BİR NİKEL ALUMİNYUM BRONZU (CuAl10Ni5Fe4) İLE KALAY BRONZUNUN (CuSn11) SÜRTÜNME VE AŞINMA ÖZELLİKLERİ AÇISINDAN KARŞILAŞTIRILMASI

7/25/2019 BR NKEL ALUMNYUM BRONZU (CuAl10Ni5Fe4) LE KALAY BRONZUNUN (CuSn11) SRTNME VE AINMA ZELLKL

1/6

2. Uluslar aras Demir elik Sempozyumu (IISS15), 1-3 Nisan 2014, Karabk, Trkiye

IISS15, Karabk niversitesi,Karabk, Trkiye

BR NKEL ALUMNYUM BRONZU (CuAl10Ni5Fe4) LE KALAYBRONZUNUN (CuSn11) SRTNME VE AINMA ZELLKLER

AISINDAN KARILATIRILMASI

COMPARISON OF WEAR AND FRICTION PROPERTIES OF A NICKELALUMINUM BRONZE (CuAl10Ni5Fe4) AND TIN BRONZE (CuSn11)

Turhan rn Koaka, Harun Yanarb, , Genaa Prekc, Feriha Birold

aSalam MetalSanayi ve Ticaret A., Kocaeli, Trkiye,[email protected],bKaradeniz Teknik niversitesi, Trabzon, Trkiye,[email protected]

cKaradeniz Teknik niversitesi, Trabzon, Trkiye,[email protected] MetalSanayi ve Ticaret A., Kocaeli, Trkiye,[email protected]

zet

Kalay bronzlar (KB) ve nikel-alminyum bronzlar (NAB)yksek korozyon ve iyi anma zellikleri nedeniyle ennemli bakr alamlar arasnda yer almaktadr. KB iyianma direnci ile birlikte yalayclk zelliine de sahipolmalar nedeniyle pek ok tribolojik uygulama iin tercihedilen bakr alamlarndandr. NAB ise zellikle ar ykleraltnda stn abrazif anma dayanm ve yksek korozyongerektiren uygulamalar iin mkemmel malzemeler olarakkabul edilirler. Salam Metal A.. firmasnn rnkatalounda yer alan nikelalminyum bronzu; kalaybronzlarna gre daha pahal olmasna ramen dahayksek sertlik ve daha dk younluklar nedeniyle bazuygulamalar iin kalay bronzlarna alternatif olarak

nerilmektedir. Bu almada, CuAl10Ni5Fe4 nominalbileimindeki NAB ile CuSn11 nominal bileimindekiKBnun kuru ortam atmosferik koullarnda ve yksek vedk ykleme artlarndaki srtnme ve anmazelliklerinin incelenmesi ve bulunan sonularnkarlatrlmas amalanmtr. Bu amala, belli kimyasalbileimlerde retilmi olan alamlarn mikro yaplar optikve/veya SEM mikroskobu, mekanik zellikleri ise standartekme ve sertlik testleriyle ile incelenmitir. Alamlarnsrtnme ve anma testleri ise pin-on-disk esasl birdeney sisteminde (UTS TRIBOMETER T10/20)gerekletirilmitir. Bu deneyler sonucunda, her biralamn farkl alma artlarndaki anma (hacim)kayplar, srtnme katsays deiimleri ve anmamekanizmalar belirlenerek karlatrmalar yaplmtr. lksonulara gre, CuAl10Ni5Fe4 bronzunun zellikle yksekykleme artlarnda CuSn11 bronzuna gre ok dahayksek anma direncine sahip olduu belirlenmitir.Ayrca, CuAl10Ni5Fe4 bronzu btn ykleme artlarndaCuSn11 bronzuna gre daha dk bir srtnme katsayssergilemitir. Sz konusu davranlar her iki bronzmalzemenin mikroyap, mekanik zellik ve etkin anmamekanizmalarna dayandrlarak aklanmtr.

Anahtar kelimeler: Kalay bronzu, nikel-alminyumbronzu, srtnme ve anma.

Abstract

Due to their high corrosion and wear resistance, tinbronzes and nickel-aluminum bronzes are among the most

important copper alloys. Because of their good wear

resistance as well as lubricating properties, Sn bronzes arethe preferred copper alloy group in many tribologicalapplications. Ni-Al bronzes, on the other hand, areaccepted to be one of the perfect material for applicationsrequiring superior wear behavior and corrosion resistanceunder heavy loads. Despite their higher price compared toSn bronzes, the Ni-Al bronze listed in Salam Metal'sproduct catalogue is recommended as an alternative oneto the Sn bronzes in some applications dut o its higherhardness and lower density. In this study the friction andwear properties of a Ni-Al bronze with CuAl10Ni5Fe4nominal compound and a Sn bronze with CuSn11 nominalcompound were investigated under dry atmosphericcondition and compared the same set of the results. Forthis purpose, the microstructures of the alloys producedwith certain chemical compounds are examined underoptical and/or SEM microscope, while their mechanicalproperties are measured with hardness tests. The wearand abrasion resistance were measured using a pin-on-disk type tribometer (UTS T10/20). Based on the testresults, the wear (volume) loss, changes in the coefficientof friction and wear mechanisms in each alloy wasdetermined and compared. According to preliminaryresults, it has been established that especially under heavyloading conditions the CuAl10Ni5Fe4 bronze has muchhigher wear resistance compared to the CuSn11 bronze.Additionally, under all loading conditions theCuAl10Ni5Fe4 bronze exhibits lower coefficient of friction.Such behavior is explained by means of microstructure,

mechanical characteristics and operating wearmechanisms of the material.

Keywords: Tin Bronze, nickel aluminum bronze, frictionand wear

1. Giri

Trkiye Demir elik Sektrnde retim kapasitesi hergeen yl art gsterirken, bu sektrde kullanlan bakralamlara olan ihtiya da artmaktadr. Demir eliksektrnde en yaygn kullanm bulan bakr alamlarndanbiri de yatak malzemesi olarak kullanlan bronzalamlardr [1]. Yatak malzemesi olarak kullanlan ana

bronz alamlar kalay bronzlar, alminyum bronzlar,kurunlu bronzlar ve berilyum bronzlar olarak saylabilir [2]
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


2/6

Koak, T.U. Yanar, H. Purcek, G. Birol, F

Kalay bronzlarnn en belirgin zellii atmosferik ve sukorozyonuna kar dayanml ve anmaya kar direnliolmalardr. Ayn zamanda mkemmel yalama zelliinede sahiptirler [3]. Kalay bronzlar demir elik endstrisindeyaygn kullanm bulan bakr alamlardr.Alminyum, demir, mangan, silisyum ve nikel elementleriniieren alminyum bronzlar ise yksek sertlik zellikleri ilene kmaktadr. Bu malzemelerden retilmi yataklaryksek darbe ve anma dayanmna sahiptir. Bu alamlaryksek scaklklarda mukavemetlerini korur ve 250 Czerinde alan ekipman yataklarnda yalamann iyiolduu, yksek yk ve dk hz uygulamalarnda dahaok tercih edilirler.Bakr alamlar reticisi olan Salam Metal; eitli bileimve zelliklerde kalay ve arlkl olarak alminyum bronzlarretmektedir. Salam Metal rn gamnda yer alan kalaybronzu Cuptin 2 (CuSn11 veya ASTM C90700) ve nikelalminyum bronzu Cupral 4M (CuAl10Ni5Fe4 veya ASTMC63000) yksek miktarlarda retilen bronz alamlardr.Cupral 4M nikel alminyum bronzunun Cuptin 2 kalay

bronzuna gre daha pahal olmasna ramen, daha ykseksertlik ve daha dk younluu nedeniyle bazuygulamalar iin Cuptin 2 kalay bronzuna alternatifolabilmektedir. Bu almada, CuSn11 kalay bronzununve buna alternatif gsterilen CuAl10Ni5Fe4 nikelalminyum bronzunun endstride kullanm durumundaolas performanslarn belirlenmesi ve karlatrlmashedeflenmitir. Bu amala her iki alamnda mikro yaplarincelenmi, mekanik zellikleri belirlenmi, kuru ortamatmosferik koullarnda ve yksek ve dk yklemeartlarndaki srtnme ve anma zellikleri aratrlm, buzellikler alamlarn etkin anma mekanizmalarnadayandrlarak aklanmtr.

2. Deneysel alma2.1. Deney Malzemeleri

Bu deneysel almada, dvme CuAl10Ni5Fe4 CuSn11alamlar kullanlmtr. Alamlarn kimyasal analizlerispektrolab marka optik emisyon spektrometresikullanlarak belirlenmi ve Tablo 1de verilmitir.

izelge1: Deneylerde kullanlan alamlarn kimyasalbileimleriKimyasal bileim (% ar.)

Alam Al Sn Ni Fe CuCuSn11 - 11 0,19 - 88,2

CuAl10Ni5Fe4 10,12 - 4,84 3,73 80,0

2.2. Mikroyapsal incelemeler

Mikroyap karakterizasyonlar Nikon Eplicase MA100model ters metal mikroskobu ve Zeiss Evo Ls - 10 modeltaramal elektron mikroskobu kullanlarakgerekletirilmitir. Karakterizasyon almalarndadalayc olarak 5 g FeCl3, 50 ml HCl, 100 ml H2O ilehazrlanan zeltikullanlmtr.

2.3. Mekanik zelliklerin incelenmesi

Alamlarn mekanik zellikleri, sertlik testi yardmylakarakterize edilmitir. Sertlik deneyleri Struers Duramin

marka sertlik cihaz ile 500 g yk altnda vikers lmtekniine gre gerekletirilmitir.

2.4. Tribolojik davrann incelenmesi

Alamlarn srtnme ve anma deneyleri pin-on-disk tipibir Universal srtnme anma test sistemi ( UTSTribometer T10/20) ile gerekletirilmitir. Hem dnel hemde lineer hareket sistemine sahip sz konusu dzeneingenel grnmn veren resim ekil 1de gsterilmitir.Anma testleri iin 14mmx*14mmx*4mm boyutlarndanumuneler kullanlmtr. Numuneler; 5N, 15N ve 30Nnominal ykler altnda ve 0,18 m/s kayma hznda testleretabi tutulmutur. Her bir arttaki test sresi 100 myekarlk gelecek ekilde 90 dak. olarak belirlenmitir.Anma miktarlar ktle ve hacim kayb olarakhesaplanmtr. Srtnme katsays ise kayma mesafesinegre izdirilmitir. Numunelerin anma yzeyleri veanma derinlikleri boyutlu tarama zelliine sahip bir

profilometre (Nanofocus uscan) yardmylagerekletirilmitir. Anma mekanizmalar ise SEM ileyaplan anma izi ve anma paracklarnn incelenmesiile karakterize edilmitir.

ekil 1.Srtnme ve anma deneylerinin gerekletirildiitribolojik test sistemi (UTS Tribometer T10/20).

3. Bulgular ve rdeleme3.1. Mikroyap:

3.1.1. CuAl10Ni5Fe4:

CuAl10Ni5Fe4 alamnn mikroyaps grntleri ekil2de verilmitir. Dklm durumdaki nikel-alminyumbronzlarnda tipik olarak bakrca zengin matrisi,martenzitik faz ve stn zelliklerde kilit rol oynayanintermetalik (kappa) faz bulunmaktadr[4]. Katlamasrasnda ilk olarak sv geii, takiben - dnm,son olarak ise fazndan faznn dnmgereklemektedir [5]. Dkm yapsnda drt farkl fazbulunmaktadr. i faz %5 zerinde Fe ierir ve Fe3Alyapsndadr, ii faz %5ten az Fe ierir. iii faz ise nikelcezenginken, iv faz faz zerinde demirce zengin


3/6


keltiler eklinde olumaktadr[6]. Thossathepptak vearkadalar [6] nikel alminyum bronzlarnn scakdeformasyon koullarnda mikroyapsn almlar ve,750 - 800C aralnda scak deformasyonun mikroyapzerinde nemli bir etkisinin olmadn, 850oC zerindeise ii, iii, fazlarnn tamamen zndn, iv faznn ise

uygulanan deformasyon miktarna gre azaldn raporetmilerdir. almada kullanlan ve 800Cde dvlenCuAl10Ni5Fe4 alamna ait tipik dvme mikroyaplarekil 2de verilmitir. Resimde; , ve ii fazlar olduutahmin edilen fazlar ayrt edilebilmektedir.

ekil 2.CuAl10Ni5Fe4 alamna ait (a) dk, ve (b) yksek byltmelerde elde edilen mikro yap fotoraflar

ekil 3. CuSn11 alamna ait:

(a) dk ve (b) yksek byltmelerde mikro yap fotoraflar

3.1.2. CuSn11 alam

CuSn11 alamnn mikroyaps ekil 3de gsterilmitir.ukur ve arkadalar [7] yaptklar almada farkloranlarda kalay ieren Cu-Sn alamlarnn mikroyapsnincelemi ve dendritik byme ile birlikte yapda yksekmiktarda segregasyon bulunduunu gzlemlemilerdir.Ayrca, dendrit kollarnda alfa+delta tektoid yapsnnbulunduunu da raporlamlardr. Anma zelliiincelenen CuSn11 alamnn mikroyap grntlerindedvme sonucu krlandendritik yapaka grnmektedir(ekil 3).

3.2. Sertlik deerleri

almada kullanlan kalay bronzunun sertlik deerleri16710 HV olarak llm, nikel alminyum bronzununise sertlik asndan kalay bronzuna gre ok daha stnolduu ve 3088 HV sertlie sahip olduu grlmtr(Tablo 2).

izelge 2. Al ve Sn-bronzlarnn sertik deerleri.

MalzemeSertlik (Hv)

Sn-Bronzu 16710

Al- Bronzu 3088

3.3 Tribolojik zellikler:

3.3.1. Anma Davran

Malzemelerin anma davranlar ktle ve hacim kayplarzerinden incelenmitir. ekil 4de her iki bronza ait hacimkayplarnn uygulanan yke gre deiimleri gsterilmitir.

ekil 4. Ni-Al bronzu ve Sn- bronzu numunelerinin farklyk deerlerinde sergiledikleri hacim kayb deerleri.

500x 1000x

500x 1000x

a

b

a

b

faz

faz

faz

Krlan

dentritik

yap


4/6


Genel zellikler 5N 15N 30NSertlik(Hv0.5)

Yo(g/cm3)

(ort)

KtleKayb(mg)

HacimKayb(mm3)

KtleKayb(mg)

HacimKayb(mm3)

KtleKayb(mg)

Hacim Kayb(mm3)

Sn-Bronzu 167Hv10 8.77 0.7 10.4 1.1858 11.35 1.2942 172.9 19.71Al-Bronzu 308Hv8 7.58 0.4 13 1.7150 22.3 2.9419 28.7 3.78

Ayrca, her iki bronzun farkl yklerde sergiledikleri arlkkayb deerleri de izelge 3de verilmitir. ekil 4deverilen eriler incelendiinde, genel olarak dk ve ortayk seviyelerinde her iki bronzun yaklak bir birine yaknbir anma davran sergiledikleri grlmektedir. Ancak,bu blgede kalay bronzunun az da olsa daha yksek biranma direncine sahip olduu dikkati ekmektedir. Budurum izelge 3de verilen arlk kayb deerleriyle deuyumlu gzkmektedir. Ancak, 30 N gibi yksek yklemeartlarnda durumun byk oranda deitii ve ar

ykleme artlarnda Al bronzunun ok daha dk hacimve ktle kayb gsterdikleri sylenebilir. Nitekim, bu ykdeerlerinde kalay bronzunda yaklak 20 mm3lk birhacim kayb meydana gelirken, bu deer Al bronzundayaklak 4 mm3de kalmtr. Bu durum, dk yklemeartlarnda nispeten daha yumuak olan kalay bronzunundaha iyi anma performans sergilediini, ancak bumalzemenin yksek yklerde ar oranda andngstermektedir. Bilindii gibi Al bronzunun sertlik deerikalay bronzuna gre daha yksek olup, ar yklemealtnda bu yksek sertlikten dolay daha az anmakaybna neden olmaktadr. ekil 5te her iki bronznumunede 30Nluk ykler altnda anma sonucu oluananma izlerinin 3D yzey morfolojisi grlmektedir. Bu

grntler de kalay bronzunun anma izinin daha geni vederin olduunu gstermektedir. Ayrca, kalay bronzununanma blgesinde daha fazla yaylma ve svama izlerininmevcut olduu da anlalmaktadr.

ekil 5.30N yk altnda anma testine tabi tutulannumunelerin profilometrik 3D anma izi morfolojileri.a. CuAl10Ni5Fe4 alam, b. CuSn11 alam

Bu durum, nispeten yumuak olan matris yapsndankaynaklanmaktadr. ekil 6da ise bu anma izlerine aitprofilometrik grnm verilmitir. Bu grnmlerincelendiinde, hacimsel olarak kalay bronzunun dahafazla anm olduu anlalmaktadr. Ayrca, Al bronzununok daha dzenli and, anma izinin ok fazlasalmad dikkati ekmektedir. Bu ise Al bronzununzellikle yksek ykleme artlarnda bile dk ve dzenlianma davrann koruduunu gstermektedir. Bu durumhem alminyum bronzunun yksek sertlii hem de daha

kararlbir i yapya sahip olmasndan kaynaklanmaktadr.

ekil 6. Al ve Sn bronzu numunelerin anma sonrassergiledii profilometrik grnmler: (a) CuSn11 alam ve

(b) CuAl10Ni5Fe4 alam.

Al ve Sn bronzu numunelerin 30Nluk yk altndakideneyler sonras anma yzeyleri ve anma srasndaoluturduu anma paracklar SEM mikroskobu ileincelenmive baz seilmi resimler ekil 7 ve ekil 8dede gsterilmitir. Bu resimlere gre, kalay bronzununanma yzeyinin ok daha etkin bir ekilde plastik

a

b.

a

b

izelge 3. Alamlarn genel zellikleri ve anma miktarlar.


5/6


deformasyona urad ve yzeyde kaln svamatabakalarnn var olduu grlmektedir. Bu durum snekmalzemelerin zellikle yksek ykleme artlarndabeklenen bir durumdur. Nitekim bu yzeylerin anmassonras daha ok yapraks anma paracklarnnolumas bu gzlemi dorulamaktadr. nk snekmalzemelerin anmas srasnda anan paracklar arayzeye yapmakta ve devam eden kayma periyotlarsrasnda birbirleriyle birleerek ve deforme olaraksertlemekte ve ara yzeyden ayrlmaktadrlar. Albronzunun anma yzeyi ise daha farkl bir morfolojisergilemektedir. Nitekim ok daha dzenli bir anma izi veok daha ince anma paracklar bu malzemenin anmakarakteristiini oluturmaktadr. Svama durumu ise kalaybronzuna gre yok denecek kadaraz olumaktadr.

ekil 7. (a)-(b) Al-bronzu numunenin 30 N yk altndaanma sonras sergiledii anma izinin grnmve (c)Anma srasnda ortaya kan anma paracklarnn

morfolojik grnm.

ekil 8. (a)-(b) Sn-bronzu numunenin 30 N yk altndaanma sonras sergiledii anma izinin grnm. ve (c)Anma srasnda ortaya kan anma paracklarnn

morfolojik grnm

Literatrde yer alan almalarda bakr alamlarnnanma davrannn ou zaman sertlikle ilikili olmadraporlanmtr [8]. Nikel alminyum bronzunun anmazellikleriyle ilgili yaplan almalarda ise bu alamnstn anma davran sergiledii grlmtr. Bualamlarda gzlenen yksek anma direncinin, yapdabulunan ve fazlarndan kaynakland sylenmektedir[4,9]. Weber ve Kuhn [10] bu almada alnan sonularlaparalellik gsteren sonular elde etmiler, kalay bronzununyksek yklemelerde anma dayanmnn dtnraporlamlardr. almada kalay bronzlarnda oluankalay oksit filminin srtnme katsaysn azaltarak anma

dayanmn arttrd, ancak yksek yklerde bu ince oksitfilminin zedelendii ve buna bal olarak, yksekmiktardasrtnme ve anmann gerekletii belirtilmitir.

3.3.2. Srtnme Katsaylar

alma kapsamnda nikel alminyum bronzuna ve kalaybronzuna ait srtnme katsaylar da belirlenmi vesrtnme katsaysnn mesafe ile deiimi ekil9deverilmitir. Ayrca, 30Nluk yk altnda llen ortalamasrtnme katsays deeri de Tablo 3de verilmitir.Beklendii gibi, kalay bronzu ok daha dk bir srtnmekatsays deeri sergilemi olup, bu deiim kaymamesafesi boyunca devam etmitir.

2D Graph 2

Distance (m)

0 200 400 600 800 1000

FrictionCoefficient(

)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Sn-Bronze

Al-Bronze

ekil 9. Al-bronzu ve Sn-bronzunun 30 N yk altndasergiledii yola bal srtnme katsays deiim grafii

4. Genel Sonular:

1. Nikel Alminyum Bronzu (CuAl10Ni5Fe4) ve KalayBronzunun (CuSn11) anma davranlar hacim ve ktlekayplar zerinden karlatrmal olarak incelenmi,srtnme katsaylar ve sertlikleri belirlenmitir.2. 5N ve 15Nluk dk yklerde kalay bronzu nispetendaha yksek anma dayanm sergilemi, 30Nluk ykaltnda ise nikel alminyum bronzu ok daha stn anmadayanm gstermitir.3. Nikel Aluminyum bronzunun stn anmadavrannn ve stabilitesinin nedeni literatrde ve fazlarnn varl ile aklanmtr. Kalay bronzunun 30Nyk altnda ok daha dk anma direnci sergilemesi ise

ksa sre iinde oluan ve srtnme katsaysn drenkalay oksit filminin yksek yklerde varlnkoruyamamasna dayandrlmtr.4. Alminyum bronz alam kalay bronzuna gre dahayksek maliyetli olmasna ramen daha dk younluunedeniyle birim maliyeti kalay bronzuna yakn olabilir.Alminyum bronzu dk yklerde nispeten biraz dahayksek anma gsterse de ok dk srtnme katsays,yksek yklemelerde gsterdii yksek performansnedeniyle pek ok endstriyel uygulama iinfiyat/performans asndan kalay bronzuna gre dahaekonomik bir seenek olacaktr.


6/6


KAYNAKLAR:

[1] Kocak H, Tool Steel Handbook, Bolokur TeknikYaynclk. 2009

[2] Davis. R.J, ASM Specialty Handbook: Copper andCopper Alloys, ASM International. 2001.[3] Kocak H, Bakr ve Bakr alamlar, Bokukur TeknikYaynclk.[4] Thossatheppitak. B, Suranuntchai. S, Uthaisangsuk. V,Manonukul. A, Mugsuntisuk. P, Mechanical properties athigh temperatures and microstructures of a nickelaluminum bronze alloy, Advanced Materails Research, vol.683, 82-89. 2013[5] Pisarek. B.P, Model of Cu-Al-Fe-Ni bronzecrystallization, Archives Of Foundry Engineering, vol. 13,72-79. 2013[6] Thossatheppitak. B, Suranuntchai. S, Uthaisangsuk.V, Manonukul. A, Mugsuntisuk. P, Microstructure evolutionof nickel aluminum bronze alloy during compression atelevated temperatures, Advanced Materials resarch, vol.893, 365-370. 2014[7] Taslicukur. Z, Altug S. G, Polat. S, Atapek. S.H, **,Tredi. E, A microstructural study on cusn10 bronzeproduced by sand and investment castinig techniques,Metal 2102, Brno, Czech Republic. 2012[8] Meigh. H.J, Cast and wrought aluminium bronzespropertes, procesesses and sructure, CopperDevelopment Assocation. 2000[9] Yuanyuan. L, Ngai T.L, Xia. W, Mechanical, frictionand wear behaviors of a novel high-strength wear -resisting aluminum bronze, Wear vol. 197, 130-136.[10] Weber. K, Kuhn. H.A, Lead free wrought copper alloysfor bushings and sliding elements, Copper Alloys Early

applications and Current Performence, 69-92. 201

Documents

BİR NİKEL ALUMİNYUM BRONZU (CuAl10Ni5Fe4) İLE KALAY BRONZUNUN (CuSn11) SÜRTÜNME VE AŞINMA ÖZELLİKLERİ AÇISINDAN KARŞILAŞTIRILMASI