Buzdolabı kompresör yataklarında modifiye edilmiş B390 alüminyum alaşımlarının dökme demir yerine kullanılabilme potansiyeli

Birbirleri ile sürtünme halinde olan parça ve yatakların tribolojik özelliklerini geliştirerek hem kullanım ömrünü hem de sistemin çalışma verimini arttırmak, günümüzde hızla tükenen enerji kaynakları göz önüne alındığında, araştırılması gereken en önemli konular arasındadır. Hareketli sistem yataklarının tribolojik özellikleri, malzeme değişimi yaparak veya mevcut malzemeler üzerine çeşitli modifikasyonlar yaparak geliştirilebilir. Bu modifikasyonlar direk taban malzeme yüzeyine uygulanabilirken, taban malzeme üzerine uygulanacak bir kaplama ile de sağlanabilmektedir. Buzdolabı temel soğutma elemanı olan kompresörler incelediğinde de, bu sistemde çalışan yatakların aşınma dayanımlarının kompresör verimini ve enerji kaybını doğrudan etkilediği görülmektedir. Mevcut hermetik tip buzdolabı kompresörlerinde krank mili ve gövde malzemesi olarak dökme demir kullanılmaktadır. Dökme demir krank mili yüzeyine ise, mangan fosfat kaplama uygulanmaktadır. Yağ tutucu özelliği olan bu kaplamalar yatak yüzeylerini belirli bir süre aşınmadan korur, fakat zamanla aşınarak taban malzemeden mekanik kayıplara sebep olmaktadır. Dolayısıyla kompresör verimi (soğutma performans katsayısı) düşmektedir. Kompresör veriminin düşmesi ise buzdolabı enerji tüketiminin artmasına neden olmaktadır. Bu çalışmada, buzdolaplarında kullanılan hermetik kompresörde gövde malzemesi olarak dökme demir yerine, ötektik üstü Al-Si alaşımı olan B390'ın kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Al-Si alaşımları; hafiflik, mükemmel dökülebilirlik, yüksek aşınma direnci ve yüksek korozyon direnci sayesinde en çok tercih edilen alüminyum döküm alaşımları arasındadır. Bu özellikleri ile son zamanlarda uçak ve otomotiv endüstrisinde, demir esaslı malzemelerin yerini almaya başlamıştır. Tercih edilmesinin asıl sebebi ise, yapısında bulunan ana alaşım elementi silisyum sayesinde yüksek mukavemet ve yüksek aşınma direncine sahip olmasıdır. Ayrıca alüminyumun yoğunluğu 2,7 g/m3 olup, demirden 3 kat daha hafiftir. Bu da hacimsel üretim miktarı baz alındığında, aynı kütleye sahip bir hammaddeden daha fazla parça üretilebileceği anlamına gelir. Al-Si alaşımlarının kullanımının diğer bir avantajı ise basınçlı döküme uygun olmasıdır. Böylece dökme demir yatakların üretiminde kullanılan birçok talaşlı imalat aşaması ortadan kalkacaktır. Çünkü basınçlı döküm yöntemi ile kompleks şekilleri genellikle tek kademede veya dökme demire göre daha az sayıda talaşlı imalat adımıyla elde etmek mümkündür. Yapılan öncül deneysel çalışmalarda, mevcut dökme demir/dökme demir çiftinin tribolojik davranışları incelenmiştir. Ardından dökme demir/B390 tribo-çifti, B390 alaşımına çeşitli modifikasyonlar uygulanarak test edilmiştir. Bu modifikasyonlar; döküm alaşımına fosfor ilavesi, döküm sonrası soğutma hızı, ısıl işlem (çökelme sertleşmesi), NaOH ile yüzeyi kimyasal olarak dağlama olarak sıralanabilir. Bu çalışmaların genel amacı; B390 yapısındaki primer Si plakaların boyutlarının, yapıdaki homojenitesinin, sertliğinin ve kimyasal dağlama ile alüminyum matrisi tercihli çözüp Si plakalarının yüzeye çıkarılmasının aşınmaya olan etkisinin detaylı olarak incelenmesidir. Krank mili - gövde yatağının çalışma şartlarını simüle etmek amacıyla dökme demir pim ve B390 diske yağlı ortamda ve 80 °C sıcaklıkta pim/disk(pin-on-disc) triboloji testi uygulanmıştır. Sınır yağlama koşullarının tespiti amacıyla stribeck eğrileri oluşturulmuş ve 8 saatlik deney parametreleri bu eğrilerden yararlanılarak seçilmiştir. Çünkü buzdolabı kompresörleri baz alındığında, yüzeylerde oluşan en kritik aşınma kompresörün dur-kalk yaptığı, yatak malzemeleri arasında rijit bir yağ tabakasının oluşmadığı sınır yağlama koşullarında gerçekleşmektedir. Aşınma sırasında malzeme kaybını önlemek amacıyla B390 disklere çökelme sertleşmesi ısıl işlemi ve farklı sürelerde %10'luk NaOH çözeltisi ile kimyasal dağlama uygulanmıştır. Dağlama sırasında yüzeyde oluşan alkali oksitler, işlem sonrasında %10'luk nitrik asit çözeltisiyle ile temizlenmiştir. Çökelme sertleşmesi sonrasında en yüksek sertlik değeri 5 saat yaşlandırılan numunede görülmüş, bu numuneye kimyasal dağlama işlemi de uygulanıp 8 saatlik tribolojik testler yapılmıştır. Deneyler sonrasında diskte meydana gelen aşınma derinliği ile pimde oluşan iz çapı analizleri, optik profilometre, XRD ve SEM-EDS kullanılarak incelenmiştir. Diskteki aşınma derinlikleri ve pimdeki iz çapları ölçülüp, pim üzerinde meydana gelen aşınma değerlerinden yola çıkılarak özgül aşınma hızı katsayıları hesaplanıp birbirleri içerisinde karşılaştırılmıştır.