Bakır esaslı kompozit elektrik motor fırçası üretimi ve özelliklerinin incelenmesi
Production of copper based electrical motor brushes and investigation of properites
Yazar: HÜSEYİN İPEK
Danışman: DOÇ. DR. HAMDULLAH ÇUVALCI
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma, elektrik motorlarında hareketli kısım (rotor) ile direkt olarak temas halinde bulunan, elektriksel olarak iletken ve aşınma elemanı olan elektrik motor fırçalarının üretimi ve özelliklerinin incelenmesi üzerine yürütülmüştür. Çalışma kapsamında, bakır matrisli ve değişen oranlarda grafen (Gr), hegzagonal bor nitrür (h-BN), alümina (Al2O3), bor karbür (B4C) ve silisyum karbür (SiC) takviyeleri içeren, ikili ve üçlü (hibrit) kompozitlerden oluşan elektrik motor fırçaları üretilmiş ve özellikleri incelenmiştir. Kompozit tozları, 8 saatlik mekanik alaşımlama süresine müteakip 500 MPa (±5 MPa) basınç altında, soğuk ve tek tesirli hidrolik pres ile kompakt hale getirildi. Kalıplanan numuneler 900 oC'de indirgeyici gaz atmosferinde 1 saat süre ile sinterlendi. Her numune 100 kPa yay basıncı; 8, 16, 24, 32 m/s'lik dönme hızları ve 4, 8, 12, 16 A/cm2'lik akım yoğunluklarında deneye tabi tutulmuştur. Her numunenin elektriksel iletkenlikleri, poroziteleri, sertlikleri, aşınma kayıpları, yüzey pürüzlülükleri ve çalışma esnasındaki oluşan sıcaklık değişimleri incelenmiştir. Numunelerin elektriksel iletkenlikleri incelendiğinde, artan takviye oranı ile elektrik iletkenliklerinin düştüğü tespit edilmiştir. Elektriksel iletkenlik açısından en olumsuz takviye malzemesinin SiC olduğu tespit edilmiştir. Elektro-mekanik aşınma deneyleri incelendiğinde ağırlıkça %5 grafene ek %1 Al2O3 içeren fırçada 0.083 N ile en düşük sürtünme kuvveti ölçülmüştür. Üretilen fırça numunelerinin ağırlık kayıpları değerlendirildiğinde ise en fazla ağırlık kaybının ağırlıkça %20 h-BN bakır esaslı fırçada, 32 m/s'lik dönme hızı ve 16 A/cm2'lik akım yoğunluğu koşullarında gerçekleştiği tespit edilmiştir. Ayrıca verilen numune için toplam ağırlık kaybının ortalamada 152.4 mg olduğu görülmüştür. Üretilen numunelerin porozite değerleri incelendiğinde ise genel olarak artan takviye oranı ile porozite oranının arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca en yüksek porozite oranının ağırlıkça %15 grafen takviyesine ek  %1 B4C içeren numunede % 22.4 olarak gerçekleştiği tespit edilmiştir. Sertlik değerleri incelendiğinde genel eğilimin artan takviye oranı ile sertliğin azalması yönünde olduğu görülmüştür. En yüksek sertlik değerinin ise ağırlıkça %5 Gr içeren bakır esaslı kompozit fırçada (20 BSD) olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
This study was carried out on the examination of the production and properties of electric motor brushes which act as electrically conductive and wear elements in direct contact with the moving part (rotor) of electric motors. Within the scope of the study, electric motor brushes were produced and their characteristics were investigated in six different groups consisting of copper matrix composites containing graphene, hexagonal boron nitride, alumina, boron carbide and silicon carbide reinforcements in varying proportions. The composite powders were compacted with a cold and single-acting hydraulic press under a pressure of 500 MPa (±5 MPa) following 8 hours of mechanical alloying process. The molded samples were sintered at 900 ° C for 1 hour in a reducing gas atmosphere. Each sample was tested three times at 100 kPa spring pressure, 8, 16, 24, 32 m/s rotational speeds and current densities of 4, 8, 12, 16 A/cm2. In addition to that, the electrical conductivities, porosities, hardness, wear losses, surface roughness and temperature changes (oC) during testing were investigated for each sample. It was determined that the electrical conductivity decreased with increasing reinforcement ratio. In terms of electrical conductivity, it was determined that SiC is the most negative reinforcement material. When the electro-mechanical abrasion tests were examined, the lowest friction force (N) was measured with 0.083 N on a brush containing 5 wt. % graphene with 1 wt. % Al2O3. The lowest voltage drop (V) was measured with 0.03 V on a sample containing 10 wt. % Gr. with 0.5 wt. % Al2O3. When the weight loss of the brush samples were evaluated, it was determined that the most weight loss was achieved with a sample of 20 wt. % h-BN reinforced copper-based brush, at the rotation speed of 32 m/s with a current density of 16 A/cm2. It was also found that the average weight loss for this sample was 152.4 mg. When the hardness values were examined, it was seen that the general tendency in the hardness of samples decreased with the increasing of reinforcement ratio. The highest hardness value was found on the copper based composite brush (20 HB) containing 5 wt. % Gr.