Sinterlenmiş bronz esaslı kaymalı yataklarda polimer kullanımının tribolojik özelliklere etkisi

Abstract

Toz Metalürjisi (T/M), üstün özelliklere sahip farklı malzemeleri bir araya getirerek istenilen özellikte parçalar üretmek için kullanılan popüler yöntemlerden biridir. T/M alanındaki gelişmeler, kalay bronzlarının yüksek aşınma direnci, iyi korozyon direnci, yüksek termal iletkenlik gibi özellikleri ve polimer malzemelerin ise iyi kayma ve kendinden yağlamalı, düşük sürtünme katsayısı, korozyona karşı yüksek direnç özellikleri nedeniyle birlikte yatak malzemesi olarak kullanılmalarına imkân tanımıştır. Bu durum, sinterlenmiş bronz yatakların gözeneklerine katı yağlayıcı polimer emdirilerek kendinden yağlamalı yataklar olarak kullanılmaları şeklindedir. Politetrafloroetilen (PTFE) gibi kendinden yağlama özelliğine sahip polimerlerin, gözenekli yataklara emdirilerek veya yüzeylerine kaplamak suretiyle Bronz + PTFE kompozit yatak olarak kullanılmaları, özellikle devamlı yağlama imkânı olmayan endüstriyel uygulamalarda (elektrik motorları, otomobiller, dikiş makinaları, yazıcılar, gıda ve paketleme makinaları vb.) her geçen gün yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmanın hedefi, klasik burç malzemelerinden farklı olarak düşük sürtünme katsayısı ve yüksek ömre sahip alternatif bir yatak malzemesi üretilmesidir. Yapılan çalışmada sinterlenmiş gözenekli yapıya sahip bronz esaslı kaymalı yatakların gözeneklerine polimer malzemenin emdirilerek, polimer kullanımının tribolojik özelliklere etkisi incelenmiştir. Bronz yatak ana malzemesi (matris), 100-200 µm tane boyutlarına sahip CuSn11 alaşım tozu kullanılarak T/M yöntemiyle üretilmiştir. Bu malzemelerin gözeneklerine sprey kaplama metoduyla PTFE, PTFE + % 10 Grafit, PTFE + % 20 Grafit katkılı polimer olmak üzere üç farklı malzeme emdirilmiştir. Kaplanan gözenekli yatak numunelerin sertlik, yoğunluk ve yüzey pürüzlülük değerleri belirlenmiştir. Yatak numunelerinin tribolojik özelliklerinin tespiti için özel olarak kaymalı yatak aşınma deney cihazı tasarlanmış ve imalatı yapılmıştır. Kaymalı yatak aşınma test cihazında üç farklı hız ve üç farklı yük altında kuru sürtünme, aşınma deneyleri gerçekleştirilerek numunelerin sürtünme katsayıları ve aşınma kayıpları belirlenmiştir. Deneyler boyunca yatak sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Deneyler sonucunda, üretilen bu yatak numunelerinin Taguchi metodu kullanılarak alınan veriler ANOVA yöntemiyle sonuçlar üzerindeki her bir faktörün (malzeme türü, yük ve hız) etkinlik derecesi istatistiki olarak elde edilmiştir. Ayrıca bu yöntemle en uygun sürtünme, aşınma ve sıcaklık değerleri için deneysel optimizasyonu yapılmıştır. Endüstride yaygın olarak kullanılan çelik altlık yüzeyine bronz sinterlenmiş PTFE kaplı ticari yatak burçları da test edilerek, PTFE ve grafit katkılı PTFE kaplanmış/emdirilmiş kompozit yatak burçlarıyla kıyaslanmıştır. Yatak numunelerinin optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobunda (SEM) mikro yapıları incelenmiştir. Deneyler sonucunda, kuru sürtünmenin gerçekleştiği kompozit bir yapı olan Bronz + PTFE yüzeyinde, PTFE malzemenin tek başına sürtünme katsayısı ve aşınma miktarı açısından yeterli olmadığı görülmüştür. Ancak, PTFE malzemeyle birlikte grafitin de kullanımının sürtünme katsayısı ve aşınma değerlerinde olumlu sonuçlar vermiştir. Ticari yataklara göre ömrün yaklaşık % 30 daha uzun olduğu, sürtünme katsayısının da % 7,5 daha düşük olduğu belirlenmiştir. Grafit katkılı PTFE kaplanmış/emdirilmiş kompozit yatak burçlarının ticari yatak burcuna bir alternatif olduğu görülmüştür. Sonuç olarak % 10 grafit katkılı PTFE bronz burcun 0,5 m/s hızda ve 70 N yük altında optimum sonucu verdiği deneysel ve istatistiksel olarak belirlenmiştir.

Powder metallurgy (P/M) is a popular metal forming technology used to produce the desired components by combining different materials having superior properties. Advances in powder metallurgy allowed the use of tin bronzes and polymer materials together as bearing material owing to their properties such as high wear resistance, good corrosion resistance, high thermal conductivity properties of tin bronze with good sliding, shock damping, low friction coefficient, high resistance to corrosion of polymer materials. This is used as self-lubrication bearing by means of impregnating solid lubricant polymer into pores of sintered porous bronze bearings. Especially, with no possibility of continuous lubrication in industrial applications, PTFE with solid lubricant property is used by impregnating into pores of the bronze bearing materials or coating onto bearing surfaces. Hereby this structure has been widely used as Bronz + PTFE bearings. The objective of this study is to produce an alternative bearing material having low friction coefficient and a high life as different from the conventional bushing material. In this study, Bronze + polymer composite bearing was produced by impregnating polymer into porous bronze bearing material and impact on the tribological properties of polymers is investigated. Bearing matrix material is produced by the P/M method from 100 - 200 µm grain size CuSn11 tin bronze powders. Three different polymers including PTFE, PTFE + 10% GR, PTFE + 20% GR were impregnated into porous bronze material by spray coating method. The hardness, density and surface roughness values of the coated bearing samples were determined. Plain bearing wear test equipment is designed and manufactured for the determination of tribologic properties of bearing samples. Experiments have been carried out under dry environments at three different speeds and loads and measured for every half an hour during 2.5 h by using plain bearing wear test rig. Friction coefficients and wear loss have been determined. As a result of experiments, the efficiency degrees of each factor (material type, load and speed) on the bearing samples were obtained and statistically analyzed using ANOVA and Taguchi method. Also, Experimental optimization samples were performed for most suitable coefficient of friction, wear and temperature values by this method. Also a widely used commercial bushings which were PTFE coated on working surfaces of sintered bronze layer of steel substrate materials are tested for the same conditions and compared with PTFE and graphite reinforced PTFE coated / impregnated composite bearing bushings. Microstructure of bearings samples were investigated in optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). It has been found that, the dry friction occurs on surface of bronze and PTFE composite structure. PTFE has been found to be adequate in terms of friction coefficient and wear only. However, the use of graphite with PTFE has been found to give good results on friction coefficient and wear parameters. In life tests, PTFE + 10% GR samples have a longer bearing life and a lower coefficient of friction compared commercial bearings. Graphite reinforced PTFE coated / impregnated composite bushing bearings can be an alternative to commercial bearing bushing. Optimum results were obtained with, 10% graphite reinforced PTFE bronze bushings under 0.5 m / s speed and 70 N load, experimentally and statistically.