Bakır-grafit esaslı elektrik fırçalarının toz metalurjisi yöntemiyle üretimi ve özelliklerinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, bakır-grafit esaslı fırçaların üretimi ile üretim parametrelerinin fırça özelliklerine etkileri araştırıldı. Elektrolitik bakır tozu ve doğal grafit tozu kullanılarak hazırlanan karışımlardan toz metalürjisi yöntemiyle fırçalar üretildi. Yapılan incelemede ağırlıkça % 60-95 oranında bakır içeren toz karışımlarının optimum presleme basıncı 200- 250 MPa, sinterleme sıcaklığı 800°C ve sinterleme süresi 30 dakika olarak belirlendi. Belirlenen şartlarda üretilen fırçaların eğilme dayanımları, özdirençleri, tribolojik ve elektrotribolojik özellikleri, tasarlanarak imal edilen deney düzenekleri kullanılarak ölçüldü. Bakır-grafit esaslı fırçaların eğilme dayanımı ve sertliğinin artan bakır oranı ile arttığı, özdirenç ve gerilim düşümünün ise azaldığı gözlendi. Akımsız şartlarda (10 N, 14.1 m/s) yapılan sürtünme ve aşınma deneylerinde sürtünme katsayısının artan bakır oranıyla az miktarda azaldığı, özgül aşınmanın ise arttığı tespit edildi. Akımlı şartlardaki (10 N, 14.1 m/s, 20A) sürtünme katsayılarının akımsıza göre daha düşük olduğu ve buna karşılık firça çalışma sıcaklığının daha yüksek olduğu görüldü. Akımsız sürtünmede özgül aşınmanın firça yükü arttıkça (1-20 N) arttığı saptandı. Akımlı sürtünmede ise 3 N'nun altında ark etkisiyle aşın aşınma oluştuğu, 3-20 N aralığında ise artan yükle arttığı görüldü. Sürtünme katsayısı ve gerilim düşümünün artan fırça yüküyle (5N-15N) düştüğü belirlendi. Kayma hızı arttıkça (7-15 m/s) sürtünme katsayısının düştüğü, gerilim düşümünün ise arttığı gözlendi. Sürtünme katsayısın artan akım şiddetiyle (10A-40A) düştüğü, gerilim düşümü ve özgül aşınmanın ise arttığı görüldü. Karşılaştırma yapmak amacıyla soğuk ve sıcak presleme yöntemleriyle bakır-grafit esaslı ve reçine bağlı fırçalar da üretildi. Yalıtkan özellikte reçine içeren bu fırçaların özdirenci daha yüksek bulundu. Elektrik fırçalarında ilk defa bu çalışmada uygulanan piroliz işlemiyle reçine kömürleştirildi. Piroliz işlemiyle eğilme dayammı ve sertlik bir miktar düşmekle birlikte iletkenlikte artma gözlendi. Elektriksel güç kayıpları ve akım altında aşınma azaldı. Piroliz işlemi uygulanan fırçalarda da özdirenç artan bakır oranı ile azaldı. Bu tür fırçalar da, akımlı ve akımsız şartlardaki sürtünme ve aşınma deneylerinde bakır grafit esaslı fırçalara benzer davranışlar gösterdi. Sıcak preslenerek üretilen aynı bileşimdeki piroliz uygulanan fırçalarda eğilme dayammındaki düşmenin daha az oranda olduğu ve iletkenliğin daha yüksek olduğu görüldü. Toz metalürjisi yöntemiyle üretilen bakır-grafit esaslı fırçalara ZnO, M0S2 ve Pb tozu katılarak üretilen fırçalarla yapılan deneylerde, gerilim düşümü en az kurşun katkılı fırçada ölçülürken, en düşük aşmma ZnO katkılı fırçada ölçüldü. M0S2 katkısının akımsız aşınmayı düşürdüğü, akımlı aşınmayı ise artırdığı belirlendi. Toplam güç kayıplarına göre karşılaştırıldığında performansı en yüksek olan fırçaların sırasıyla CU90, CU80,CU85PB5 ve CU85ZN05 kodlu fırçalar olduğu tespit edildi. Anahtar Kelimeler. Fırçalar, Metal-Grafıt Fırçalar, Piroliz İşlemi, Triboloji, Toz Metalürjisi

SUMMARY Manufacturing of Copper-Graphite Electrical Brushes by Powder Metallurgy Technique and Investigation of Their Properties In this study, manufacturing of copper-graphite electrical brushes and effects of production parameters on the brush characteristics were investigated. Copper-graphite electrical brush specimens were prepared using electrolytic copper powder and natural graphite powder by powder metallurgy. Optimum compacting pressure, sintering time and sintering temperature were 200-250 MPa, 30 minutes and 800 °C respectively. Bending strength, electrical resistivity, tribological and electrotribological properties of prepared brush specimens were measured using equipments which were especially designed and manufactured in this study. Bending strength and hardness increased and electrical resistivity and voltage drop decreased with increasing copper content. The coefficient of friction decreased and specific wear rate increased with increasing copper content without current (10 N, 14.1 m/s). The coefficient of friction with current was found higher than that of without current but brush service temperatures were relatively higher. Specific wear rate increased with increasing brush load (1-20 N) without current. During the tests under current specific wear rate increased with increasing brush load in between 3-20 N but below 3 N brush load, specific wear rate sharply increased due to arcing effects. The coefficient of friction and voltage drop decreased with increasing brush load (5-15 N). Sliding velocity (5-15 m/s) and current (10-40 A) increased voltage drop and decreased friction coefficient of copper-graphite brush specimens. A series of resin bounded copper-graphite brushes were manufactured by cold and hot pressing techniques for comperison. The resistivity of resin bounded brushes were found relatively higher due to its non-conductive resin content. Pyrolysis was applied in order to carbonize the resin and to increase the conductivity of the brushes at 700 °C. This prosess was applied for the first time in this study for brushes. Pyrolysis improved conductivity 2-56 times depending on copper content and bending strength and hardness were decreased slightly. Resin bounded brushes showed the same friction and wear behaviour with and without current as that of copper-graphite brushes. Electrical power losses and wear with current decreased in pyrolysed brushes. The drop in bending strength due to pyrolysis was smaller and conductivity was relatively higher in hot pressed and pyrolised resin bonded brushes. Copper-graphite brushes with additives such as Pb, ZnO, and M0S2 were also manufactured to study the effects of additives on brush properties. The test results showed that the voltage drop was the lowest in Pb containing brushes but wear rate was the lowest in ZnO containing brushes. M0S2 addition decreased the wear rate without current but increased it with current. Based on total brush power loss, the best brush grades were order of CO90, CU80, CU85PB5 and CU85ZN05. Key Words: Brushes, Metal-Graphite Brushes, Pyrolysis, Tribology, Powder metallurgy VI