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
- Tez No: 682639
- Danışmanlar: PROF. ONURALP YÜCEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 104
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.
Özet (Çeviri)
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
Benzer Tezler
- Buzdolabı kompresör yatakları için aşınmaya dayanıklı malzeme seçimi
Selection of wear resistant material for refrigator compressor bearings
İREM NUR DURU
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Buzdolabı kompresör yataklarında MoN-Cu nanokompozit kaplamaların mangan fosfatlama yerine kullanılabilme potansiyeli
The usage potantiel of MoN-Cu nanocomposite coatings instead of manganese phosphating on bearing parts of refrigerator compressors
PINAR YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Buzdolabı kompresör yataklarında modifiye edilmiş B390 alüminyum alaşımlarının dökme demir yerine kullanılabilme potansiyeli
The usage potantiel of modified B390 aluminum alloys instead of cast iron on bearing parts of refrigerator compressors
OĞUZHAN KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Hermetik kompresörlerde krank yatak tasarımının sürtünme kayıplarına etkisinin incelenmesi
An investigation of the effect of crank shaft bearing design on the frictional losses in hermetic reciprocating compressors
AHMET BURAK TOP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
- Buzdolabı kompresörlerinde krank yataklarının optimizasyonu ve rulmanlı yatak kullanımının incelenmesi
Optimization of the crankshaft bearings and investigation of the ball bearing usage in the compressor of the refrigerator
OSMAN BODUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK