erozif aşınma ve bağlı olduğu parametrelerin incelenmesi

SAE 1060 ÇELİĞİNİN EROZİF AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN AŞINMAYA
DİRENÇLİ TİCARİ ÇELİK PLAKALARLA KARŞILAŞTIRILMASI
V. Erduran ERDEM1, C. Fahir ARISOY2, Gökhan BAŞMAN3, M. Kelami ŞEŞEN4
1, 2, 3, 4
İstanbul Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 34469 Maslak/İstanbul
Tel: (212) 285 35 48 E-mail: erduran@gmail.com
Tel: (212) 285 35 48 E-mail: fahir@itu.edu.tr
Tel: (212) 285 34 29 E-mail: gbasman@gmail.com
Tel: (212) 285 34 29 E-mail::mksesen@itu.edu.tr
Özet: Erdemir 5060/SAE1060 çelikleri ve HARDOX400 ve HARDOX500 aşınmaya dirençli ticari çelik plakaları 2 farklı
hız (57 m/s ve 76 m/s) ve 2 farklı açıda (30° ve 90°), 70µm açısal Al 2O3 ile aşındırılmış, kullanılan aşındırıcı miktarına
göre ağırlık kaybı değerleri hesaplanarak erozif aşınma dirençleri birbirleriyle kıyaslanmıştır. Düşük parçacık hızlarında
HARDOX çelikleri daha iyi direnç gösterirken, yüksek hızlarda SAE 1060 çeliği daha iyi direnç göstermiştir.
Anahtar sözcükler: Erozif aşınma, HARDOX400, HARDOX500, SAE1060
1. EROZİF AŞINMA [1]
Erozif aşınma, bir cismin yüzeyine katı veya sıvı
parçacıkların çarpması sonucu oluşur. Erozif aşınma çok
çeşitli makinelerde gözükür ve tipik örnekleri toz
bulutundan geçen bir uçağın pervanelerindeki hasar ve
mineral çamurları işleme sistemlerindeki pompa
pervanelerindeki aşınmadır. Diğer aşınma şekillerinde de
olduğu gibi, mekanik dayanım aşınma direncini
garantilemez ve aşınmayı minimize etmek için detaylı bir
malzeme karakteristiği çalışması gereklidir.
Erozif aşınma, parçacık malzemesi, çarpma açısı, çarpma
hızı ve parçacık boyutu kontrollü birçok aşınma
mekanizması içerir. Bilinen erozif aşınma mekanizmaları
Şekil 1’de gösterilmiştir.
Oldukça düşük sayılabilecek 20° gibi bir açıda, eğer
parçacık sert ve yüzey yumuşaksa, çok ciddi aşınma
meydana gelebilir. Bu koşullarda, abrazif aşınmaya benzer
bir aşınma geçerlidir. Eğer yüzey kırılgansa, en yüksek
aşınma, 90°’ye yakın açılarda, yüzey parçalanması şeklinde
görülür. Aşınma hızı ile çarpma açısı arasındaki bağlantı,
sünek ve kırılgan malzemeler için ayrı ayrı Şekil 2’de
verilmiştir.
Düşük çarpma açılarında erozyonun maksimum gözüktüğü
durumlarda, sünek erozif aşınma karakteri geçerlidir.
Tersine, maksimum aşınma yüksek açılarda görülüyorsa,
kırılgan erozif aşınma karakteri geçerlidir.
Şekil 1. Bilinen erozif aşınma mekanizmaları. [1]
Erozif parçacığın hızı, aşınma prosesinde çok büyük etkiye
sahiptir. Hız çok düşükse, plastik deformasyon oluşamaz ve
aşınma, yüzey yorulması şeklinde olur. Hız yükseldiğinde,
malzeme yüzeyinde plastik deformasyon meydana gelir. Bu
durumda aşınma, tekrarlanan plastik deformasyonlar
şeklinde olur. Kırılgan malzemeler yüzey altı kırılma ile
aşınır. Çok yüksek parçacık hızlarında, darbeye uğrayan
yüzeyin erimesi bile gözükebilir. Parçacık boyutu da
önemli bir etkendir. Aşındırıcı parçacık boyutu arttıkça
aşınma hızı artar. Sert parçacıklar yumuşak parçacıklara
göre daha yüksek aşınma hızına neden olurlar. Parçacık
keskinliği de erozif aşınmayı arttırır. Parçacık sert fakat
nispeten yuvarlak olduğunda şiddetli erozif aşınma
oluşturmaz. Parçacık akı değeri veya birim alana çarpan
parçacıkların kütlesi ve zaman da erozif aşınma hızını
kontrol eden bir başka parametredir. Erozif aşınma hızı,
belirli bir limit aşınma değerine kadar akı değeriyle doğru
orantılıdır. Limit akı değeri geçildiğinde, malzemeden
seken parçacıklar ile yeni gelen parçacıkların çarpışması
sonucu aşınma hızının azalması mümkündür.
Az alaşımlı karbon çelikleri için, ferritik faz ile, mukavemet
arttıran yeterli miktarda küresel karbür inklüzyonları erozif
aşınmaya karşı çok etkilidir. Perlitik çelikler,
küreselleştirilmiş çeliklerden daha kötü aşınma dayanımı
sergilerler. Görülmüştür ki çeliğin erozif aşınması klasik
sünek erozyon karakteristikleri gösterir, örneğin en yüksek
aşınma hızı 30°lik düşük açıda, yüzey altı ve yüzey
kırılmaları ile gözükür. Bu da çeliğin erozif aşınma
dayanımının süneklilik eksiği ile sınırlandığını gösterir.
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Şekil 2. Sünek ve kırılgan malzemeler için parçacık çarpma açısı
ile aşınma hızının ilişkisi[1].
Düşük açılarda, malzeme sertliği ve deformasyon
sertleşmesi özelliği, aşınmayı durdurucu etki yapar. Sertlik
arttırmak için çeliğe yapılan ısıl işlem, düşük açılarda
direnci arttırırken, yüksek açılarda azaltır. Çok yüksek
erozif aşınma direnci için genel bir reçete yoktur. Mevcut
olabilecek
iki
farklı
erozif
aşınma
önleme
mekanizmasından dolayı, yüksek aşınma direnci birden
fazla tür malzeme ile sağlanabilir. Kimi durumlarda
malzeme çok sert ve tok olabilir, böylece çarpan malzeme
yüzeyde bir iz yapamaz. Alternatif olarak, malzeme tok ve
çok düşük elastik modüle sahip olabilir, bu durumda
parçacıkların kinetik enerjisi zararsız bir şekilde emilir. Bu
zıt aşınma koruma mekanizmaları Şekil 3’te gösterilmiştir.
Erozif aşınma deneylerinde ticari HARDOX400 ve
HARDOX500, Erdemir 5060 / SAE 1060 çelikleri
kullanılmıştır. HARDOX400 ve HARDOX500, İsveç’te
SSAB Oxelösund firması tarafından üretilen, özel aşınma
levhalarıdır. Aşınmanın sıkça görüldüğü damper kasaları,
kırıcılar, konteynerler, çekiçli değirmenler, ekskavatörler,
kepçeler ve yıkım çeneleri gibi makine parçalarında uzun
yıllardır kullanılmaktadırlar.
SAE 1060 çeliği, Erdemir tarafından sıcak haddeleme ile
üretilmiş, % 0,63 karbon içeren, yüksek mukavemetli
levhalardır ve yüksek mukavemetli makina parçaları
imalatında kullanılma amaçlı üretilmiş bir çelik
malzemedir.
Bu çalışmada kullanılan çelik malzemelerin kimyasal
bileşimleri ve karbon eşdeğerleri Tablo 1’de ve mekanik
özellikleri de Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 1. Çelik malzemelerin kimyasal bileşimleri ve karbon
eşdeğerleri.
HARDOX
400
HARDOX
500
SAE
1060
C
0,14
0,27
0,63
Si
0,70
0,70
0,25
Mn
1,60
1,60
0,84
P
0,025
0,025
0,009
S
0,010
0,010
0,005
Cr
0,30
1,00
0,015
Ni
0,25
0,25
0,031
Mo
0,25
0,25
0,003
B
0,004
0,004
-
CEV
0,33
0,58
0,78
Çelik Malzemeler
Element
%
Ağırlık
Şekil 3. Çok sert ve çok elastik malzemelerin zıt aşınma koruma
mekanizmaları. [1]
Çelik mikroyapısının erozif aşınmaya etkisi ile ilgili
literatür, sünek bir çeliğin aşınmaya daha çok dayanıklı
olduğunu önerir. Çeliğe, sertleştirip martenzitik yapı
kazandırılması, sadece çok düşük açılarda bir miktar
iyileşme sağlar. Erozif aşınmayı düşürmek için çelik
seçimi, bu bakımdan abrazif aşınma durumundan farklıdır.
Tablo 2. Mekanik özellikler.
Çelik
Malzemeler
Sertlik
(Brinell
Akma
mukavemeti
(N/mm²)
Çekme
mukavemeti
(N/mm²)
Kopma
uzaması
(%)
HARDOX
400
HARDOX
500
SAE
1060
415
478
229
1000
1300
420
1250
1550
779
10
8
18
Çarpma hızı, cihaza giren havanın basıncı ile kontrol
edilmiştir. Yapılan çalışmalarda hız tespiti için Ruff ve
Ives’ın 1975 yılında geliştirdiği “double disk” metodu
kullanılmıştır [2].
3. DENEY SONUÇLARI
Yapılan deneyler sonucu, üç farklı çelik malzeme için
toplam dört farklı koşulda erozif aşınma eğrileri ortaya
çıkartılmıştır. Bu sonuçlarla, aynı aşınma koşullarında
malzemelerin karşılaştırılması ve aynı malzemenin farklı
koşullarda
aşınma
dirençlerinin
karşılaştırılması
yapılabilmektedir. Malzemelerin deney yüzeyleri sonrası
90° ve 30° için sırayla makro ve mikro olarak Şekil 5 (a-b)
ve Şekil 6 (a-b)’de verilmiştir.
Bu çalışmadaki deney koşulları şöyle sıralanabilir:
Aşındırıcı: 70µm açısal Al2O3 parçacıkları, 1875 Vickers
sertlik, 3,96 gr/cm³ yoğunluk (Şekil 4). Püskürtme nozulu:
4,8mm iç çaplı alümina. Nozul ile hedef malzeme arası
uzaklık: 10 mm. Besleme hızı: 100 gr/dk. Taşıyıcı gaz:
hava. Çarpma açıları: 90° ve 30°. Çarpma hızları: 76 m/s ve
57 m/s.
(a)
(b)
Şekil 4. Aşındırıcı alümina parçacıklar
Çelik malzemeler 30mm x 40mm x 8mm (HARDOX400),
30mm x 50mm x 8mm (HARDOX500) ve 30mm x 50mm
x 4mm (SAE 1060) boyutlarında kesilmiş, yüzeyleri 400
grit zımpara ile parlatılmış ve izopropil alkol ile
temizlendikten sonra 0.1 mg hassasiyetle tartılarak aşınma
deneylerine başlanmıştır. Alümina aşındırıcı her püskürtme
öncesi titreşimli besleyiciye 25 gram olarak doldurulmuş ve
her püskürtmede sabit bir besleme hızı (100 g/dk)
kullanılmıştır. Her numuneye dört kere püskürtme yapılarak
numune başına toplam 100 gram aşındırıcı kullanılmıştır.
Her püskürtme sonrası numune önce kuru hava ile
temizlenmiş, daha sonra izopropil alkol ile yıkanıp
kurutulduktan sonra 0,1 mg hassasiyetle tartılarak ağırlık
kaybı ölçülmüştür. Deney sırasında iki farklı çarpma hızı ve
iki farklı çarpma açısı kullanılmış ve böylece her bir çelik
malzeme için dört farklı aşınma koşulunda çalışılmıştır.
Şekil 5. HARDOX500 çeliğinin 90° (a) ve 30° (b) açı ile
aşındırıldıktan sonraki makro yüzey görünümü.
(a)
25
Ağırlık Kaybı (mg)
20
15
SAE 1060
HARDOX400
HARDOX500
10
5
0
0
(b)
20
40
60
80
100
120
Aşındırıcı Miktarı (g)
Şekil 6. HARDOX500 çeliğininin 90° (a) ve 30° (b) açı ile
aşındırıldıktan sonraki mikro yüzey görünümü.
Şekil 8. 57 m/s, 30°’de aşındırıcı miktarına bağlı olarak ağırlık
kaybı.
Bu çalışmadan elde edilen, üç çelik malzemenin 57 m/s 90°’deki aşınma eğrileri Şekil 7’de, 57 m/s - 30°’deki
aşınma eğrileri Şekil 8’de, 76 m/s - 90°’deki aşınma eğrileri
Şekil 9’da ve 76 m/s - 30°’deki aşınma eğrileri Şekil 10’da
verilmiştir.
35
30
Ağırlık Kaybı (mg)
25
18
16
Ağırlık Kaybı (mg)
14
HARDOX500
20
HARDOX400
15
SAE 1060
10
12
HARDOX500
10
5
SAE 1060
8
0
HARDOX400
6
0
20
40
60
80
100
120
Aşındırıcı Miktarı (g)
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Şekil 9. 76 m/s, 90°’de aşındırıcı miktarına bağlı olarak ağırlık
kaybı.
Aşındırıcı Miktarı (g)
Şekil 7. 57 m/s, 90°’de aşındırıcı miktarına bağlı olarak ağırlık
kaybı.
50
45
40
35
Ağırlık Kaybı (mg)
Çalışmalarda kullanılan HARDOX400, HARDOX500 ve
SAE 1060 çelik malzemelerinin farklı aşınma
koşullarındaki erozif aşınma dayanımları Şekil 11, 12 ve
13’de verilmiştir.
30
HARDOX500
25
HARDOX400
20
SAE 1060
15
Üç farklı malzeme ve dört farklı aşınma koşulu için elde
edilen sonuçlar toplu olarak da Şekil 14’de verilmiştir.
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Aşındırıcı Miktarı (g)
Şekil 10. 76 m/s, 30°’de aşındırıcı miktarına bağlı olarak ağırlık
kaybı.
50
50
45
45
40
40
35
35
HARDOX400, 76 m/s, 30°
30
76 m/s, 30°
76 m/s, 90°
25
57 m/s, 30°
57 m/s, 90°
20
Ağırlık Kaybı (mg)
Ağırlık Kaybı (mg)
HARDOX500, 76 m/s, 30°
SAE 1060, 76 m/s, 30°
HARDOX500, 76 m/s, 90°
30
HARDOX400,76 m/s, 90°
SAE 1060, 76 m/s, 90°
25
SAE 1060, 57 m/s, 30°
HARDOX400, 57 m/s, 30°
20
HARDOX500, 57 m/s, 30°
15
15
10
10
5
5
HARDOX500, 57 m/s, 90°
SAE 1060, 57 m/s, 90°
0
HARDOX400, 57 m/s, 90°
0
0
20
40
60
80
100
120
0
50
100
150
Aşındırıcı Miktarı (g)
Aşındırıcı Miktarı (g)
Şekil 11. HARDOX400 malzemesinin farklı koşullardaki erozif
aşınma eğrileri.
Şekil 14. Tüm aşınma eğrileri.
4. DEĞERLENDİRMELER VE SONUÇLAR
50
45
40
Ağırlık Kaybı (mg)
35
76 m/s, 30°
30
76 m/s,90°
25
57 m/s, 30°
20
57 m/s, 90°
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Aşındırıcı Miktarı (g)
Şekil 12. HARDOX500 malzemesinin farklı koşullardaki erozif
aşınma eğrileri.
40
35
Ağırlık Kaybı (mg)
30
76 m/s, 30°
25
76 m/s, 90°
20
57 m/s, 30°
15
57 m/s, 90°
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Aşındırıcı Miktarı (g)
Şekil 13. SAE 1060 malzemesinin farklı koşullardaki erozif
aşınma eğrileri.
Elde edilen aşınma eğrilerinden, tüm malzemeler için en
yüksek aşınma hızlarının, 30° düşük parçacık çarpma
açısında ve 76 m/s olarak uygulanan en yüksek parçacık
çarpma hızında olduğu görülmektedir. 76 m/s parçacık
çarpma hızında ve 90° çarpma açısında aşınma miktarı
düşmektedir. Tüm malzemeler için en düşük aşınma 90°
çarpma açısında ve 57 m/s çarpma hızında meydana
gelmiştir. Buradan açıkça görüldüğü gibi, çarpma hızının
artması ile erozif aşınma hızı artmıştır. Bu sonuç literatürde
verilen bilgilerle uyumludur. Ayrıca bu sonuçlar, kullanılan
malzemelerin aşınma miktarlarının 30°lik çarpma açısında,
90°lik çarpma açısına göre daha fazla olduğunu
göstermektedir. Bu sonuçlar, kullanılan çeliklerin mevcut
aşınma koşullarında, sünek aşınma davranışı gösterdiklerini
açıklamaktadır.
Her üç malzemenin de 100’er gramlık alümina aşındırıcı ile
aşındırıldıktan sonraki ağırlık kaybı değerleri, aynı
koşullarda (aynı hız ve açılarda), birbirlerine oldukça
yakındır, küçük farklılıklar vardır. Bu farklılıklar:
 Yüksek hızdaki çalışmalarda (76 m/s), hem 90 hem de
30 derecelik püskürtme koşulunda SAE 1060 sıcak
haddelenmiş karbon çeliği, HARDOX400 ve
HARDOX500 çeliklerinden daha yüksek erozif aşınma
direnci göstermiştir (Şekil 9 ve 10)
 Düşük hızda (57 m/s) ve 90 derecelik püskürtme
koşulunda, HARDOX400 çeliği en yüksek erozif
aşınma direncini gösterirken (Şekil 7), yine düşük
hızda ancak 30 derecelik düşük püskürtme açısında
HARDOX500 çeliği en yüksek erozif aşınma direncini
göstermiştir (Şekil 8).
Bu sonuçlardan anlaşılmaktadır ki, farklı aşınma
durumlarında, aşınma dirençleri açısından, incelenen üç
malzemenin birbirlerine göre üstünlükleri vardır. Bu da,
aşınmaya dirençli malzemenin, aşınma koşulları irdelenerek
belirlenmesinin, uygun olacağını göstermektedir. Sonuçlar
aşağıda özetlenmiştir.
1.
Aşındırıcı parçacık çarpma hızının artmasıyla
aşınma koşullarının sertleştiği durumlarda tokluğu yüksek
çelikler, daha yüksek aşınma direnci göstermektedir.
2.
Çarpma hızının düşük olduğu durumlarda, sertliği
yüksek çelikler daha yüksek aşınma direnci göstermektedir.
3.
Aşınma miktarı tüm koşullar için süre ile doğru
olarak artmaktadır.
4.
Aşındırıcı parçacığın çarpma açısının 30° olduğu
koşullardaki aşınma miktarı, çarpma açısının 90° olduğu
koşullara göre daha yüksektir. Yani tüm deneylerdeki
aşınma mekanizmaları, sünek aşınma karakterindedirler.
KAYNAKLAR
1. G.W. Stachowiak and A.W. Batchelor,
Tribology”, Butterworth-Heinemann, 2001
“Engineering
2. A.W. Ruff and L.K. Ives, “Measuring of solid particle velocity
in erosive wear”, Wear 35, p 195-199, 1975