|
Aşınma, katı yüzeylerden
olan malzeme azalması, malzeme kaybı ya da bu yüzeylerin kullanılmaz
hale gelmesidir. Aşınma nedeniyle ülke ekonomileri açısından, büyük
ölçüde madde ve enerji sarfiyatı olmaktadır. Aşınma türleri ve
mekanizmaları bilgisi, bu kayıpları asgariye indirmede önemli bir rol
oynayacaktır. Aşınma, genel olarak abrazyon, erozyon, adezyon ve yüzey
yorulması olarak sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırma, aşınan yüzeye
gelen yük, aşındırıcı parçacığın boyutu ve türü, temas şekli ve temas
geometrisi gibi etkenler dikkate alınarak yapılmıştır. En fazla aşınma
kaybı, genellikle abrazyon aşınması türlerinde görülmektedir.
1. Giriş
Aşınma, makine elemanlarında enerji, malzeme ve zaman kayıplarına yol
açan ve dolayısıyla ülke ekonomilerini önemli ölçüde etkileyen
istenmeyen bir durumdur. Aşınma türleri ve mekanizmalarının çok iyi
bilinmesi, aşınma kayıplarını asgariye indirmede önemli açılımlar
sağlayacaktır. Şöyle ki, aşınan malzeme seçimi, aşınan malzemeye yapılan
yüzey işlemi ve yağlama sistemi seçimi vs. gibi iyileştirme çabaları da
beslenmiş olacaktır. Yurdumuzda aşınma konusuyla ilgili Türkçe kaynak
son derece sınırlıdır. Aynı zamanda yurdumuzda maalesef aşınma kayıpları
üzerine herhangi bir istatistik bilgisi de yoktur. Bu çalışma yurdumuzda
aşınma konusuyla ilgili kaynağı daha da genişletmek için yapılmıştır.
2. Temel kavramlar
Sürtünme, birbiriyle izafi hareket yapan iki katı yüzeyin harekete ya da
hareketin ihtimaline göstermiş oldukları dirençtir [1]. En genel olarak:
Kuru, Sıvı, Yarı-sıvı sürtünme ve Kayma-Yuvarlanmalı Sürtünme olarak
sınıflandırılabilir.
Aşınma, katı yüzeylerden olan malzeme azalması, malzeme kaybı ya da bu
yüzeylerin kullanılmaz hale gelmesidir. İki yüzey yük altında kayma ve
yuvarlanmaya maruz kaldığında sürtünme ve aşınma olaylarının meydana
gelmesi kaçınılmazdır.
3. Aşınma Türleri
Makine elemanlarında en sık karşılaşılan aşınma türleri, abrazyon,
erozyon, adezyon ve yüzey yorulması aşınmasıdır. Bu aşınma türlerine ait
alt sınıflandırmalar ve mekanizmaları şematik olarak Çizelge 1'de özet
olarak verilmiştir [2].
3.1. Abrazyon
·Katı bir yüzeye karşı veya yüzey boyunca hareket eden sert
parçacıkların yapmış olduğu aşınmadır [24].
·Karşılaşılan aşınma türlerinin %60'ı abrazyon aşınmasıdır.
·Abrazyona neden olan parçacık ya da parçacıklar aşınmaya maruz kalan
yüzeyden daha serttir.
·Aşındırıcı parçacıkların yüzeyde yapmış olduğu hasar tipleri: kayma,
yuvarlanma, tıraşlama, kesme, çizme, öğütme, zımparalamadır.
·Bu aşınma türünde, parçacık boyutu ve yükleme en önemli
parametrelerdir.
3.1.1. Düşük Gerilmeli Abrazyon
· Parçacık boyutu > 3µm'dir.
·Etkin hasar türü: kayarak çizmedir.
·Model olarak sabanla toprağın işlenmesine benzer (ploughing). Düşük
yüklemelerde gerçekleşir.
·Yüzeyde serbest hareket ederse ve aşınan yüzeyde darbe veya ezilme söz
konusu olmazsa bu aşınma türü geçerlidir [2,5].
·Örnek: Çizme testi.
3.1.2. Yüksek Gerilmeli Abrazyon
·Etkin hasar türleri: çizme ve sıkışan parçacıkların ortaya çıkardığı
pitting (çukurcuk oluşturma), öğütme, ezme vs.dir.
·Hasarda yüzeye uygulanan bası yükleri etkindir. Yüksek yüklemelerde
gerçekleşir [2, 6].
·Örnek: Sert toprak üzerinde çalışan tarım makinelerinde, merdaneleme,
öğütme yapan elemanlarda vs.
3.1.3. Eşme, Yongalama, Oyma ya da Yontma (Goughing)
·Düşük gerilmeli abrazyon + yüksek gerilmeli abrazyon karışımıdır.
·Parçacık boyutu > 50mm'dir.
·Etkin hasar türleri: eşme, yongalama, oyma, kazma, yontmadır.
·Tekrarlı bası etkisi etkilidir.
·Örnek: Öğütme işlevi gören çekiçler, küre öğüten parçalar, mengeneler,
toprak işlemede kullanılan zirai makinelerde vs.
3.1.4. Parlatma (Polishing)
·Parçacık boyutu < 3µm'dir.
·Etkin hasar türü: Tekrarlı sürünme/sürtünmedir.
·Malzeme yüzeyinin görülebilir seviyede çizilmeye, kırılmaya ya da
plastik deformasyona uğramadan, diğer katı malzemelerle
sürünmesi/sürtünmesi sonucunda malzeme yüzeyinde istem dışı sürekli olan
malzeme kaybıdır.
·Polishing aşınmasına uğrayan yüzeyler, genelde düzgünleşir ya da
parlar, fakat bu düzleşme ve parlama malzeme kaybını gerektirir ve bazı
parçaları işlenmez hale getirebilir.
·Polishing aşınmasının mekanizması tam olarak anlaşılmamasına rağmen,
abrazyon aşınması sınıfına alınmıştır. Bazı araştırmacılar, “şayet bir
yüzey yaklaşık 3 ìm'den daha büyük sert parçacıklar tarafından
aşındırılıyorsa, polishing (parlatma), düşük gerilmeli mikroparçacık (mikrochip)
ayrılmasına, yani abrazyona neden olur” demişlerdir. Buna göre yüzeyler,
daha küçük parçacıklar tarafından polishinge tabii tutulduğunda çizme ve
mikroparçacıklar artık gözlenmez. “Parçacık ayrılması yoksa malzeme
nasıl kaybolmaktadır?” sorusuna karşılık, Rabinowiez, bir moleküler
kayıp mekanizması ortaya atmıştır. Buna göre, sürtünen iki yüzey ile
yüzeylerden bilfiil atom ve moleküler seviyede ayrılmalar olur. Bu
kuramı destekleyecek doğrudan bir kanıt olmamasına rağmen, polishingin
uygulama açısından bir şeylerin tekrarlı sürünmesinden kaynaklandığı ya
da meydana geldiği açıktır. Örneğin sürekli kullanımda olan merdiven
basamakları, insanların ayak basmaları sonucunda parlamıştır. Şöyle ki,
insanın ayaklarında hiçbir abrazif parçacık yoktur, fakat yine de
malzeme kaybı olmuştur. Tam olarak mekanizması anlaşılmayan polishing,
çok önemli bir aşınma mekanizmasıdır. Fakat yine de, sert malzemelerin
aşınma sisteminin birer parçası olduğu hallerde düşük gerilmeli abrazyon
kanunları geçerlidir [2].
·Örnek: kayıt diskleri, lens parlatma cihazlarında vs.
3.2. EROZYON AŞINMASI
·Etkin hasar türü: Katı parçacık ve/veya akışkan parçacıkların yüzeye
çarpması sonucu aşındırma yapması söz konusudur [2,3].
3.2.1. Katı Parçacık Çarpması
· Etkin hasar türü: Yaklaşık 205000 mesh boyutundaki katı parçacıkların
yüzeye tekrarlı çarpması söz konusudur.
·Bu hasar tek bir noktaya odaklanırsa, buna “abrasive blasting nozzle”
denmektedir.
·Hasar sonucu çukurcuk (krater) ya da mikroparçacıklar oluşmaktadır
[2,3].
3.2.2. Akışkan Çarpması (impengement) Erozyonu
·Etkin hasar türü: Akışkan parçacıklarının yüzeye çarpması sonucu
aşındırma söz konusudur.
·Hasar sonucu çukurcuk/krater ya da mikroparçacıklar oluşmaktadır.
·Hasar sonucu, kaplama kaybı, çözünme, korozyon vs. oluşabilmektedir.
3.2.3. Kavitasyon
·Etkin hasar türü: Akışkan içerisindeki “bubble” yani kabarcıkların
patlamasıdır [2,3] (Bu kabarcıklar sıvı içerisinde patladıkları zaman,
kabarcığı çevreleyen sıvı kabarcık içerisindeki boşluğu doldurmak ister
(yüzeyde şok dalgaları oluştururlar). İşte bu olay yüzeylerden malzeme
kaybı ve/veya plastik deformasyona neden olacak derecede mekanik bir
etki doğurabilen çok küçük akışkan jetleri oluşturur)
3.2.4. Çamur (Slurry) Erozyonu
·Etkin hasar türü: Katı parçacıklar + sıvı (sıvı+gaz) oluşturdukları
fiziksel karışımın yüzeye çarpması sonucu aşındırma söz konusudur
[2,3,7,8].
·Katı parçacık boyutu, birkaç mm10 mm arasındadır.
·Hasar sonucu aşınma ve/veya korozyon oluşabilmektedir.
·Oluşan hasarın derecesi, bu parçacıkların sertliğine, boyutuna, çarpma
hızı ve açısına bağlıdır.
3.3. ADEZYON
·İki katı yüzeyin aralarında yerel bir temas bağı oluşturarak yapışması
söz konusudur [2,3,7,8].
·Yapışan yüzeylerin yük, hareket ve titreşim gibi sebeplerle birbirinden
ayrılmakta ve beraberinde yüzeyden kütlesel olarak parçalar kopmaktadır.
3.3.1. Fretting (Yeme) Aşınması
· Fretting, iki katı yüzey arasında düşük genlikteki titreşim
hareketidir [2,7,8].
·Yapı olarak yüzeye dik olarak gerçekleşmekte ve genelde istem dışı
olarak kabul edilmektedir.
·Çoğu kez izafi hareketin olmadığı farz edilen parçalar arasında
gerçekleşmektedir. (50500 ìm tolerans).
·Fretting aşınması, yüzeyler arsında yerel adezyonla başlar ve bu
adezyon mikroseviyede bir birleşmedir. Bu birleşmede oluşan kontak bağı
zamanla büyür ve düşük genlikteki titreşimler neticesinde malzeme
aşınır. Malzeme aşınma hızı oldukça düşüktür, bu nedenle birçok sistem
için fretting aşınması ihmal edilir [2].
3.3.2. Yapışıp Kaldırma (Adezif) Aşınması
·Temas eden iki katı yüzeyin öncelikle yerel temas bağı oluşturması,
daha sonra da izafi hareket sonucunda oluşan bu bağın kopması ile
meydana gelen aşınmadır [2,7].
3.3.3. Kaynama (Seizure)
·Kuru sürtünme neticesinde izafi hareketin durması, yani eş çalışan
yüzeylerin kuru sürtünme sunucunda birbirine yapışıp çalışmaz hale
gelmesidir.
·Oluşan yerel katı kaynak, seizure mekanizmasının bir parçasıdır.
·Bu aşınma durumunda sürekli malzeme kaybı olmayıp herhangi bir yüzeye
hasar verme söz konusu olmayabilir.
·Örneğin, soğutma sistemi bozulmuş bir motorun, silindiri içerisindeki
pistonların ısı etkisiyle genişlemesi sonucunda seizure'a uğrayıp aşırı
derecede ısındığı görülmüştür [2].
3.3.4. Sıyırma ya da Kaldırma (Galling)
·Galling terimi, tartışmalı bir terimdir. Avrupa'da aşınma üzerine
çalışan sektör, galling yerine “scuffing (sürüyerek aşındırma)” terimini
kullanmaktadır.
·OECD ise scuffingi, yerel ergime olamadan kayan yüzeyler arasında
katı-faz kaynağın meydana gelmesiyle oluşan hasar olarak
tanımlamaktadır.
·Rusya'da kayan bir çiftten biri ya da her ikisinin üzerinde
fazlalıkların oluşması Galling olarak tanımlanmaktadır (fazlalıktan
maksat yüzeyden kopan metaldir).
·Gallingte hasar mekanizması oluşan bu fazlalıklara göre
değerlendirilmektedir.
·Aşınan yüzeyler birbirlerine sıvanırlar. Galling, yüzeyler arasındaki
yapışma ya da taşınım, bir çıkıntı (tümsek) ya da fazlalık oluşumuna
sebep olduğunda meydana gelmekte, bu yüzey tümsekleri seizure'a, yani
kaynak oluşumuna neden olabilmektedir [2].
3.3.5. Oksidatif Aşınma
·Oksidatif aşınma, kayan yüzeylerin oksitli ortamda reaksiyona girecek
bir ortamda olduğu bir aşınma şeklidir.
·Oluşan oksit filmler, sistemde yağlayıcı vazifesi görerek aşınma
oranının daha düşük tutulmasını sağlar, fakat izafi hareket neticesinde
mekanik etkilerle yüzeye tutunan bu oksit filmler yüzeylerden ayrılır ve
ayrılırken de beraberinde yüzeyden malzeme kaybı olur.
3.4. YÜZEY YORULMASI
·Oluşum mekanizması, herhangi bir yüzey üzerinde tekrarlı yuvarlanma ya
da kayma sonucunda üretilen bası-çeki gerilmeleriyle katı yüzeyden
malzemenin kopması ya da ayrılması şeklinde gerçekleşir [1,2,7]
·Ortaya çıkan aşınma ve ürünlerinin farklı olmasında, yorulmaya sebep
olan hasar vericinin geometrisi çok önemlidir.
3.4.1. Yorulma ile çukurlaşma (Pitting)
·Pitting, (kavitasyon ve fretting gibi) birçok aşınma şekliyle birlikte
gerçekleşebilmektedir
·Yorulma olayı ile yüzeyde çukurcuklar oluşturulmasıyla malzeme yüzeyden
ayrılır ya da yer değiştirir. Yüzey yorulmasının bir parçası olan
pitting, genelde yuvarlanma yapan elemanlarda, dişlilerde, tekerleklerde
ve kamlarda görülür.
·Kayma ve yuvarlanmadan dolayı oluşan tekrarlı bası-çeki gerilmeleri,
yüzeyin belli bir bölgesinde kırılmaya yol açabilecek yüzey altı
çatlaklar meydana getirir. Kırılan parçacığın ayrılmasıyla yüzeyde
çukurcuk (pit) oluşur.
·Pitting aşınmasını azaltmak için,
¨Yük azaltılabilir,
¨Yüksek kayma ve basma mukavemetine sahip malzemeler kullanılabilir.
¨Yüzeye gelen bası-çeki gerilmelerini dağıtabilen homojen malzemeler
kullanılabilir.
·Yuvarlanma elemanı olarak kullanılan yatak malzemeleri, genellikle
yüksek sertliğe, yüksek basma mukavemetine ve karbitler gibi kütlesel
mikrounsurlardan yoksun bir yapıya sahiptir. Şu an Amerika'da yuvarlanma
elemanı olarak kullanılan yataklar, AISI 52100 çeliğidir [2].
3.4.2. Spalling
·Parçacıkların tabakalar şeklinde yüzeyden kopmasıdır [2,9].
·Aşınma yüzey yorulması sonucunda meydana geldiği için, mekanizması
pitting mekanizmasına benzer. Fakat spallingte herhangi bir işlemle
kaplanmış yüzeylerin aşınması söz konusudur.
·Hertizan yüklemesiyle, kaplama ile taban malzeme arasında kayma
gerilmeleri oluşur. Özellikle yumuşak taban malzemeler üzerine yapılan
ince sert kaplamalar spalling aşınmasına meyillidirler.
3.4.3. Çarpma ya da Darbe (Impact) Aşınması
·İki katı yüzeyden tekrarlı darbeler neticesinde oluşan hasar ve malzeme
kaybıdır.
·Impacta uğrayan yüzeydeki hasar, impact edilen yüzeylerin şekline ve
emilen enerjiyi sönümleme ya da dağıtabilme gücüne ve impact enerjisine
bağlıdır. Bu parametreler de malzemelerin sertliği ve tokluğuyla
ilişkilidir.
·Örnek: Yüksek hızda yüzeye çarpıp kalıcı şekil değişimine uğrayan bir
çekicin başı [2].
3.4.4. Brinelling
·Brinelling terimi, “Brinell Sertlik Ölçme” yönteminden gelmektedir.
Kullanılan Brinell küre ile katı yüzeyin tekrarlı yerel impact (dinamik)
ya da statik yüklemeyle hasara uğratılmasıdır [2,10].
·Brinelling, enjeksiyonla kalıplamada yüzeylerde çukur oluşturma
mekanizmasına benzer. Yuvarlanan elemanlara statik bir yükleme
uygulamayla da Brinelling oluşturulabilmektedir.
·Brinelling, yüzeyde yerel plastik çentik oluşturma ya da kalıcı şekil
değişimi ile ifade edilen hasar oluşturma mekanizmalarından biridir.
Burada malzemenin ortadan kalkması zorunlu değil, sadece yer değiştirme
de olabilir.
·Örnek: Bilye ya da rulmanların temas noktasında çentik oluşumu.
4. KAYNAKLAR
[1] Kurt, M., Makina Elemanları 1, 1990, Cağaloğlu, İstanbul
[2] Budinski, K.G., 1988. Surface Engineering for Wear Resistance, New
Jersey.
[3] Bhushan, B., and Gupta, K.B., 1991. Handbook of Tribology: materials,
coatings and surface treatments, USA, 1140
[4]http://www.gordonengland.co.uk/wear.htm
[5]http://www.extremecoating.com/weardata.html
[6]http://www.wagesterlease.com/aboutus/Aggregate_f2003.pdf
[7] Arnell, R.D., Davies, P.B., Halling, J., Whomes, T.L., Tribology
Principles and Design Applications, 1991, Pages 68-70
[8]Hutchings, I.M., Tribology, Friction and Wear of Engineering
Materials, 1992
[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Spall
[10]http://en.wikipedia.org/wiki/False_brinelling |