Kaymalı yataklarda tribolojik özelliklerin ve borlanmış demir esaslı malzemelerin yatak olarak kullanılabilirliğinin belirlenmesi

Abstract

ÖZET Makina elemanı olarak yataklar iki eleman arasındaki bir veya birkaç yönde izafi harekete minimum bir sürtünme ile izin veren fakat kuvvet doğrultusundaki harekete engel olan elemanlardır, izafi hareketin dönme olması halinde destekleyen eleman yatak olarak ifade edilir. Genellikle milleri veya aksları destekleyen yataklar kaymalı ve rulmanlı olmak üzere iki gruba ayrılır. Kaymalı yataklar muylu ile yatak arasında bir yağ filmi oluşturarak parçaların birbirine doğrudan temas etmemesi, sürtünmenin sıvı sürtünme şekline dönüştürülmesi esasına dayanır. Kaymalı yatak malzemeleri genellikle mil malzemesine göre daha düşük aşınma dayanımına sahip malzemelerden seçilir. Böylece mil malzemesinin aşınmadığı veya ihmal edilebilecek kadar az aşındığı varsayılmaktadır. Bunun yanında; mil malzemesi çelikten imal edilmekte ve yatak malzemesi ise mikrokaynaklanma sonucu oluşan adhesiv aşınmayı önlemek için demir dışı malzemelerden imal edilmektedir. Bu çalışmalarda kullanılan deney düzenekleri de yatak malzemesinin aşınmasını incelemek üzere tasarlanmaktadır. Ancak daha iyi aşınma dayanımına sahip yataklar geliştirmek için mil ve yatak malzemesinin tribolojik özelliklerinin mil- kaymalı yatak sisteminde incelenmesi uygulama açısından daha doğru bir yaklaşımdır. Bu çalışmada tasarlanan bir radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında kolaylıkla sökülüp takılabilen numune boyutunda yapılan mil ile yatak ve mil malzemelerinin tribolojik özelliklerinin birlikte incelenebilmesi gerçekleştirilmiştir. Bu deney cihazı üzerinde sürtünme katsayısı ve yatak sıcaklığının ölçümü de yapılabilmektedir. Mil malzemesine göre daha düşük aşınma dayanımına sahip malzemeden seçilen yatak malzemelerinin aşınması daha fazla olmaktadır. Bu çalışmada, mil malzemesinin yanında yatak malzemesi olarak daha iyi aşınma dayanımına sahip malzemelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bunun için; ilk olarak endüstride kullanılan bakır, çinko, alüminyum, kalay-kurşun alaşımı, plastik ve bakır, demir esaslı T/M yatak malzemelerinden ve bu malzemelerin esasını oluşturan saf malzemelerden de yatak imal edilmiştir. Bu yatakların radyal kaymalı yatak aşınma deney cihazında aşınma deneyleri yapılarak; sürtünme katsayısı, yatak sıcaklığı, yatak ve mil ağırlık kaybı, aşınma oranı gibi tribolojik özellikler belirlenmiştir. Daha sonra, saf alüminyum ve saf çinko içerisine kayma özelliğini iyileştiren kalay+kurşun, sertliği çok az olduğu için tek başına yatak olarak kullanılmayan kalay-kurşun içerisine saf alüminyum ve saf çinko konularak yatak imal edilmiştir. Ayrıca, yine saf alüminyum içerisine yüksek sertlik ve yüksek aşınma dayanımına sahip Al203 ve SiC gibi seramik partikül takviyeler konularak tribolojik özelliklerinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bunun yanında; saf bakalit ve bronz-demir partikül dolgulu bakalitten yatak üretilip, yatak malzemesi olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Daha büyük radyal yükler taşıyabilmelerine rağmen adhesiv aşınmaya neden olduğu için demir esaslı malzemelerin yatak malzemesi olarak kullanımı sınırlıdır. Bu sakıncayı ortadan kaldırma düşüncesiyle demir esaslı yataklara borlama işlemi uygulanmıştır. Borlama ile yüzeyde farklı seramik yapıda ferrobor tabakası oluşturularak, adhesiv aşınma azaltılması ve tribolojik özelliklerinde iyileşmeler amaçlanmıştır. Tribolojik, mekanik ve ısıl ölçümlerle, ayrıca horlanmış yatak malzemesiyle eş çalışan millere de borlama işlemi uygulanmış ve tribolojik özelliklerde oldukça iyi sonuçlar alınmıştır. Borlanmış demir esaslı malzemelerin kaymalı yatak olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. Tüm bu yatak malzemelerinin mekanik özellikleri de incelenmiştir. Ayrıca, bu yatakların aşınma yüzeyleri optik ve SEM görüntüleriyle desteklenerek tribolojik özellikleri incelenmiştir. Daha yüksek yük ve hızlarda, yüzeyleri borlama işlemiyle iyileştirilmiş demir esaslı kaymalı yatak malzemelerinin iyi tribolojik özellikleri, klasik kaymalı yatak malzemelerine göre daha fazla kullanım alanı oluşturabileceği ifade edilebilir. XVI

ABSTRACT Bearings are machine elements that permit relative movement at one or several directions with a minimum friction among elements, but prevent movement at force direction. If relative movement is allowed, the support element is called bearing. Generally, bearings are divided into two groups, namely sliding and rolling bearings. Journal bearings allow oil film formation among them, thus providing fluid friction. Journal bearing materials are generally selected from materials, which have lower wear strength than shaft material. Thus, journal material is assumed to have no wear or very little wear that can be neglected. In addition; journal materials are manufactured from steel, whereas bearing materials are manufactured from non-iron material in order to prevent adhesive wear by microwelding. In these studies, test rigs are used to examine wear of bearing materials. However, testing tribological properties of journal and bearing material is a more practical approach for journal-bearing systems. A special radial journal bearing wear test rig is designed to have exactly the same dimension as samples. Friction coefficient and bearing temperature was measured on this test rig. Bearings have more wear than shaft because they are selected from materials having less wear resistance. In this study, journal bearings are planned to have as good or better wear resistance than shaft material. To achive this goal, bearings were manufactured from copper, zinc, aluminum, tin-lead alloy, plastic and copper, iron based P/M bearing materials and from pure materials that form base of these materials. Tribological properties of these bearings such as friction coefficient, bearing temperature, bearing and journal weight loss, wear rate have been determined at radial journal bearing test rig by accomplishing wear tests. Then, bearings were manufactured by adding tin and lead into pure aluminum and pure zinc as well as pure aluminum and pure zinc into tin and lead, which can not be used as bearings otherwise. Better tribological properties were aimed by adding ceramic particulate reinforcement such as Al203 and SiC. In addition, bearings were manufactured from pure bacalitte and bronze-iron filled material and were tested to see whether they can be used or not.. Even though iron based materials can carry heavy loads, they are limitedly used as bearing materials because they cause adhesive wear. To decrease adhesive wear, boronising treatment was applied to iron based bearings. Improvement in tribological properties and adhesive wear were aimed by forming a ferroboron layer in ceramic structure. Tribological properties of shafts were improved by boronising. It is proven that boronised iron based materials can be used as journal bearings. Mechanical properties of all bearing materials were examined. Moreover, wear surfaces of these bearings were examined by using optic microscope and SEM. At higher loads and velocites, the better tribological properties of boronised iron based journal bearings may increase their use as opposed to classical journal bearing materials. XVII