadır. [30]
4.1.2. Mangan Fosfat Kaplama
Mangan fosfat kaplamalar, metal yüzeyinde yağ tutabilme kabiliyeti yüksek, aşınmaya karşı dirençli bir kristal tabakası oluşturarak metal metal sürtünmelere engel olmak amacıyla yapılan dönüşüm kaplamalarından biridir. Sahip oldukları gözenekli yapı sayesinde uygulanan yağlayıcıyı absorbe etmekte, böylece sürtünmeden dolayı meydana gelebilecek performans kayıplarını ve aşınmaları azaltmaktadır. Ayrıca, sıvanmayı (scuffing, galling) engellemekte ve yüksek yük altında hafifçe deforme olarak maksimum gerilme konsantrasyonlarını düşürmektedir. Özellikle yüksek kaplama ağırlığına sahip mangan fosfat kaplamalar (10-40 g m-2) yüzeylerin ilk çalışmaya başlaması aşamasında (running-in period) görülen kazımalı aşınma hasarlarını minimuma indirmektedir [31]. Bu kaplamalar iyi aşınma direncine sahip olmalarının yanında çok iyi korozyon direncine de sahiptirler [32].
Mangan fosfat kaplama işlemi yağ alma, su ile durulama, aktivasyon ve fosfatlama aşamalarından oluşur. Alkali çözeltilerde yağ alma ve durulama işlemlerinin ardından ön – fosfatlama görevini yapan aktivasyon işlemi uygulanır. Aktivasyon banyoları Mn, Mg, veya Na fosfat çözeltileri içerirler ve aktivasyon işlemi sırasında çelik yüzeyinde metalik tuz tabakası oluşur. Bu oluşum fosfat kristallerinin kolay yapılanmasını ve homojen, yoğun bir kaplama elde edilmesini sağlar. Aktivasyon işlemi uygulanmaması halinde fosfatlama işlemi sonucu kaba kristal yapısına sahip, oldukça kalın kaplamalar elde edilir. [32].
Mangan fosfat banyoları ortofosforik asit H3PO4, mangan fosfat tuzu Mn(H2PO4),
oksidanlar ve katalistleri içerir, işlem sonunda 1 ve 2 reaksiyonları gereğince yüzeyde (Mn, Fe)5H2(PO4)2 “hureaulite” elde edilir [32].
Fe + 2H+ → Fe+2 + H2 (1)
5 Mn+2+ 10 H2PO4- → Mn5H2(PO4)4 + 6 H+ + 6 H2PO-4 (2)
Kademelerden ilki, çeliğin elektrokimyasal olarak çözünmesi (1); ikincisi ise fosfat kristallerinin çökelmesidir. Gerçekleşen (1) reaksiyonu ile H+ iyonları redüklenir ve H2 gazı oluşur. NO3- gibi oksitleyici maddelerin katkısı (hızlandırıcılar) ile metal yüzeyinde tabaka oluşmasını engellenerek çözünme prosesi hızlandırılır. Fosfatlama prosesinin ilk aşaması yöntemin verimini belirlemesi açısından önemlidir. Prosesin ikinci aşaması sırasında, metal yüzeyine yakın bölgelerde gerçekleşen pH artışı, fosfat yapılarının (2) no.lu reaksiyon sonucu çökelmesine sebep olur. Ardından banyoda bulunan Fe2+ iyonları karışık yapılı “hureaulite” (Mn,Fe)5H2(PO4)2,4H2O oluşumunu sağlar.
4.1.2.1. Üretim Parametrelerinin Kaplama Özelliklerine Etkileri
Yağ Alma: Yağ alma banyolarının konsantrasyonu metal yüzeylerindeki kirliliğinin
derecesine ve yüzeyin yapısına bağlıdır. Yağ alma işleminde etkili olan parametreler sıcaklık, daldırma süresi ve banyonun konsantrasyonudur.
Yağ Alma Banyosu Sıcaklığı: En iyi sonuç 75-80° C de yapılan yağ alma işlemi ile alınmaktadır. Yüksek sıcaklıkta temizleme işleminin yapılması, yüzeyde oksidasyona neden olmakta ve kristal oluşumunu zorlaştırmaktadır.
