Çeliklerin erozif-abrazif aşınmasında aşındırıcı tane büyüklüğünün aşınma direncine etkisi
Effect of abrasive particle size on wear resistance for erosive-abrasive wear of steels
Yazar: ERGİN KOSA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma hızı = Wear speed ; Eroziv aşınma = Erosive wear ; Mikrosertlik = Microhardness

Özet:
Günümüzde makine sistemlerinin ve parçalarınının hasara uğramasında erozif-abrazif aşınma mekanizması önem kazanmaktadır. Erozif-abrazif aşınma, aşındırıcı parçacık yardımıyla sıvı ortamda parçanın yüzeyinden malzeme kaybına sebep olarak makine elemanlarının çalışma ömürlerinin azalmasına ve makine sistemleri içerisinde fonksiyonunu yerine getirememesine neden olmaktadır. Erozif aşınma mekanizmasında birçok faktör aşınmayı etkilemektedir. Bu faktörler; çevresel etkenlerden ve malzeme parametreleri olmak üzere iki başlık altında toplanmaktadır. 
Çalışmada değişik parametrelerin Erozif – Abrazif aşınma karakteristiği üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu parametreler metodik olarak değiştirilerek, her bir parametrenin etki dereceleri incelenmiştir. Sistematik olarak incelenen parametreler şu şekilde tanımlanmaktadır: Çeliğin sertlik değeri, kuvars kumunun boyutları, çarpma açısı ve aşındırıcı çarpma hızı. 
Çalışmanın ilk aşamasında deney düzeneği tasarlanmıştır. Deney düzeneğinde numuneler, hazne içerisine yerleştirilmiş karıştırıcı pervane yardımıyla döndürülmektedir. Karıştıcı pervane elektronik kontrollü ile döndürülmüştür, takometre yardımıyla da dönme hızı kontrol edilmiştir. Her bir deneyde iki adet deney numunesi teste tabi tutulmaktadır. Tank tasarım parametreleri değiştirilerek sıvı-parçacık akış analizi modellenmiştir. ANSYS/FLUENT programı kullanılarak gerçekleştirilen analiz sonuçları doğrultusunda en uygun tank deney hazne parametreleri tespit edilmiştir. Tasarım parametrelerin tespit edilmesinden sonra deney düzeneği imal edilmiştir.
Çalışmanın ikinci aşamasında erozif-abrazif deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneyler yukarda belirtilen parametrelerin sistematik olarak değiştirilmesiyle oluşturulmuştur. Deney süresi dört saat olarak tespit edilmiştir ve her bir saatte kuvarz kum-su karışımı değiştirilmiştir. Erozif – abrazif aşınma miktarını tespit etmek amacıyla deney öncesi ve deney sonrasında numunenin kütlesi hassas terazi ile ölçülürek kütle kaybı hesaplanmıştır. Aşındırıcı kuvarz kum çapını etkisini incelemek için kumlar, 6 farklı kum çap sınıfına göre sınıflandırılmıştır; 100-200 µm, 200-290 µm, 290-385 µm, 385-505 µm, 505-666 µm ve 666-900 µm. Parçacık çarpma açısının etkisini tespit etmek amacıyla, parçacıklar malzeme yüzeyine 0°, 15°, 30° ,45°, 60° 75°, 90° çarpma açısılarıyla çarptırılmıştır. Aşındırıcı çarpma hızının etkisini tespit etmek amacıyla pervane dönme hızı 300-700 dev/dak dönme hızları değerleri arasında döndürülmüştür. Çelik numunelerin sertlik değerlerini değiştirmek amacıyla Ck 45 ve St 37 çelikleri kullanılmış ve farklı ısıl işlemlere (su verme ve farklı sıcaklıklarda tavlama) tabi tutulmuşlardır. 
Deneylerin gerçekleştirilmesinde sonra şu sonuçlara varılmıştır: Parçacık çarpma hızı arttıkça, numune yüzeyinden kütle kaybı artmaktadır. Sünek malzeme için maksimum aşınma miktarı 30° çarpma açısında elde edilmiştir. Malzemenin sertliği 510 HVN olduğunda ise maksimum aşınma miktarı 45° bulunmuştur. Sertlik arttıkça aşınma miktarının pik yaptığı açı olan 90°' ye doğru kaydığı görülmüştür. Sertlik arttıkça çelik numunelerin aşınmaya karşı dirençleri artmıştır. Altı farklı aşındırıcı kum tanecik çapında da elde edilen deney sonuçlarına göre sertliğin artmasıyla aşınma direnci doğrusal bir artış göstermektedir. Ancak belirli bir kum çapından sonra (Kritik kum çapı) çelik numunelerde aşınma miktarı artış göstermektedir.
Literatür araştırması sonucu mevcut çalışmalar içerisinde çoğunlukla çalışma ortamındaki parametreler olan aşındırıcı parçacık boyutu, şekli, çarpma hızı ve açısı, kum konsentrasyonu gibi parametrelerin erozif-abrazif aşınmaya etkileri incelenmiş ve modellenmiştir. Ancak aşınmaya etkili olan malzeme özellikleri (sertlik, tokluk) çok sınırlı bir şekilde ele alınmıştır. Çalışmanın özgünlüğünü açısından, erozif aşınmaya etki eden parametrelerin sistematik olarak değiştirilmesi sonucu elde edilen veriler yardımıyla erozif – abrazif aşınmasının matematik modeli oluşturulmuştur. Aşınma deneyleri sonrasında numunelerin yüzeyinde meydana gelen erozif-abrazif aşınma mekanizması SEM (Tarayıcı Elektron Mikroskobu) görüntüleri yardımıyla aşınan numunelerin morfolojik yapıları incelenmiş ve etkin olan aşınma mekanizmaları tespit edilmiştir. SEM yardımıyla mikro çatlak, mikro yarık ve mikro oluk mekanizmaların çelik numunelerin morfolojik yapılarında gözlenmştir. Çelik numune yüzeylerindeki meydana gelen çukurcuk boyutları 3 µm'den 150 µm'e kadar malzeme sertliğine bağlı olarak değişiklik göstermiştir.
Önerilen tez bu uygulamanın değişik yönlerinin uygulanacağı ve daha önceki bilimsel çalışmaları tamamlayıcı nitelikte olmuştur. Tasarım ve malzeme seçimindeki farklılar özgün katkı sağlamıştır.

Abstract:
Erosion wear is the removal of the material from the target after many impacting cycles of particles to the surface in a solid-liquid environment. Erosive-abrasive wear plays an important role on mechanical systems and parts causing damage on the structure. 
Many methods are applied to minimize the wear of materials such as applying new manufacturing techniques, selecting appropriate material, coatings, surface processes. Erosive-abrasive wear reduces the lifetime of the machine components and causes the machine parts inoperable in machine systems by abrasive wear particles. Erosive, abrasive and corosive mechanisms can be acting at same time, this can cause rapid damage to the materials. To examine the erosive wear effect, many techniques are used such as air jet impact set up, coriolis approach impact machine and slurry tank tester.
Many factors affect the wear on erosive-abrasive wear mechanism.These factors are arised from two common parameters such as medium conditions and material properties. The medium parameters are concentration of particles in slurry, impact velocity, impact angle, abrasive particle size and geometry, the material properties are hardness and toughness of materials.
In this study, the effect of different parameters on erosive-abrasive wear characteristic is studied and the effect of each parameters are analysed by changing the parameters methodically. The parameters changed systematically are the hardness of the steel material used as a test sample, the size of the quartz sand the impact velocity of the abrasive particle, the impact angle of the abrasive particle.
Firstly, the slurry tank set up is designed. The samples are placed in slurry tank and are rotated by a propeller mixer. The set-up consists of three baffles, a propeller two specimens and a holder. The propeller is to prevent precipitation of the abrasive particles during the rotation of the propeller at the bottom of the tank and to suspend the particles homogeneously in the particle-liquid slurry. Baffles are added to prevent the roational movement of the hard particles.  The propeller is rotated by an electronic controller. The rotation speed is also controlled by a tachometer. Two samples are used in slurry tank test. 
The tank parameters are changed and the liquid-particle flow analyse is modeled. The optimum tank parameters such as width of the baffles, height of the propeller and the position of the samples in the slurry tank is found by ANYSY/FLUENT program. After determining the design parameters, the slurry tank set up is manufactured.
Secondly, erosive-abrasive tests are done. The experiments are done by changing parameters above systematically. The sand particles round during the experiments due to interacting to each other. So, test duration is four hours and quartz sand-water slurry mixture is replaced in each hour to eliminate rounding effect.  Mass loss of the wear specimens before and after 4 hour tests is measured by an electronic balance having least count of 0.1 mg. The materials used in tests are Ck 45, St 37 and C 15. To investigate the effect of abrasive particle size, the quartz sand is sieved and classified in 6 categories. These classes of abrasive particle diameter are as 100-200 µm , 200-290 µm, 290-385 µm, 385-505 µm, 505-666 µm, 666-900 µm. The % 20 weight percentage of the slurry mixture is quartz sand concentration in all experiment. To determine the impact velocity, the rotation speed is changed between 300-700 rpm. To get different hardness values, Ck 45 and St 37 steels are used and heat treatments (such as quenching and annealing at different temperatures) are applied to the steels. 
After the tests, results are obtained as; by increasing the particle impact velocity, the mass loss of the sample increases.  The maximum wear amount is get at 30° impact angle for ductile non-heat treated St 37 steel material and it is found that the maximum amount of wear is at 45° for heat-treated St 37 steel material having 510 HVN. As the hardness of the steel material increases, the impact angle at which the maximum wear is observed to tend to slide to 90°. 
As the hardness of the steel increases, the wear resistance increases. The wear resistance increases linearly at 6 different quartz sand diameters where as in an abrasive wear, the wear resistance behavior according to the hardness was modeled in two section having two different linearity.  . 
There are many cycles of abrasive particles impacting the surface of the steel samples. The crack nucleation period takes up much time and crack propagation form quickly in brittle material, in contrast, crack propagation period takes up much time in ductile materials. The abrasive particles having smaller diameters are sufficient to start to only crater nucleation in brittle material and mass of removal material is lower. For bigger abrasive quartz particles, mass loss is much more than the smaller particle size and the slope of the linearity in erosive-abrasive resistance decreases according to the smaller abrasive quartz particles.
The mass loss according to the abrasive particle quartz diameter shows two different tendencies. The loss of mass tendency changes after a critical particle size. The critical particle changes between 310-390 µm for steel samples.
It is claimed that a threshold impacting energy of the abrasive particle exists resulting in change of wear mechanism. By low particle size during wear, particles stuck and could not escape from the surface. This phenomenon resulted in three-body abrasion mechanism. By further increase of particle size, particles could abscond from the surface resulting in an erosive wear mechanism. This change in wear mechanism resulted in increase in wear rate. 
The investigations and models of erosive-abrasive wear in the literature are generally focused on the medium parameters such as particle size, geometry, impact velocity and impact angle and sand concentration effect on wear mechanism, but the hardness of material property was not studided before.  The orginality of this study besides investigating the medium conditions effect on erosive-abrasive wear is to determine the loss of mass for steel samples having different hardness values in erosive-abrasive wear and to formulate a mathematical model including the hardness of metallic material.
After wear tests, the erosive-abrasive wear mechanism on sample surfaces are investigated by SEM (Scanning Electron Microscope). The worn surface morphologies are analysed and wear mechanisms are determined by SEM.  
The micro cracking, micro ploughing and micro grooves are observed on morphologic structures of the worn steel surfaces. Micro ploughing and micro grooves are characteristic morphological worn pits in ductile material surfaces whereas micro cracking is a characteristic from in brittle material surfaces. The pits' sizes changed from 3-150 µm according to the hardness values of the steel samples. 
The diameters of micro crater forms on the surface of the steel samples increase when the impacting abrasive quartz particles' size increases. 
This research contributes the previous academic studies. And also it is unique due to differencies in design and material selection. This study provides a new projection to determine the effect of the abrasive particle diameter, impact particle velocity and material hardness on fans, pump, pipeline systems, turbines, nozzles. By the mathematical formulae, It is found that how the hardness of material, impact velocity, abrasive particle diameter affect the erosive-abrasive resistance of the steels.