Buzdolabı kompresör yataklarında kullanılmak üzere b390 alüminyum alaşımının tribolojik özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of tribological characteristics of b390 aluminum alloy for use in refrigerator compressor bearings
Yazar: ABDULLAH ŞENTÜRK
Danışman: PROF. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Verimliliği arttırmak ve maliyeti azaltmak 21. yüzyılda neredeyse tüm mühendislik 
alanlarının temel felsefesi olmuştur. Birbiri ile sürtünme halinde olan parçalardaki 
malzeme kaybı verimi düşürmektedir. Sürtünmenin kontrolü, malzeme seçimi, çeşitli 
takviyeler ve proses seçimi gibi Ar-Ge çalışmaları sayesinde mümkün olabilmektedir. 
Bu alanda yapılan çalışmalar malzemelerin kullanım ömrünü önemli ölçüde arttırdığı 
gibi kaynakların doğru kullanımı açısından önem arzetmektedir.

Otomotiv, uçak-uzay ve beyaz eşya gibi endüstri alanları her geçen gün gelişimini 
sürdürmektedir. Bu endüstriler çok sayıda hareketli parçayı ve dolayısıyla etkileşimli 
yüzeylere sahip her tür makine ve mekanik sistemi içerir. Bu mekanik sistemlerin 
sorunsuz ve uzun ömürlü bir şekilde birbiri ile uyumlu çalışması malzemelerin 
tribolojik davranışlarının ne derece kontrol edilebildiğiyle yakından ilişkilidir. 
Triboloji, malzemelerin aşınma, sürtünme ve yağlama mekanizmalarını inceleyen 
bilim dalı olarak tanımlanmaktadır.
Yaklaşık elli yıl önce triboloji kaynaklı oluşan sorunların % 95'i aşınma arızaları ve
sürtünme sonucu malzeme kaybı ile ilgiliydi. Makineler ve ekipmanlar yıllar içinde 
yeni teknolojiyle geliştirildi ve artık daha güvenilirler. Buna karşın sürtünme konusu 
ve kullanılan malzemelerin aşınma davranışlarının iyileştirilmesi konusunda araştırma 
ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Ülkeler triboloji kaynaklı arızaların önüne 
geçmek için yatırım yapmakta ve 10 yıllık süreçte büyük ölçekte geri kazanım elde 
edeceklerini öngörmektedirler.

Beyaz eşya sektöründe en çok kullanılan ürünlerden olan buzdolaplarında verimlilik 
büyük ölçüde kullanılan malzemelerin seçimine bağlıdır. Buzdolabında soğutucu 
sirkülasyonunu sağlayan hermetik kompresörler, çeşitli malzemelerden üretilmiş 
komponentlerden oluşmaktadır ve kapalı sistemlerdir. Buzdolabı kompresörlerinin 
kapalı sistem oluşu, herhangi bir arıza durumunda kompresörün ömrünü 
tamamlayamadan ıskartaya ayrılması ile sonuçlanabilmektedir. Bu nedenle kompresör 
içindeki malzemelerin birbirleri ile olan uyumu büyük önem taşımaktadır.
Mevcut sistemde kompresörün gövde, krank mili ve piston parçaları dökme demirden 
üretilmektedir. Bu çalışmada buzdolabı kompresör yataklarında kullanılan dökme 
demirden üretilen piston parçasının yerine alternatif olarak ötektiküstü Al-Si alaşım 
grubundan olan B390 alüminyum alaşımının kullanımı amaçlanmıştır. Yüksek aşınma 
direnci, hafiflik, korozyon dayanımı ve düşük termal genleşme katsayısı özellikleri ile 
dikkat çeken B390 alaşımı aynı zamanda yüksek dökülebilirlik kabiliyetindedir. Bu 
özellikler genel olarak, Al-Si alaşımlarının ağır sanayide özellikle otomobil 
motorlarında silindir blokları, silindir kafaları, pistonlar, valf kaldırıcılar için 
uygulanmasını ayrıca buzdolabı ve klimalarda kullanılan kompresörün gövde ve 
piston parçası olarak tercih edilmesini sağlamıştır. Bunun yanında Al-Si alaşımlarının 
yoğunluğu 2,7 g/m3'dir ve dökme demir malzemelere göre yaklaşık 2,5 kat daha azdır. 
Bu da seri üretimde ton başına daha çok makine elemanı üretmek demektir.
B390 alüminyum alaşımındaki matrise dağılmış iri ve sert silisyum partikülleri 
sürtünme esnasında direnç oluşturmaktadır. Alaşımda Cu, Fe, Mn ve Mg gibi ikincil 
alaşım elementleri de bulunmaktadır. Bu alaşım elementleri matriste alüminyum ve 
silisyum ile intermetalik fazları oluşturmaktaır. Bu fazlar döküm prosesinde 
malzemenin akışkanlığını arttırıp dökülebilirlik özelliğine katkıda bulundukları gibi, 
ısıl işlenebilirlik ve mukavemet de sağlarlar. Malzemenin nihai özelliklerini 
etkileyecek olan mikroyapıdaki bu fazların morfolojisi ve dağılımı önemlidir. B390 
alaşımı, alüminyum matris fazı ile denge halinde birincil silisyum partikülleri, ötektik 
silisyum fazı ve intermetalik fazlar bulunmaktadır. Bu fazların homojen dağılımı ve 
küresel morfolojide olması iç stresi azaltıp çatlak oluşumunu engelleyecektir.
Bu projede B390 alaşımı, laboratuvar tipi kül fırınında grafit potada ergitildikten sonra 
çelik kalıba dökülerek son şekli verilmiştir. Mikroyapı incelemeleri için 30x5 
boyutlarında silindir şeklinde kesilmiştir. B390 alaşımına döküm esnasında ağırlıkça 
%1, %1,8, %2,4 oranlarında tane inceltici olarak AlTi5B ve %0,5, %1, %1,8 
oranlarında modifikasyon olarak Al10Sr ilaveleri yapılarak bunların mikroyapıya 
etkisi incelenmiştir. Ayrıca 800°C, 750°C ve 720°C'lik döküm sıcaklıklarının fazlar 
üzerinde etkisi incelenip yorumlanmıştır. İlaveler ile mikroyapısı iyileştirilen B390 
alüminyum alaşımına T6 ısıl yaşlandırma işlemi uygulanmıştır. Isıl işlem sonrasında 
alaşımın sertliği 130 HB'ye çıkartılmıştır.

Çalışmanın ikinci aşamasını triboloji testleri oluşturmaktadır. B390 alüminyum 
alaşımına yapılan mikroyapı iyileştirmelerinin tribolojik özelliklere etkisi 
araştırılmıştır. Alaşımın kompresör içindeki çalışma şartlarını simüle eden triboloji 
testleri, yağlı ortamda 52100 çelik malzemeli aşındırıcı yüzey ve 8 Hz salınımda gitgel hareketi yaparak uygulanmıştır. Aşınma testi için pin-on-disk (pin-on-disc) 
mekanizması kullanılmıştır. 6 saatlik deney süresi sonucunda pin ve disk triboloji
çiflerinin sürtünme katsayıları ve aşınma sonucu oluşan hacim kayıpları hesaplanmış,
mikroyapı iyileştirmelerinin tribolojik özelliklere etkisi yorumlanmıştır. SEM 
görüntüleri ve optik profilometre görüntüleri ile aşınan yüzeyler karakterize edilmiştir.

Abstract:
Increasing efficiency and reducing costs is a philosophy that can be defined in almost 
all engineering fields in the 21st century. In this context, loss of material in parts that 
are in friction with each other increases inefficiency. Control of friction is possible 
thanks to R&D studies such as material selection, reinforcements and process 
selection. Studies in this area significantly increase expected lifetime of materials and 
provide guidance for the correct use of resources.
Industrial areas such as automotive, aerospace and home appliances continue to 
develop day by day. These industries include all types of machines and mechanical 
systems with a large number of moving parts and therefore interacting surfaces with 
each other. The smooth and long-lasting harmony of these mechanical systems is 
closely related to the degree of which the tribological behavior of the materials can be 
controlled. Tribology is known as the discipline that studies wear, friction and 
lubrication mechanisms of materials.
About fifty years ago, 95% of the breakdown problems caused by tribology were 
related to wear failures and material loss due to friction. Machines and equipment have 
been developed over the years with new technology and they are more reliable today. 
On the other hand, research and development studies continue on the subject of friction 
and improving the wear behavior of the materials. Countries invest to prevent 
tribology-induced breakdowns and anticipate that they will achieve recovery in 10 
years.
Hermetic compressors that provide refrigerant circulation in the refrigerator, consist 
of components which made of various materials and also they are closed systems. The 
closed system of refrigerator compressors may result in the compressor being scrapped 
before completing its lifetime in case of any malfunction. For this reason, the 
compatibility ofmaterials in the compressor with each other becomes vitally important.
In the current system, the compressor body, crankshaft and piston parts are made of 
cast iron. In this study, it is aimed to use B390 aluminum alloy, which is from the AlSi alloy group hyper-eutectic, as an alternative to the piston part produced from cast 
iron used in refrigerator compressor bearings. B390 alloy, which stands out with its 
high wear resistance, lightness, corrosion resistance and low thermal expansion 
coefficient, also has high castability. These features have generally enabled Al-Si 
alloys to be applied in heavy industry, especially for automobile engines, for cylinder 
blocks, cylinder heads, pistons, valve lifters, and also as the body and piston parts of 
the compressor used in refrigerators and air conditioners. In addition, the density of 
xx
Al-Si alloys is 2.7 g / m3
and is approximately 2.5 times less than cast iron materials. 
This means producing more machine elements per ton in mass production.
The coarse and hard silicon particles dispersed in the matrix in the B390 aluminum 
alloy create resistance during friction. There are also secondary alloying elements such 
as Cu, Fe, Mn and Mg in the alloy. These alloying elements form intermetallic phases 
with aluminum and silicon in the matrix. These phases increase fluidity of the material 
in the casting process and contribute to the castability feature, as well as providing heat 
workability and strength. The morphology and distribution of these phases in the 
microstructure, which will affect the final properties of the material, are important. 
There are primary silicon particles in equilibrium with the B390 alloy, aluminum 
matrix phase, eutectic silicon phase and intermetallic phases. The homogeneous 
distribution of these phases and their spherical morphology will reduce internal stress 
and prevent crack formation.

In a previous study, in order to understand the tribological properties of B390 
aluminum alloy and to understand its suitability for use in compressors, microstructure 
improvement and tribology studies were carried out in the Arçelik Inc. Central R&D 
Material Technologies Laboratory. In the study, commercially supplied B390 
aluminum alloys were melted in a graphite crucible, then poured into a steel mold and 
given its final shape. Phosphorus addition, fast cooling and slow cooling studies were 
carried out to improve the microstructure in the casting process. Afterwards, T6 aging 
process was applied to the experimental groups. Certain samples in the created 
experimental groups were dipped in 10% by mass NaOH solution for various times 
and etched. Here, preferential dissolution is performed by creating a height difference 
between the silicon particles in the microstructure of the B390 alloy and the aluminum 
matrix. As a result of this process, it is aimed to reduce the wear of the aluminum 
matrix from the height difference between the aluminum matrix and the silicon 
particles. The height difference created also acts as a lubricating bearing. In the study, 
the advantages of B390 alloy compared to cast iron alloy were determined. 
Accordingly, it has been determined that the volume loss of B390 alloy as a result of 
friction is less than the cast iron alloy. In addition, the friction coefficient value of 
B390 was lower than cast iron and the friction graph remained at a more stable value
for B390 alloy.

In this project, the B390 alloy was melted in a graphite crucible inlaboratory muffle 
furnace and then poured into a steel mold and gave its final shape. It was cut in 
30x5mm size cylinders from B390 for microstructure investigations. During casting, 
AlTi5B as a grain refiner at the rate of 1%, 1.8%, 2.4% by weight and Al10Sr as 
modification at 0.5%, 1%, 1.8% were added to the B390 alloy and their effect on the 
microstructure was investigated. In addition, the effects of 800° C, 750° C and 720° C 
casting temperatures on the phases were examined and interpreted. T6 thermal aging 
process was applied to B390 aluminum alloy whose microstructure was improved with 
add-ons. After the heat treatment, the hardness of the alloy was increased to 130 HB.
It has been determined that the addition of AlTi5B grain refiner has a negative effect 
on the hardness while reducing the size of the primary silicon particles in the 
microstructure and improving the microstructure. The reason for this is that after the 
addition of AlTi5B to the liquid melt, it was determined that the hardness was greatly 
reduced as a result of the increased holding time (about 30 minutes) in the muffle 
furnace. It is thought that the hardness decreases as a result of the overgrowth of the 
heterogeneous nucleated α-Al phase in the structure together with the increased 
holding time.

Tribology tests constituted the second stage of the study. The effect of microstructure 
improvements on B390 aluminum alloy on tribological properties has been 
investigated. Tribology tests simulating the working conditions of the alloy inside the 
compressor were applied with an abrasive surface 52100 steel material, an 8 Hz 
oscillation movement under lubrication. For the wear test, a pin-on-disc mechanism 
was used. As a result of the 6-hour test period, the friction coefficients of the pin and 
disc tribology pairs and the volume losses due to wear were calculated and the effect 
of microstructure improvements on tribological properties was interpreted. Worn 
surfaces are characterized by SEM images and optical profilometer images