Kaymalı yatakların tribolojik performanslarının bilyalı dövme işlemi ve nano partikül takviyeli kolloidal süspansiyon kullanımı ile geliştirilmesi
Improvement of tribological performance of sliding bearings by using shot peening process and nano particle reinforced colloidal suspension
Yazar: ŞEYMA KORKMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUHAMMET HÜSEYİN ÇETİN ; DOÇ. DR. HAMZA ŞİMŞİR
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kaymalı yatak = Slide bearing ; Makine elemanları = Machine elements ; Nanomateryaller = Nanomaterials ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Triboloji = Tribology

Özet:
Bu çalışmada bilyalı dövme prosesi ile nano-partikül katkılı yağlayıcı kullanımının kaymalı yatak malzemelerinin aşınma dayanımlarına etkisi araştırılmıştır. Çalışma kapsamında kalay bronzu (CuSn12) ve alüminyum bronzu (CuAl10Ni5Fe4) olmak üzere iki farklı kaymalı yatak malzemesi kullanılmıştır. Belirlenen malzemeler, mekanik dayanım değerlerinin farklı olması (σç-CuSn12=365 MPa, σç-CuAl10Ni5Fe4=715 MPa) sebebiyle tercih edilmiştir. Bu sayede, çalışma kapsamında uygulanacak yöntemlerin farklı mekanik özelliklere sahip malzemelerdeki etkisi analiz edilmiştir. Bilyalı dövme işlemi ile her iki yatak malzemesinin yüzeyinde malzeme merkezine göre minimum %40'lık bir sertlik artışı elde edilmiştir. Bilyalı dövülmüş numunelerin yorulma dayanımlarının bilyalı dövülmemiş numunelere göre Al bronzunda en az 21 kat, Sn bronzunda ise en az 7 kat oranında arttığı belirlenmiştir. Bilyalı dövülmüş numunelerin aşınma deneyleri ball-on-disk tipi aşınma tezgahında kuru ve yağlayıcı ortam koşullarında gerçekleştirilmiştir. Bilyalı dövme işlemi ile yüzeylerde artan pürüzlülük sayesinde mil-yatak ara yüzeyinde daha kalın yağ filmi oluşumunun sağlanması ve pürüzlülük ceplerinde biriken yağ tabakaları sayesinde kaymalı yatak malzemelerinin tribolojik performanslarının arttırılması sağlanmıştır. Kimyasal ve mekanik karakterizasyon aşamasında ~20 nm çapında küresel form oluşumu, topaklanmanın, çökelmenin ve temas açısının minimizasyonu dikkate alınmıştır. UV testinde elde edilen 420 absorbans değeri, Zeta Testinde elde edilen -33 mV akım değeri, partikül sayımında elde edilen 90 nm altı partikül yoğunluğu değerleri ve STEM görüntülerinde elde edilen ~20 nm çapındaki küresel yapılar nano-partikül sentezinin başarılı bir şekilde yapılabildiğini göstermektedir. İlaveten nano-gümüş partiküllerinin temas açısını %15 oranında düşürdüğü de belirlenmiştir. Bilyalı dövülmüş numunelerin aşınma deneyleri ball-on-disk tezgahında sabit yük ve hız parametrelerinde kuru, saf su ve nano-gümüş katkılı saf su ortamında gerçekleştirilmiştir. Her iki malzeme için elde edilen nicel sonuçlar, düşük Almen yoğunluğunda dövülmüş malzemelerin ise hem aşınma dayanımının arttırılması hem de yüzey-yağlayıcı-nanopartikül etkileşimi açısından daha iyi sonuçlar verdiğini göstermektedir. Aşınma deneylerinden elde edilen sonuçlar, nano-gümüş partikül katkılı yağlayıcının/soğutucunun bilyalı dövülmüş yüzeylerde oluşan pürüzlülüklerde tutunarak kaymalı yatak malzemelerinin tribolojik performanslarını (aşınma dirençlerini) CuSn12 için ~%10 oranında, CuAl10Ni5Fe4 için ~%15 oranında arttırdığını göstermektedir. Aşınma karakteristiklerindeki fark sebebiyle alüminyum bronzunda nano-gümüş etkisi ile daha yüksek aşınma dayanımı elde edilmiştir.   
Sonuç olarak, kaymalı yatakların tribolojik performanslarının arttırılması açısından bilyalı dövme işlemi ve nano-gümüş katkılı yağlayıcı kullanımının anlamlı etkileşim oluşturduğu belirlenmiştir. Düşük Almen şiddetine maruz kaymalı yatakların yorulma dayanımı, aşınma dayanımı ve nano-gümüş katkılı yağ etkileşimi için optimum sonuçları sağladığı ve elde edilen sonuçların güvenle endüstride kullanılabileceği söylenebilir.

Abstract:
In this study, the effect of the use of nano-particle added lubricant with shot peening process on the wear resistance of sliding bearing materials was investigated. Two different sliding bearing materials, tin bronze (CuSn12) and aluminium bronze (CuAl10Ni5Fe4), were used in the study. The determined materials were preferred because of their different mechanical strength values (σç-CuSn12=365 MPa, σç-CuAl10Ni5Fe4=715 MPa). In this way, the effects of the methods to be applied on materials with different mechanical properties were analysed. With the shot peening process, a minimum of 40% increase in hardness was obtained on the surface of both bearing materials compared to the material centre. It was determined that the fatigue strength of the shot-peened samples increased at least 21 times in Al bronze and at least 7 times in Sn bronze compared to the non-shot-peened samples. Wear tests of shot peened  
specimens were carried out on a ball-on-disc type wear test under dry and lubricated conditions. Thanks to the increased roughness on the surfaces with the shot peening process, the formation of a thicker oil film on the shaft-bearing interface and the increase in the tribological performance of the sliding bearing materials thanks to the oil layers accumulated in the roughness pockets. In the chemical and mechanical characterization stage, spherical form formation with a diameter of ~20 nm, minimization of aggregation, precipitation and contact angle were considered. The absorbance value of 420 obtained in the UV test, the current value of -25 mV obtained in the Zeta Test, the particle density values below 90 nm obtained in the particle count and the spherical structures with a diameter of ~20 nm obtained in the STEM images show that nano-particle synthesis can be performed successfully. In addition, it was determined that nano-silver particles reduced the contact angle by 15%. Wear tests of shot peened samples were carried out on a ball-on-disc system at constant load and speed parameters in dry, pure water and nano-silver added pure water conditions. Quantitative results obtained for both materials show that excessive shot peening gives negative results in terms of wear resistance, while peened materials at low Almen intensity give better results in terms of both increasing wear resistance and surface-lubricant-nanoparticle interaction. The results obtained from the wear experiments show that the lubricant/coolant with nano-silver particle additives, by adhering to the roughness of the shot peened surfaces, increases the tribological performances (wear resistance) of the sliding bearing materials by ~10% for CuSn12 and ~15% for CuAl10Ni5Fe4. Due to the difference in wear characteristics, higher wear resistance was obtained with the nano-silver effect in aluminium bronze. As a result, it was determined that shot peening process and the use of nano-silver added lubricant create a significant interaction in terms of increasing the tribological performance of sliding bearings. It can be said that sliding bearings subjected to low Almen intensity provide optimum results for fatigue resistance, wear resistance and interaction of nano-silver added oil and the obtained results can be used safely in industry.