MAKİNE MÜHENDİSİ CİLT 4
Wankel Motoru Düzenleyen: Kemalettin BAGCI
[email protected]
1
İÇİNDEKİLER DERİN DELİK DELME ................................................................................................... 4 KURU FREZELEME ………………………………………………………………………………………….. 18 MG-AL İŞLENEBİLİRLİĞİ …………………………………………………………….…………………… 23 NİKEL İŞLENEBİLİRLİĞİ ………………………………………………………………..…………………41 TİTANYUM ALAŞIMLARININ İŞLENEBİLİRLİK ETÜDÜ .......................................... 50 YÜKSEK HIZDA İŞLEME ………………………………………………………………………………….. 66 TEFLON……………………………………………………………………………………………………………..75 CNC TEZGAHLAR……………………………………………………………………………………………… 94 KOJENERASYON………………………………………………………………………………………………. 110 ÇOK İNCE TALAŞ KALDIRMA İŞLEMLERİ…………………………………………………………. 147
2
DERİN DELİK DELME
3
1. DERİN DELİK DELME 1.1. Giriş; Derin delik delme işlemi yağ endüstrisi,silah sanayi vb. bir çok alanda kullanılan bir işlemdir.Elde edilen parçaların işlevlerinin tam olarak yerine getirebilmesi için önceden belirlenen boyut,tolerans ve kaliteyi sağlaması gerekir.Bu istenen özellikleri yerine getiren parçaların imalinde de minimum enerjinin harcanması için bazı optimizasyonlar yapılmalıdır. Bu gereksinimlerin karşılanması için de derin delik delme işlemi tanımlanacak,bu işlem için geliştirilmiş bazı takım ve sistemler incelenecek, delik delme esnasında ortaya çıkan koşullar belirlenmeye çalışılacak ve sonuçta en iyi çözüme en iyi yoldan ulaşmak için yeterli bilginin elde edilmesine çalışılacaktır. 1.2. Derin delik delme tanımı; Derin delik delme uygun tasarlanmış torna, matkap, delik delme tezgahı ve freze tezgahında yapılacak uygun değişiklerle,yüksek basınçlı kesme sıvısı kullanılarak,namlu delme,namlu delik işleme,trepanlama yani alın kanalı açma ve diğer kendinden yataklamalı takımlarla yapılan delme işlemidir.Derin delik delme derinliğin çapa göre çok daha büyük olduğu işlemlerdir.Bu işlemlerde derinlik/delik çapı 5 ile 100 arasında değişebilmektedir.Pek çok uygulamada derin delik delme işlemi bu işlem için hazırlanmış özel tezgahlarda yapılmaktadır. Bu tezgahlarda delme işlemi ;
İş parçasının dönmesi, Takımın dönmesi, İş parçası ve takımın dönmesi ile gerçekleştirilebilir.
Gerek talaşın ve kesme ağzında oluşan sıcaklığın tahliyesi , gerekse matkap rijitliğinin azalması bakımından derin deliklerin işlenmesi daha zordur.Delik derinliği arttıkça yağlama, talaş kırma, soğutma, oluşan talaşın boşaltılması için daha modern takımlara ihtiyaç duyulur.Bu isteklerin sağlanması ise özel olarak geliştirilmiş derin delik delme sistemlerince sağlanmaktadır. 1.3. Derin delik delme yöntemleri 1.3.1. Dolu malzemeye delik delme; Genellikle küçük çaplar için kullanılan bir yöntemdir. 1.3.2 Çevreden kesme; Büyük çaplı deliklerin delinmesinde kullanılırlar.Dolu malzemeye delik delme işleminde harcanan güçten daha az güç harcar. 1.3.3 Delik genişletme; Dövülmüş,dökülmüş, preslenmiş veya haddelenmiş parçaların işlenmesi esnasında daha iyi yüzey kalitesinin ve toleransların elde edilebilmesi amacıyla kullanılırlar.Tezgah gücünün yeterli olmadığı durumlarda baş vurulabilen bir yöntemdir. Ayrıca çekerek delik işleme de boruları işlemek için kullanılan bir genişletme yöntemidir. Delme esnasında talaş kırma işlemi ve işlenen talaşın delikten boşaltılması işlenen yüzeye zarar vermemesi açısından işlemi çok önemlidir.Delik derinliği arttıkça bu işlem daha da zorlaşır. 4
Kesme sıvısının yada basınçlı havanın kullanılması, özellikle derin delik veya kör deliklerin tornalanmasında, gerek talaşların dışarıya atılmasında gerekse yüzey kalitesinde olumlu etkiler sağlar.
1.4. Kesme sıvısının kesme bölgesine gönderilmesi ve talaşın uzaklaştırılması; Kesme sıvısı takımın içinden kesme bölgesine gönderilir.Talaşlar kesme bölgesinden takımın dışından , takım üzerindeki bir kanal yardımıyla uzaklaştırılırlar.Bu prensip daha çok namlu matkap sistemlerinde kullanılırlar. Kesme sıvısı takımın dışından kesme bölgesine gönderilir.Oluşan talaş takımın içinden kesme bölgesinden uzaklaştırılır. Bu prensipte kullanılan iki metot vardır; 1.4.1 Ejektör sistemi; Ejektör sistemi kesme sıvısının iç ve dış borular arasından pompalandığı ikiz borulu bir sistemdir.Bu sistem her makineye adapte edilebilir, ancak daha çok NC ve CNC torna tezgahlarında tercih edilirler.Kesici takım ile işlenen parça arasında sıkılık gerektirmez.Ejektör delme verimli,kendi kendini temizleyen bir işlemdir.Sızdırmazlık ve basınç ayarlarına gerek yoktur.Ayrıca ejektör sisteminde iş parçası ile delme burcu arasına sızdırmazlık burcu konmasına gerek yoktur.Delme burcu iş parçasına mümkün olduğu kadar yakın yerleştirilmelidir. Ejektör delme işleminde kesme sıvısı dolaşımı iç ve dış borulardan oluşan kapalı bir sistem tarafından sağlanır.Bu ise söz konusu tekniğin aralıklı delme işlemlerinde herhangi bir kesme sıvısı kaybı olmaksızın kullanılabilmesi demektir. Ejektör delme , belli durumlarda delme burcu kullanılmadan da yapılabilir.Delme burcu yerine bir pilot delik delinir ve bu delik doğrusallık ve boyutsal toleranslar sağlanacak şekilde bu işlemi, izleyen ejektör delme işlemi için genişletilir.Pilot delik , delme kafasının uzunluğundan en az 5 mm daha uzun olmalıdır.Delik toleransları +0,05 mm ile +0,1 mm aralığında değişmelidir.Ejektör delme işlemi çapsal hassasiyetin önemli olmadığı durumlarda pilot deliğin genişletilmesi gerekmeksizin de uygulanabilir.Ancak bu durumda ejektör delme işlemi deliğim girişinden başlar.
Ejektör delme sistemi
5
1.4.1.1. Bazı ejektör sistemleri;
Valf gövdesi Delik derinliği 549 mm
Kirmen
Delik derinliği 457 mm
Kısma valfı
Delik derinliği 410 mm
1.4.2. STS Sistemleri; STS delme işleminde kesme sıvısı matkap ile delik cidarları arasına gönderilir.Kesme sıvısı talaşı takımdan ve matkap yuvasından uzaklaştırabilmek için yeterli basınca sahip olmalıdır.Uzun deliklerin işlenmesinde avantajlı bir yöntemdir.Talaş kırma problemlerinin olduğu durumlarda ejektör sistemine oranla daha çak tercih edilirler.STS sisteminde matkap içinden geçen kesme sıvısı yaklaşık iki kattır.Ejektör sistemine göre daha yüksek bir basınç elde edilir ve bu da daha iyi bir talaş kırma sağlar.
STS sistemi
6
1.4.2.1.Bazı STS Sistemleri;
Uçak pervanesi mili
Delik derinliği 14000 mm
Isı değiştiricisi levhası
Delik derinliği 610 mm
Kesme sıvısının kesme bölgesine dışarıdan gönderildiği sistemlerde (ejektör ve STS) minimu8m 0,006 mm’lik boşluğa sahip G6/h6 toleransı tavsiye edilmektedir. Delme işlemi bir delme burcu ile başlar.Delme burcunun görevi matkabı parçaya temas ettiği andan destek elemanlarının delinen yüzeye temas ettiği ana dek yataklamak ve klavuzlamaktır.Delme burcunun tipi çeşitli delme sistemlerine göre farklılık gösterir. Aşağıdaki şekilde delme burcu gösterilmektedir.
Delme burcu
1.5.Matkapla delik açma; Matkapla delik delme, bir merkez etrafında dönen (genellikle tek noktalı), bir ya da daha fazla kesici ağız içeren aletle dolu bir parçaya dairesel delik veya silindir ya da tüp şeklinde oluk açmak için yapılan bir tornalama işlemidir. Bu işlem en az dört farklı tip uygulama için kullanılır: Yuvarlak disklerin, büyük ince deliklerin, dairesel olukların ve derin deliklerin oluşturulması. Bu kısımda bizim konumuz olması açısından derin delik delme incelenecektir. Namlu matkapla delme işleminde iş parçasına delinen merkezleme deliğinin çapı matkap çapından küçük olmalıdır aksi taktirde delme burcu ile iş parçası arasındaki boşlukta sıkışan talaş takıma zarar verebilir.Merkezleme deliğinin çapının azaltılması mümkün değilse önceden delinmiş deliğe giren ve matkabı daha iyi klavuzlayan özel burçlar kullanılabilir. 7
Matkap ile iş parçası arasındaki merkezleme deliğin boyutsal hassasiyetini etkiler.Bu nedenle delme burcu ekseni ile parça ekseni arasındaki sapma 0,02 mm yi aşmamalıdır.Ayrıca herhangi bir eksen kaçıklığı olmasa bile çok büyük burçların kullanılması eksenel sapmalara neden olur.
Eksenden sapmalar Matkabın döndüğü durumlarda eksenden kaçıklık deliğin konumu üzerinde etkili olurlar.Delik genişletme işleminde kesici kenarlar üzerinde dengesiz yüklemeler oluşur ve uzun, narin iş parçalarında radyal kuvvetler delik kalitesini bozan titreşimlere ve sehime yol açabilirler. Matkaplama aynı zamanda, bir parçaya tornalamayla derin delik açma işleminde de sıklıkla kullanılan en pratik metottur. Derin delik matkaplama, basınçlı kesme sıvısı gerektirmesi ve otomatik kumandalı kesme sistemi ile çalışması yönünden, düz oluklu matkapla delme işlemine benzerdir; iki ana fark ise: (a) Matkaplama sadece büyük delikler için (2 inç çapından daha büyük) pratiktir; ve (b) Matkaplama tek parça gövde üretirken, oluklu matkapla delme, sadece rende talaşı şekli oluşmasına olanak verir. 2 inç veya daha büyük çaplı delik açma yöntemi olan matkaplama, yassı matkapla veya burma matkapla delme işlemlerinden fazla olarak, bağlantılı işlemleri ile beraber şu avantajları sunar; 1. 2. 3. 4.
Çapta ve düzgünlükte daha hassas tolerans Daha derin deliklere tatbik edilebilme Daha büyük talaş kaldırma miktarı İşlemde, iş malzemesinin, gövdenin yüksek maliyeti, talaştan daha değerlidir.
1.5.1. Matkapla Derin Delik Delme Makinaları; Derinliği, yaklaşık çapının beş katından küçük deliklerin işlenmesi için dikey matkap tezgahları genellikle yeterlidir. Bununla beraber deliğin derinliğinin çapının beş katını geçmesiyle, herhangi bir dikey ekipman sürekli kullanılamaz hale gelir. Buna ek olarak, takımın döndürüldüğü ve işin sabit tutulduğu durumda, derinliğin çapa oranı arttıkça ekipmanın sıhhati çok hızlı bir şekilde kaybolur. Bu sebepten derin deliklerin işlenmesi için tornalar, revolver tornalar veya yatay matkap makineleri tercih edilirler. Bu makinelerin hepsinde takım sabit kalırken iş parçası dönmektedir. Diğer koşullar sabit olduğunda bu teknik daha iyi sıhhatle sonuçlanmaktadır.
8
Kullanılan makinenin tipi önemsenmeden makinenin rijit olması, sinter karbür takımla işlemek için 600 ft/dk’ ya kadar hızlara yeterli güçte ve değişebilen ilerleme kontrolüne sahip olması gerekir. 1.6. Derin Delik Delme İçin Takımlar; Matkapla delik delme için kullanılan delme çubukları, oyuk tüplerdir. Bu şekilde olmaları, iş parçası göbeğinin; kesme sıvısının kesiciye doğru akmasına yeterli açıklıkla, çubuğun içine girmesine izin vermek veya sıvı ve talaşın kesiciden zorla uzaklaştırılmaları içindir. Çubuk genelde 52100 malzemeden veya çelikten yapılır. Cidar kalınlıkları, yaklaşık 5/16 inçten; çubuğun uzunluğuna ve burulmaya ait kuvvetlere karşı gerekli olan dirence göre, daha yüksek değerlere kadar sıralanır. Delme kafaları silindir şeklindedir ve genellikle bir tek katı karbür veya karbür uçlu kesici kullanılır. Çok kesici kafalar, uygun talaş kaldırma etkilerine rağmen daha az bir genişlikle kullanılırlar çünkü delik hassasiyeti feda edilmeden (delik hassasiyetine önem verilerek) elde edilmiş dengeli kesme işinde poz (duruş) problemleri vardır. Derin delik delme nispeten uzun derinlikler ile delik çapının bir kombinasyonu şeklinde de tanımlanabilir. Derin delik delme daha çok delik çapının 10 katı ile 150 katı arasında olduğu zaman tercih edilir. Bu konuda Sandvik Coromant firması dünyanın önde gelen firmalarındandır. Aşağıda derin delme de kullanılan bazı sistemler ve bu sistemlerin özellikleri verilmiştir.
Şekildeki takımın kartuşları değiştirilebilir , ayrıca çapı ayarlanabilir. Küçük toleranslarda çalışabilir ve yüksek yüzey kalitesi elde edilebilir. Çok uzun delik delme işlemlerinde eksenden sapmadan delme işlemini yerin getirebilir. Bir çok metali iyi bir şekilde işleme özelliğine sahiptir. Standart olarak bulunabilir. Standart olarak 65 ile 130 mm arasında sınıflandırılırlar.
Delik çapının 18,4-30 mm arasında veya çok dar toleransların gerektirdiği yerlerde 3065 mm arsında kullanılabilirler. Az sayıdaki üretim için düşük yatırım maliyetleri vardır. Standart programlama.
9
Daha çok delik çapının 29,5-65 mm arasında olduğu durumlarda tercih edilirler. Düşük maliyetlidirler. Geniş çalışma alanlarında tutarlı bir şekilde kullanılırlar. Standart programlama. En son teknoloji tasarlanmış ve üretilmişlerdir.
Derin delik delme işleminde takım ve kesme verilerinin seçiminden önce bazı parametreler tayin edilmelidir.İlk olarak belirlenmesi gereken husus delme işleminin niteliği yani deliğin derin mi yoksa kısa olduğuna karar vermektir.Bundan sonra belirlenmesi gereken hususlarşunlardır;
Deliğin çapı ve derinliği, Gerekli toleranslar, Uygun tezgah donanımı, Üretim ekonomisi.
1.6.1. Tek kesici uçlu kafalar; Kendinden kılavuzlu, desteklenmiş ve kesicinin arkasına yaklaşık 90 ve 180 olarak yerleştirilen aşınma tamponlarıyla (aşınma önleyici) yataklanmışlardır. Tek kesici uçlu kafa, klavuz bir çap kullanılarak ve üç tespit mandalı kumandalı olarak, delme çubuğunda denenebilir. Bu geçme dizaynıyla, kafa, çubuk vidalarına kilitlenir. Bazı kafalar, kafanın iç daire çevresinde Acme vidası tarafından çubuğa tespit edilirler fakat yüksek burulma kuvvetleri, diş tutukluğuna sebep olabilir. Kafanın dış çapında, kesme kenarının önünde; kesme sıvısının içeri alınması veya kesme sıvısı ve talaşların atılması için, bir kabartma vardır. Kafalardan bir tipi genellikle çapı 4 ½ inçe kadar ve derinliği çapının 12 katından 15 katına kadar olan delikler içindir, kesme sıvısı akışını çubuğun iç çapından alır ve sıvıyı dış çaptan dışarı atar. Dış çaptan boşaltmalı kafalarla delinen delikler için tavsiye edilen maksimum derinlikler şu şekildedir:
10
2’ den 2 ½ inç çapa kadar ...............24’ den 30’ a kadar derinlik 2 9/16 ’ dan 3 ½ inç çapa kadar...........30’ dan 42’ ye kadar derinlik 3 9/16 ’ dan 4 ½ inç çapa kadar............42’ den 70’ e kadar derinlik Çapı 4 9/16 inç ve daha büyük olan delikler için, maksimum derinlik sadece makina dizaynıyla sınırlanır. Bu tip başlıklarla, talaşlar ve kesme sıvısı, başlığın dış çapında açılan uzunlamasına kanallar boyunca dışarı atılır. İş parçasının göbeği ile başlığın iç duvarları arasındaki açıklık kontrol edilmelidir böylece kesme sıvısının hacmi kısıtlanır. Sonuçta, orada; talaşları, kesme kenarından uzaklaştıran kuvvetlerin oluşturduğu, bir yüksek hız santrifüj işlemi vardır. Mamul delik delme işleminde, sıvı giriş alanının 1 inç2 olacak şekilde bir donanım kurulur ve 7 inç çaplı başlıkta yaklaşık 50 psi basınç üretir. Bu şekildeki giriş bölgesi, başlık boyunca tam pompa akışına izin verir ve talaşların boşaltılması için yeterli hızı sağlar. Giriş alanı sabit kalırken delik ölçüsü azalırsa basınç artar. Artan basınç, delik çapı azaldığı sürece veya derinlik arttığı sürece uygundur. Ne var ki, çapı 4 inçten daha az olan delikler için 1 inç 2 lik giriş bölgesi mümkün değildir; bu deliklerde, giriş alanı, başlığı zayıflatmaksızın elverişli hacmi sağlamak için mümkün olduğu kadar büyük yapılmalıdır. Dış çaptan boşaltmalı başlığın dış çapı, talaşların başlıkla delik duvarları arasına kaçmasını önlemek için açılan deliğin çapından sadece 0,020 ila 0,025 inç kadardır. Bu, bitirme işleminin daha iyi olmasını sağlar ve kesme sıvısı ile talaşların çıkış yivi boyunca birikmesine engel olur. 1.7. Derin delik delme işleminde oluşan kesme kuvvetleri ve güç; Derin delik delme işlemi birçok faktörden etkilenen bir işlemdir. Dolayısıyla bu işlemde oluşan tam olarak kuvvetlerin hesaplanması zordur.Bu nedenle elde edilen formüller yaklaşık sonuçlar vermektedir. İlerleme kuvveti ⇒ FP + FPµ = 0,65.k C .a P . f . sin K r
Oluşan moment ⇒ M C + M µ =
k C .a P . f .D.(1,17 −
aP ) D
2000
Derin delik delme işleminde verimli bir talaş kırmanın oluşabilmesi için nispeten yüksek ilerleme hızları kullanılır.Bu da tezgahın kullanılabilir gücünün yüksek olması anlamına gelir. Derin delik delmede destek elemanlarının kullanımından kaynaklanan bir M µ torku meydana gelir.Bunun dışında diğer hesapları delik delme işlemininki ile aynıdır. Bu durumda tezgahın kullanılabilir gücü;
11
PC + Pµ =
k C . f .a P .vC .(1,17 − 60000
aP ) D ⇒ P = PC + Pϖ ......... şeklinde elde edilir.
η
Aşağıdaki resimlerde delik delme işlemlerinde kullanılan bazı takımlar ve derin delik delme işlemlerinde elde edilmiş bazı parçalar gösterilmektedir.
12
Yağ endüstrisinde kullanılmak için derin delik delme yöntemi ile imal edilmiş bir parça.
Aşağıdaki resimde derin delikler için kullanılan düz(kürek) delici kaması gösterilmektedir.
1.8.BTA derin delik delme; Derin delik delme daha önceden de tanımı yapıldığı gibi 100 e kadar olan çap oranları uzunluğunda delikleri üretmede kullanılan bir metoddur.Bazı özel durumlarda daha yüksek oranlar bile elde edilebilir.BTA derin delik delme metodu 20 mm ve üzeri çaplı deliklerin üretimi için genellikle uygulanan tipik derin delik delme metotlarından biridir.Şekildeki resimde de iki asimetrik şekilde saptanmış düzenlenebilir uçlarla teçhiz edilen tipik bir BTA takımı gösterilmektedir.
13
BTA derin delik delme takımı Takım silindirik delme kalıbından geçerek çalıştırılır.Delme kalıbının dışında bulunan yağ soğutanın yanı sıra delme kalıbının içinde kalan kırıntıları da kaldırmaya yardım eder.Bu yağ sisteme yağ sağlama aygıtı yoluyla sağlanır.BTA derin delik delme tekniği çap deliği duvarlarının yüksek yüzey kalitesiyle üstün bir tekniktir. Aşağıdaki şekilde derin delik delme makinesi gösterilmektedir.
BTA derin delik delme makinesi
14
1.9.Bazı derin delik delme takımları; RDS - RETRAC® - Ø 38 - 59.99 mm arası RDZ - RETRAC® - Ø 60 - 204.99 mm arası Uzun Boruların İşleminde, Tek İş Sahası İçerisinde Aynı Anda Kesme ve Ezme Operasyonu Yapabilme
Bu takımlar BTA bağlantı sistemli derin delik delme tezgahlarında rahatlıkla kullanılabilir. Kendinden itmesiz (makine beslemeli) olarak çalışır. Gereken soğutma ve yağlama sıvısı, delme borusu ile işlenen parçanın arasındaki boşluk sayesinde, soğutma maddesi püskürtme tertibatı (KÜZA) aracılığı ile sağlanmaktadır. Bu arada soğutma sıvısı 40 µm' dan küçük bir filtre ile temizlenmektedir. Eğer RETRAC sistemi kullanılacaksa, makinenin, bıçakların otomatik olarak geri çekilmesini sağlayan hidrolik kumandalı işletme sistemi ile donatılması gerekmektedir.
Avantajları : En kaliteli boruyu imal eder ve bu boruları dünya pazarına sokulabilir. Müthiş kısa işlem süresi ve kombine sistemli işleme sayesinde çok ekonomiktir. Ezme başlığı ve bıçaklar hidrolik kumanda ile otomatik olarak geri çekilir, bu sayede yüzeye zarar vermez. Takım, işlemi bitirdikten sonra çok hızlı bir şekilde geri çıkar.
15
1.10. Derin delik delme işleminde bazı tezgah özellikleri; Derin delik delme işleminde talaş kırmanın iyi sağlanabilmesi için yüksek ilerleme hızlara tercih edilir.Bu da tezgah gücünün yüksek olmasını gerektirir.Düzenli bir talaş kırma işlemi yüksek ilerleme hızı gerektirdiği gibi ilerleme hızının da sabit olmasını gerektirir. Derin delik delme işleminde elde edilmek istenen hassasiyet tezgahın rijid mil yataklarının da boşluksuz olmasıyla sağlanır. Hassasiyetin sağlanması için gerekli bir şart da uygun filtre seçimidir.Filtre seçiminde dikkat edilmesi gereken hususlar istenen yüzey kalitesi ve pompa imalatçısının tavsiyeleridir. Tezgahta bulundurulması gereken bir önemli husus da emniyet tertibatlarıdır. İş parçası,takım ve delme burcu işlemeyi etkileyen radyal kuvveleri dengeleyecek şekilde düzenlenmelidir.İş parçalarının tespitinde hidrolik kilitleme sistemi tercih edilmelidir.Uzun parçaların işlenmesinde hem iş parçası hem de matkap mili için destek elemanları kullanılmalıdır.İnce cidarlı iş parçasının içersindeki deliğin deforme olmaması için özel dikkat gösterilmeli ve pens ile tespit tercih edilmelidir. Delme işleminde deliğin doğrusallığının saptanmasının sorun olduğu durumlarda hem matkabın hem de iş parçasının döndüğü delik delme işlemi tercih edilmelidir. Optimum şekilde talaş kırmanın sağlanabilmesi için kesme sıvısı basıncı ve debisi için verilen tavsiyelere uyulmalıdır.
16
KURU FREZELEME
17
Kesme sıvısı kullanımı Talaş kaldırarak metal işleme ilk çağlardan beri bilinen bir usul olmasına rağmen son 200 yılda çok önem kazanmıştır. Kesme sıvılarının ilk uygulamalarına 1868 yılında rastlanmaktadır. O tarihte yayımlanan bir kitapta kesme sıvısı uygulamasının torna tezgahının verimliliğini artırdığından bahsedilmektedir. Tabi ki 1868’ den bu yana gerek takım tezgahları gerek kesici takımlar ve gerekse kesme sıvıları çok büyük aşamalar kaydetmiştir. Bugün dakikada 4000 devir yapan CNC tezgahları günlük yaşama girmiş bulunmaktadır. 1938 yılında CINCINATI MILACRON firması Amerika’da bir araştırma yapmıştır. Bu araştırmada talaş kaldırma işleminde neler olduğu, talaşların nasıl meydana geldiği ve kesme sıvısının rolü derinliğine incelenmiştir. Araştırma sonucunda yüzey kalitesi ve takım ömrüne etki eden esas problemin yüksek ısı olduğu meydana çıkmıştır. Metaller işlendikleri zaman, ana metalden talaşın kopması ve kesici uçtan bu talaşın sıkışarak kayması neticesi bir ısı meydana gelir. Ulaşılan sıcaklık, meydana gelen ısı hızı ile soğutulma hızının oranına dayanır. Kesme sıvısı, sıcaklık ve sürtünme katsayısını düşürür dolayısıyla kalem veya aletin ömrünü uzatır. Ayrıca talaş kaldırma işlemi üç ana elemandan oluşur. 1-Takım doğrusu 2-Kesici takım ve talaş 3-Kesme sıvısı bu elemanların herbiri yapılan işin kalitesine katkıda bulunur. Kesme sıvısı, takım tezgahı ve kesici takımın performansını etkiler. Sonuç olarak, iyi bir kesme sıvısı iyi düzgün bir yüzey elde etmeye yardımcı olur, iyi ve temiz bir kesme sıvısı çalışma ortamını etkiler ve iyi bir kesme sıvısı mekenik masrafların düşmesine neden olur. KESME SIVILARININ TEMEL GÖREVLERİ VE UYGULAMA ALANLARI: Kesme sıvılarının kullanılmalarından doğabilecek etkileri de göz önüne alarak, kesme sıvılarından istenen özellikler şu şekilde sıralanabilir: -Yüksek ısı iletme kabiliyetine ( soğutma özelliğine ) sahip olmaları; -Metalik yüzeyler üzerine yapışmış bir sıvı tabakası oluşturabilme kabiliyetine ( yağlama özelliğine ) sahip olmaları; -Sözde yüzey gevşemesi yapmaları; -Kararlı olmaları, yani özelliklerini uzun süre koruyabilmeleri; -Anti korozif olmaları, yani paslanmaya yol açmamaları; -İnsan sağlığına zarar vermemeleri; -Ateşleme tehlikesi taşımamaları; Kuru frezelemenin kullanılabileceği yerler: Eğer soğutma sıvıları kesici takımları her zaman üniform olarak soğuta bilselerdi bu yazıya ihtiyaç kalmayacaktı. Soğutma sıvılarının aralıklı olarak soğutma etkisi gösterebilmeleri problemi dikkatlice uygulanmalarını gerektirir.Çok hızlı ve çok büyük sıcaklık değişimlerine sebep olmaları durumunda yarardan çok zarar getirmeleri olasıdır. Günümüzde kullanılan kesici takımların çoğu termal şoklar olmadığı sürece çok yüksek sıcaklıklara dayanabilirler.
18
Alpha Mold (Dayton Ohio) her zaman butip kesici takımları kullanır. Eskiden atölyede maçalar ve boşluklar çelik malzemenin içine dalarak ağır ve yavaş takımlarla işlenirken bolca kesme sıvısı kullanmak çok mantıklı gözükürdü. Fakat Alpha artık bu şekle işlem yapmamaktadır.Bunun yerine hafif kesme işlemlerinde yüksek ilerleme değerlerinde çalışan 10 000 rpm lik işleme merkezleri kullanmaktadır.Büyük takımlar yerine Millstar (Bloomfield, Connecticut) firmasının ürettiği gibi tek genelde tek Titanyum alümina nitrat (TiAlN). kaplanmış karbür plaket kullanan frzeleme takımları seçilir. Bu tip kesiciler takım masrafını da önemli ölçüde azaltmıştır. TiAlN kaplanmış karbür uçlar nasıl takım giderlerini azaltır? Eskiden bir enjeksiyon kalıbının merkezi yada boşluğunun kaba işlemsi için beş plaketli bir takıma ihtiyaç duyulurdu.Her plaket işin yarısında çevrilir böylece işin sonunda plaketlerin her iki tarafı da aşınmış olurdu.Buna karşın Alpha’nın yüksek hızlı frezeleme tekniği tek bir kaplamalı takımla aynı işi yapabilmektedir. Kullanılan plaket daha pahalıdır ancak 5 plaketle karşılaştırılınca plaket masrafı üçte bir daha azdır. Bu yüksek ömürü elde etmek için kesme sıvısı kullanılmamakta bunun yerine 120 psi da basınçlı hava kullanılmaktadır. Alpha’nın bu işleme merkezlerinde hava soğutucu sıvı için kullanılana benzer şekilde getirilmektedir.
Basınçlı hava işlemin sürekliliğine iki şekilde katkıda bulunmaktadır. Birincisi takımı soğutma açısından soğutma sıvısına göre daha az etkindir. Bu yüksek sıcaklıklarda daha iyi bir süreklilik gösteren TiAlN kaplamalı uçlar için önremlidir. İkinci olarak basınçlı hava bu tip işlemlerde ortaya çıkan ince talaşları uzaklaştırma açısından kesme sıvılarına göre daha etkindir. Bu ince talaşlar iş parçasından daha sert olduğundan takımın talaşla yeniden karşılaşmaması çok önemlidir aksi takdirde ortaya çıkacak yüklertakım ömrünü dramatik şekilde azaltır. Eskiden Alpha Mold firmasının bir çok atölyesinde ve diğer firmalarda her türlü işlemde soğutma sıvısı alışkanlık olarak kullanılırdı.Ancak bugün bir atölye karmaşık yüksek hızlı kesme işlemlerinde kesme sıvısı yada basınçlı hava kullanımı da karar verilmesi gereken parametreler arasına katılmıştır. Her ikisinin de kendine göre üstün özellikleri vardır.Ancak kuru kesme birçok yerde daha hesaplıdır. Burada kuru kesmenin uygun olduğu yerleri tek tek saymak yerine kesme sıvısı kullanmanın gerekli olduğu durumları anlatmak daha kısa olacaktır.
19
Kesme sıvısı kullanmanın gerektiği yerler. Derin ceplerin işlenmesi kesme sıvısının gerektiği yerlere bir örnektir.Sıvının akışının güçlü etkisi basınçlı havanın talaşları uzaklaştırmada yetersiz kaldığı küçük aralıklarda kendini gösterir.Aynı sebepten delme işlemlerinde mutlaka kesme sıvısı kullanılır.(Genelde matkap ucunun içindeki kanalların içinden verilerek) Her iki durumda da kesme sıvısı soğutma amacıyla değil talaş tahliyesi amacıyla kullanılmaktadır. Kesme sıvısının bir diğer kullanım amacı da yağlama etkisi sağlamaktır. Daha yüksek ilerleme değerlerine çıkıldıkça gerek kaba işleme gerekse ince işlemede daha yuvarlak uçlar kullanılmaya başlanmıştır. Yuvarlak profilli uçlar (ball-nose) uçlrın problemi merkeze yaklaştıkça kesme hızının düşmesidir. Yuvarlak uçların bu karakteristiği şu iki durum altında tehlikeli olmaktadır. A) B)
Paso çok küçük olduğunda Parçanın yüzeyi takım eksenine dik olduğu durumlar.
Bu durumlarda kesici ucun en uç ‘bölgesi frezeleme’ yapamamakta iş parçasını ezmektedir.Yumuşak çeliklerde özellikle ön ısıl işlem uygulanmış olanlarda bu etki gözle bile görülebilir hale gelmektedir.Böyle durumlarda soğutma sıvısının yağlayıcı etkisi yüzey kalitesini korumada yardımcı olur.Alph Mold gibi kalıp üreten firmalarda genelde parçaların yüzeyleri düz ve yüzey kalitesi önemli olduğundan soğutma sıvısı kullanılır.
Paslanmaz çelikler yuvarlak uçlarla işlendiğinde kesme sıvısının yağlama etkisine ihtiyaç duyacak kadar sıvanma özelliğine sahip olabilirler.Yukarıda kesme sıvısı kullanımı ile elde edilen yüzey kalitesindeki iyileşme görülüyor. Kuru ve ıslak kesmenin bir arada kullanılması sıcak takımın bir anda kesme sıvısı ile teması sonucu ısıl şok ve buna bağlı ucun ömründe azalmaya sebep olabilir. Bunu önlemek için ıslak ve kuru kesme arasındaki geçişlerde kısa bir süre takımı bekletmek ve soğumasına izin vermek yararlı olacaktır. Kesme sıvısı kullanıp kullanmama konusunda karar verirken göz önüne alınması gereken faktörler 1.
İş parçasının sertliği.
İş parçası 42 Rc den setse basınçlı hava normalde daha iyi bir seçenektir.Bu malzemelerin yüksek hızlı frezelenmesi a) yüksek sıcaklıklar b) işlem sırasında sertleşmiş talaşlar ki bunlar iş parçasından bile settir şeklinde karakterize edilebilir.Bu tip kesme işlemlerinde kesme sıvısı kullanımı kesici uçların aralıklı olarak soğumasına sebep olur bu da karbür uçların köşelerinin kırılması riskini arttırır.Hava akışı ise hem sıcaklığın daha stabil kalmasını sağlar hem de talaşın uzaklaşmasına yardımcı olur.Bir çok işlemde kesici ucun kesilmiş talaşı yeniden kesmesi ucun ömrünün beklenenden az olmasının ana sebebidir. 20
2.
İş parçası malzemesi
Sertliği 42Rc den az olan malzemeler için kesme sıvısı kullanımı doğru karar olabilir de olmayabilir de. Alüminyum yada yumuşak paslanmaz çelik gibi sıvanma özelliğine sahip malzemelerde kesme sıvısının yağlayıcı özelliğine ihtiyaç duyulabilir. Bu yağlayıcı özellik sayesinde talaş talaş kırıcı profilden kayarak geçebilecek ve kırılabilecektir. Ancak P20, H13, S7, NAK55, D2 gibi birçok kalıp malzemesinde hava ile soğutma hala doğru seçim olabilir. Bu şekilde işlerken eğer sıvanma gözleniyorsa ucun kaplaması yanlış seçilmiş olabilir. 3.Ucun kaplaması Kalıp işlemede kullanılan uçlarda en sık kullanılan kaplama malzemeleri Titanyum karbon Nitrat (TiCN) ve Titanyum alüminyum Nitrat (TiAlN) dir. Tüm ‘ball-nose’ takımlar için 42Rc den yumuşak malzemelerde 800 sfm den az hızlarda yada aynı malzemeti kesecek 600sfm den yavaş toroid takımlarda TiCN yeterlidir. Kesme koşullarının daha ağır olduğu yada daha yüksek hızlarda çalışıldığı durumlarda TiAlN kaplamalı takımlar daha uygun olacaktır. TiCN soğutucu sıvı kullanımına uygundur. Büyük sıcaklık değişiklikleri karbidi yinede kırabilir ancak yukarıda anlatılan koşullar altında termal şok oluşturacak sıcaklıklara çıkılması pek de mümkün değildir. Ancak TiAlN soğutucu kullanımına uygun değildir. Bu kaplamanın etkinliğini gösterebilmesi için sıcak olarak çalışması gerekmektedir. Bu kaplama ile yüksek sıcaklıklarda işlem yapmak takımın üzerinde yararlı bir alüminyum oksit tabakasının oluşmasını sağlamaktadır. Bu işleme için çok yararlı iki özelliğe sahiptir; tabaka hem çok sert hem de çok kaygandır. Grafit parçalarda ise kesme sıvısı kullanmak tozun kontrolündeki etkisi dolayısıyla daha uygun olacaktır.
4.Gerekli yüzey kalitesi Ball-nose uçlar kullanıldığında yüzey kalitesi gereksinimleri kesme sıvısının kullnılmasını gerektirebilir. Takınmın merkezınde 0 olan kesme hızının ezmesini engellemek ve yağlama etkisi sağlamak için kesme sıvısı kullanılabilir. Bu TiAlN uçların ömürlerini azaltsa da yüzey kalitesini sağlamak için kesme sıvısı kullanılabilir.
21
MG-AL İŞLENEBİLİRLİĞİ
22
MAGNEZYUM ‘UN TARİHÇESİ Magnezyum önce Almanya'da kurulan bir fabrikada elektrolitik yolla elde edilmeye başlandı. 1 ve 2. dünya savaşları magnezyumun önemini kat kat arttırdı. 1953 yılında magnezyumun üretimi 24000 tondu. Magnezyumun sanayi malzemesi olarak 1938 yılında uçak endüstrisinde kullanılmasıyla önemi çok fazla arttı. 2. Dünya savaşlarında hücum ve savunma silahlarında magnezyum büyük ölçüde kullanıldı. Bugün uçak endüstrisinin temeli magnezyuma dayalıdır. MAGNEZYUMUN ÖZELLİKLERİ Magnezyum gümüşü beyaz renkte, 1740 kg/ m3 özgül ağırlığında 650 0C ergiyen çok hafif bir metaldir. yağmur ve havanın rutubetinden etkilenmez. Magnezyum sanayide daha çok alaşım elemanı olarak kullanılır. Döküm ve dövme tipleri mevcut olan magnezyum alaşımları 3 ana grupta sınıflandırılabilirler : Dövme Magnezyum / Mangan, Döküm Magnezyum / Alüminyum / Kalay ve Döküm ve Dövme Magnezyum / Zirkonyum/ vs. Çözeltiye alma ve çökeltme işlemleri uygulanabilir. Magnezyum alaşımları diğer metallerin ergitildiği gibi ergitilemez, derhal parlak bir alevle ve şiddetle yanmaya başlar. Magnezyum yandığı zaman göz kamaştırıcı bir ışık verir ve su ile söndürülemez. Derhal infilak eder. Bu sebeple yangın bombaları yapımında kullanılır. Magnezyum ergitilmesinde özel tedbirler alınır ve özel tuzlar kullanılır. Magnezyum hafifliği ve dayanımı sebebiyle uçak parçalarının yapımında kullanılır. Fotoğrafçılıkta, aydınlatma ampüllerinde, havai fişeklerde, kullanılan magnezyum alaşımlar da yapılarak çok geniş kullanma alanı kazanır. Isıl işlemlerinde sertlik ve yüksek fiziki özellikler kazandırılır. Magnezyum kolalıkla işlenebilir ve şekillendirilebilir. Yalnız dövme işlemleri sonucunda çok çabuk sertleştiği için sık sık 360 0C sıcaklıkta ısıtılarak yumuşatılmalıdır. Saf Magnezyumun mekanik özellikleri oldukça düşük olduğu için içerisine Al,Zn,Mn katılmakla özellikleri geliştirilmektedir. En çok bilinen Magnezyum alaşımı içerisinde %4 - 12 Al ve %0,2 - !,5 Mn bulunan alaşımdır. Magnezyum döküme de elverişlidir. Özel methodlar kullanılarak döküm yapılabilmektedir. Korozyon mukavemeti iyidir. Havada bırakıldığı zaman yüzeyde meydana gelen ince bir katman koruyucu olarak vazife görür. Deniz suyuna karşı mukavemeti yoktur. Sodyum di kromat ve nitrik asidin sudaki çözeltisine daldırılmakla korozyona engel olunur. MAGNEZYUM : HAFİF KOLAY İŞLENEBİLİR METAL Magnezyum dökümleri imalatçılara uzun takım ömrü, daha az giriş gücü ihtiyacı ve iyi boyut hassasiyeti sağlar. Otomotiv sektörü magnezyum ve alaşımlarının yakıt tasarrufu üzerinde durur. Daha ekonomik yakıt kullanımı yasasının yürürlüğe girmesiyle hafif metallerin ( alüminyum, termoplastik, kompozit ve magnezyum ) kullanım alanı artmıştır. Bu hafif metaller demir, çinko ve çeliğin yerini almıştır. Magnezyum mekanik özellikleri açısından otomotiv parçaları için önemlidir. Magnezyum yüksek dayanım ve sertlik sağlar. Al ve Zn den hafiftir. Yüksek absorbe enerjisi otomotiv parçalarında sesi ve titreşimi azaltır. Üstün boyut hassasiyeti daha kesintisiz döküm şekli sağlar.
23
Uluslararası Magnezyum Birliği'ne göre 1982'den beri dökümcülerin Magnezyum talebi her sene %15 artmıştır. 1982 den 1994'e kadar Kuzey Amerika'nın gönderdiği mal miktarı 10 kat artmıştır. Bunun %80' i Otomotiv parçalarında kullanılmıştır. ( emme borusu, külbütor gövdesi, direksiyon, oturma yeri ayak bağlama suportu, debriyaj, fren gövdesi ve yüksek performanslı tekerlekler ) 1994 yılında 31.000 ton olan kullanım 1999 yılında 77.000 tona yükselmiştir. MAGNEZYUM BASINÇLI - DÖKÜM Erimiş magnezyum kalıp içerisinde yüksek hız ve basınçta püskürtülür. Karmaşık kalıpların üretimi için yüksek basınç sayesinde kalıp oyukları oluşturulur. Böylece hızlı dökümün magnezyum ile gerçekleşeceğinin farkına varılmıştır. Magnezyumun düşük ısıda döküm hızı alüminyuma göre %50 daha fazladır. Magnezyum dökümleri aynı zamanda iyi yüzey kalitesine , sınırlı boyut toleransına sahiptir. Magnezyum boyut hassasiyeti sebebiyle Alüminyuma nazaran %25 daha az boşluklu dökülebilir. Aynı zamanda Magnezyum diğer kalıp metalleriyle karşılaştırıldığında daha az aşınma direncine sahiptir. MAGNEZYUMUN İŞLENEBİLME ÖZELLİĞİ İyi dökülebilir olması aynı zamanda iyi işlenebilmesini sağlar. Çünkü Magnezyum ısıyı çabuk iletir. Soğutucu sıvı kullanılmaksızın düşük hızda işlenebilir. bu yöntemin kesme sıvısının kullanıldığı yönteme göre daha temiz olmasına karşın otomotiv endüstrisinde magnezyum için mevcut işleme hızlarında güvenlik ve verimlilik için kesme sıvısı tavsiye edilir. Oksijene açık olduğu için erimiş durumdaki magnezyum alev alabilir. Bu açıdan yangın riski bir sorun teşkil eder. Bu sorunu engellemek için çalışma alanı temiz ve kuru tutulmalı, takımlar keskin korunmalı, talaşlar ortamdan hemen uzaklaştırılmalıdır. İmalden sonra soğutucu akışkan tezgahı dolaşır. İşlem tamamlandıktan sonra talaşlar konveyör yardımıyla tezgahın altına toplanır ve geri dönüşüm için hurdacılara teslim edilir. Kolay işlenebilme özelliğine sahip magnezyum alaşımları uzun takım ömrü, düşük maliyetli takım kullanımı ve daha kısa zamanda takımın değiştirilmesi gibi avantajlar sağlamıştır. Aynı zamanda magnezyum dökümlerini işlemek Al alaşımlarına göre %45 daha az beygir gücü gerektirir. Aynı takımlar çinko ve Alüminyumun işlenmesinde kullanıldığında takım ömrünün %25 az olduğu gözlenmiştir. Magnezyumda tek finişte elde edilen yüksek yüzey kalitesi diğer metallerde iki veya daha fazla işlem gerektirir.
24
ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI Saf Alüminyum çok yumuşak ve dayanımı düşüktür. Bu sebeplerde kullanım alanı da sınırlıdır. Al’un mekanik özelliklerini iyileştirebilmek için tek yol alaşım yapmaktır. Alaşım yapmakla korozyon mukavemeti arttırılır ve ısı işlemlerine müsait hala getirilir. Soğuk ve sıcak olarak biçimlendirilmesi kolay olmakla beraber talaş çıkaran işçiliği ve makine işçiliği oldukça zordur. Makine ile işlenmede yüksek hız ve özel takımlar kullanmak gereklidir. Alüminyumun 4,55 Cu ve % 0,5 Pb ve % 0,5 Bi bulunan alaşımı işleme kolaylığı bakımından otomat alüminyum adını alır. Korozyona karşı büyük dayanım gösterir. Alüminyum haddelenmeden önce yüksek saflıktaki Alüminyum ile kaplanır. Böylece Alüminyum yüzeyinde çok yüksek saflıkta ve korozyona dayanıklı bir kat elde edilmiş olur. Elektroliz yoluyla yüzey kaplamada Zn,Ni ve Cr kullanılır. Alüminyum alaşım yapılmak suretiyle döküme elverişliği de arttırılmış olur. Bu nedenle de Al alaşımları; 1 – Dökme Al alaşımları 2 – Dövme Al alaşımları olmak üzere ikiye ayrılır. Alüminyum Alaşımlarının İşlenebilirliği Al alaşımları iyi bir işlenebilirliğe sahiptir. İşleme sıcaklıkları genelde düşüktür ve yüksek kesme hızlarının kullanımı söz konusudur. Bazı işlemlerde talaş kontrolü için özel önlemler gerekebilir. Kesme işlemi keskin pozitif geometriler gerektirir ve genellikle Alüminyum için özel geliştirilmiş takımlarla gerçekleştirilir. Ancak Alüminyum alaşımlarının bir çoğunun modern genel amaçlı takımlarla uygun bir şekilde işlenebilmesi de mümkündür. Doğru bir kesme işleminin gerçekleştirilmesi ve yığma kenar oluşumunun önüne geçilebilmesi için büyük talaş açılarına gereksinim vardır. Takım ömrü, yüzey kalitesi ve talaş oluşumuna bağlı olarak işlenebilirlik genellikle iyidir. Ancak yüzey kalitesini alaşım içindeki metaller etkiler. Şekil 1’de de görüldüğü gibi soldaki parça (5000’li Al alaşımı içerisinde yüksek Mg bulunduran ) sağdaki ( 6000’li Al alaşımı, içerisinde daha düşük Mg bulunduran) alaşıma nazaran daha iyi yüzey kalitesine sahiptir. Bu iki parça aynı kesici takımla ve aynı kesme hızıyla işlenmiştir.
Şekil 1
25
Bunun en önemli neden Mg’un Al alaşımının mekanik özelliklerini iyileştirmesidir. Mg : Malzemeye sertlik verir, korozyon mukavemetini arttırır ve dolayısıyla işlenebilirlik özelliğini iyileştirir. Fazlası kırılganlık yaratır. Şekil 2 ve Şekil 3 6000’li Al alaşımlarının işlenmiş halini göstermektedir. Uygun takım ve kesme hızıyla iyi yüzey kaliteleri elde edilebilir.
Şekil 2
Şekil 3 - 6000’li Al Alaşımları
Her alaşım için uygun kesme hızları tablolarda verilmiştir. ( Takım kesme hızı tabloları) Metallerin Al Alaşımlarına Etkileri Cu : Alaşımın mukavemetini arttırır.(2000’li Alaşımlar) Mn: Yüksek mukavemet kazandırır ve kaynak kabiliyetini arttırır.(3000’li Alaşımlar) Si : İyi dökülebilirlik kazancının yanında çekme mukavemetini arttırır.(4000’li Alaşımlar) Mg: Malzemeye sertlik verir. Korozyon mukavemetini arttırır fazlası kırılganlık yaratır.(3000’li Alaşımlar) Mg ve Si’nin aynı değerde olduğu alaşımlar (6000’li alaşımlar) Zn: Korozyon mukavemetini arttırırken sıcak yırtılmaya sebep olur.(7000’li Alaşımlar) Aşağıdaki resimlerde alüminyum alaşımlarının hammadde prosesi gösterilmektedir. Endüstride kullanım alanına göre çeşitli imal usulü yöntemleriyle mamül ya da yarı mamül haline getirilir( Talaşlı imalat, kaynak, plastik şekil verme vs...).
26
ALÜMİNYUM VE ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI TALAŞ KALDIRILARAK İŞLEME Alüminyum alaşımlarının bazı özellikleri nedeniyle, takımların kesme şartları ve ayrıca şekli uygun olmalıdır. Talaş kaldırılma işlemi, genelde çok hızlı yapılabilmektedir. Takımların ; kama açısı küçük ve talaş açısı büyük miktardaki talaş kolaylıkla uzaklaştırılabilir. Tornalama ve frezeleme için gerekli şartlar, Tablo. 2 ve 3’de belirtilmiştir. Delme: Matkapların helezon açısı dar ve kanalları geniştir, yumuşak malzeme için tepe açısı 1400, ve sert malzeme için daha az olması gayeye uygundur. Hız çeliği matkaplarının, kesme hızı ve ilerleme hızı Tablo. 3’de verilmiştir.
27
Tablo 1 . Alüminyumun ve alaşımlarının tornalanması ve frezelenmesi Malzem e Saf alüminyu m ve yumuşak alüminyu m alaşımları
Serbest açı Talaş açısı α0 γ0
İşlenme Takım
Tornala ma
Takım çeliği Hız çeliği Sert metal
Frezelem Takım e çeliği Hız çeliği Sert metal Takım Sert Tornala çeliği alaşımlar ma Hız çeliği Sert metal Takım Frezelem çeliği e Hız çeliği Sert metal Tornala Takım Otomat ma çeliği Alaşımlar Hız çeliği Sert metal Takım Frezelem çeliği e Hız çeliği Sert metal
8-12 8-12 8-12
35-40 35-45 25-40
Kesme hızı V= m/min Temizleme Tesviye 100-150 200-300 200-500 400-800 1000-1500 1500-2000
8-10 8-10 8-10
25-35 25-35 20-30
100-150 150-250 600-100
150-200 250-400 800-1200
6-10 6-10 6-10
12-16 12-16 12-16
30-50 100-150 100-300
50-100 150-200 200-500
8 8 8
12-16 12-16 10-15
30-50 100-150 200-300
80-100 150-300 300-500
10-12 10-12 6-8 8-10 8-10 6-8
10-14 10-14 10-12 15-25 15-25 15-20
80-125 200-300 100-250 60-100 125-200 300-450
150-250 300-500 200-400 125-150 200-400 500-700
Tablo 2 .Alüminyum alaşımlarının, tornalanması ve frezelenmesi İlerleme Takım çeliği ve Hız çeliği
a) Tornalama Temizleme Tesviye
Sert metal
Temizleme Tesviye
Takım çeliği ve hız çeliği Sert metal
0,8-2,0 mm/d 0,1-0,5 mm/d 0,2-0,1 mm/d 0,1-0,3 mm/ Kesme derinliği Orta 0,3-1,0 0,2-0,5
Büyük 0,1-0,5 0,06-0,2
28
Talaş Derinliğine göre
Küçük 0,6-1,5 mm/d 0,2-1,0 mm/d
Tablo 3. Alüminyum alaşımlarının delinmesinde, hız çeliği matkaplar.
Saf Al ve Al alaşımları Sert Al alaşımları Otomat alaşımları
Kesme hızı v = m/d
Matkabın ilerlemesi mm/d, Matkap çapları (m) 0-5 6-10 10-25 25-50
100-150
0,10-0,15
0,15-0,20
0,20-0,35
0,35-0,40
50-100
0,10-0,12
0,12-0,15
0,15-0,25
0,25-0,30
80-120
0,10-0,15
0,15-0,20
0,20-0,30
0,30-0,40
Tablo 4. Al ve Al – alaşımlarının özellikleri Malzeme
DIN 1712 Özelliği ve İmalat şekli Malzeme No kullanılması 1. En saf alüminyum ve saf alüminyum En saf Al Al Katkı Çok saf,yumuşak. Korozyona Levha,band,şerit,disk,vitray Çubuk profil,boru,kaynak (Raffinal) 99,99R Max. karşı teli 3,0405 %0,01 Çok dayanıklı Perçin teli ve perçin Saf Al Al 99,9 Katkı 3,0295 Max. Plastik korozyona dayanıklı, Levha,band,şerit,disk,vitray, %0,10 Kimyasal ve gıda maddeleri çubuk Endüstrisinde,aşırı dayanıklı Profil,boru,tel,kaynak Kaplama malzemesi elektrod teli Saf Al Al 99,8 Katkı Perçin teli,perçin Al 99,8 ve 3,0285 Max. 99,7’den soğuk perslenen %0,20 parçalar Saf Al Al 99,7 Katkı 3,0275 Max. %0,30 Saf Al EAl VDE0202 İletkenlik ve mukavemet Levha,band,şerit,disk,vitray, 99,5 VDE’ye çubuk Uygun iletken raylar ve Profil boru,tel,pres ve 3,0256 elektroteknik malzemeleri dövme parçaları Saf Al Al 99,5 Katkı Plastik,korozyona dayanıklı, Levha,band,şerit,disk,vitray, 3,0255 Max. Kimyasal ve gıda maddeleri çubuk %0,50 Endüstrisinde kullanılan Profil,boru,tel,kaynak aletler ve elektrodu, Al 99 Katkı ve dövülen Saf Al 3,0205 Max. %1,0 Depolar,birahaneler,mutfak Preslenen parçalar aletleri Paketleme,çatı kaplamaları, (Al 99 dan vitray olmaz) perçin teli ve perçinler, Al yer altı Suları içi izalasyon, 99,5’dan soğuk preslenmiş mimaride, kaplama parçalar malzemeleri(Plate etmede) Kullanılır.
29
Tablo 5. Al ve Al- alaşımlarının özellikleri (devamı) DIN 1712 Malzeme Analizi Özelliği ve kullanılması NO 2. Alüminyum alaşımları (Biçimlendirilebilen alaşımlar) a) En saf alüminyum bazlı Al RMg 0,5 %0,5 Mg katkı max. %0,02 En saf alüminyumun Mg ile alaşımı En saf 3,3309 Mukavemeti artırır, korozyona karşı alaşım Aşırı dayanıklılık kazandırır. reflactal ALRMg 1 %1,0 Mg katkı Dekorasyon ve yansıma için kullanılır. 3,3319 max. %0,002 Malzeme
b) Saf alüminyum bazında Almn Haddal 3,0515 %1.2 min
Al Si 5 Kaynak teli
Sal Si 5
%5.0 Si
AlSi 13 Kaynak teli
Lal Si 12
%12.0
Al Yatak alaşımı
AlSiCuNi
Aldrey
E-AImgSi 3,2305 AlMgSi 0,5 3,3206 AlMgSi 1 3,0315
Pantal X Pantal
%1 Cu %1 Mg %12 Si %1 Ni %0,4 Mg %0,5 Si %0,7 Mg %0,5 Si %1,0 Mg %0,6 Mn %1,0 Si
Heddenal
AlMgMn
%2,0 Mg %1,0 Mn
Heddenal
AlMg 1 AlMg
%1,0 Mg
Heddenal
AlMg 2 3,3526
%2,0 Mg
Heddenal
AlMg 3
%3.0 Mg %0,2 Mn
Heddenal
AlMg 5 3,3555
%5,0 Mg
Heddenal
AlMg 7
%5,5 Mg
İmalat şekli
Levha,band,şerit,çubuk,profi ller, Boru,teller Levha,band,şerit,çubuk,profi ller, Boru,teller
Orta mukavemeti,korozyona dayanıklı Al 99.5 ve Levha,band,şerit,disk,çubuk, Al 99 gibi kullanılabilir. profil,boru,tel, aynak teli, preslenen ve dövülen parçalar, perçin teli ve perçinler Alüminyum alaşımları için öncelikli AlMgSi için kaynak teli Kaynak elektrod teli Alüminyum ve alüminyum alaşımları için kaynak elektrod teli Orta derecede zorlanan kaymalı yatak ve hafif Çubuk,boru,preslenen metal kutuda millerin yataklanmasında aşırı dövme parçalar aşınma mukavemeti kaymalı yatak. Sertleştirilebilen,korozyona dayanıklı,elektrik iletkenliği VDE gibi Sertleştirilebilir,korozyona dayanıklı,iyi şekillendirilebilir,parçalatılabilir,kaynak yapılır,anodize edilir. Gemi , vasıta, inşaat, tekstil ve kimya sanayiinde korozyona dayanıklı ve orta mukavemetli.
ve
Çubuk,profil,boru,tel
Çubuk,profil,boru,tel,pres ve dökme parçaları Levha,band,şerit,disk,çubuk, profil,boru,tel,pres ve dövme parçaları,perçin teli ve perçin, soğuk preslenen parçaları Dekoratif pencere doğraması, metallerin buhar Levha,band,şerit,disk,çubuk, ile kaplanmasında. Tabii olarak sert,korozyona profil,boru,tel,pres dayanıklı, kaynak yapılır. Alet yapımı ve dövme parçaları,perçinler. mühendislik ve vasıta imalatında Tabii olarak sert, korozyona dayanıklı kaynak Levha,band,şerit,disk,çubuk, yapılır,dekoratif eloksa edilir. Az zorlanan profil,boru,tel,pres parçalar. Gıda maddeleri endüstrisi ve ve dövme parçaları,perçinler. paketlemede,mimaride Tabii olarak sert korozyona dayanıklı iç ve dış Levha,band,şerit,disk,çubuk, mimari için dekoratif parçalara yüzey işlemleri profil,boru,tel, için Kaynak teli, pres ve dövme parçaları Atmosferik şartlarda dayanıklı,gemi ve Levha,band,şerit,disk,çubuk, Vasıta imali,balıkçılık,süt endüstirisi, profil,boru,tel,pres Mobilya ve alet imali ve dövme parçalar,kaynak teli ,perçinler. Tabii sert, korozyona dayanıklı,parlatılabilir,kaynak yapılır. Orta ve aşırı zorlanan deniz suyuna dayanıklı,vasıta, Levha,band,şerit,disk,çubuk, Gemi ve mühendislik yapıları,kimya profil,boru,tel,pres endüstrisi,süt mamülleri,optik ve möblede ve dövme parçalar,kaynak teli ,perçinler. Anodize edilebilir,iyi talaş kaldırılarak işlenebilir.optik endüstrisinde tornalanan Çubuk,profil,boru kısımlar
30
Tablo 6. al ve Al- alaşımlarının özellikleri (devamı)
31
Malzeme 5 S Lioyds
DIN 1712 Analizi Malzeme No ......... %5,2 Mg %0,3 Mg %0,6 Mn %0,8 Si
Heddenal
AlMg3Si 3,3245
Heddur normal
AlCuMg 1 3,1325
%4,0 Cu %0,7 Mg %0,5 Mg %0,5 Si
Heddur Plate edilmiş
AlCuMg 1 Al 99,5 İle kaplı
.........
AlCuMg 1828
...........
Heddur yüksek mukavemet Heddur Yük.mukv. Kaplı Constructal 1710 Constructal 1630 Constructal 1640 Constructal 1757 kaplı Constructal 1788 Constructal Al 1790 Yatak alaşım 1880 Yatak alaşım Al S 1990 Autopan
AlCuMg2 3,1355 AlCuMg2 Al 99,5 kaplı
%4,5 Cu %0,5 Mg %0,8 Mn %0,8 Si %4,4 Cu %1,5 Mg %0,5 Mn
AlMgSiPb 3,1645
Boral
............
Çeşitli mukavemet ve şekillenebilirlikteki, sertleştirilebilir Malzemeler. Korozyona dayanıklılık için, saf alüminyum ile Plate edilmiştir. Vasıta uçak, mühendislik ve makine imalatında kullanılır.
İmalat Şekli Levha,şerit,disk,çubuk,profil,boru Levha,band,şerit,disk,çubuk,boru, Tel,kaynak elektrodu Levha,şerit,çubuk,profil,boru,teli,pres ve dövme parçaları. Perçin teli ve perçin Levha, band, şerit Levha,band,şerit,çubuk,profil,pres ve dövme parçaları.
Levha, band, şerit
..........
%0,6 Cu AlZnMgCu 0,5 %3,4 Mg 3,4345 %0,2 Mn %0,2 Si %4,3 Zn ........ %1,3 Mg %4,5 Zn %2,8 Mg AlZnMg3 %0,4 Mn 3,4355 %0,3 Si %4,7 Zn AlZnMgCu 1,5 pl ........... 3,4375 %2 Cu ............ %2.5 Mg %5 Zn %0,6 Cu ............ %3,0 Mg %0,5 Si %5,0 Zn %0,7 Fe %4,0 Cu ............ %1,5 Mg %2,0 Ni %1 Cu ............ % 1 Si ile Sn+Pb AlMgSiPb Pantal gibidir. 3,0615 Uygun katkılı
Tordal
Özelliği ve kullanılması Lioyd sigortasının, gemi inşaa alaşımı Tabii sert, korozyona, dayanıklı iyi, Kaynak kabiliyeti. Alet, depo, vasıta ve uçak imalatı içindir.
Pres ve dövme parçaları. Yüksek mukavemetli, sertleştirilebilir, malzemeler. Vasıta, uçak ve makine imalatında kullanılan çok değerli konstrüksiyon malzemeleri.
Çubuk,profil,boru,pres ve dövme parçaları. Çubuk,profil-boru,tel,kaynak teli,pres ve dövme parçaları Levha,band,şerit Çubuk,profil,boru, parçaları.
Yatak alaşımı
pres
Çubuk,boru,pres ve parçaları,kaymalı yatak.
ve
dövme
dövme
Sıcaklıktaki mukavemeti Pres ve dövme parçalar, kaymalı yatak. iyidir. Yatak alaşımı
Çubuk,tel,kaymalı yatak.
Sertleştirilebilir,otomat Çubuk,boru,te pres ve dövme parçaları malzemesi yeterli anodize edilebilir. Haddur gibidir. Çubuk,boru,tel,pres ve dövme araçları Talaş kırıcı Sertleştirilebilir,otomat katkılı malzemesi Al+%35 B C Termik nön tonları Levha Al 99,5 kaplı adsorbe eden malzeme
32
Tablo –7. Biçimlendirilebilir alüminyum alaşımlarının daha sonraki işlemleri için tavsiyeler Malzeme
En saf alüminyum
En saf Al Alaşımı (Reflecial) AIRMg 0,5 AIRMg 2 AIRMg 1
Al 99,99 R
Al 99,8
E-Al 99,5
Al 99,5
Al 99
A
A
A
A
A
A
A
A
300 – 350
480 – 500
480 – 500
480 – 500
480 – 500
300 - 350
300 – 350
300 350
Soğuk şekillendirilebilme (Yumuşak tavlanmış) Yumuşatma tavlaması 0C
A
A
A
A
A
A
A
360 – 400 2–4h D C
360 – 400
360 – 400
360 – 400
300 – 330
300 – 330
Talaş kaldırma { Yumuşak Sert
290 – 310 3–6h D C
D C
D C
D C
D C
D C
B
B
B
B
B
B
B
D C
A
A
A
A
A
A
A
B
Koruyucu gaz altı kaynağı
A
A
A
A
A
A
A
Yumuşak Mekanik parlatma Sert
A
A
A
A
A
A
A
A
D
C
C
C
C
D
D
A
B
B
A
A
A
B
B
D
A
B
D
D
D
A
A
A
A
A
A
A
A
A
DIN E göre kısa işaret Sıcak şekillendirilebilme Sıcak şekillendirilebilme 0C (presleme,dövme)
Lehimleme Gaz alevi ile kaynak
A 300 – 330
Elektrik arkı kaynağı
Elektrokimyasal parlatma Sonunda dekoratif anodize Elokse edilme Dekorativ Anodisieren2
A
B A A
1) Isıl işlemler, Alman Metal Birliğinin tavsiyesidir. Çok iyi B İyi C Orta D Kötü 2) Ayrıca bütün alaşımlar, teknik bakımdan anodize edilebilir.
A
33
Direnç bölgesi
Ark
Kaynaklanabil irlik
Gaz
Lehimlenebilme
Talaşlı işlenebilirlik
Soğuk prosesi
Stres corrosion Cracking(2)
Alaşım ve temper
General (1)
Dayanım
işleme
Aşağıdaki tablolarda Al alaşımlarının hangi prosese uygun olduğu gösterilmektedir. Ekstrüzyon Alaşım Karakterleri ve Uygulamaları
Alaşımların Bazı uygulamaları
5086-O H32, H16 H34 H36 H38 H111
A[4] A[4] A[4] A[4] A[4] A[4]
A[4] A[4] B[4] B[4] B[4] A[4]
A B B C C B
D D C C C D
D D D D D D
C C C C C C
A A A A A A
B A A A A A
5154-O H32 H34 H36 H38
A[4] A[4] A[4] A[4] A[4]
A[4] A[4] A[4] A[4] A[4]
A B B C C
D D C C C
D D D D D
C C C C C
A A A A A
B A A A A
5454-O H32 H34 H111
A A A A
A A A A
A B B B
D D C D
D D D D
C C C C
A A A A
B A A A
6005-T1.T5
......
......
......
.....
A
A
A
A
6060 T1.T4 T5 T6
A A A
A A A
B B C
D C C
A A A
A A A
A A A
A A A
6061-O B T4 T451 T4510 B T4511 B T6 T651 T652 T6510 T6511 A A 6063-T1 A T4 A T5 T452 A T6 T83 T831 T832 C C 6066-O C T4 T4510 T4511 T6 T6510 T6511 B B 6070-T4 T4511 T6 A A 6101 T6 T63 T61 T64 B
A B A
A B C
D C C
A A A
A A A
A A A
B A A
A A A A A
B B B C C
D D C C C
A A A A A
A A A A A
A A A A A
A A A A A
A B B
B C C
D C B
D D D
D D D
B B B
B B B
B B
B C
C C
D D
A A
A A
A A
A A
C B
C D
A A
A A
A A
A A
A
C
C
A
A
B
A
6105 T1 T5
A A
C D
B B
B B
B B
B B
A A
..... ..... ..... .....
C C C C
C C C 34 C
C C C C
B B B B
A A A A
B B A A
B B
6262 T6 T651 T6510 T 6511 T9 .... A A 6351 T1 A T4 T5
Basınçlı kaynak kapla, Televizyon antenleri, otomobil,ulaşım ekipmanları, mermi,füze
Kaynak yapıları, depo tankları, basınçlı kaplarda
Kaynak yapıları,basınç kapları
Yapısal uygulamalar Genel amaçlar, mimari uygulamalar İyi korozyon direnci yüksek güç gerektirir. Kamyon ve gemilerde, otomobillerde,b oru hatları,mobilya Mobilya,boru yolu, mimari, ekstrüzyonlar
Kaynak yapılarında dövme ekstrüzyon Yüksek kaynak
ve
güçlü
Talaşlı işlenebilirlik Lehimlenebilme
Gaz
Ark
Direnç bölgesi
işleme
Stres corrosion Soğuk prosesi
Kaynaklanabilirl ik
General(1)
Dayanım
6463 T1 T5 T6
A A A
A A A
B B C
D C C
A A A
A A A
A A A
A A A
7005 T53
....
....
....
....
B
C
A
A
Alaşım Sıcaklık
ve
7050 T73510, C T73514 T74[7], T7451[7] T74510[7], T74511[7] T7452[7], T7661 T76510, T76511 ....
B
D
B
D
D
D
B
....
....
D
D
D
D
B
D D
B B
D D
D D
D D
B B
.... D
.... B
D D
D D
D D
B B
C[3] C C B
7075-O T6 T651, T652, T6510, T651, .... T73, T7351 C[3]
Alaşımları bazı uygulamaları
.... C
Hava taşıtları diğer yapılar
ve
7178- O T6,T51,T6510,T651
1) A’dan D’ye kadar olan değerler sodyum çözeltisi ile karşı karşıya kalma durumuna göre iyiden kötüye doğru sıralanmıştır. A ve B derecesindeki alaşımlar endüstride kullanılır. 2) Gerilim korozyonu çatlama dereceleri servis deneyimi ve laboratuar testleri ile numune üzerinde %3,5 sodyum klorun çözeltisine batırma testi sonucunda aşağıdaki sonuçları göstermiştir. A= Serviste ve laboratuar testlerinde bir sorun çıkmamıştır. B = Kısa laboratuar testlerinde sınırlı hata vermiştir. C = Sürekli gerilim ile oluşan servis hataları çapraz olarak tanecik yapısında oluşmuştur. D = Sınırlı servis hataları boylamsal yada çapraz alanlardır.
35
3) A’dan D’ye kadar olan değerler soğuk işlem ve A’dan E’ye kadar olanlar talaşlı imalat ile işlenebilirlik özelliğini göstermektedir. Bu değerler A – D’ye doğru işlemin uygulanabilirliğinde kötüleşme göstermektedir. Alüminyum ekstrüzyon Element Temper ve Kalınlık alaşımları ve karakteristikleri Yüksek dayanımlı otobüs elektrik kabloları,kaynaklana bilirlik. Çatlama korozyonuna karşı iyi direnç yüksek işlenebilirlik özelliğiyle
Si 0,30 – -H111 0,7 Mg 0,35– -T6 0,8 -T61
-T63 -T64 -T65 Yüksek Si 0,60 – dayanım,averaj 1,0 Mg 0,45 işlenebilirlik – 0,8 korozyon direnci Bütün Mg 0,8 – ekstrüzyonlarda 1,2 işlenebilir, iyi Si 0,40 – korozyon direnci 0,8 Pb 0,40 – 0,7 Bi 0,40 – 0,7 Cu 0,15 – 0,4 Cr 0,04 – 0,14 Yapısal uygulamalarda kullanılır. İyi korozyon direnci taşıtlarda.
-T1 -T5 -T5,T62, T6510 and T6511
Si 0,7 – -T1 1,3 -T4 Mg 0,40 – 0,8 Mn 0,40 -T5 – 0,8 -T51
0,250– 2,000 0,1250,500 0,1250,749 0,7501,499 1,5002,000 0,1251,000 0,1251,000 0,1250,749 Up thru.500 Up thru.500 All
Mukavemet değerleri Çekme Akme mi ma mi max n x n 12, ..... 8,0 ...... 0 29, ..... 25, ...... 0 0 20, ..... 15, ...... 0 ..... 0 ...... 18, ..... 11,0 ...... 0 15, 8,0 0 27, ..... 22, ...... 0 0 15, ..... ...... 0 8,0 25, 32, 20, 27,0 0 0 0 25, ...... 15, ...... 0 ...... 0 ...... 38, 35, 0 0 38, ...... 35, ...... 0 0
Up thru 26, 0 0,499 Up thru 32, 0,749 0 Up thru 38, 0,249 0 0,250 – 38, 1,000 0 0,125 – 36, 1,00 0 36
...... 13, ...... 0 19, 0 ...... 35, ...... 0 35, 0 ...... 33, 0
Uzama miktarı %0,2 ...... 15 19
17 20 ...... 16 8 10
........ ........
15 16
........ ........
8 10
........
10
-T54 -T6
İşlenebilme kabiliyeti yüksek
Yüksek dayanıma ihtiyaç duyulduğunda, otomotiv ve taşıtlarda kullanılır.
Yüksek yüksek direnci
dayanım korozyon
Mg 0,45 -T1 – 0,9 Si 0,20 – -T5 0,6 High purity Version of 6063 Zn 4,0 – 5,0 Mg 1,0 – 1,8 Mn 0,20 – 0,7 Cr 0,06 – 0,20 Zr 0,08 – 0,20 Ti 0,01 – 0,06 Zn 5,7 – 6,7 Mg 1,9 – 2,6 Cu 2,0 – 2,6 Zr 0,080,15
-T6 T62
Up 0,500 Up 0,124 0,125 0,749 Up 0,500 Up 0,500 Up 0,124 and 0,125 0,500
thru 30, 0 thru 42, 0 – 42, 0 thru 17,0
...... 20, 0 ...... 37, ...... 0 37, 0 ...... 9,0
thru 22, 0 thru 30, 0 – 30, 0
...... 16, ...... 0 25, 0 ...... 25, 0
........
10
........ ........
8 10
........
12
........ ........
8 8
........
10
-T53
All
50, 0
...... 44, 0
........
10
-T74510 T73511 -T74510 -T74511 -T76510 -T76511 -T76510 -T76511
Up thru 70, 5,000 0 Up thru 73, 5,000 0 Up thru 77, 0,499 0 0,500 – 79, 5,000 0
...... 60, 0 ...... 63, 0 ...... 68, 0 ...... 69, 0
........
8
........
7
........
7
........
7
37
ALÜMİNYUM EXTRÜZYON ALAŞIMLARI 6063 Kullanım Alanları : Pencereler, kapılar,perde duvarlar, mobilya, orta dayanımlı şasi, levhalar, dekorativ çerçeve, ısı alıcılar, gemiler 6060 Kompleks şekilli parçalar için idealdir. 6463 Işık reflektörleri, kesme aletleri, vitrin imalarında kullanılır. 6061 Yüksek mukavemetli alaşımları kamyonlarda, römork imalatında, burç imalatında, deniz aletlerinde kullanılır. 6005 Yüksek dayanımlı alaşım : burç, anten, merdiven ve işlenen parçalarda kullanılır. 6351 Yüksek dayanım, iyi metal yorulması ve darbe direnç. Boru hattında, römorklarda, otoban bariyerlerinde ve araçlarda kullanılır. Alüminyum alaşımlarında Mg ve Si’un etkileri Alkali özelliği taşıyan ortamlarda, Magnezyum korozyon özelliğini iyileştirir. Silisyum(Si) negatif korozyon etkisi vardır, fakat bu etki Silisyum mikro yapıdaki dağılımına bağlıdır. 6000’li gruplardaki dengelenmiş alaşımlar, Mg/Si ilişkisi 1,73 bu yapı Mg2Si sitokiyometrik dağılımına uyar. Mg ve Si Mg2Si fazı gibi varsayılır. Si ve Mg içeren alaşımlar ticari extrüzyon işlemlerinde daha yaygın kullanılır. Si oranı 0,6 – 0,9 olan alaşımlarda çukur korozyon baskındır, tane sınırlarına yaklaştıkça korozyon artışıyla birlikte silisyum oranı da yükselir. Tane sınırı korozyonu arttığında gerilim korozyonu, çatlama ve pul pul dökülme artışı olabilir. Fakat bu durum her zaman gözlenmez.
38
Alüminyum Alaşımlarının Fiziksel Özellikleri Alaşım Yoğunluk Katılaşma Kg/m3 sıcaklığı
Elastisit
Kesme
Modülü
Isı iletim
Modülü
Entropi
Katsayısı
Ergime j/kg.K
Derece 0C
1/K
sıcaklığı Derece 0C
AA1050
2700
69000
25900
24
899
658
645
AA1070
2700
69000
25900
24
899
658
645
AA2014
2800
73000
27400
23
869
640
505
AA3003
2730
69500
26100
23
892
655
640
AA3103
2730
69500
26100
23
892
655
640
AA5005
2700
69500
26100
24
897
655
630
AA5052
2680
70000
26300
24
901
650
605
AA5083
2660
71000
26800
24
899
640
580
AA5086
2670
71000
26700
24
900
640
585
AA5154
2670
70500
26500
24
901
645
590
AA5251
2690
70000
26300
24
898
650
605
AA5454
2690
70500
26500
24
897
645
600
AA5754
2680
70500
26500
24
897
645
595
AA6060
2700
69500
26100
23
898
655
610
AA6061
2700
70000
26300
23
895
650
580
AA6063
2700
69500
26100
23
898
655
615
AA6082
2710
70000
26400
23
894
650
575
AA6351
2710
70000
26300
23
894
650
585
AA7010
2820
72000
27100
24
857
630
475
AA7020
2780
70000
26400
23
873
645
605
AA7075
2810
72000
27100
24
862
635
475
39
NİKEL İŞLENEBİLİRLİĞİ
40
NİKEL 1571 yılında A. F. Cronsted Saksonyada bulunan filizlerden elde ettiği metale NİKEL adını verdi. Daha önce Saksonyada zengin bakır filizleri vardı ve bu filizler işlenerek bitirildiği zaman alttan güzel görünüşlü başka bir filiz ortaya çıktı. Bu filizlerden bir süre faydalanılamadı ve bu filizlere yeraltı cinlerinin hakimi olan OLD NİCK'in etki ettiğine inanıldığı için OLD NİCK adı verildi. Cronsted'in nikel adını vermesi de bundan ileri gelmektedir. Nikel'in oldukça eski bir geçmişi vardır. Eski Çin hikayelerinde nikelin gökyüzünden gelen insanlar tarafından getirildiğine inanılırdı. Çin askerleri (Tesadüfen nikel demir alaşımı olan) kullandıkları kılıçlarla düşmanlarını yenmekte ve bunun sihrini nikelde bulmakta idiler. Gökyüzünden düşen meteorlar (Göktaşları) demir nikel alaşımı idiler. Çinliler bundan en az 2000 yıl önceden nikel-çinko alaşımı yaparak buna PAKFONG adını verdiler. Asırlarca bu alaşımdan yapılan güzel görünümlü eşyalar Çin'den Avrupa'ya gönderildi. •
ÜRETİM
Bugün nikel, Sülfür, Arsenür ve Arsenat gibi bileşiklerden elde edilmektedir. Doğada en fazla bulunan filiz Kanada'daki PİROTİN'dir. Pirotinde % 1-5 kadar nikel bulunmaktadır. Diğer bir önemli filiz de Yeni Kaledonya'daki GARNİERİT 'tir. Garnieritte % 4-8 nikel vardır. Bakır, demir ve manganez filizlerinde de nikel bulunmakta ise de nikel üretimin % 85'i sülfürlü filizlerden elde edilmektedir. Nikel filizleri önce kırılır, ufalanır ve kurutma fırınlarında kurutulduktan sonra kavurma fırınlarında kavrularak kükürdü yakılır ve uzaklaştırılmış olur. Buradan alınan filizler daha sıcak vaziyette iken alev fırınlarına gönderilerek ergitilir. Eriyik üzerinde toplanan demir alınır. Altta kalan eriyik MAT adını alır. (Demir yoğunluk farkından dolayı üste toplanır). Mat uzun silindirik fırınlara alınarak yüksek sıcaklıklara kadar ısıtıldıktan sonra potalara dökülür. Şimdi üstte bakır ,altta nikel vardır. Potalardaki kütleden bakır ayrıldıktan sonra nikel elektrolizlenerek saf nikel elde edilir. •
ÖZELLİKLERİ
Nikel gümüş beyazı renkte, 8.9 Kg/dm3 yoğunluğunda , 1455 C0 sıcaklıkta eriyen, hemen her ortamda korozyona direnci çok yüksek olan bir metaldir.Nikel ,yüksek mukavemet ve genleşme kabiliyetine sahip olup, yaklaşık 365 C0 ye kadar ferro magnetik özelliğindedir. Isı iletkenliği yüksektir, parlatılmaya elverişlidir. Ticari saflığı % 99.4 kadardır. Isıl işlem ile sertleştirilemez. Tanınan en özlü metaldir. Dayanım ve sertliğini soğuk işlemekle yükseltmek mümkündür. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda sertlik ve dayanım daha da yükselmektedir. Oda sıcaklığında 29.4 Kgm özlülükte olan nikel 190 C0 sıcaklıkta 31.4 Kgm özlülüğe ulaşır. Nikel asal metal sayılır. Elektrokimyasal gerilim tablosundan demirden 0.21 volt daha asaldır. Nikel yüzeyinde atmosfer etki ile ince bir oksit katı meydana gelir bu katman koruyucudur. Nikel yüzeyinde meydana gelen oksit filmi endüstriyel havada yılda ancak 0.005 mm derinlikte olur. Deniz ve kır havasında bu değer daha düşüktür ve yılda 0.000025 mm kadardır. Nikel normal alkalilerin tuz çözeltilerine (Klorür, karbonat, sülfat, nitrat, ve asetat gibi) dayanımı yüksektir. Nikel asitlere ve asitlerin kaynar çözeltilerine de yüksek dayanım gösterir. Bu maddelerin nikele etkisi yılda 0.5 mm kadar olabilir. •
KULANIM ALANLARI
Havacılıkta, petrol endüstrisinde, kimya endüstrisinde, gıda endüstrisinde, gıda endüstrisinde, çamaşır kazanlarında, mutfak takımlarında, çatal, kaşık, bıçak ve yemek kapları yapımında, salamura işletmelerinde, kağıt endüstrisinde, çatı kaplama işlerinde, korozyondan korunması 41
istenen metallerin kaplanmasında ve daha sayısız kullanım alanında kullanılmaktadır. Bugün nikelin 3000'den fazla kullanım alanı vardır. Nikel sıcak ve soğuk biçimlendirilmektedir. Nikel, galvanik kaplamalar için ve ayrıca kimya endüstrisinde kullanılan aparatların saf ve alaşım katkı elementi olarak kullanılır. Tamamı % 5 Mg, Al ve Be olan nikel alaşımları, örneğin Ni Mn 3 Al olan termo elamanlar için elverişlidir. Yüksek mukavemetten ve elastikiyetten dolayı Ni Be 2 yayların diyaframların (Membranların) yapımında kullanılır. Rafinerilerin boru tesisat hatlarının termik bakımdan yüksek mertebede yükleme yapılan yerlerindeki gerilmeleri azaltmak için kullanılan metal körük parçaları, Ni Cr 22 Mo Nb nikel alaşımı malzemesinden elde edilir. Ni Cu 30 Fe (Monel metal), kimya sanayindeki aparatlar için,özellikle korozyon tehlikesine maruz kalan iş parçaları için ve uçak yapımında perçin malzemesi olarak kullanılır. Krom-nikel – molibdenli çelikler yüksek ısıya karşı dayanıklıdır. •
NİKEL ALAŞIMLARI
Ana maddesi nikel olan alaşımlarda % 50'den fazla nikel bulunur. Nikel 450 C0 altında kuvvetli magnetiktir. Bu nedenle magnetik kaldırma makinelerinde kullanılır. Elde ediliş bakımından dayanımı değişmektedir. Döküm yoluyla elde edilmişse dayanımı 3150-4220 Kg/cm2 arasında olup haddeleme yoluyla elde edilmişse 4200-11600Kg/cm2 arasındadır. Nikel, bakır, silisyum, krom ve molibdenle ayrı ayrı veya birkaçı ile birlikte alaşım yapar. Nikel gümüşü veya Alman gümüşü adı verilen alaşım % 10-30 Ni, % 5-50 Zn ve kalan bakırdır. Nikel , korozyondan korunması gereken yerlerde kaplama amacı ile kullanılır. Nikelle yapılan kaplama zamanla parlaklığını kaybetmez. Gümüşle yapılan kaplamadan üstündür. Aşınmaya dayanım istenen yerlerde 400 BSD kaplama tabakası elde edilebilir. Kaplama tabakası kalınlığı dekoratif işler için 0.00025 mm den başlar. Diğer amaçlar için kalınlık 0.0125-0.02 mm arasında olur. Püskürtme yoluyla kaplama yapılırsa da bu tip kaplamanın koruyuculuk değeri azdır. Nikelin en önemli alaşımı 1905'te bulunan MONEL'dir. Yüksek dayanımlı,biçimlendirilebilen, sertliği yüksek ve korozyon direnci üstün olan bu alaşımda 2/3 nikel ve 1/3 bakır vardır. Monele Aliminyum ve Titan katılarak özellikleri daha da yükseltilebilmektedir. Monel ısıl işlem ile sertleştirilebilir. Soğuk biçimlendirme ile dayanımı ve sertliği yükseltilmektedir. Sertliği 85100 Rb olan monellerin 0.75 mm veya daha küçük çaplı tellerde dayanımı 10.000-14000 Kg/cm2 dayanımındadır. Çatlamadan kendi etrafında bükülebilirler. Bugüne kadar elde edilen en özlü malzemedir. Yüksek sıcaklıklarda devamlı veya aralıklı çalışması gereken alaşımlarda % 60-80 nikel ve % 13-20 krom bulunur. Bu alaşımlar 1150 C0 sıcaklıklarda kullanılırlar. Bu tip alaşımlar aynı zamanda korozyona da dayanıklıdır. Nikel ve krom dışında kalan malzeme demirdir. % 80 Ni, % 20 Cr veya % 60 Ni ve % 15 kromlu olan alaşımlar İNKONEL adını alır ve elektrik direncinin yüksek oluşu nedeniyle elektrik direnç telleri yapımında kullanılır. Nimonik adı verilen nikel krom dışında aliminyum ve titan bulunan alaşımlar 800 C0 sıcaklıklarda kullanılmaya elverişlidir ve jet motorları türbinlerinin paletlerinde kullanılır. Dayanımı 7500 Kg/cm2 dir. Fırınlarda ısıtma elementi olarak kullanılır. İnkonel, alkaliler,organik bileşiklere, amonyak, hidrojen, azot, karbondioksit gazlarına ve buhar etkilerine büyük dayanım gösterir. Sementasyon kasalarında, süt pastörizasyon kaplarında, fotoğraf banyo küvetlerinde,pompalar, miller, makaralar ve başka fotoğrafçılık makine parçalarında yün boyama tekstil tekstil makinelerinde kullanılır. Termo eleman muhafaza borularında, tuz banyoları elektrotlarında, banyo kafeslerinde, yüksek sıcaklıklara dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. 42
Nikel molibden alaşımları, çok miktarda demir ihtiva eder. Biçimlendirilme özelliği ve dayanım bakımından alaşım çeliklerle karşılaştırılabilir. Tuz asiti ve nemli tuz asiti gzlarına büyük dayanım gösterir. 800 C0 sıcaklıklarda atmosfer etkilerine dayanımı iyidir. Dünyada üretilen nikel’in büyük bir kısmı, çelikler için alaşım elamanı olarak ve yalnızca yaklaşık %10 ila 20 oranında da nikel esaslı malzemelerin üretiminde kullanılır. Nikel malzemeler, genel olarak tam korozyona dayanıklıdırlar ve teknik için üstün mekanik özelliklere sahiptirler. Bundan dolayı, her iki özelliğin birlikte arandığı soğutucular, reaksiyon kapları ile kimya ve petrokimya endüstrisinde pompa malzemesi olarak tercih edilirler. Tufallaşmaya ve sıcağa çok iyi dayanımından dolayı, süper alaşım olarak ve ayrıca enerji santrallerinde, türbin ve fırın yapımında da kullanılırlar. Nikel, -0,227 V olan Standard potansiyeli ile demir ve hidrojenin arasındadır. Oksitlenmeyen ve çok kuvvetli olmayan asitlere karşı dayanıklıdır. Bu durum, kısmen yüksek gerilimde hidrojen ayrışmasından, kısmen de pasifleşmeden kaynaklanır. Pasif tabaka hava ile temasta, sulu çözeltilerde ve anodik bağlantılarda meydana gelebilir. Nikel, soğuk ve %60’lık konsantrasyona kadar incelmiş florik aside, %70’lik konsantrasyonlu sülfirik aside (günde 3 gr/mm aşınma), su ve deniz suyu içerisinde, özellikle alkali çözelti ve eriyikler içerisinde dayanıklıdır. Dağlama sodyumuna karşı dayanımı, yalnızca gümüşte bulunur. Bu nedenle, sodyumhidroksidin depolanmasında kullanılır. Nötr ve asidik tuzlar (klorür, sülfat, nitrat), çoğu organik asitler ve sulu çözelti maddeli tuz asidi nikeli pek az etkilediğinden, klorürlü çözücü maddeler ve kimyasallarla (trikloretilen, hexaklorethen, fosforoksiklorür) temasta kullanılabilir. Buna karşılık, nikel oksitleyici asitlerde çözülür.örneğin sıcak nitrik asitte günde 8900 gr/m2’ye kadar olabilir. Fosforik aside karşıda pek az dayanımı vardır. Arı fosforik asitte aşınma miktarı günde 10 ila 20 gr/m2 arasındadır. Nikel malzemelerin iyi olmayan önemli bir yönü, kükürt içeren gazlara (fırın gazları, baca gazları) karşı duyarlı olmasıdır. Bu davranış, nikel alaşımlarında da görülür. Kükürt, nikel içerisinde oda sıcaklığında çözülmez. Bundan dolayı, tane sınırlarında nikelsülfür olarak bulunur. Ve nikeli soğukta ve sıcakta kırılgan yapar. Bu nedenle nikel ve alaşımları kükürt içeren gazlarla kullanılamazlar. Nikel-Bakır Alaşımları: Bakır ilavesiyle klorür iyonlarına, florik aside ve sülfirik aside karşı nikelin dayanımı yükselir. Şekil-210 de görüldüğü gibi, yaklaşık %30 Cu havasız miktarında, deniz suyunda kütle kaybı en az değerdedir. Havalı ve sülfirik asit, bu alaşımlarla oda sıcaklığında % 80 asit konsantrasyonuna kadar kullanılabilir. Havalandırma olmadığında, Ni-Cu alaşımları tuz asidine karşı dayanıklıdır. Hava artıklı arı konsantre asit pek az etkileme (günde 20 gr/m2) yaparken, teknik asitlerde şiddetli etkile (günde 400 gr/m2 ) olur. Kükürtlü asitlere karşı dayanımı da azalır. Ni-Cu alaşımları kuru ve gaz formundaki halojenlere, hidrokarbonla temas etmeye ve alkali çözeltilere çok dayanıklıdır. % 63 Ni, % 28 ila 34 Cu ve % 1 ila % 2 Fe içeren (NiCu30Fe) ve monel metal olarak da adlandırılan alaşımın, teknikte oldukça fazla önemli yeri vardır. Klorlu hidrokarbonlara karşı dayanımından dolayı, ham petrol üretiminde destilasyon ünitesinde kullanılır. Ayrıca, amonyum tuzları üretiminde süzgeç, santrifüj sepeti ve boru iletiminde, potasyum endüstrisinde tambur filtre olarak ve yağ sabunu için kazan olarak da kullanılır.
43
NiCu alaşımları, genellikle homojen aşınırlar. Havalı florik asit içerisinde, prinçteki çinko azalması olayına benzer şekilde, nikel azalması görülür. Delik korozyonu, yabancı maddeleri yığılmaları olduğunda meydana gelir. Nikel-Molibden Alaşımları: Molibdenle alaşım yapmakla, nikelin özellikle redükleyici korozif ortamlara dayanımını iyileştirir. Buna karşılık oksitleyici ortamlarda, krom ilaveli nikel-molibden alaşımları tercih edilir. Birinci grupta en tanınan alaşım NiMo30Fe (hasteloy B) % 4 ila 7 Fe içerir ve özellikle tuz asidi, sülfirik asit, florik asit ve fosforik asit ve bulunan kimyasal tesislerde kullanılır. İkinci grup için NiMo17Cr16 (Hasteloy C) demir klorürlü çözeltilerde, kromik asit ve florik asitte çalışan kimya endüstrisinde vana, pompa ve boru donanımı olarak kullanılır. Hasteloy G olarak da tanınan alaşım (yaklaşık % 22 Cr, % 7 Mo, % 5 Co,% 1.5 W, % 2 Cu, % 0.4 Si, % 0.3 Ta, ve Nb geriye kalan Ni) ise, oksitleyici (nitrik asit) ve redükleyici (tuz asiti) asitlere karşı ve de lik korozyonu ile gerilim çatlağı korozyonuna dayanıklıdır. M23C6 karbürlerinin çökelmesiyle dayanım çok azalır. Kaynak dikişlerinin ısı geçiş bölgesinde de korozyon görülmez. Alaşım, çevre korumasında ıslak yıkayıcılar için ve kaynayan fosforik asitle temasta da dayanıklıdır. Nikel-molibden alaşımları çok sayıda aside karşı dayanaklıdır. Özellikle, tuz asidi içerisinde korozyon dayanımı oldukça iyidir. Pek az molibden miktarında da (% 5 ila 7 Mo), korozyon hızı hemen düşer. NiMo30Fe alaşımının havalanmamış tuz asidindeki korozyon tutumu, yalnızca gümüş, tantal ve platinde görülebilir. Sülfirik aside karşıda, NiMo30Fe alaşımı oda sıcaklığında dayanıklıdır. Fakat, sıcaklık ve asit konsantrasyonunun artmasıyla tahribat artar. Fosforik asitte, oda sıcaklığında sorun yaratmaz. Kaynama sıcaklığında NiMo30Fe malzemesinin aşınması, günde yalnızca 2.4 gr/m2 kadardır. Florik asidin (tüm konsantrasyonlarda ve sıcaklıklarda) etkisi altında, organik asitlerde (sirke asidi) , su ve buharda da korozyon görülmez. Buna karşılık, diğer nikel alaşımlarında olduğu gibi, kükürt içeren gazlarda ve konsantre nitrik asitte şiddetli korozyon görülür. Nikel-molibden ve nikel-molibden-krom alaşımlarında, inter metalik fazın çökelmesi sonucu molibdence fakirleşmiş sahaların meydana gelmesiyle inter kristalin korozyon görülür. Ni-Mo alaşımlarında inter metalik faz olan Ni3Mo 600 ila 900 C0 arasında ve Ni-Mo –Cr alaşımlarında Ni3Mo3C ve Ni2Mo4C fazları 1200 C0 nin üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir. İnter kristalin korozyon, nikel-molibden alaşımlarına vanadyum ilavesi yapılmakta, nikel-molibden-krom alaşımlarına uygun çözme tavlaması uygulanmakla çözümlenebilir. Nikel-Krom Alaşımları: Nikel-krom alaşımları, tufallaşmaya ve sıcaklıkta mekanik zorlanmaya karşı yüksek dayanım ve redükleyici, oksitleyici ortamlara karşıda iyi korozyon direnci gösterirler. Çok sayıda tanınan alaşımdan teknik için önemli olan iki tanesi, tablo 241 de açıklanmıştır. Bunlara ilave olarak , NiCr35 alaşımının nitrik aside karşı direnci oldukça iyidir. Ni-Cr alaşımlarının oksitleyici ortamlara karşı çok iyi dayanımı , sıkı yapışan NiCr204 ve Cr203 bağlantılarının , koruma özelliği göstermesinden kaynaklanır.
44
Tablo 241 : Ni-Cr alaşımlarından NiCr20 ve NiCr15Fe alaşımlarının kullanım ve korozyon tutumu ile ilgili bilgiler Sembol
NiCr20
NiCr15Fe
•
Bileşim
Belirgin özelliği
Düşük sıcaklık katkısıyla yüksek En az % 76 Ni elektrik direnci, 1250 C0 sıcaklığa % 19..21 Cr kadar havada tufallaşmaya dayanımı , (kükürt ve halojen içren ortamlarda350 C0 ye kadar Sıcaklığa yüksek dayanım, zaman uzama sınırı ısıl şoka dayanım En az % 72 Ni (NiCr20’ye nazaran iyi), Azot ve % 14…17 Cr karbon verici fırın atmosferlerine % 6…10 Fe karşı dayanım ,gerilim çatlağı korozyonu ve kırılmaya karşı yüksek dayanım, 1100 C0 ye kadar havada tufallaşma dayanımı, kükürtlü redükleyici atmosferde (N2S) 550 C0 ‘ye ve kükürtlü oksitleyici atmosferde (SO2) ‘ye kadar dayanıklı
Kullanım sahası Isıtıcı dirençler, İletkenler, Radyasyon borusu, Oksitleyici ortamlar, Kimyasal aparatlar, Isıya ve tufallaşmaya dayanıklı yapı elemanları, Egzost, Semente kutusu, Nitrasyon kutusu, Tavlama sepeti, Petrokimya tesisleri,
İŞLENEBİLİRLİK
Talaşlı işlem proseslerinde iş parçası reaksiyonunun prosese bağlı olduğu bir gerçektir. Bu yüzden talaşlı işlenebilirlik proses ve malzemeyi birlikte ihtiva eden bir sistem özelliği olarak düşünülmelidir. Malzemeleri işlenebilirlik açısından genel bir sıralamaya koymak mümkün değildir.bununla beraber geleneksel olarak işlenebilirliğin bir malzeme özelliği olduğu söylenebilir. Malzemelerin talaşlı işlem kabiliyeti artışına paralel olarak ürün kalitesi yükselir ve maliyeti azalır. Malzemelerin talaşlı işlem kabiliyetini belirlemede kantitatif değerlendirme kriterlerinin kullanılması gerekir. Talaşlı işlenebilirlik kabiliyetinin tanımlanmasında esas alınan kriterler aşağıda detaylı olarak işlenmiştir. 1. Sık sık adından söz edilen talaşlı işlenebilirlik indeksi, referans bir malzemeye göre malzemelerin işlenebilme hızı sıralamasını ifade etmektedir. Çelikler için günümüzdeki AlSl 1212 çeliğine çok benzeyen B1112 Bessemer talaşlı işlem çeliği; bakır esaslı alaşımlar için kurşun içeren Cu-Zn talaşlı işlem alaşımı ve aliminyum alaşımları için 7075-T6 alaşımı referans malzeme olarak alınmaktadır. Örneğin belirli bir talaşlı işlem operasyonunda B1112 Bessemer talaşlı işlem çeliğinin kırılmadan işlenebilme hızı 1 olarak alınır. Diğer çeliklerin işlenebilme hızları bessemer çeliği için belirlenen değere bölünerek talaşlı işlenebilirlik indeksi bulunur. Bu değerler takiben küçükten büyük değer doğru sıralanarak tablo haline getirilir. İndeksin artışı talaşlı işlem kabiliyetinin arttığını gösterir. Bu sistemle değişik prosesler için yapılan sıralamalar birbirinden farklı olabilmektedir ve bu nedenle yanılgıya sebep olabilir. 2. Dakika ve saniye cinsinden verilen bir takım ömrü için kesme hızı değeri veya verilen bir takım ömrü kriteri için işlenen metalin hacmi malzemelerin talaşlı işlenebilirlik kabiliyetinin tespitinde kullanılabilecek daha kantitatif ölçülerdir. 3. Diğer bir kriter takım aşınmasıdır. Bu değer, verilen bir kesme hızı ve besleme değerinde kalem boyutunda birim zamanda aşınmadan dolayı meydana gelen değişim cinsinden 45
veya standart bir taban yüzeyi aşınmasının oluşabilmesi için gerekli olan zaman olarak verilir. Diğer hallerde ise önceden tayin edilen kraterliği baz alınır. 4. Diğer bir kantitatif ölçü ise standart kesme ve besleme hızlarında elde edilen standart yüzey bitirme kalitesidir. Talaşlı işlenebilirlik daha önceden de vurgulandığı üzere bir sistem özelliğidir; tekrar edilebilir dataların eldesi amaçlanıyorsa sistemin bütün ögeleri açık bir şekilde tanımlanmalıdır. Tornalama operasyonu için bu testlerin prosedürleri ISO 3685-1977 nolu standart da verilmiştir. Değerlendirmede takım aşınması baz alınmıştır. Aşınma sabit kesme hızında zamanın fonksiyonu olarak ve değişik hızlarda test işlemine göre takım aşınması- zaman eğrisi şeklinde verilmiştir. Bütün bir değerlendirme uzun zaman alır ve pahalıdır. Sınırlı geçerliliğe sahip olan bazı kısa testlerde mevcuttur. Yukarıda daha çok takım malzemesindeki değişimler baz alınarak işlenebilirlikle ilgili yapılan tanımlamalar izah edilmiştir. Aşağıda ise iş parçası özellikleri açısından talaşlı işlenebilme kabiliyeti ele alınmıştır. Talaşlı işlenebilirlik çok yönlü bir özelliktir ve malzemelerin bir kısım özellikleri tarafından etkilenir. İyi işlenebilirlik terimi minimum enerji ile işlenebilme, minimum takım aşınması, iyi yüzey bitirme gibi kriterlerin birini veya birden fazlasını ifade eder. İyi işlenebilirlik için genelde malzemelerde aşağıdaki özellikler aranır. Talaşın kolaylıkla kırılabilmesi ve küçük oranlardaki kaymadan sonra talaşın ayrılabilmesi için sünekliliğin düşük olması gerekir. Bu karakteristikler plastik deformasyonda istenilenlerin tam tersidir; bu yüzden tercih edilen özellikler arsında düşük bir deformasyon sertleşmesi üssü (n), düşük kavitasyon (gözeneklenme) oluşturma direnci, düşük kesit büzülmesi ve düşük kırılma direnci bulunmaktadır. Kesme enerjisini minimum değerde tutabilmek için kayma mukavemetinin düşük veya pratikte ölçümü daha kolay olan çekme mukavemeti ve sertlik değerinin küçük olması gerekir. Takım malzemesi içindeki alaşım elementlerinin iş parçası malzemesi içinde difüzyon kabiliyeti düşük olmalıdır. Aksi halde bu elementler iş parçasına difüze olarak takımda alaşım elementi fakirleşmesine ve dolayısıyla takımın zayıflamasına neden olurlar. Takım ve iş parçası arasında kuvvetli yapışma ve metalürjik bağ oluşumu istenmez. Ancak alaşım elementi difüzyonunun gerçekleşmediği hallerde yüksek yapışma karakteristikleri ikinci kesme zonunun kararlı hale gelmesine yardım eder. İş parçası bünyesindeki bazı oksitler, bütün karbürler, metaller arası bileşiklerin çoğunluğu ve elementel silusyum gibi çok sert fazlar kesici takım gibi hareket ederek takım aşınmasını hızlandırırlar. Bu fazlar özellikle levha formunda ve keskin köşeli oldukları zaman daha tehlikelidirler. Normal şartlarda yumuşak veya yüksek sıcaklıklarda önemli oranda yumuşama gösteren sekonder faz partikülleri kayma zonuna ulaştıkları anda bölgesel kaymayı teşvik ederek, talaşın kırılmasına katkıda bulunurlar ve malzemeye talaşlı işlenebilir hüviyeti kazandırırlar. Bu fazlar yukarıdaki işlevlerinden dolayı faydalıdır. Böylesi inklüzyonlar düşük kesme veya kayma mukavemetlerinden dolayı ikinci kesme zonunda harcanan enerjiyi azaltırlar ve hatta bazıları talaş yüzeyine deformasyon sonucu sıvanarak iç yağlayıcı olarak hareket ederler. Böylece gerekli kesme kuvveti ve enerji azalır. Yüksek ısıl iletkenlik kesme zonundaki sıcaklığın düşük tutulabilmesini sağlar.
46
İş parçası malzemesinin düşük ergime sıcaklığına sahip olması işlem sıcaklıklarının takım parçasının yumuşama veya iş parçası ile reaksiyona girme sıcaklıklarının altında kalmasını sağlar. Yukarıda sözü edilen olguların geniş bir sıcaklık aralığında incelenerek değerlendirilmesi daha faydalıdır. Yüksek sıcaklıklarda malzemelerin kayma veya kesme mukavemeti azaldığı için işlenebilirliği çok zor olan malzemelerin talaşlı işlemi mümkün hale gelir. Bazı özel hallerde kesme zonunun hemen önündeki zonun bölgesel olarak ısıtılması metal işleme hızını önemli oranda artırabilir. Isıl yayınımı azaltmak için ısıtma hızı yüksek olmalıdır. Bu amaçla indüksiyon ısıtma, plazma veya lazer yöntemleri kullanılır. Ancak yüksek sıcaklıklar yüksek yapışma ve hızlandırılmış difüzyon gibi zararlı yan etkilere sahiptir. Bu nedenle takım ömrü aniden azalma gösterebilir. Böylesi durumlarda çalışma zonunun soğutulması için büyük miktarlarda talaşlı işlem sıvısı kullanılmalıdır. Bazı gereksinmeler nadiren aynı sağlanabilir. Plastik deformasyonu kolay olan sünek malzemelerin talaşlı işlemi güçtür. Yüksek mukavemetli fakat sünek malzemelerin talaşlı işlemi güçtür. Yüksek mukavemetli fakat sünek malzemelerin işlenmesi ise daha da zordur. İki fazlı malzemeler çoğunlukla tercih edilir; çünkü özellikle kırılgan ve düşük mukavemetli levha formundaki veya keskin köşeli ikinci faz partikülleri sünekliliği azaltır. Çoğu uygulamada malzemelerin ısıl işlem gibi metalürjik operasyonlarla daha kolat işlenebilir bir koşula getirilmesi ve daha sonra tekrar ısıl işlemle gerekli servis özelliklerinin kazandırılması yoluna gidilir. Bu yöntemler aynı zamanda ekonomiktir. •
NİKEL VE ALAŞIMLARININ İŞLENEBİLİRLİĞİ
Düşük süneklikten dolayı bu alaşımların soğuk çalışmış veya kombine ısıl işlem görmüş halde işlenmesi tavsiye edilmektedir.ancak bu alaşımların yüksek yapışma özelliği ve düşük ısıl iletkenliği çoğunlukla yüksek mukavemetle birleşerek bu malzemenin tavlı veya aşırı yaşlandırılmış koşullarda işlemini zorunlu hale getirir. Sülfür nikelle birleştirilerek çeşitli güçlüklere yol açan düşük ergime noktalı ötektik fazı oluşturduğu için talaşlı işlem sıvıları sülfür içermemelidir. Nikel genellikle bir aşlım elementi olarak kullanılmasının yanı sıra yüksek mukavemetli, yüksek korozyon direncine ve ısıl dirence sahip nikel alaşımları için ana malzemeyi oluşturur. Saf halde dayanıklıdır, soğuk ve sıcak işlem görebilir ve orta seviyede işleme özelliklerine sahiptir. Nikel esaslı malzemeler ürün ve kalite gereklerini yerine getirdiği için işlenmesi en zor süper alaşımlar arasında bilinir. Nikel esaslı malzemelerin düşük işlenebilirliklerine katkıda bulunan özellikleri şöyle sıralayabiliriz: • Yüksek sıcaklık özelliklerine bağlı olarak, işlenirken mukavemetlerinin büyük bir kısmını korurlar, • Takım ucu ve/veya kesme derinliğinde oluşan çentik aşınmasına katkıda bulunan önemli bir faktör olarak, işleme sertleşmesi hızlı bir şekilde meydana gelir, • Takımlar, süper alaşımdaki sert aşındırıcı karbürlerin varlığından dolayı abraziv aşınmadan etkilenir, • Pazardaki yüksek difüzyon aşınma hızına sebep olan takımlarla işlemede kimyasal reaksiyon meydana gelir,
47
• Takım malzemesinin çekilip koparılmasına bağlı olarak oluşan şiddetli çentik aşınması ve talaş yüzeyinde SPALLLNG e yol açan, nikel alaşımının takıma kaynaklanma/yapışma olayı sık sık gerçekleşir, • Kontrol edilmesi zor olan, böylece SEIZURE ve krater oluşumu ile takımın DEGRADATION ına katkıda bulunan, tık ve devamlı bir talaş oluşumu vardır, • Nikel esaslı malzemelerin düşük ısıl iletkenlikleri sıklıkla, hem takım ucunda yüksek sıcaklık hem de takımda termal gradyan oluşturur. Nikel esaslı malzemelerin işlenebilirliğini olumsuz etkileyen faktörlerden, kısa takım ömrü ve şiddetli yüzey ABUSE u en önemli hususlardır.işleme sırasında oluşan kalıntı gerilmeler gibi yüzey değişimleri, mekanik özellikleri ve gerilme korozyon özellilerini olumsuz etkileyecek olan distorsiyona sebep olabilir. Daha küçük ve göreceli olarak daha ucuz olsalar da kesme, işlemine etki değişkenler içinde kesici takım, en kritik yerlerden birine sahiptir. Nikel esaslı alaşımların işlenmesinde kullanılacak olan herhangi bir takım malzemesinin taşıması gereken özellikler şöyle sıralanabilir: 1. 2. 3. 4. 5.
İyi bir aşınma direnci, Yüksek tokluk ve sertlik, Yüksek sıcaklık sertliği, İyi ısıl şok özellikleri, Yükselen sıcaklıklarda yeterli bir kimyasal kararlılık.
Birde ek olarak kesici takım seçiminde seçilen takımın işlemeyi minimum bir itme ile gerçekleştirecek takım olması şartı aranmalıdır. Kesici kenar ve kesme verileri doğru seçilmeli, ezme değil kesme işleminin gerçekleştirilmesi sağlanmalıdır.
48
TİTANYUM ALAŞIMLARININ İŞLENEBİLİRLİK ETÜDÜ
49
SUNUM Diğer malzemelere göre yüksek teknoloji malzemelerinden biri olan titanyum ve alaşımlarının sahip oldukları bir takım "üstün özellikleri" vardır. Ancak bu özelliklerin bir bedeli olarak, "işlenebilirlikleri" düşüktür. Bu raporda titanyum ve alaşımlarının genel özellikleri ve talaşlı imalat açısından işlenebilirlikleri incelenmiştir. Titanyuma ait talaşlı imalat proseslerinde karşılaşılan sorunlar ve çözümleri mümkün olduğunca bir arada verilmeye çalışılmıştır. Raporun hazırlanmasında, kaynaklar kısmında belirtilen bir takım internet sitelerinden yararlanılmıştır. Görüldüğü üzere tüm bu siteler yabancı lisandadır. Bu bakımdan mükemmel olmayan yabancı dil bilgilerimizden yada yazım yanlışlıklarından oluşmuş "muhtemel" hatalardan dolayı özürlerimizi sunar, daha detaylı bilgi için adreslerini verdiğimiz bu sitelere bakılmasını tavsiye ederiz. Son olarak, bizi böyle bir araştırmaya sevk eden ve talaşlı imalat proseslerinin dışarıdan göründüğü gibi kolay olmadığını anlamamızı sağlayan, raporun hazırlanmasında danışmanlığını esirgemeyen, değerli hocamız Prof. Dr. M. Cemal ÇAKIR 'a teşekkürlerimizi sunar, hazırladığımız bu raporun tüm okuyuculara faydalı olmasını dileriz. 1. TİTANYUMUN GENEL ÖZELLİKLERİ VE ALAŞIMLARI 1.1 Titanyumun Genel Özellikleri [1] Titanyumun bazı temel özellikleri aşağıda sıralanmıştır: Tüm formlarda bulunabilmesi Diğer yüksek performanslı malzemelere göre daha ucuz tedarik edilebilmesi Kaynağa yatkınlık Çelik kadar mukavim ancak çeliğin yarısı ağırlığında olması Ateşe ve şoka karşı dirençli olması Biyolojik uyumluluk ve zehirli olmamaları [4] Ayrıca aşağıda bazı titanyum alaşımlarına ait bir kısım mekanik ve termal özellikler belirtilmiştir.
[2] Çoğu titanyum malzemesinin ve bileşenlerinin dizayn karakteristikleri bu malzemelerin işlenebilirliğini pahalı hale getirmiştir. Bunların hatırı sayılır bir bölümü özel formlardaki dövme parçalar, plakalar ve külçeler v.b. şeklinde üretilen parçalar dışındakilerdir. Örnek olarak, özel formda üretilen parçaların ağırlıklarının %50-90 civarı talaş olarak iş parçasından ayrılmaktadır. 50
Bazı tam mamul parçaların kompleksliği nedeniyle, örneğin titanyum hammaddesi (bulkhead), talaşların minimize edilmesinde kullanılan "near-net-shape" metodunun uygulanmasında zorluk çıkmaktadır. Titanyum eskiden işlenebilmesi çok zor bir malzeme olarak görülüyordu. Titanyumun birçok endüstri alanındaki kabullenişi ve üreticilerin konu hakkındaki tecrübelerinin artışı, titanyum işlenebilirliği hakkında günümüzde sınırsız bir bilgi birikiminin doğmasını sağlamıştır. Üreticiler şimdi uygun tekniklerin kullanımı ile titanyumun işlenmesinin 316 paslanmaz çeliklerin işlenmesinden daha zor olmadığını biliyorlar. Titanyumun havacılıkta kullanılan alaşımları ile çalışılırken titanyumun işlenebilirliği ile ilgili atölyelerde bazı sorunlarla karşılaşılıyordu. Bunun temeli, esasen çekme mukavemetleri 241 ile 552 MPa arasında değişen 1.Sınıf titanyumların (ASTM B, 1.,2.,3.,4.Sınıf) havacılıkta kullanılan alaşımlardan (ASTM B, 5.kalite, Ti-6Al-4V) daha kolay işlenebilir olmasıydı. Artan alaşım bileşenleri ve artan sertlik, titanyum alaşımlarının talaşlı imalat ile işlenmesini zorlaştırmaktadır. Bu diğer birçok metal içinde doğrudur. 38 Rc (350 BHN) üzerindeki sertlik değerleri, iç vida açmada, frezelemede, raybalamada (broaching) zorluk çıkarmaktadır. Bununla beraber, genel olarak titanyum ve alaşımlarının özel karakteristikleri dikkate alınırsa, titanyum ve alaşımları işlenebilirlik konusunda sorun çıkarması beklenmez. Titanyum alaşımlarının işlenmesinde ihtiyaç duyulan kesme kuvvetleri, imalat çeliklerinin işlenmesinde ihtiyaç duyulandan biraz daha yüksektir ama bu alaşımlar metalürjik karakteristikleri nedeniyle aynı sertlikteki çeliklere göre daha zor işlenirler. Beta alaşımları en zor işlenen titanyum alaşımlarıdır. Yüzey kalitesindeki bozukluklardan, özellikle taşlama esnasında şiddetle kaçınılmalıdır. Aksi takdirde metal yorulması gibi istenmeyen mekanik davranış bozukluklarına neden olunabilir. Bugüne kadar titanyumların yüksek hızlarda işlenebilmesi gibi teknikler geliştirilememişti. Yüksek hızlarda işleme ihtiyacı, yeni takım malzemelerinin geliştirilmesini gerekli kılmıştır. 1.2. Titanyum Alaşımları Ticari olarak pek çok titanyum alaşımı bulunmaktadır. Bunlardan hepsi olmamakla beraber, en bilinen titanyum alaşımları ve bunların diğerlerine göre üstün özellikleri aşağıda sunulmuştur. 1.2.1. Saf Titanyum yada Alaşımsız Titanyum CP (commercially pure - ticari saflıktaki) Titanyum olarak da bilinirler. İyi korozyon dayanımı ve kaynak edilebilme kabiliyeti istenilen yerlerde kullanılır. 2. , 3. ve 4.sınıf ticari titanyum alaşımlarda oksijen (metal oksit) artımı, çekme (tensile) mukavemetini ve akma (yield) mukavemetini artırmakta ancak tokluğunu (impact strength) düşürmektedir. 1.sınıf ticari titanyum alaşım, diğer sınıflara göre saflık bakımından en üst, mekanik dirençleri bakımından en düşük, plastik şekil değişimi kabiliyetleri bakımından en yüksek seviyededir. Sıfırın altındaki derecelerde çalışıldığında, mekaniksel özellikleri yükselir. 1.2.2. Düşük Alaşımlı Titanyum Ticari saf titanyuma benzerler, ancak içlerine katılan elementlerin yüzdelerine göre belli bir karakter kazanırlar. Bu elementler, genellikle paladyum, nikel ve molibden olmaktadır. Bu alaşımlar, 12. Sınıf Ticari titanyum alaşımı için malzemenin mekanik direnç kazanmasına müsaade ederken, 7. ve 11. Sınıflara korozyon dayanımı kazandırmaktadır. 51
1.2.3. Alaşımlı Titanyum Titanyum alaşımları için çok sayıda ticari sınıf mevcuttur. Zengin kimyasal kompozisyonlara sahiptirler. Bu alaşımlar genellikle ostenitik orandaki paslanmaz çelik ile benzer şekilde kritik işlenebilme faktörlerine sahiptir. Yine birkaç yüksek kritik limitlere sahip alaşımın haricinde, kaynak edilebilme kabiliyetlerine de haizdir. 1.2.4. Ti - 6Al - 4V En çok kullanılan alaşım olup, dünyadaki titanyum tonajının %50 si gibi büyük bir yüzdesini oluşturmaktadır. Uzay ve hava araçları endüstrisinde %80, medikal protezlerde %3 oranlarında kullanılmaktadır. Çok yönlü (versatil) olan bu alaşım, sıcaklığın 399 0C den 510 0C ye değiştiği yerlerde kullanılabilmektedir. 1.2.5. Ti - 6Al - 4V Eli Normal Ti - 6Al - 4V alaşımındaki oksit ve demir oranı azaltılmış, daha pahalı olan sınıfıdır. Maksimum metal oksit oranı % 0.13 ve maksimum demir oranı % 0.25 tir. Bu sayede iyi derecede şekil alabilme kabiliyetine ulaşılmış ve düşük sıcaklıklarda da direnç sağlanmış olur. 1.1.6. Ti - 6Al - 4V Pd Yine normal Ti - 6Al - 4V alaşımından farklı olarak, içerdiği % 0.2 paladyum ile beraber korozyon dayanımlarına sahiptirler. 2. TİTANYUM VE ALAŞIMLARININ KULLANIM ALANLARI Titanyumun belli başlı kullanım alanları aşağıda sunulmuştur: Uçak motorlarında Uçakların dış yüzeylerinin kaplanmasında Mimaride Otomotiv sanayiinde Yoğuşturucularda Sahile açılan boru sistemlerinde ve üretimlerindeki ekipmanlarda Gazlardaki sülfürlerin ayrıştırılmasında Gıda üretim ve proseslerinde Jeotermal tesislerde Eczacılıkta Kıymetli taş işlemede Isı eşanjörlerinde Denizcilikte Tıbbi enjektörlerde Metal çekme ekipmanlarında Askeri donanımlarda Çeşitli tesisat ve bağlama elemanlarında
52
-
Diş hekimliğinde dolgu alaşımlarında Arıtma tesislerinde Elektrokimyasal anotlarda Düşey delik işleme takımlarında Nükleer ve çevre güvenliğinde Petrokimyasal rafinerilerde Kağıt üretiminde Lüks konsollarda ve saatlerde Spor ekipmanlarında Buhar türbinlerinde Yüksek devirli santrifüj makinalarında Yaş hava oksidasyonunda
3. TİTANYUM VE ALAŞIMLARININ İŞLENEBİLİRLİKLERİ 3.1. Genel Olarak Titanyum ve Alaşımlarının İşlenebilirliği Talaşlı imalatta, titanyum genellikle korkutucu bir malzeme olarak bilinir, çünkü işlenmesi zordur, ancak imkansız da değildir. Gerçekte titanyumu işlemek, akılda tutulması gereken birkaç hususla beraber gayet kolaydır. Bütün bu hususların en başında, alüminyumun işlenmesine benzer olarak, kesici takımın gerçekten yeterli keskinlikte ve pozitif geometriye sahip olması gerekmektedir. Bilhassa serbest yüzeyin iş parçasına sürtünmesi takım ömrünü ciddi biçimde düşürür. Bu bakımdan takım keskinliğinin sağlanması, sürtünmelerden kaçınılması ve pozitif takım geometrisinin kullanılması takım ile iş parçası arasındaki temas yüzeyini minimize edecektir. Kritik sürtünmelerden kaçınmak, talaş akışının artışını kritikleştirebilir. Yüksek viskoziteli soğutma sıvısının kullanımı, pek çok durumda takım ömrünü ikiye katlayabilmektedir. Bu aynı zamanda sürtünme yüzeylerinde uygun kaplamaların yapılmasıyla da sağlanabilmektedir. Bilhassa TiN kaplama, daha önceki kimyasal reaksiyona girme teorilerini çökertir şekilde, ciddi mertebede Alfa ve Alfa - Beta gruplarındaki titanyumun işlenebilirliğini iyileştirmektedir. Bununla beraber Beta gruplarındaki titanyumun işlenmesinde TiCN, yüksek sertlikleri nedeniyle tavsiye edilmektedir. Ayrıca yeni TiNAL kaplamaları, yüksek kenar ömrü karakteristikleri göstermektedir. Yapılmakta olan bir deney, geleceğe yönelik olumlu özellikler vaat etmektedir. Bilhassa bir istisna olmak kaydı ile Alfa - Beta gruplarındaki ve teorikte bu gruba ait 6-22-2-2 alaşımı ( 6Al, 2Zr, 2Sn, 2Mo, 2Cr, 0.25Si ) pratikte Beta grubu bir alaşımmış gibi davranır. Bu sebeple bu alaşımın işlenmesinde, ince hatveli kaba işleme takımı (fine pitch roughers) üzerinde TiCN kaplama, ağır talaş kaldırma işleminde (heavy removal cut) şiddetle tavsiye edilmektedir. Bir diğer önemli husus, takım üzerinde bulunan talaş kırma cebidir. Kalın talaşlar, kayma işlemi ve sürtünmelerin yok edilmesinin sürekliliğinin garantisine ihtiyaç duyarlar. 53
Titanyum alaşımlarının işlenmesinde, en çok karşılaşılan problemler, yüksek devirlerle ve ilerlemeyle çalışamamak, ayrıca takımda talaş kırma cebi kullanamamaktır. Çünkü bu faktörler takım ömrünü aşırı derecede düşürmekte ve deformasyon sertleşmesine neden olmaktadır. Alüminyumlarda olduğu gibi uzun takım kullanımında, tezgah tablasındaki ilerlemenin limitli olduğu yerlerde, ilerleme oranı değil, devir sayısı düşürülmelidir. Son olarak, saf titanyumun işlenmesi alaşımlılara göre daha kolay ve problemsiz olmaktadır. Diğer malzemelere göre, gerek uçak endüstrisinde gerek uzay araçları endüstrisinde olsun, titanyum malzemesi, bilhassa yüksek (mukavemet / ağırlık) oranları, bu mukavemetlerini artan sıcaklıklarda sürdürmeleri, yüksek paslanma dirençleri, iyi kırılma (fracture) dayanımı karakteristikleri ve yüksek gerilme oranlarına karşı olan dayanımları sayesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Her şeyin bir bedeli olduğu gibi bütün bu özellikleri ile göz dolduran titanyumun, işlenebilme kabiliyetleri ise aynı oranda zayıftır ve bu sebeple talaşlı imalatı da zordur. Belli başlı işleme olumsuzlukları aşağıda sıralanmıştır, - Artan sıcaklıklardaki, düşük elastisite modülleri, düşürmektedir.
titanyumun
işlenebilirliğini
- Titanyumu işleme esnasında işleyici takımda ve iş parçasında alüminyuma oranla 13 kat az olan ısıl iletim kabiliyetleri yüzünden oluşan yüksek ısı, takım ömrünü düşürmektedir. - Genellikle oluşan talaşın birbirine paralel kayma düzlemlerine sahip, parçalı talaş tipinde olması termal özellikleri düşürmektedir. Bu talaşlar ani kuvvet değişimlerine ve ani değişen bu kuvvet işleyici takıma darbe etkisi yapmakta ve dayanımını düşürmektedir. - Kesme hızlarının artımının takım ömrüne olan etkisi ciddi mertebelerde olmaktadır. - Parçalı (segmented) tipteki talaşın, kesici takım üzerinden kaymamasının söz konusu olduğu anlar mevcut olduğundan, talaş üzerindeki ısı enerjisinin bir kısmının işleyici takıma geçmesi ve takım dayanımının düşmesi söz konusudur. - Yüksek sıcaklıklarda, titanyum kimyasal bakımdan aktif hale geçerek, bugün takım malzemesi olarak bilinen hemen hemen bütün malzemelerle kimyasal reaksiyona geçmesi ve neticede takımın aşınması söz konusudur. Görüldüğü gibi ısı oluşumu titanyumun işlenmesindeki temel problemlerden biridir. Yüksek basınçlı soğutma sıvısının kullanılması ile talaşın uzaklaştırılması daha verimli olmakta ve takımın sıcaklığını düşürmektedir, ancak takım ömrü genellikle hala düşük seviyelerde olmaktadır. - Bir diğer temel problem ise takım üzerinde meydana gelen dökülmelerdir. Genellikle oluşan talaşın tipinden dolayı meydana gelen değişken kesme kuvvetleri bu dökülmenin ana sebeplerinden biridir. Bu olumsuzluğun elimine edilmesinde, yüksek takım rijitliği, yüksek ilerleme hızı ve düşük talaş açıları tavsiye edilmektedir. Segment boşluğunun arttırılması, darbe frekansını düşürmekte ve temas halinde olan takım yüzeyindeki kuvvetlerin yoğunluğu azalacaktır. Ancak bu yöntem her takım, iş parçası veya fikstür sistemi için genelleştirilemez. Bazı uygulamalar, kırılmalara neden olmamak için esnek iş parçası fikstürünü zorunlu kılmaktadır. Aynı zamanda yüzey frezeleme gibi bazı operasyonlarda iş parçası fikstürünün esnekliğine, kesme hızlarının arttırılmasında olduğu gibi yüksek ilerleme hızlarında imkan tanınmamaktadır.
54
Titanyum ve alaşımlarıyla düşük kesme hızlarında çalışma zorunluluğu, prodüktiviteyi (ekonomik verimlilik) düşürmektedir. Yapılan araştırmalar neticesinde, yapılan işlemin özellikle sıvı nitrojen tatbikiyle (soğutma ve oluşan talaşın ortamdan uzaklaştırılması sağlanıyor...) yapılması halinde daha güvenli proseslerin elde edildiği, daha iyi kalitede ürün elde edildiği, birim maliyetlerin düştüğü ve daha iyi prodüktivitenin elde edildiği görülmüştür. Saf titanyum ve paslanmaz çelik, genellikle işlenebilirlik parametreleri bakımından bir biri ile kıyaslanabilir haldedir. Ancak titanyumun alaşımlı hale dönüşmeleri halinde, işlenebilirlikleri düşmektedir.Yalnız belli özel karakteristiklerin bilinmesi ve dikkate alınması durumunda, bu işlenebilirlik düşümü bir problem olmaktan çıkar. Şayet kullanılan takım keskin tutulabilirse, titanyum çok rahat kesilebilir. Kesinlikle tam ayarlanmış takım yanaşma açısı, yeterli soğutma ve düşük kesme hızları ile yüksek ilerleme tavsiye edilmektedir. Titanyumun termal kondüktivitesinin (iletim ile olan ısı transferi yeteneği) düşük olması nedeniyle, kesme işlemi sırasında oluşan talaşların, takımın kesici kenarları üzerinde zarar verme eğilimleri gösterdiği tespit edilmiştir. Daima takım üzerindeki aşınmanın hızı artar. Üretim kayıplarından ziyade, takımın maksimum kapasitede kullanılması ve ekonomik verimlilik düşmeye başladığında da takımın değiştirilmesi tavsiye edilmektedir. Uzun takım ömürlerinin elde edilebilmesi için kesme sıcaklığının ve takım aşınmalarının azaltılması yönünden, mutlaka doğru soğutucu akışkanın kullanılması önem arz etmektedir. Soğutma sıvısında, korozyon problemlerine neden olmamak için soğutucu akışkanın içerisinde, klor, flor, brom ve iyot elementlerinin, kati suretle bulundurulmaması gerekmektedir. Gerçekte titanyum, bazen işleme zorluklarına göre geleneksel metotlarla sınıflara ayrılabildiği gibi sınıflara ayırmada metalin fiziksel, kimyasal, mekaniksel özelliklerinden de yararlanılabilir. Örneğin: - Titanyumun ısıl iletkenliği kötüdür. Isı, genellikle talaş kaldırma işleminde çabukça uzaklaştırılamaz. Bundan dolayı ısının tamamına yakını kesici kenar ve takım üzerinde yoğunlaşır. - Titanyum, işleme esnasında metallerle güçlü alaşım yapma (strong alloying tendency) ve metallerle reaksiyona girme eğilimindedir. Bu kesici takım üzerinde hızlı deformasyona neden olmakla beraber kesici takım üzerinde yapışmaya (welding) ve sıvanmaya neden olur. - Titanyum nispeten düşük elastisite modülüne sahiptir. Bu münasebetle çeliklerden daha esnektir (springiness). Mekanizma, uygun destekleme yapılmadığında veya derin pasolarda (heavy cuts) kesici takımdan uzaklaşma eğilimindedir. İnce uzun parçalar (slender parts) takım basınçları altında sehim (deflect) verir. Bu takım aşınmasına, tırlamaya (chattering) ve tolerans problemlerine yol açar. Netice olarak tüm sistemin rijitliği ve kesici takımın keskinliği uygun şekilli kesici takım seçimi gibi çok önemlidir. - Titanyumun yorulma özellikleri, belirli işleme usullerinde yüzey kalitesinin bozukluğundan büyük oranda etkilenirler. Özellikle taşlama işleminde yüzey kalitesindeki bozukluklardan şiddetle kaçınılmalıdır. - Titanyumun deformasyon sertleşmesi karakteristikleri, yığma kenarın titanyum alaşımlarında tam olarak oluşmadığının ispatıdır. Yığma kenar oluşmadığından daha büyük kayma açısı oluşur. Böylelikle oluşacak ince talaş kesici takım üzerinde nispeten daha küçük alanla temas eder ve birim alan başına daha yüksek yatak yükleri (high bearing loads) gelir.
55
Talaş yüzeyi üzerinden hızla akan talaş nedeniyle oluşan sürtünme, yüksek yatak yükleri ile birleşince kesici takım üzerinde çok dar bir alanda yüksek bir ısı oluşur. Buna ek olarak yüksek yatak yükleri ve ısı, kesici kenara yakın yerlerde krater oluşumuna neden olarak takımın kısa zamanda kırılmasına yol açabilir. Titanyumun yorulma özellikleri aşağıda kısa notlar halinde belirtilmiştir: Açıklandığı gibi, düşük yüzey kalitesinden kaçınılmalıdır. Bu tedbir alınmazsa, istenmeyen mekanik davranışlarla (yorulma) karşılaşılabilir. Taşlama işlemlerinde kullanılan genel parametreler, yüzey bozukluğu (surface damage) nedeniyle yorulma dayanımının düşmesine sebep olabilir. Malzemelerden elektro mekanik usullerle talaş kaldırılması, gerilmesiz yüzeylerin oluşumuna yol açar, bu da yorulma dayanımı özelliklerinin azalmasına neden olur. Her ne kadar nedenler farklı olsa da, bu sonuçlar tüm mekaniksel işlemlerde olduğu gibi benzerdir. 3.2. Titanyumun Geleneksel İşlenme Yöntemleri ‘İşleme’ terimi sınırsız bir uygulama alanına sahiptir ve her tip talaşlı imalat ve kesme prosesini kapsar. Bunlar tornalama, delik işleme, frezeleme, delme, raybalama, vida çekme, testere veya gaz ile kesme (both sawing and gas cutting), raybalama (reaming), planyalama, azdırma (gear hobbing) , dişli taşlamadır (shaving). İlerleyen teknoloji, diğer alaşımlar gibi titanyum alaşımlarının da işlenmesini kolaylaştırmaktadır. Metalin etkin bir şekilde işlenebilmesi için ilgili operasyonda kullanılacak kesici takımlara ait işleme parametrelerine ilişkin verilere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu önemli parametreler aşağıdaki gibi olup : - Takım ömrü - Kuvvetler - Güç gereksinimi - Kesici takım ve kesme sıvıları sırayla incelenmiştir. 3.3. Takım Ömrünün İşlenebilirliğe Etkisi Takım ömrü verileri, titanyum alaşımlarının büyük bir çoğunluğunda deneysel yöntemlerle geliştirilmiştir. Takım ömrünü ifade etmesi açısından aşağıda Şekil 1’de Ti-6Al4V alaşımına ilişkin sabit talaş derinliğinde, ilerlemede verilen bir takım malzemesinin kesme hızına göre değişimi görülmektedir. Görüldüğü gibi yüksek kesme hızlarında takım ömrü hızlı bir şekilde azalmaktadır, ayrıca kesme hızı azaldığında da takım ömrü dikkat çekici biçimde yükselmektedir. Titanyum alaşımlarını işleyen takımın ömrü şekilde de görüldüğü gibi ilerlemenin değişimine çok duyarlıdır. Sanayide genellikle uzun takım ömrü elde edilebilmek için kesme hızları mümkün oldukça düşük tutulur. İyi bir takım ömrünün elde edilebilmesi için ilerleme, kesme hızı ve diğer işleme parametrelerinin ayarlanması bazı bilgisayar teknikleri ile yapılmaktadır. Bununla beraber, eğer hiçbir veri tabanı bulunmuyorsa, belirli kabuller yapılmalıdır. Örneğin titanyumun talaşlı imalat işleminde iş parçası ve talaş arasında büyük kayma açısı oluşur. Bu ise takım yüzeyinde yüksek hızlarda bir ince talaş akışına yol açar. Bunun sonucunda yüksek sürtünmeden dolayı, yüksek sıcaklık oluşumu, talaşın kesici kenara kaynak olması, ve ısıl iletkenliğin düşmesine sebep olur. Bu takımın aşınmasını ve hatayı 56
hızlandırır. Talaşlı imalat işleminde, ekonomik verimlilik, takım ömründen çok daha önemlidir. Keza, takım maliyetleri elde edilen verimlilikle karşılanabiliyorsa, takım ömrünün ne olduğu önemli değildir. Bu yolla takımın kesiciliğinin dikkati çekecek şekilde düşmeye başlamasına kadar takım maksimum kapasitesinde çalıştırılabilir. İdeal olarak, kesici takımın yüzey kalitesi de akılda tutularak takımın işlenmesi veya mümkün olduğunca takımın tahrip olmadan talaş kaldırma işlemine devam etmesi sağlanmalıdır. Güvenli bir parça değiştirme zamanı bulabilmek, üretilen parçaların yüzeylerine ait ölçülerin ve yüzey kalitelerinin birkaç defa tespitinin, grafik üzerine dökümü ve sayısal tekniklerle mümkündür. Bu yöntemle takım tahrip olmadan kaç adet uygun parça üretilebildiği belirlenmiş olur. 3.4. Kuvvetler ve Güç Gereksinimlerinin İşlenebilirliğe Etkisi İşleme esnasında kuvvetler dinamometre aleti ile ölçülebilir. Tornalamada, dinamometre aleti genellikle üç bileşeni ölçer. Bunlar, - Kesme kuvveti (Teğetsel) - Radyal kuvvet - Eksenel kuvvet (İlerleme) Bu kuvvetlerden en önemlisi kesme hızı arttıkça artan, kesme kuvvetidir. Bu kuvvetle işlemin ne kadar güce gereksinim duyduğu hesaplanır. Radyal kuvvet, üretim hassasiyetinde önemlidir. Genel bir yaklaşımla, tornalama ve frezeleme esnasındaki güç ihtiyacı, makinenin tahrik motoruna talaş kaldırma işleminde çekilen güçten reaktif gücün çıkarılması ile hesaplanabilir. Tablo 1’de titanyumun işlenmesindeki güç gereksiniminin diğer alaşımlarla karşılaştırılması görülmektedir.
MALZEME
Kesici takımlar için birim güç* hp/in3/min HSS & HSS HSS & CARSertlik CARBIDE Matkapla BIDE BHN (3000 Takımlarla rla Takımlarla kg) Tornalama Delme Frezeleme 35-40 R c 1.4 1.4 1.5
Çelik Titanyum 250-375 1.2 1.1 1.1 alaşımları Yüksek sıcaklığa karşı dayanıklı 200-360 2.5 2.0 2.0 Ni & Co Esaslı alaşımlar Alüminyum 30-150 (500 0.25 0.16 0.32 kg) alaşımları * Motor milindeki güç ihtiyacı %80’lik verimle düzeltilmiştir. Körelmiş takımlar %25 daha fazla güce ihtiyaç duyarlar.
TABLO 1: Titanyum alaşımlarının diğer alaşımlarla tornalama, delme, frezeleme esnasındaki güç gereksinimleri açısından karşılaştırılması
57
3.5. Kesici Takımların İşlenebilirliğe Etkisi İşlenen iş parçasında meydana gelen çoğu fiyat artışı yeni takım malzemelerindeki yenilik ve uygulamalardan kaynaklanmaktadır. Son birkaç yıldır, kesici takım malzemelerinde kaplamalı karpitler, seramikler, sermetler, kübik bor nitrür (CBN), polikristalik elmas (PCD) gibi gelişmeler olmuştur. Bunlarla üretilmiş takımların, dökme demirlerin, çeliklerin, alüminyum alaşımların ve yüksek sıcaklığa dayanıklı alaşımların (High temperature alloys) işlenmesinde önemli uygulamaları vardır. Ne yazık ki bu ve diğer yeni malzemelerin hiçbiri titanyum alaşımlarının talaş debisini (removal rate) yükseltememiştir. 1950’lere değin süren araştırmalar sonucu özellikle C-2 kalitesindeki tungsten karbür kesici takımlar tornalama, alın frezeleme, gibi işlemlerde iyi performans göstermiştir. Yüksek oranda kobalt içerenler de yüksek hız çeliklerinde delme, vida çekme, parmak frezeleme (end milling) işlemlerinde en yüksek uygulanabilirliğe sahiptir. Bugün de durum aynıdır. C-2 kalitesindeki tungsten karbür kesici takımlar motor ve uçak gövdesi yapımında, tornalama ve alın frezeleme işlemlerinde kullanılmaktadır. Şu yıllarda Avrupa’da olduğu gibi, Birleşmiş Devletler ’de de yekpare parmak frezeler ve değiştirilebilir C-2 kalitesindeki tungsten karbür kesici takımlar için uygulama alanları bulunmaktadır, örneğin roket rampalarında. Bugün M7 ve daha sıklıkla M42 ve M43 yüksek hız çelikleri titanyum çeliklerinin parmak frezeleme işleminde, delinmesinde ve titanyum alaşımlarına vida çekilmesinde tavsiye edilir. 3.6. Kesme Sıvılarının İşlenebilirliğe Etkisi Kesme sıvıları titanyum alaşımlarının işlenmesinde klor iyonu içerdiklerinden özel olarak ele alınmalıdır. Belirli koşullar altında, bu alaşımların mekaniksel özelliklerinin laboratuar ortamında test edilmesi esnasında gerilme - korozyon çatlakları meydana gelmektedir. Üreticiler kaynak işlemi veya bakım esnasında yüksek sıcaklığa maruz kalan iş parçalarında klor içeren kesme sıvıları kullanmamışlardır. Ayrıca montaj işleminde de aynı kısıtlamalar işleme sonrası iyi temizleme yapmanın zorluğu nedeniyle uygulanır. Hala roket ve uzay gemilerinin üretimindeki diğer düzenlemeler titanyum alaşımlarının kullanılması esnasında kesme sıvıları içerisinde klor kullanımına izin vermemektedir. Aşağıda Ti-6AL-4V alaşımının (temperlenmiş, 34Rc) mekaniksel özellikleri üzerine deneysel olarak klorlanmış ve sülfürlenmiş kesme sıvısının etkisi üzerinde durulmuştur. Mekanik özelliklerin değişimleri şunlardır: - Her iki durumda da uzun yorulma ömrü ve yükselen sıcaklıklar - İki devirli frekanslarda yorulma kırılmasının ilerlemesi (fatigue crack propagation) - Kırılma tokluğu Bu değişimlerin incelenip düzenlenmesiyle doğal kesme sıvılarına ilişkin mekanik özelliklerde bir azalma olmadığı görülür. Benzer sonuçlar işleme esnasında kullanılan klorlanmış ve sülfürlenmiş sıvılarda da görülür. Klor içeren kesme sıvılarının kullanımı yukarıdaki sonuçlara rağmen yalnızca titanyum alaşımlarına mahsus olarak çoğu durumda tavsiye edilmez.
58
Halojen bileşenler içermeyen mükemmel kesme sıvıları da vardır. Gerçekte, hava kuvvetleri malzeme laboratuarından (Air Force Material Laboratory) toplanan test sonuçlarına göre klor içeren kesme sıvıları genellikle iyi bir takım ömrü sağlamaz kararına varılabilir. Belirli alaşım ve işlemlerde kuru işleme tercih edilir. Çoğunlukla yoğun klor içeren kesme sıvıları delme, diş çekme, raybalama gibi işlemlerde başarılıdır. Şekil 2’de Ti-6Al-4V’in delinmesi esnasında kesme sıvılarının takım ömrü üzerine etkisi görülmektedir. 3.7. Kesme Hızı ve İlerlemenin İşlenebilirliğe Etkisi Kesme hızı ve ilerleme her çeşit işleme operasyonu için en önemli parametrelerden ikisidir. Yaygın olarak yapılan testlerle Şekil 1’de görülen Ti-6Al-4V’ın tornalanmasında olduğu gibi takım ömrü verileri geliştirilmiştir. Titanyumun işlenmesindeki şu temel kuralların uygulanabilmesi için ekonomik üretim teknikleri geliştirilmiştir: - Düşük kesme hızı kullanılmalıdır. Takım ucundaki sıcaklık kesme hızından daha çok diğer değişkenlerden etkilenecektir. Karbür takımlarla işleme esnasında, kesme hızının 6 m/s ’den 46m/s ’ye çıkarılması, sıcaklığı 427oC’den 927oC’ye değiştirecektir. - Yüksek ilerleme hızı muhafaza edilmelidir. Sıcaklık, kesme hızından olduğu kadar ilerleme hızından etkilenmez. 0,05 mm/dev ’den 0,51 mm/dev ’e değiştirilen ilerleme sıcaklıkta yalnızca 149oC’lik bir değişime neden olmaktadır. - Bol miktarda kesme sıvısı kullanılmalıdır. Soğutucu taşıyıcılar ısıyı uzaklaştırır ve kesme kuvvetlerini azaltır. - Sivri takım kullanılmalıdır. Üretim/maliyet göz önünde bulundurularak ilk aşınma belirtisinde takımı değiştirilmelidir. Titanyumun işlenmesinde takım aşınması lineer değildir. Tamamıyla takımın kırılması küçük bir miktar aşınmanın meydana gelmesinden kısa bir süre sonra meydana gelir. - Kesici takım ve iş parçası temasta iken asla ilerleme azaltılmamalıdır. İlerlemenin azaltılması sırasında kesici takım ve iş parçasının temasına izin vermek deformasyon sertleşmesine, sıvanmaya, yapışmaya (seizing), sürtünmeye (galling) ve kırılmaya neden olur. Tablo 2’de Amerika Birleşik Devletlerindeki önemli bir hava taşıtı üreticisinin Ti-6Al-4V’e yönelik tipik işleme parametrelerinin derin ceplerin (deep pockets), ince flanşların ve zemin işlenmesine ait bir tablo görülmektedir. Bir kütük malzeme çok sayıda bölme ve 0.76mm ’ye kadar incelebilen flanşlardan yapılmıştır. Kaba dövülmüş bu tipik kütük malzeme 450 kg iken son işlemden sonra bu ağırlık 67.5kg ’dan daha aşağıya düşmektedir. Bu işleme şekli ile daha geniş uçak gövde bileşenleri işlenebildiği gibi gaz türbin motorları parçalarının da işlenmesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Şekil 3’te de Ti-6Al-4V malzemesinin jet motorlarındaki fan disklerinin, ara parçalarının, şaftlarının ve dönen kanatçıklarının işlenmesine ait parametreler liste halinde verilmiştir. İşlem
İşlenen Kısım
Delme
Çevresel ML flanşlar İnce flanşlar
Kalın/İnce Delme Kalın Delme
Duvarlar İnce flanşlar
İnce Delme Cep zemini İnce
Kesici Malzemenin Özellikleri 2” çap 6” kesme uzunluğu 6 ağızlı, 350 helis M42 1 ¼” çap 2” kesme uzunluğu 4 ağızlı, 350 helis M42 1 ¾” çap 2 ½” kesme uzunluğu 4 ağızlı, 350 helis M42 1 ¼” çap 2” kesme uzunluğu 4 ağızlı, 350 helis M42
Hız (Ft/min)
İlerleme (Inch/tooth)
50
0.0066 / 0.0096
50
0.0062 / 0.009
50
0.0024 /0.0034
50
0.0062 / 0.009
TABLO 2: Ti-6Al-4V’den yapılmış uçak gövde çerçeve kısımlarının tipik işleme parametrelerine ait bir örnek. 59
3.8. Verimliliğin İşlenebilirliğe Etkisi Y eni kesici takım malzemelerinin geliştirilmesiyle kesici takım performansındaki beklenilen artışın olmaması -özellikle kaplama- oldukça hayal kırıcıydı. Aynı şekilde hız, ilerleme ve pasodaki yeni kombinasyonların uygulanmasıyla, verimlilikte ufak artışlar sağlandı. Bununla beraber özel bir parmak freze ile cep açma tekniğinin yeni dizayn edilen tornalama ve frezeleme takımları ile birlikte kullanılmasına ağırlık verildi. Bu yıllarda seramik takımlar, jet motorları parçalarının alışılagelmiş hızlardan daha yüksek hızlarda, başarılı bir şekilde işlenmesinde kullanılmışlardır. Kesme hızı 183m/dak ’dan 213m/dak ’ya çıkarılmıştır, ancak takım ömrü yine de kısadır (3 dakikadan 5 dakikaya) böylelikle bu hızlarda işlemin bitirilebilmesi ve diğer pasolar için (for making next pass) kesici uç seçilebilmesini mümkün kılmaktadır. Aynı teknik C-2 karbürler ile işlenebilme şansı doğmuştur. (Müteakip tabloya bakınız....) İŞLEM
TAKIM KESME MALZEMESİ (ft/dak)
HIZI
İLERLEME
PASO (İnch)
150
0.010 (inch/devir)
0.250
200
0.006 - 0.008 (inch/devir)
300
0.006 - 0.008 (inch/devir)
Uç frezeleme M42 HSS* (¾ -1” çap)
60
0.003 (inch/diş)
Uç frezeleme C-10 (¾ - 1” çap)
200
0.005 (inch/diş)
M42 HSS*
30
0.005 (inch/devir)
-
C-2
40
0.004 (inch/devir)
-
M42 HSS*
20
C-2
35
M7 HSS
15
Tornalama C-2 (kaba) Tornalama C-2 (ince) Tornalama C-2 (ince)
Delme (¼ - ½” çap) Delme (¼ - ½” çap) Delik genişletme Delik genişletme Vida çekme
0.010 (inch/devir) 0.010 (inch/devir) -
0.003 (inch/diş max) Yüzey şekli M42 HSS 12 0.012(inch/kurs) * Belirtilen takım malzemeleri en çok kullanılanlardır. Raybalama M3 HSS
12
60
0.010 0.030 0.010 0.030 Eksenel paso:0.125 Radyal paso: Freze çapının 2/3 üne kadar Eksenel paso: 0.150 0.200 Radyal paso: Freze çapının 2/3 üne kadar
-
Verimliliğin arttırılabilmesi için en kullanılışlı yöntemlerden biri de verilen titanyum iş parçasına dair işleme yöntemine ilişkin optimum maliyetin belirlenmesidir. Eğer veri ilgili kesici ve operasyon için takım ömrü, kesme, ilerleme ve pasoya uygun ise ek maliyetler ve işleme zamanları kesme parametrelerinin birer fonksiyonu olarak tanımlanabilirler. Buna uygun olarak bazı firmalar minimum maliyet ve optimum üretim oranlarına ulaşabilmek için bilgisayar destekli maliyet analizleri yapmaktadırlar. 3.9. Yeni İşleme Yöntemlerinde İşlenebilirlik Bu sınıflandırma daha çok elektro kimyasal işleme (ECM), kimyasal frezeleme (CHM) ve lazer ışınıyla (LBT) işleme için kullanılır. İşlemler ve teknikler hakkındaki bilgiler ise işleme özgüdür. Talaş kaldırmadaki kimyasal ve elektro kimyasal metotlar birçok üstün yönüyle günden güne daha çok kullanılmaktadır. Bu metotlar özellikle karışık şekilli parçalardan, ince kısımlardan, iç kısımlara doğru daralan alanlarda hızlı talaş kaldırılması gerektiğinde, metalin mekanik özelliklerine hiçbir zarar vermeden kullanılır. Metal içerisine hidrojen girişi olmadığından sünekliğin azalması gibi bir durum söz konusu değildir. ECM, şekillendirilmiş elektrottan iş parçasının hızlıca akan bir elektrolitin anodik erimesiyle iletken metalin üzerinden elektriksel olarak talaş kaldırma işlemidir. ECM ile düzgün dış hatlar, çarpık olmayan ve yüksek kalitede yüzeyler elde edilir. Titanyum alaşımlarının işlenmesinde kullanılan ECM yönteminde en çok kullanılan elektrolit yaklaşık 1 lb/gal konsantrasyona sahip olan sodyum klorürdür. CHM iş parçası malzemesinin güçlü bir kimyasal çözelti (reagent) ile kontrollü bir şekilde eritme esasına dayanır. İşlem uygulanan kısım tamamıyla temizlenerek kimyasal dirençli bir muhafaza tabakası ile kaplanır. Kimyasal işlemin uygulanacağı yerden bu tabaka kazınır. Ardından iş parçası, nihai forma kavuşturulmak üzere kimyasal çözeltiye batırılır. Titanyum alaşımlarının işlenmesindeki bir diğer metot da LBT metodudur. Bu işlemde iş parçası üzerine bir gaz gönderilir ve talaş kaldırılacak bölgeye lazer ışını odaklanır. Lazer ışını lokal bir erimeye sebep olur ve oksijen gazı akışının ilerlemesiyle egzotermik bir reaksiyon meydana gelir ve kesme işlemi sonucunda oluşan erimiş malzeme temizlenerek işlem bitirilir. Titanyum alaşımlarının kesilmesinde ise yüksek oranlarda oksijen eşliğinde kullanılan sürekli dalga halinde CO2 lazeri kullanılmaktadır. 3.10. Yüzey Kalitesinin İşlenebilirliğe Etkisi Titanyum alaşımları yüzeylerinin bazı geleneksel işleme yöntemleriyle çok kolay tahrip olduğu düşünülmektedir. Bu tahribatlar mikro çatlaklar, yığma kenar, plastik deformasyon, ısıl etkiye maruz kalmış bölge ve artık gerilmeler doğurur. Bu tahribatlar yorulma dayanımını ve korozyon direnci gerilmesini (stress corrosion resistance) azaltır. Ti-6Al-4V alaşımı üzerindeki taşlama etkisi araştırıldığında hafif veya düşük gerilmeli (gentle or low-stress grinding parameters) şeklinde adlandırabileceğimiz taşlama parametreleri, yüzey üzerinde pek bir değişikliğe neden olmazlar. Aşındırma uygulamaları, yüzey tabakasını önemli ölçüde değiştirir. Numune üzerinde büyük ölçüde sertlik düşüşü söz konusudur ama çok iyi uzun yorulma ömrü (high-cycle-fatigue) değerleri elde edilmiştir. Şekil 3’te yorulma sınırının 372 MPa olduğu hassas taşlama işlemi için değerler, 61
normal ve bozucu şartlar için aynı sıra ile 83 ve 97 MPa ’dır. Şekil 3 aynı zamanda EDM, CHM gibi diğer işleme proseslerinin de dahil olduğu değerleri içermektedir. Görüldüğü gibi tornalama ve parmak frezeleme ile işlemede bozucu şartlarda büyük olasılıkla artık yüzey basınç gerilmeleri nedeniyle aynı hassasiyeti sağlamadığına dikkate dilmelidir. 3.11. Bazı Talaşlı İmalat Usullerinde İşlenebilirlik 3.11.1. Tornalamada İşlenebilirlik Ticari olarak sunulan saf ve alaşımlı titanyum, kolayca tornalanabilmektedir. Bu konuda karpit takımların kullanılması şiddetle tavsiye edilmektedir. En iyi sonuçlar C-91 kod numaralı metal karpit ve benzer tiptekiler ile alınmıştır. Ayrıca HSS ve kobalt tipler, tornalama için en iyi gözükmektedir. Şayet karpit tedarik edilemiyorsa, STELLITE, TANTUNG ve REXALLOY veya diğer tip CASTALLOY takımlar kullanılabilir. 3.11.2. Frezelemede İşlenebilirlik Özellikle frezeleme işleminde talaşın dışarı atıldığı helisel kanalların, Alüminyum işlemedeki gibi 2 adet değil, ikiden daha fazla olması gerekir. Yüksek helisler ve yüksek talaş açısı seçimi ve takımın Kobalt / Yüksek Hız Çeliği (HSS) şeklinde seçimi, parmak frezeleme işlemini en iyi şekle getirecektir. Yine son pasoda katı karpit takım ile frezeleme yapılabilir ancak geometrileri sebebiyle kaba kesimlerinde tavsiye edilmemektedir. 3.11.3. Delmede İşlenebilirlik HSS takımlarının kullanımıyla delme işleminde en iyi sonuçlar elde edilmektedir. Titanyumu delme işleminde en önemli faktör, takımın desteklenmemiş uzunluğudur. Bu uzunluk, delinecek deliğin boyunun gerektirdiği uzunluktan kesinlikle daha fazla olmamalıdır. Ayrıca bu konuda oluşan talaşın hızla deliğin dışına atılabilmesine özen gösterilmelidir. Şayet bu faktörler sağlanırsa, maksimum kesme basıncı ve takımın kırılmaması sağlanır. Delik işleme hususunda SPIRO-POINT tipi matkap tavsiye edilmektedir. 3.11.4. Kesmede İşlenebilirlik Titanyumun kesilmesi, 15,25 m/s gibi düşük kesme hızlarında, kesici bıçağın ağır ve yüzeye basınç uygular nitelikte olmasını gerektirir. Kesilen parçacıklar yüksek sıcaklıklara ulaştıklarından, tüm kesme yağları devir daim edilmenin aksine, kesinlikle bir başka yere uzaklaştırılmalıdır. Kesmede bilinen en iyi soğutucu sıvı, metil-etil-keton' dur. Düşük tutuşma sıcaklığına (flash point) sahip kesme yağları tavsiye edilmemektedir. Yüksek ısı oluşumundan dolayı bu yağların yanması, makineye zarar verebilir. Bu bakımdan yüksek tutuşama sıcaklığına haiz, kesme akışkanları yada su bazlı yağların kullanımı tavsiye edilmektedir.
62
3.11.5. Taşlamada İşlenebilirlik Titanyumun taşlanmasında, taşlama sıvısı, abrasif tekerleğin kullanılması, en ideal kombinasyondur. Tekerlerin alundum ve silikon karpit olarak seçilmesi tavsiye edilir. Genel olarak çeliğin taşlamasında seçilene göre daha düşük teker hızlarının seçilmesi bu prosedürün en ideal gerçekleştirilme biçimidir. En mükemmel soğutma sıvısı, su - sodyum nitrat karışımı olup, ancak her ne kadar önlem alınırsa alınsın, bu soğutma sıvısının seçimi, taşlama ekipmanlarına karşı oldukça korosif etkide olabilmektedir. 3.11.6. Vida Çekmede İşlenebilirlik Titanyumda vida çekme işlemi, talaşın kolayca uzaklaştırılamaması sebebiyle en zor işleme operasyonlarından biridir. Tabanca tipli vida çekme makinesinin kullanılması, bu prosesi biraz kolaylaştırmaktadır. Titanyumun, kesici takıma sıvanması, takımın durması veya yavaşlaması gibi bir başka probleme neden olmaktadır. Bu hususta sülfür ve klor ihtiva eden yağların kullanılması tavsiye edilmektedir. 4. SÖZLÜK Çevrilen metinlerde geçen bazı kelimelerin, rapordaki karşılıkları, tümünün doğru olduğu iddia edilmemekle beraber aşağıda sunulmuştur. Çevrilen Metinde Tensile strength Yield strength Grade Impact strength Bulkhead Versatile Downhole logging tools Welding Springiness Heavy cuts Slender parts Deflect Chattering Built-up edge High bearing loads Reaming Gear hobbing Shaving Removal rate End milling Fatigue crack propagation High cycle fatigue Tooth Reagent Stress corrosion resistance Fine pitch roughers Heavy removal cut Fracture Segmented Flash point
Çeviri Metinde Çekme mukavemeti Akma mukavemeti Sınıf, kalite Tokluk Hammadde (kütük malzeme) Çok yönlü Düşey delik işleme takımları (Talaşın takım üzerine) Yapışma, kaynak Esneklik, esneme kabiliyeti Derin paso İnce uzun parçalar Sehim Tırlamaya Yığma kenar Yüksek yatak yükleri Raybalama Azdırma Dişli taşlama Talaş debisi Parmak frezeleme Yorulma kırılmasının ilerlemesi Uzun yorulma ömrü Diş Kimyasal çözelti Korozyon direnci gerilmesi İnce hatveli kaba işleme takımı Ağır talaş kaldırma işlemi Kırılma Parçalı Tutuşma sıcaklığı
63
5. BİRİM DÖNÜŞÜMLERİ Çevrilen metinlerde geçen bazı birimlerin, metrik sistemdeki karşılıkları aşağıda sunulmuştur. 1 feet 1 yard 1 inch 1 hp
= 0.3048 metre = 0.9144 metre = 0.0254 metre = 1,36 kW 1 ounce/gallon = 7,489 kg/m3
64
YÜKSEK HIZDA İŞLEME
65
Yüksek Hızda Talaşlı İmalat, Havacılık /Uzay sanayi , Otomotiv ve Kalıpçılık konularında CNC tezgahlarda parça işleyen firmalarda kullanılmaya başlanan yeni bir işleme yöntemidir. Bu yöntem genel anlamda yüksek devir ve ilerlemelerde, düşük kesme pasosu ile küçük takımlar kullanılarak yapılan kesme işlemidir. Bu işlem, az sayıda paso ve büyük takımlar ile yavaş ve daha fazla talaş kaldırılarak yapılan kesme işlemi ile yer değiştirmeye başlamıştır. Yüksek hızda talaşlı imalat teknolojisinde kaldırılan talaş miktarı az olmasına rağmen genel ortalamada parçanın işleme süresi % 30 daha az olmakta ve hatta bazı durumlarda polisaj işlemine bile gerek kalmadan CNC tezgahtan çıkan parça kullanıma hazır hale gelmektedir.Yüksek devir ve yüksek hızla işleme düşüncesindeki değerler, genel anlamda kesici takım imalatçılarının, kesici takımlar için verdikleri devir ve ilerleme tablolarından ağaç malzeme için olan değerlerin çelik malzemeler için uygulanması olarak düşünülebilir. Yüksek Hızda işleme yapılabilmesi için gerekli şartlar olan CNC tezgahın mekanik yapısı, CNC kontrol sistemi, CAM sistemi , DNC sistemi ve kullanılacak kesici takımın belirli şartları sağlaması ile gerçekleştirilebilir. High Speed CNC tezgahların kontrol sisteminin performansı genellikle program datasının bir bloğunu, işleme alabilme yani tezgahta harekete dönüştürme süresi olarak ölçülür. Standart ivmesi 1m/s² bir CNC tezgahta bir satır bloğun işleme alınma süresi 10 milisaniye olduğu zaman 5-10 mikron tolerans bandı içinde kalarak doğru koordinatlarda pozisyonlama yapabilmesini gerektirir. Ancak yüksek hızda işleme yapabilen yeni nesil CNC tezgahlarda ivmelenme değerleri 3 veya 4 katına çıkabilmektedir. Bu durumda tezgahın bir satır bloğunu işleme süresi 4 milisaniyeye kadar düşmesi ile aynı toleranslarda parça işlenmesini sağlayabilmesi gerekir. Bütün bu işlemler ile beraber High Speed CNC tezgahlarda kontrol sisteminin işlenen blok satırının çok ötesindeki satırları daha önceden okuyup yorumlaması gerekmektedir. Bu sayede tezgah hareketlerinin kesintisiz olması sağlanır. Aksi taktirde çok küçük süreli de olsa meydana gelebilecek olan hareket kesintilerinde yüzey üzerinde pürüzler oluşması engellenemez.. Yukarıda belirtilen hızlarda metal kesme işlemlerinde tezgah mili (spindle) , eksen sürücü motorları, feedback sensörleri, kontrol ünitesi, kesici takım, soğutma sıvısı, tezgah rijitliği gibi tüm etkenlerin bir sinerji oluşturarak, kesici takım üzerine gelen kesme kuvvetleri, işleme süresi azalır, takım ömrü artar,yüzey kalitesi ayrıca bir finiş işlemine gerek kalmayacak kadar düzgün olarak elde edilir. Kalıp ve model işleme yöntemlerinde yüksek hızda işleme yapılacağı zaman, programlanan kesici takım yolları üzerinde ani yön değiştirmeler tezgah üzerinde aşırı yüklenmelere ve dolayısı ile işlenecek parçanın ölçü toleransların dışına çıkmasına sebep olabilir. Bu gibi durumlarda yüksek hızda işlemede farklı yöntemler ile bu sorunlar giderilmeye çalışılmalıdır. Bu yöntemlerden bir tanesi, CNC kontrol sistemi halen işlenmekte olan program bloğundan daha sonraki blokları kontrol eder ( look-ahead) ve bu bloklarda keskin dönüş hareketleri var ise bu bloklara gelmeden önce kademeli olarak ilerlemelerde düşmeler sağlayarak servo sisteme kendini ayarlayabilmesi için yeterli zaman sağlar. Bu tip kontrol sistemleri (lookahead) olmayan tezgahlarda verilebilecek en yüksek ilerlemelerin 2000 mm/dak yı geçmemesi tavsiye edilir. Aksi taktirde işlenecek parçada gerekli ölçü hassasiyeti sağlamak mümkün olamayacaktır. Ayrıca yeni nesil CNC tezgahlarda B-spline eğrileri formunda program yazılabilme özelliklerinden dolayı CAM sistemleri ( EdgeCAM, NCL gibi ) kullanılarak oluşturulan CNC programlarda lineer ve dairesel hareketlere ilaveten, eğri formatında 66
hareketleri temsil eden kodlar ile keskin takım yolu hareketleri minimize edilerek, kesici takım üzerine gelen yükler ve tezgahın keskin dönüş hareketlerini azaltmak mümkün olmaktadır. High Speed CNC lerde normal CNC tezgahlara göre ısı yükselmesi ve titreşimlerin daha fazla olması beklenir. Dolayısı ile High Speed CNC tezgahların mekanik olarak yapısının farklı olması zorunluluğu ortaya çıkmaktadır . CNC tezgahların hareket sistemi bilindiği gibi bilyalı yataklar ile sağlanmaktadır. CNC tezgahlarda kullanılan bilyalı yataklar şekilde görüleceği gibi farklı çap ve adımda imal edilmektedir. Çap ve adımdaki farklılık dönme hızı, tork ve eksen motorunun gücü ve bütün bunlar sayesinde tezgah tablasının istenilen ilerleme değerlerinde ilerlemesi ve eksenel itme kuvvetini belirler. Büyük adımlı bilyalı yatakta, küçük adımlı bilyalı yatağa göre aynı mesafeyi gidebilmek için eksen motorunun daha az dönmesi ancak daha güçlü bir motor kullanılması gerekir. Dönme sayısının artması yataklarda daha fazla sürtünme meydana getireceğinden sürtünmeden doğan bir ısı birikimi ortaya çıkar. Oluşan ısı birikimi ise tezgah yataklarında istenmeyen bir genleşmeye sebep olur. Yapılan denemelerde, 500 mm boyundaki bir bilyalı yatakta 1° C lik sıcaklık yükselmesi 0.006 mm lik genleşmeye sebep olmaktadır. Genleşmeden meydana gelen pozisyonlama hatası ise CNC tezgahlarda istenilmeyen bir durumdur. Bilyalı yataklarda oluşan ısının alınabilmesi için, yeni teknoloji bilyalı yataklara delik delinerek, deliklerin içerisinden Ethylin-Glycol soğutucu maddesi dolaştırılmaktadır. Bu sayede hızlı hareketlerden kaynaklanan ısı alınarak yataklarda oluşabilecek genleşme azaltılmaktadır. Aşağıdaki grafikte 40 mm çapındaki bir bilyalı yatakta 10m/dak ilerleme ile 500m lik hareket sonunda soğutma sistemi kullanan bir yatak ile kullanılmayan yatak arasındaki sıcaklık yükselmesindeki fark verilmiştir.
Tezgah pozisyonlama hassasiyetinin sağlanabilmesi için ayrıca CNC tezgahın lineer ölçeğinde sıcaklık ve çevre şartlarından korunması gerekmektedir. Bilindiği gibi lineer ölçek tezgahın bilyalı yataklarının alt kısmına yerleştirilmektedir. Yüksek hızdaki hareketlerde bilyalı yataklarda oluşan ısının lineer ölçeğe transfer edilmesi hatalı pozisyonalamaya sebep olur. Lineer ölçekteki ısınma probleminin giderilmesi için lineer ölçek ile bilyalı yatak arasında ısı transferini engelleyen malzemelerin kullanılmasını gerektirir. Lineer ölçeklerde meydana gelebilecek hataların ortadan kaldırılması için çok yeni ve pahalı bir yöntem olan Laser Dopler ölçekleri kullanılmaktadır. Bu yöntemde 67
pozisyonlama hareketlerinin ölçülmesi ve geri beslemesi lazer ile yapılmaktadır. Laser Dopler yöntemi sayesinde maksimum pozisyonlama hassasiyetini sağlamak mümkün olmaktadır ancak pahalı bir yöntem olmasından dolayı kullanımı pek yaygın değildir. Yüksek hızda işlemede tezgah üzerinde dikkat edilmesi gereken diğer bir etkende tezgah milinin( Spindle) yüksek devirlerde dönmesinden kaynaklanan problemlerdir. Devir sayısı 12,000 dev/dak üzerinde çıktığı zaman, tezgah milinde meydana gelecek sürtünmeleri azaltabilmek, hafiflik, dayanıklılığı artırmak, ataleti azaltmak için seramik ( Silicon-Nitrit) ve çelik karışımı rulmanlı yataklar kullanılmaya başlanmıştır. Bu tip yatakların çelik rulmanlı yataklara göre elastisite modülü de oldukça yüksektir ( 31400 Mpa ) Tezgah milli yataklarında seramik bilyalar kullanıldığında % 20 ila 50 arasında daha fazla devir sayılarına çıkılması mümkün olmamakta ve eğer seramik yataklarda doğru seçim ve doğru tasarım yapılabilir ise seramik yatakların ömrü çelik olanlara göre daha uzun olabilmektedir. Seramik rulmanlı yataklarda yağlama olarak geleneksel yağlama yöntemleri kullanılabilmektedir. Ancak Fadal tezgahlarında seramik yataklı tezgah milinin yağlanmasında hava yağ karışımı bir yağlama yapılmakta ve bu yöntemde hava akımı içerisine 25 dakikada 0.025 cc yi geçmeyecek miktarda yağ enjekte edilerek yağlama yapılmaktadır. Yüksek hızda talaşlı imalata tezgah milinde hava boşluğu üzerinde veya manyetik alan üzerinde sürtünmesiz olarak hareket eden yataklarında kullanılabilmesi mümkündür ancak bu tip yataklar küçük çaplı kesici takımlar ile düşük yükteki kesmelerde sadece verim sağlayabilmektedir. Yüksek hızda talaşlı imalat yapabilen tezgahlarda karşılaşılan en önemli sorunlardan bir diğeri ise tezgahta olaşan vibrasyonlardır. Vibrasyonların minimize edebilmesi için tezgahın parçalarının imalatı sırasında ölçü toleranslarının, konvansiyonel CNC lere göre daha yüksek olması gerekmektedir. Ayrıca High Speed CNC tezgah kurulumu esnasında tezgah balansının doğru yapılmamsı yüksek hızlı hareketlerde vibrasyon oluşmasını sağlar. Bu sebeplerden dolayı pahalı olan High Speed CNC lerin kurulumunda konvansiyonel CNC lere göre daha fazla özen gösterilmesi gerekmektedir. Yüksek hızda talaşlı imalatta kesici takımlar normal kesme işlemlerine göre daha hızlı aşınacaktır. Bu tip aşınmaların ölçü hassasiyeti üzerinde yapacağı olumsuz etkilerden dolayı yüksek hızda işlemelerde kesici takım seçerken 40RC nin altındaki malzemelerde TiN (titanyumnitrit) ve TiCN (titanyum-karbon-nitrit) ve 40 RC üzerindeki sertlikte malzemelerde TiAlN (titanyum-alüminyum-nitrat) kaplanmış kesici takımların kullanılması tavsiye edilmektedir. Ancak TiAlN kaplanmış kesici takımlar diğer takımlara göre 8 kat daha pahalıdır, fakat genel ortalamada ömür ve tezgah saati olarak diğer takımlara göre daha verimli olmaktadırlar. Kesici takımın uygun olması ile beraber kesici takım tutucusununda yüksek devirlerde dönüşler için uygun şekilde balansının yapılması gerekir. Aşağıdaki örnekteki parçanın işlenmesi yüksek hızda talaşlı imalat yöntemi ile 1.5 mm küresel uçlu kesici takım kullanılarak 2 saate bitirilmiştir.
68
Konvansiyonel CNC yöntemleri ile yapıldığında ise 8 saat sürmüştür. Yüksek hızda işlemede, kaba boşaltmada çok pasoda küçük adımlarda 0.025 mm(stepover) pozitif boşluk açılı ( rake angle) küçük takımlar ile işleme stratejisi geliştirildiğinde yüzey üzerinde 0.001 mm pürüzlülük (cusp) oluşmaktadır bu ise hassas işleme gerektirmeyecek kadar düzgün yüzeylerin elde edilmesi sağlar.
69
High Speed CNC tezgahta işleme yapılabilmesi için bir CAM yazılımının kullanılması zorunluluktur. Günümüzdeki CAM ( örnek EdgeCAM ) sistemleri yüksek hızda işleme için Constant-Z level Machining, Climb Cut, NURB output , Cusp Height Control gibi işleme stratejileri geliştirmişlerdir. Bu stratejiler sayesinde yüksek hızda işlemede gereken CNC programlar CAM sistemi tarafından yazılmaktadır ancak bu yöntemler kullanıldığı zaman ortaya çıkan CNC programın yüz binlerce satır seviyelerine çıkacağı kesindir. Bu durumda CNC programın tezgaha yüklenmesinde CNC kontrol sistemine ait yüksek data kapasiteli sabit disk yok ise sorunlar yaşamamız muhtemeldir. Bu durumda programın tezgaha yüklenmesi drip feed denilen yöntem ile PC nin seri portu ile tezgahın RS232 veya RS422 portları arasında yapılan kablo bağlantısı ile, program kontrol sistemine bir taraftan yüklenirken diğer taraftan işleme devam eder ve işlenen satırlar kontrol sistemi tarafından silinir. Ancak bu yöntemde kullanılan bilgisayar ile tezgah arasında veri iletişim hızının ( Baud Rate) kontrol sisteminin program satırlarını işleme ve look-ahead süresinden yavaş olmaması gerekir. Yeni jenerasyon CNC tezgahlarda bu problem tezgah üzerine takılan Ethernet kartı ile çözümlenmiştir. Bu yöntemde CNC programın bulunduğu PC ile Tezgah arasına Ethernet kartı ile bir ağ bağlantısı yapılır. Böylece veri iletişim hızı 10-100 Mbit seviyelerine ulaşabilir. Bütün bu anlattıklarımıza göre yüksek hızda işleme teknolojisine geçilebilmesi için belirlenen Tezgah, Kontrol Sistemi, Kesici Takım, CAM ve DNC gibi şartlar yerine getirilebilir ise yüksek hızda işleme teknolojisinden fayda sağlamak mümkün olmaktadır. Aksi taktirde sadece yüksek devirlerde ve yüksek hızlarda çalışma ile uygun sonuçlara ulaşmak mümkün olmayabilir hatta tezgah arızalarına ve kesici takım ömrünün azalmasına sebep olunabilir. Yüksek hızda işleme teknolojisine geçilmesi düşünülüyor ise öncelikle High Speed CNC tezgahın satın alınması ardından uygun CAM sisteminin seçilmesi gerekir. CNC FREZE Yüksek hızlı işleme için kullanılacak CNC Freze aşağıdaki özelliklerin sadece birine, birkaçına değil, muhakkak tümüne sahip olmalıdır. · Yüksek hassasiyet ve Yüksek devir. · Mekanik tasarımın, yüksek ilerleme hızlarını karşılayacak güçte olması. · Yüksek hız tipi takım ve tutuculara sahip olması · Yüksek hız ve yüksek kapasiteli servo kontrol sistemine sahip olması. · Bağımsız sıcaklık kontrol sistemi bulunması.
70
NORMAL İŞLEME İLE YÜKSEK HIZDA İŞLEMENİN KARŞILAŞTIRILMASI Geleneksel İşleme metotları:
Yüksek Hızlı İşleme metotları:
Klasik işleme metotlarında sık sık ZX veya ZY kullanılan hareketlerinden oluşan kesme yöntemi yukarı tırmanma ve/veya aşağı inme esnasında dengesiz kesme yükleri oluşturduğundan hem daha yavaş hızda kesmeye neden olup, kesme zamanını uzatmakta ve kötü yüzey kalitesine neden olmaktadır.
Yüksek hızlı işlemede kullanılan Sabit talaş kaldırma oranı daha uzun takım ömürleri, daha iyi yüzey kalitesi, yükseltilmiş kesme hızı ve düşürülmüş çalışma zamanı sağlar. Kesici takım her zaman 'Climb' yönünde işleme yapmalıdır.
71
TAKIM YOLU DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN HUSUSLAR
YARATILIRKEN
Yüksek hızlı işlemede yüksek ilerleme hızını korumaya çalışırken takımın zarar görmesini engellemek için talaş kaldırma hacminin sabit tutulması çok önemlidir. Takımın merkezinde kesme olayı gerçekleşmediğinden dalma girişlerden devamlı uzak durmak gerekir. Takım malzemeye girerken daima rampa kullanmak gerekir. Yönde ani değişikliklere izin vermediği için mümkün olduğu kadar dairesel rampa yapılmalıdır.
Kesme yaparken mümkün olduğu kadar takımın kenarını kullanın. Daha düşük yan adımlar takımın malzemeye olan sürtünmesini azaltır. Daha az sürtünme daha az ısı demek olduğundan kesilen malzeme sertleşemeyeceği için takım daha çok dayanacaktır. Geleneksel kesme metodu: Geniş yanadım, takımın daha fazla talaşa girmesi, takım üzerinde daha fazla sürtünme, işin daha fazla ısınması. 72
Yüksek hızlı işleme metodu: daha küçük yanadımlar, daha az sürtünme ve daha az ısınma.
YÜKSEK HIZDA İŞLEMEDE NE TÜR TAKIM KULLANMAMIZ GEREKİR ? Birçok kullanılabilir takım türü bulunmaktadır. Özel kaplamalılar daha uzun takım ömrü sağlarlar. Her zaman yapılacak işe uygun doğru takım malzemesi deneyip seçmek gerekir. Ne tür takımı nerede kullanmanız gerektiği hakkında rehber tablo aşağıdadır. H.S.S
High Speed Steel
30 HRC
CARBIDE
Micro Grain Carbide
40 HRC
TIN Kaplamalı
Titanium Nitride
40 HRC
TICN Kaplamalı
Titanium Carbon Nitride
45 HRC
TIALN Kaplamalı
Titanium Aluminium Nitride
55+ HRC
Eğer TIALN kaplamalı kesicileri kullanmaya karar verdiyseniz, aşağıda daha fazla bilgi bulabilirsiniz. (TIALN) Malzeme Sertliği
Max. Talaş kaldırma hacmi (ae) Takım çapının 50%’si
30 - 45 HRC (ad) Takım çapının 10%’u (ae) Takım çapının 45%’i 45 -55 HRC (ad) Takım çapının 6%’sı (ae) Takım çapının 40%’ı 55 - 60 HRC (ad) Takım çapının 5%’i 73
TEFLON
74
•
AMAÇ
Farklı kaymalı yatak karşılaştırılması . •
malzemelerinin
kuru
sürtünme
özelliklerinin
belirlenmesi
ve
GİRİŞ
Kaymalı yatak malzemesi olarak seçilen birinci malzeme kuru yağlayıcı olarak grafit karıştırılmış politetrafloretilen (PTFE) dir. Dolgulu PTFE yüzey hızının normal olarak 0,5 m/s ‘ yi aşmadığı ve sıcaklık sahasının –200 C0 ila 250 C0 olduğu hallerde kullanılan bir kompozit yataktır .Yükleme 20 C0 de 7 N/mm2 ye düşer .Yağlama gerektirmeyen PTFE yataklar su ve diğer sıvılar içinde çalıştırılabilir .İkinci yatak malzemesi kalay esaslı bir alaşım olan beyaz metaldir .Beyaz metal iyi bir bası mukavemetine ve duktiliteye sahiptir.Tamamen yağlandığında yüksek hızlar ve yükler için elverişlidir . Beyaz metal yataklar sürekli yağsız olarak çalıştırılmamalıdır.Ancak çalışma başlangıcı ve sonundaki sürtünme şartlarına dayanabilir . •
TEORİ
Kaymalı yataklar muylu ile yatak arasında bir yağ filmi oluşturarak , parçaların birbirlerine direkt temas etmemesi, sürtünmenin sıvı sürtünme şekline dönüştürülmesi esasına dayanır. Genel anlamda yataklar makinaların döner parçalarının aynı konumda kalmalarını sağlayan , bu parçalarda etkiyen kuvvetleri gövdeye, temele iletmekle görevli makine elemanlarıdır . Konstrüksiyonlarına göre kaymalı yataklar, yuvarlanmalı yataklar (rulmanlar) ve hassas cihaz yatakları diye üç gurupta incelenirler. Yataklar, az sürtünme ile haraketi sağlamalarının yanı sıra mil veya aksı taşıyıcı bir işlevde gördüğünden bir kuvvete maruz kalırlar. Taşıdığı bu kuvvetin yönünün bu yatağın merkezine doğru olması halinde de radyal yatak , ekseni doğrıultusunda olması halinde de eksenel yatak diyede adlandırılırlar . Herhangi bir kuvvet taşıma görevi olmayan sadece mili belirli bir konumda tutması , kılavuzlaması istenen yataklarada kılavuz yatak adı verilir. Kaymalı yatakları ; yağlayıcı elamanlarının sıvı , gres ve katı yağlayıcı olmasına görede sınıflandırabiliriz. Mil ve yatak arasında yağ filminin oluşması açısından ise kaymalı yataklar iki sınıfa ayrılırlar; Hidrostatik kaymalı yataklar : yağ filminin , yağın dışarıdan bir pompa tarafından mil ile yatak arasına basılması sayesinde meydana geldiği yataklardır. Hidrodinamik kaymalı yataklar : yağ filminin milin haraketi sayesinde kendiliğinden oluşan yataklardır. Kaymalı yataklar , mil ve yatak arasında geniş bir alanı kapsayan yağ filmi sayesinde hem gürültü hemde titreşimi sönümlediklerinden rulmanlı yataklarla karşılaştırıldıklarında genelde daha sessiz çalışırlar . Doğru konstrüksiyonda , sürekli sıvı sürtünme sağlandı ise ömürleri sonsuzdur , devir sayısının sınırı yoktur, imalatları da kolaydır . Kaymalı yatak tasarımına başlarken en önemli adım doğru yatak malzemesini seçmektir .yatağın boyutları ve şekli ,mil ile yatak arasında yağ filmini oluşturarak tam bir sıvı sürtünmenin gerçekleşmesini sağlamalıdır .Sıvı sürtünme halinde yatak malzemesinden beklenen ,yağın sanki yatak yüzeyine yapışıyormuşcasına bir film oluşturması ve yatak yükü altında sınır dışı bir deformasyona uğramamasıdır.
75
Kaymalı yatak malzemesi olarak teknikte ilk zamanlar tahta ,demir, deri yada tekstil türünde maddeler kullanılmıştır. Zamanla bunların yerini pirinç ve bronzla ayrıca kalay esaslı yada kalayın pahalı olması ve temininin biraz zor olmasından dolayı kurşun esaslı olarak yapılan ve çok iyi zor koşullarda çalışabilme özelliği gösteren özel yatak malzemeleri kullanılmaya başlanmıştır. Bunları takiben yatakta yüklenebilirlik için daha iyi beklentileri karşılamak amacıyla daha yüksek sertlikte fakat zor koşullarda çalışabilme kabiliyeti biraz düşük olan bakır esaslı kaymalı yatak malzemeleri kullanılmaya başlandı . Son zamanlarda özelliklerle içten yanmalı motorlar için , aliminyum esaslı kaymalı yatak malzemeleri geliştirilmiş ve kullanılmaya başlanmıştır. Ergitme metalürjisi ile üretilen metalik kaymalı yatak malzemelerinin yanında kısmen yeni özelliklerde taşıyan (kendi kendine yağlama) ve toz metalürjisi ile üretilen (sinter kaymalı yatak malzemeleri ) ve belirli kullanım alanları için yüksek polimer malzemelerden kaymalı yataklarda bugün kullanılmaktadır. Kaymalı yatak için kullanılan diğer malzemeler (dökme demir yumuşak lastik ve benzeri ), yanlızca çok kötü koşullarda kaymalı yataklarda özel beklentilere yeterli çözüm bulabildiklerinde kullanılırlar. Bundan dolayı bu tarz malzeme çeşitleri çok daha az öneme sahiptir.Ancak bunların kullanımıyla özel durumlarda teknik ve ekonomik olarak en iyi çözüm sağlanmış olur. Kalay ve kursun esaslı alaşımlar Beyaz metal teriminden kalay yada kurşun esaslı bir dizi alaşım anlaşılır .TS 5032 de (1976) standartlaştırılan bu alaşımların bileşimi tablo1 de verilmiştir. Önemli özellikleriyle kullanım yerleri ile ilgili bilgiler de Tablo 2 de verilmiştir. Bu alaşımların özgül ağırlıkları kalayı az alaşımlarda yaklaşık 10 gr/cm3 ve kalayı zengin alaşımlarda 7,4 gr/cm3 kadardır. Boyuna doğrultuda ısıl genleşme katsayısı , 24 ile 20*10-6 1/K arasında değişir. Mekanik teknolojik özellikleri büyük ölçüde yapıya ( kaba yada ince taneli) bağlıdır. Bu özelliklere uygun yönde etki etmek için ,yapının ince olmasına ve intermetalik fazların homojen olarak dağıtılmasına çaışılır. Tüm beyaz metallerin yapı teşekkülü benzerdir.Yumuşak ötektik ana yapı içerisinde ,primer yada sekonderçökebilen sert ve kırılgan kristal faz olarak intermetalik faz dağılmıştır. Kalayı zengin beyaz metallerin katılaşması ( yaklaşık 430 C0 ),SbSn fazının kristalizasyonu ile kitlenen Cu6Sn5 iğnelerinin teşekkülü ile yönlenir. Kalyı zengin artık eriyik ,230 C0 de katılaşır. Kurşun esaslı alaşımların kristalizasyonu, intermetalik Cu2Sb fazının teşekkülü ile başlar, devam eden soğumada SbSn kristalleri (PbSn 10) veya antimonu zengin katı çözeltiler teşkil eder. Kurşunu zengin artık eriyik ötektik oarak katılaşır. Antimon yanlızca bakır gibi intermetalik faz teşekkülü ile taşıyıcı görev yapmaz, aynı zamanda kurşunun katı çözeltisinde de dayanımı arttırır . Kurşunu zengin beyaz metallerde bulunan diğer alaşım elamanlarından kadminyum dayanımı ve sıcakta sertliği yükseltir. Arsenik tane inceltici etkisiyle dayanımı iyileştirir. Nikel, antimon ve kalyla intermetalik faz teşekkül ettirilir. Kalaydan tasarruf etmek amcıyla geliştirilen çökelmeyle sertleştirilebilen kurşun esaslı yatak alaşımları kalsiyum, sodyum, magnezyum ve baryum (veya lityum) ilavesiyle daha iyi özellikler gösterirler. Fakat üretimlerinde büyükteknolojik güçlükler vardır ve bu nedenle de sınırllı kullnaılırlar.
76
Beyaz metal çok üstün kayma ve alışma özelliğine sahiptir, ancak darbeli çalışma için uygun değildir. Alaşımdaki bakır ve antimon oranları arttırılarak sertliği arttırılır.Beyaz metal genellikle ince bir tabaka halinde döke demir çelik veya hafif metal zarflara dökülür. Teflon® Makinanızda, tesisinizde; yağlama yapmak istemiyorsanız ya da yağlama olanaksızsa; titreşim ve gürültü olmasını istemiyorsanız; statik ve dinamik sürtünme katsayılarının çok düşük olması gerekliyse; yağlar, yağlama özelliklerini kaybediyor ve yağların ayrışıp buharlaştığı yüksek sıcaklık ortamı oluşuyorsa; korozif ortamlarda çalışıyorsanız; ürün kirlenmesinin önlenmesi gerekiyorsa; bakım yapma olanağı yoksa; yatakların yalıtkan olmasını istiyorsanız; ideal çözüm Teflon Yataklardır. Metal yatakların kullanıldığı sistemlerde yağlayıcı kullanma zorunluluğu ve yağlayıcıların neden olduğu sorunlar, yağlamasız kullanılabilen TEFLON yatakların, sürekli genişleyen bir uygulama alanına sahip olmasını sağlamaktadır. Çok düşük sürtünme katsayıları, geniş sıcaklık aralığında kullanılmaları, mükemmel kimyasal dayanımları ve yeterli mekanik özellikleri nedeniyle TEFLON malzemeler yatak olarak kullanılırlar. Alaşımlı TEFLON malzemelerin saf TEFLON malzemeye göre aşınma ve yük altında deformasyona karşı daha yüksek dirence, yüksek ısı iletkenliği ve düşük termal genleşmeye sahip olmaları, soğukta akmaya (cold flow) karşı dirençlerinin yüksek oluşu, bunun yanında oldukça düşük sürtünme katsayısına sahip olmaları ve saf TEFLON gibi geniş sıcaklık aralığında sürekli kullanılabilmeleri; bazı uygulamalar dışında genellikle yatak malzemesi olarak saf TEFLON' un yerine alaşımlı TEFLON malzemelerin seçilmesine neden olur. Saf TEFLON yataklar alaşımlı TEFLON yatakların kimyasal dayanımlarının yetersiz olduğu yerlerde ve daha çok düşük hız ve düşük yükte çalışan sistemlerde kullanılırlar. TEFLON yataklar; - Yağlama gerektirmezler, dolayısıyla yağlayıcıların neden olduğu sorunları ortadan kaldırırlar. - Kimyasal maddelere ve korozyona dayanıklıdırlar. - Eş çalıştıkları mil yüzeyini bozmazlar, aşındırmazlar. - Sürtünmeyi azaltırlar. - İlk harekette statik durumdan dinamik duruma geçerken tutukluk olayı görülmez, dolayısıyla demaraj yükü çok azdır ve motorlarda ilk harekette aşırı yüklenme olmaz. - Titreşimsiz ve gürültüsüz çalışırlar. - Kullanılan dolgu maddesine bağlı olarak, elektriksel izolasyon veya iletkenlik özelliği gösterirler. - Bakım gerektirmeden uzun süre çalışırlar. TEFLON yataklar çeşitli TEFLON takoz, içi boş takoz, çubuk veya bunun gibi yarımamullerden mekanik işlemeyle elde edilebileceği gibi; sipariş üzerine POLİKİM tarafından çeşitli boyutlarda, saf veya alaşımlı TEFLON malzemeden de imal edilebilirler. Teflon Yataklarda Dizayn Esasları 1. Sürtünme Katsayısı 2. TEFLON bütün katılar içinde en düşük sürtünme katsayısına sahip bir malzemedir. Statik ve dinamik sürtünme katsayısı birbirine çok yakındır. Bu durum ilk harekette tutukluk olmamasını sağlar. Yapılan son araştırmalar; TEFLON alaşımlarının çelik vb. metallere karşı sürtünme katsayılarının çok düşük ve saf TEFLON' un aynı şartlardaki sürtünme katsayısına çok yakın olduğunu ortaya koymuştur. Sürtünme katsayısı, TEFLON' la eş çalışan malzeme cinsi ve yüzey temizliği, yatak yükü, yüzeysel hız ve sıcaklık gibi faktörlere bağlıdır. 77
TEFLON yatakların eş çalıştığı yüzey, TEFLON veya çelik ise sürtünme katsayısı düşüktür. Ancak karşı yüzeyin TEFLON olması tercih edilmez. TEFLON' un ısı iletkenliği çok düşüktür. Sürtünmeden dolayı oluşan ısı iletilip dağıtılamaz. Bu durum aşınmanın artmasına neden olabilir. TEFLON yatakların eş çalıştığı yüzeyin çelik vb. metaller olması tavsiye edilir. Alüminyumla eş çalıştığı zaman sürtünme katsayısı biraz yüksektir. Sürtünme katsayısına etki eden faktörlerden biri de yüzey temizliğidir. TEFLON' la eş çalışan malzeme yüzeyi uygun temizlikte ise çalışma sırasında TEFLON yüzeyinden bazı partiküller, diğer malzeme yüzeyine yapışır. Bir süre sonra karşı yüzey üzerinde ince bir TEFLON filmi oluşur, böylelikle TEFLON, TEFLON üzerinde çalışmaya başlar. Bundan dolayı TEFLON yataklar belli bir çalışma süresinden sonra en düşük sürtünme katsayısına sahip olurlar. En uygun karşı yüzey temizliği, taşlama ve honlama ile elde edilebilen 0.2-0.4 µm Ra (CLA) arasındadır. Sürtünme katsayısı yükleme ile ters orantılı olarak değişir. Bu nedenle TEFLON yataklar büyük yüklerde de düşük sürtünme katsayıları ile çalışırlar. Yüzeysel hızın artmasıyla TEFLON' un sürtünme katsayısı önce artar, belli bir hızdan sonra değişmeden kalır. Sürtünme katsayısının sıcaklıkla değişimi ihmal edilebilecek kadar azdır. Bütün çalışma sıcaklık aralığında sabit olduğu kabul edilebilir. 2. Hız, Yük ve PV Limitleri TEFLON yataklar yağlamalı ve yağlamasız sistemlerde başarıyla kullanılmaktadır. Dolgu maddesi cinsi, yağlama durumu, yükleme ve ısıya bağlı olarak maksimum yüzeysel hız 30900m/dak. arasında değişir. TEFLON yataklara uygulanabilen maksimum yük "Birim Yük Limiti" olarak adlandırılır. Birim yük limiti; yatak kalınlığı, dolgu maddesi cinsi, sıcaklık ve yüzeysel hıza bağlı olarak 25-80 kg/cm² arasında değişir. Birim yatak yüzeyindeki çalışma basıncı olarak tanımlanan "Birim Yatak Yükü"(P.kg/cm²); aynı sıcaklıktaki Birim Yük Limiti' nden az olmalıdır. Burada "Yatak Yüzeyi", yatak çapı ile yatak boyunun çarpımı kabul edilir. "Birim Yatak Yükü x Hız" (P.V) değeri belli sınırları aşmamalıdır. PV Limiti olarak adlandırılan bu sınır, TEFLON yatak dizaynında önemli parametrelerden biridir. PV limitleri hesaplanırken, çeşitli hızlarda yük limitleri bulunur ve grafiğe geçilir. Malzemenin çalışma PV değeri, PV limitinin altında olmalıdır. 3. Aşınma TEFLON yatak dizaynında gözönünde tutulması gereken önemli özelliklerden biri, TEFLON malzemenin aşınma direncidir. Alaşımlı TEFLON malzemeler aşınmaya karşı iyi direnç gösterirler. Dolgu maddelerinin eklenmesi ile saf TEFLON' un aşınma direnci bazı hallerde 1000 kata kadar arttırılabilir. Aşınma; PV limiti ve zaman ile orantılıdır. Orantı katsayısı K, aşınma faktörü olarak adlandırılır. R : Radyal Aşınma, cm P : Birim Yatak Yükü, kg/cm2 V : Yüzeysel Hız, m/dak. T : Zaman, saat. K : Aşınma Faktörü, cm3 dak./kg.m.saat olmak üzere, radyal aşınma aşağıdaki eşitlikten bulunabilir. R = KPVT K, Aşınma faktörü, her malzeme için karakteristik bir parametredir. Aşınmaya etki eden faktörler, PV limiti, çevre sıcaklığı, karşı yüzey temizliği ve sertliği, alaşımlı TEFLON malzemedeki dolgu maddesi cinsi ve miktarıdır. PV limitinde çalışan yataklarda aşınma hızı çok yüksektir. Bu nedenle çalışma PV değeri, PV altında olmalıdır. Yatak malzemesi seçiminde, aşınma faktörü ile PV limiti birlikte düşünülmelidir. Sadece PV limiti gözönüne alınarak yapılacak bir seçim yanlış sonuç verebilir.
78
TEFLON yatağın birlikte çalıştığı yüzeyin temizliği de aşınmaya etki eder. Taşlama veya honlama ile sağlanabilen 0.2-0.4 µm Ra (CLA) yüzey temizliği en az aşınmayı sağlamak için uygundur. Daha kaba veya daha düzgün bir yüzey, TEFLON film oluşmasını engeller. Bu nedenle sürtünme ve dolayısıyla aşınma artar. Aşınmaya etki eden bir başka faktör çevre sıcaklığıdır. Sıcaklıktaki artış, TEFLON yatağın aşınma hızını arttırır. Sonuç olarak; aşınmanın en aza indirilmesi için bütün bu faktörler arasında bir denge sağlanması gerekir. 4. Malzeme Seçimi TEFLON yatakların performansını ve çalışma ömrünü etkileyen faktörlerden biri de yatak malzemesidir. Aşağıda çeşitli koşullarda hangi malzemenin tercih edildiği kısaca açıklanmıştır. Mükemmel kimyasal dayanımın gerekli olduğu durumlarda ve genellikle düşük hız, düşük yük uygulamalarında Saf TEFLON malzeme tercih edilir. Bunun dışındaki diğer bütün uygulamalarda yatak malzemesi olarak alaşımlı TEFLON kullanılır. Bunların içinde de en çok kullanılan malzeme Karbonlu TEFLON' dur. Yük altında deformasyona ve aşınmaya karşı direnci ve ısı iletimi yüksektir. Düşük ve yüksek PV değerlerinde rahatlıkla kullanılır. Karşı yüzeyi aşındırmaz. Kuru ve sulu ortamlarda kullanılabilir ancak oksitleyicilere karşı dayanımı cam elyaflı TEFLON malzemeden daha düşüktür. Genellikle çekme dayanımı, kopma uzaması gibi özelliklerin önemli durumlarda K-25; aşınma ve yük altında deformasyona karşı direncin önemli olduğu durumlarda K-35 tercih edilir. Cam Elyaflı TEFLON malzeme, genellikle düşük ve orta PV değerlerinde (daha çok düşükyük;yüksek hızlarda) ve kimyasal dayanımın önemli olduğu durumlarda tavsiye edilir. TEFLON alaşımları içinde en iyi kimyasal dayanıma sahip malzemedir. Sadece alkalilere dayanımı azdır.Karşı yüzey yeterince sert değilse, yüksek PV değerlerinde karşı yüzeyi aşındırabilir. Genellikle çekme dayanımı, kopma uzaması gibi özelliklerin önemli olduğu durumlarda C-15; aşınma ve yük altında deformasyona karşı direncin önemli olduğu durumlarda C-25 tercih edilir. Bronzlu TEFLON malzeme, yük altında deformasyona ve aşınmaya karşı direnci ve ısı iletkenliği en yüksek, standart alaşımlı TEFLON malzemedir. Ancak kimyasal dayanımı iyi değildir. Genel olarak bronzu etkileyen kimyasal ortamlar, bronzlu TEFLON malzemeyi de etkiler. Bu nedenle, yüksek kimyasal dayanımın gerekli olmadığı durumlarda, düşük ve yüksek PV değerlerinde kullanılabilir. Karşı yüzey yeterince sert değilse, yüksek hızlarda karşı yüzeyi aşındırabilir. Su ve solventlerde kullanılır, düşük hızlarda kuru şartlar için de uygundur. Diğer alaşımlı TEFLON malzemeler göre özgül ağırlığı daha yüksektir. 5. Toleranslar TEFLON yatakların uzun ömürlü olması için, yatak dizayınında ve işlenmesinde dikkat edilecek en önemli nokta iç çapta verilen çalışma toleransıdır. Oda sıcaklığındaki (20-30°C) minimum boşluk (çapta yatak toleransı) şöyle hesaplanır; - PV < 175 kg.m/cm2.dak ise, Çaptaki Minimum Boşluk = 0.0002t+0.01)W+0.05mm. dir. Burada, t = İşletme şartlarındaki ortam sıcaklığı, °C. W = Yatak et kalınlığı, mm.dir. - PV > 175 kg.m/cm2.dak ise, yukarıdaki tolerans 0.02W kadar arttırılmalıdır.
79
6. Yuvaya Takma TEFLON yataklar yuvalarına sıkı geçme suretiyle takılır. 25 mm dış çapa kadar olan yataklarda 0.01 mm/mm geçme toleransı (dış çapta) tavsiye edilir. Daha büyük yataklarda minimum geçme toleransı 0.1 mm+(0.005xD) mm. olmalıdır. Burada D, dış çaptır. Yuva ağzında 15° lik havşa yapmak yararlıdır, havşa boyu; çapı 50mm ye kadar olan yataklarda 1 mm, daha büyüklerde 1.5 mm olmalıdır. Sıcaklık değişiminin fazla olduğu durumlarda veya PV değerinin 90kg.m/cm².dak dan veya birim yükün 35 kg/cm² den büyük olduğu durumlarda, yatağın yuva içindeki hareketine tesbit plakası,kama veya yapıştırmak suretiyle engel olunmalıdır. Yatak tamamen dışarıda işlenip yuvaya takılacaklarsa, iç çapın toleransına dış çapa verilen çakma toleransını eklemek gerekir, fakat en ideal işleme şekli TEFLON yatağı yuvaya taktıktan sonra iç çapı işlemektir. 7. Et Kalınlığı Genel olarak yatak et kalınlığı, iç çapın 1/8 ine eşit veya daha küçük seçilir. Ortam sıcaklığı yüksek ve PV > 110 kg.m/cm². dak. ise bu oran 1/16 olarak alınır. Eğer yatak et kalınlığının fazla olması zorunluluğu varsa, bu durumda yatak muhafazası soğutulmalıdır. 8. Yatak Boyu Genellikle yatak boyu, yatak çapının 1.5-2 katı uzunlukta olmalıdır. Eğer yatak yükü fazla ise yatak boyu daha uzun tutularak birim yatak yükü azaltılır. 9. Yüzey Temizliği TEFLON yatağın eş çalıştığı yüzey üzerinde ince bir TEFLON film oluşturması, dolayısıyla aşınmanın azalarak yatak ömrünün artması için en uygun yüzey temizliği, taşlama ve honlama ile elde edilebilen 0.2-0.4 µm. Ra (CLA) dır. Taşlama olanağı olmadığı durumlarda mil yüzeyinin 0 numara (en ince) su zımparası ile zımparalanması tavsiye edilir. Kritik işletme şartlarında, karşı yüzey üzerinde film oluşuncaya kadar meydana gelebilecek ilk aşınmayı azalmak için, mümkünse ilk montajda yatakların 30 dakika kadar normal işletme hızlarının yarısı kadar bir hızla ve birkaç damla ısıya dayanıklı yağda yağlanarak çalıştırılmaları tavsiye edilir. Teflon Yatakların Kullanma Yerleri TEFLON yatakların bazı kullanma yerleri şöyle sıralanabilir: - Gıda, tekstil, kağıt ve ilaç sanayileri gibi, ürün temizliğinin önemli olduğu alanlar. Örneğin : Taşıyıcı bantlar, Karıştırıcılar, Süt ve yoğurt makinaları, Dondurma makinaları, Ve benzerleri. - Yağlama özelliği olmayan sıvı ortamlar. Örneğin : Benzin, Endüstriyel solventler Ve benzerleri. 80
- Kuvvetli asit ve alkaliler gibi korozif ortamlar. - Bakım gerektirmeden uzun çalışma ömrü istenen yerler. Örneğin : Karıştırıcılar, Elektrik motorları, Çamaşır makinaları, Sinema makinaları, Dikiş makinaları, Ve benzerleri. - Yağlamanın işe yaramadığı, çok düşük sıcaklıklarda çalışan ekipmanlar. Örneğin : Sıvı azot ekipmanları, Freon sistemleri, Ve benzerleri. - Normal yağların ayrıştığı veya buharlaştığı çok yüksek sıcaklıklarda (+270°C' e kadar) çalışan ekipmanlar. - Diğer kuru yatakların düzgün çalışmadığı, çok düşük veya yüksek nemli ortamlar. - Yağın diğer yataklardan atıldığı, düşük devir ve ağır yüklerde çalışan ekipmanlar. Örneğin : Vinçler, Kaldırma makinaları, Ve benzerleri. - Millerin yataklara yapışması ve tutukluk yapması ihtimali olan yerler. - Gürültü ve titreşimin istenmediği durumlar. Örneğin : Fotokopi makinaları, Saç kurutma makinaları, Ve benzerleri. - Gidip-gelme ve dönme sistemlerinde olduğu gibi, çok düşük sürtünme özellikleri gerektiren durumlar. - Yağlamanın zor veya imkansız olduğu durumlar. - Ağırlıktan tasarruf edilmesi gereken ve boyutların önemli olduğu durumlar. Örneğin : Ölçü ve kontrol ekipmanları, Elektrik saatleri, Kameralar ve slayt projektörleri, Ve benzerleri. - Elektriksel izolasyon özelliği gerektiren durumlar. Teflon' nun Mekanik Özellikleri ÇEKME DAYANIMI Değişik sıcaklıklar için çekme gerilmesine karşı deformasyon eğrileri Şekil-1'de verilmiştir. Birçok plastikte olduğu gibi elastik bölgedeki eğri lineere yakındır. Akma, büyük deformasyonlardan sonra başlar, TEFLON' un kopmada çekme dayanımı 23°C' de 140-380 kg/cm² arasındadır. 81
Teflon Yatakların Kullanma Yerleri TEFLON yatakların bazı kullanma yerleri şöyle sıralanabilir: - Gıda, tekstil, kağıt ve ilaç sanayileri gibi, ürün temizliğinin önemli olduğu alanlar. Örneğin : Taşıyıcı bantlar, Karıştırıcılar, Süt ve yoğurt makinaları, Dondurma makinaları, Ve benzerleri. - Yağlama özelliği olmayan sıvı ortamlar. Örneğin : Benzin, Endüstriyel solventler Ve benzerleri. - Kuvvetli asit ve alkaliler gibi korozif ortamlar. - Bakım gerektirmeden uzun çalışma ömrü istenen yerler. Örneğin : Karıştırıcılar, Elektrik motorları, Çamaşır makinaları, Sinema makinaları, Dikiş makinaları, Ve benzerleri. - Yağlamanın işe yaramadığı, çok düşük sıcaklıklarda çalışan ekipmanlar. Örneğin : Sıvı azot ekipmanları, Freon sistemleri, Ve benzerleri. - Normal yağların ayrıştığı veya buharlaştığı çok yüksek sıcaklıklarda (+270°C' e kadar) çalışan ekipmanlar. - Diğer kuru yatakların düzgün çalışmadığı, çok düşük veya yüksek nemli ortamlar. - Yağın diğer yataklardan atıldığı, düşük devir ve ağır yüklerde çalışan ekipmanlar. Örneğin : Vinçler, Kaldırma makinaları, Ve benzerleri. - Millerin yataklara yapışması ve tutukluk yapması ihtimali olan yerler. - Gürültü ve titreşimin istenmediği durumlar. Örneğin : Fotokopi makinaları, Saç kurutma makinaları, Ve benzerleri. - Gidip-gelme ve dönme sistemlerinde olduğu gibi, çok düşük sürtünme özellikleri gerektiren durumlar. - Yağlamanın zor veya imkansız olduğu durumlar. - Ağırlıktan tasarruf edilmesi gereken ve boyutların önemli olduğu durumlar. Örneğin : Ölçü ve kontrol ekipmanları, 82
Elektrik saatleri, Kameralar ve slayt projektörleri, Ve benzerleri. - Elektriksel izolasyon özelliği gerektiren durumlar. Teflon' nun Mekanik Özellikleri ÇEKME DAYANIMI Değişik sıcaklıklar için çekme gerilmesine karşı deformasyon eğrileri Şekil-1'de verilmiştir. Birçok plastikte olduğu gibi elastik bölgedeki eğri lineere yakındır. Akma, büyük deformasyonlardan sonra başlar, TEFLON' un kopmada çekme dayanımı 23°C' de 140-380 kg/cm² arasındadır.
Şekil 1 - TEFLON' un Çekme Dayanımı Dayanımı
Şekil 2 - TEFLON' un Basma
BASMA DAYANIMI Basma gerilmesine karşı deformasyon eğrileri,düşük deformasyon değerlerinde, çekme gerilmesi -deformasyon eğrilerine benzer. Deformasyon arttıkça eğriler farklılaşır.(Şekil-2) TEFLON' un basma dayanımı %1 deformasyon için, 23°C' de 45-50 kg/cm² arasındadır. KESME DAYANIMI Kesme gerilmesine karşı deformasyon eğrileri Şekil-3' de verilmiştir. Basma, çekme ve kesme dayanımı grafiklerinden, önce izin verilen deformasyon saptanmalı sonra buna karşı gelen gerilme bulunmalıdır.
83
Şekil 3 - TEFLON' un Kesme Dayanımı Kalıcı Deformasyon
Şekil 4 - Basmada
KALICI DEFORMASYON Şekil-4' de görüldüğü gibi elastik bölgeyi geçmeyen gerilmelerde kalıcı deformasyon az olmaktadır.
84
DARBE DAYANIMI TEFLON parçalar, düşük sıcaklıklarda bile darbeye mükemmel dayanım gösterirler. Darbe dayanımı parçanın geometrik şekline büyük ölçüde bağlıdır. Dizaynda dikkat edilecek konu, keskin köşelerin elimine edilmesi ve parça içinde gerilim yığılmasının engellenmesidir. TEFLON takozların IZOD darbe dayanımı - 57°C de 10.5 - 11.5 kg-cm/cm., + 23°C de 15.5 - 16.5 kg-cm/cm.'dir Düşük sürtünme katsayısı ve yüksek aşınma direnci gibi özelliklerin yanında, mükemmel darbe dayanımları; alaşımlı TEFLON segmanların, yağlamasız kompresörlerde kırılgan karbon segmanların yerine başarıyla kullanılmalarına sebep olmuştur. YORULMA DAYANIMI Tekrarlanan yüklemeye maruz kalan parçalarda, gerilme deformasyon eğrileri dizayn hesapları için yeterli değildir. Demir alaşımlarında olduğu gibi TEFLON parçalarda da bir gerilme değeri vardır ki, bunun altındaki gerilmeler ne kadar tekrarlanırsa tekrarlansın, TEFLON' un mükemmel esnekliğinden dolayı, malzeme buna dayanır. Bu değere "Yorulma Limiti" denir. TEFLON için 23°C de 50-70 kg/cm² arasındadır. TEFLON' un 23°C' deki eğilme modülü (flexural modulus) 3500-6300 kg/cm² arasındadır ve sıcaklıkla ters orantılı olarak değişir.Esneme ömrü (flex life) ise tekrarlanan yük miktarına ve uygulanan imalat yöntemine bağlı olarak değişir. Teflon' nun Fiziksel Özellikleri 1. ÖZGÜL AĞIRLIK Standart TEFLON takozların özgül ağırlığı, 23°C' de 2.1 - 2.2 gr/cm3 arasındadır. Özgül ağırlık uygulanan imalat yöntemine bağlı olarak değişir. 2. SÜRTÜNME TEFLON bütün katılar içinde en düşük sürtünme katsayısına sahip olan malzemedir. Statik ve dinamik sürtünme katsayıları birbirine çok yakındır. Bu nedenle özellikle yatak ve segmanlarda, ilk harekette statik durumdan dinamik duruma geçerken görülen tutukluk olayı, TEFLON parçalarda görülmez. TEFLON' un sürtünme katsayısı : - Yükleme arttıkça azalır. - Hız arttıkça artar. - Sıcaklık ve çevre koşullarından çok az etkilenir. 2.4 kg/cm2 yük ve 45 m/dakika hızla statik sürtünme katsayısı yaklaşık olarak 0.04, dinamik sürtünme katsayısı ise 0.06'dır. Mekanik özelliklerinin yanında, düşük sürtünme özelliği ile TEFLON, yağlamalı ve özellikle yağlamasız sistemlerde yatak ve segman olarak geniş kullanım alanına sahiptir. TEFLON ve alaşımlı TEFLON malzemenin, eş çalıştığı yüzeyin TEFLON olması tavsiye edilmez. TEFLON' un ısı iletkenliğinin çok düşük olması, dolayısıyla sürtünmeden dolayı oluşan ısının her iki yüzey tarafından iletilememesi, aşınmanın artmasına neden olabilir. TEFLON ve Alaşımlı TEFLON malzemelerin eş çalıştığı yüzeylerin metal olması tercih edilir.
85
3. AŞINMA Teflon ve Alaşımlarının Teknik Özellikleri tablosunda verilen PV limitleri, TEFLON parçanın aşınma gözönüne alınmadan saptanan maksimum "Yükleme X Hız" kombinasyonlarıdır. Çalışma PV değeri, V limitinin altında olmalıdır. Aşınma, PV limiti ve zamanla orantılıdır. Orantı katsayısı, K, her malzeme için karakteristiktir. K, aşınma faktörü, Teflon ve Alaşımlarının Teknik Özellikleri tablosunda da saf TEFLON ve çeşitli TEFLON alaşımları için verilmiştir. R = Radyal aşınma, cm. P = Birim yatak yükü, kg/cm2 V = Kayma hızı, m/dak. T = Zaman, saat. K = Aşınma föktörü, cm3dak./kg.m.saat olmak üzeri; R = KPVT' dir. Aşınma, iki yüzeyin yüzey temizliğine de bağlıdır. Aşınma direncinin yüksek olması gereken yerlerde TEFLON alaşımları tercih edilmelidir. Alaşımlı TEFLON malzemelerin eş çalıştığı karşı yüzeyin temizliği aşınmaya büyük etki eder. Karşı yüzey uygun temizlikte ise, çalışma sırasında bazı TEFLON partikülleri bu yüzey üzerinde ince bir TEFLON filmi oluşturur. Böylelikle kısa bir çalışma süresinden sonra TEFLON-TEFLON sürtünmesi sağlanır. En az aşınmayı sağlayacak optimum yüzey temizliği, taşlama, honlama veya lepleme ile elde edilebilen 0.2-0.4 µm Ra (CLA) dır. 4. YAPIŞMAZLIK Molekül yapısı nedeniyle TEFLON malzemelerin yüzeyi yapışmazlık özelliğine sahiptir. Diğer malzemelerin TEFLON' a yapışması çok güçtür. Yapışma istenen durumlarda, TEFLON' un yüzeyi özel tekniklerle hazırlanarak yapışacak hale getirilir. Bu özelliği ile TEFLON hortumlar en yapışkan akışkanların bile iletiminde kullanılmaktadır. Ayrıca, tekstil sanayiinde TEFLON kaplı haşıl ve kurutma silindirleri, gıda sanayiinde çikolata ve bisküvi kalıpları ve TEFLON kaplı çeşitli mutfak eşyaları yaygın olarak kullanılmaktadır. 5. GEÇİRGENLİK TEFLON' un gazlara ve su buharına karşı geçirgenliği yaklaşık olarak diğer termoplastikler kadardır. Çeşitli deneyler sonucu 23 °C' deki Oksijen geçirgenliği 1 x 10 -9 cm3 cm/cm2 sa. cm Hg bulunmuştur. Bu değer, aynı birimde Hidrojen için 2.4 x 10 -9 Azot için 4 x 10 -9 civarındadır. 0.05 - 0.02 mm. kalınlık aralığındaki TEFLON filmlerin 24 saatteki su buharı geçirgenliği ortalama olarak 0.9 - 1.8 gr/m2' dir. Geçirgenlik; imalat yöntemi, kalınlık, sıcaklık, basınç ve gazın cinsine, büyük ölçüde bağlıdır. Özel imalat yöntemleri ile muhtelif miktarda porozite yaratılarak TEFLON parçaların filtre olarak kullanılmaları sağlanır.
86
Teflon' nun Termal Özellikleri 1. YÜKSEK SICAKLIKLARA DAYANIM TEFLON, sanayi plastikleri içinde en geniş sıcaklık aralığında kullanılabilen bir polimerdir.260°C ile + 270°C sıcaklık aralığında sürekli kullanılabilir. Kısa süreler için 300-325°C' lere çıkılabilir. 325°C' nin üzerindeki uzun süreli kullanımlarda dekompoze olur, bazı fluorlu gazlar açığa çıkar. Yüzeyine alev yaklaştırılırsa yanmaya başlar, alev uzaklaştırıldığında yanma hemen durur. TEFLON 327°C' de parçanın şeklini ve direncini koruyan, vizkozitesi çok yüksek, hemen hemen şeffaf bir pelte haline gelir, diğer termoplastikler gibi erimez. Yüksek sıcaklıklara dayanım ve yanmama özellikleri ile birlikte mükemmel dielektriksel özellikleri, TEFLON' un 200°C' ye kadar izolasyon malzemeleri arasında yer almasını sağlamaktadır. 2. DÜŞÜK SICAKLIKLARA DAYANIM TEFLON, mutlak sıfıra yakın derecelere kadar özelliklerini ve esnekliğini korur. Sıvı helyumda dahi kırılgan değildir. Bu özelliği ile düşük sıcaklık uygulamaları için de idealdir. Örneğin; oksijen ve sıvı hava kompresörlerinde TEFLON segmanlar, freon ile çalışan sistemlerde TEFLON contalar başarıyla kullanılmaktadır. 3. ISI İLETKENLİĞİ Bütün plastiklerde olduğu gibi TEFLON' un da ısı iletkenliği düşüktür, iyi bir ısı izolasyon malzemesidir. 30°C' deki ısı iletkenlik katsayısı 5.5 x 10-4 - 6.0 x 10-4 cal/cm. sn.°C. arasındadır. 4. ELASTİK HAFIZA ( Elastic Memory ) Belli bir deformasyona uğratılan TEFLON parçalar, baskı kaldırıldıktan sonra ilk şekillerine dönmeye çalışırlar. Normal sıcaklıklarda bu geriye dönüş çok yavaştır, sıcaklık arttıkça Diyafram ve bunun gibi karmaşık şekilli parçalar, bazı durumlarda, özel bir yöntem olan sıcak şekillendirme yolu ile imal edilmektedir. Bu tür parçalar yüksek sıcaklıklarda (genellikle 200°C' nin üzerinde) kullanıldıkları zaman boyutlarında deformasyon görülebilmektedir.Bunların kullanılabileceği maksimum sıcaklık kullanıcının istediği sıcaklıklara göre bir imalat yöntemi uygulanmaktadır. Tüm yarı-mamullerimiz ve bu tür parçalar dışındaki tüm mamullerimiz -260°C, +270°C sıcaklık aralığında tereddütsüz kullanılabilir. 5. TERMAL GENLEŞME TEFLON' un lineer termal genleşme katsayısı metallere göre çok yüksektir. Örneğin çeliğin termal genleşme katsayısının yaklaşık 10 katı kadardır. 25°C - 100°C sıcaklık aralığında değeri 12.5 x 10-5 - 16.0 x 10-5 °C-1' dir. TEFLON, 327°C' deki geçiş bölgesinin dışında, 19°C civarında bir geçiş bölgesine daha sahiptir. Bu sıcaklıktan geçilirken parça boyutlarında % 0.3 - 0.6 arasında bir değişiklik olur. Şekil-1' de sıcaklığa karşı özgül hacim eğrisi, Şekil-2' da sıcaklığa karşı lineer termal genleşme eğrisi verilmiştir. Termal genleşme katsayılarındaki farklar nedeniyle, saf ve alaşımlı TEFLON parçaların işleme toleransları da değişir. Düşük termal genleşme katsayısı ve yüksek ısı iletkenlikleri nedeniyle alaşımlı TEFLON parçalar daha hassas işlenebilir
87
ŞEKİL 1 - TEFLON' un Özgül Hacminin Lineer Termal Sıcaklıkla Genleşmesi
ŞEKİL 2 - TEFLON' un Değişimi
Teflon' nun Elektriksel Özellikleri Düşük sürtünme katsayısı, kimyasal dayanımı, kırılgan olmayışı, yanmazlığı, yüksek sıcaklıklara dayanımı gibi birçok önemli özelliklerinin yanında TEFLON, kritik elektriksel ve elektronik uygulamalarda gerekli olan önemli elektriksel özelliklere de sahiptir. Bu özellikleri ile çok iyi bir elektriksel izolasyon malzemesidir. 1. DİELEKTRİK SABİTİ TEFLON' un dielektrik sabiti çok düşüktür. Değeri 2.0 - 2.1 arasındadır. Sıcaklık, frekans ve nemdeki büyük değişikliklerden etkilenmez. Başka hiçbir termoplastik bu dielektriksel özelliğe sahip değildir. 2. DİELEKTRİKSEL KAYIP FAKTÖRÜ TEFLON aynı zamanda çok düşük dielektriksel kayıp faktörüne sahiptir. -100 °C ile +250 °C sıcaklık ve 50 Hz ile 107 Hz frekans aralığında değeri 1 x 10-4 den daha küçüktür. Nem ve frekans değişimlerinden etkilenmez. 3. DİELEKTRİKSEL DAYANIM TEFLON' un dielektriksel dayanımı yüksektir ve sıcaklıktan bağımsızdır. Bütün izolasyon malzemelerinde olduğu gibi, kalınlık arttıkça birim dayanım azalır. 0.1 mm kalınlık için, dielektriksel dayanım, 40-80 kV/mm' dir 4. YÜZEYSEL ARK DİRENCİ TEFLON' un yüzeysel ark direnci yüksektir. Uzun süreli arka maruz kalsa bile yüzeyi bozulmaz, karbonlaşma olmaz. 5. HACİMSEL VE YÜZEYSEL DİRENÇ TEFLON' un hacimsel ve yüzeysel dirençleri çok yüksek ve sıcaklıktan bağımsızdır. 23°C' de %50 bağıl nemde hacimsel direnç 1018 ohm-cm' den; yüzeysel direnç ise 1016 ohm' dan daha büyüktür.
88
TEFLON bu özellikleri ile telsiz, uçaklar, roketler, uzay araçları, bilgisayarlar ve bütün elektronik ve endüstriyel uygulamalarda kablo yalıtkanı olarak kullanılmaktadır. 200°C sıcaklığa kadar izolasyon malzemeleri içinde yer almaktadır. Teflon' nun Kimyasal Özellikleri TEFLON, kimyasal dayanım bakımından, bilinen en iyi malzemedir. Çalışma sıcaklık aralığında (-260°C ile +270°C), sanayide kullanılan bütün asitler, bazlar ve çözücülere tam dayanıklıdır. Hiç bir kimyasal maddede erimez, çözünmez ve yumuşamaz. Sadece erimiş veya çözünmüş haldeki saf sodyum, saf potasyum gibi alkali metaller ve fluor gazı, yüksek sıcaklık ve basınç altında TEFLON' a etki ederler. TEFLON' un korozyona dayanımı sonsuzdur. Korozif maddelerle çalışan ortamlarda, pompa, vana, boru, bağlantı parçaları gibi ekipmanların TEFLON' la kılıflanması ve çeşitli TEFLON malzemenin kullanılması, korozyon problemlerinde mutlak çözümdür. Teflon' nun Fizyolojik Özellikleri TEFLON' un çalışma sıcaklık aralığında insan sağlığı üzerine hiçbir etkisi yoktur. Cildi tahriş etmez. Mutfak eşyalarının kaplanmasında, gıda ve ilaç gibi sanayi kollarında çeşitli uygulamalar için tereddütsüz kullanılır. 325°C' nin üzerindeki sıcaklıklarda dekompozisyon sonucu açığa çıkan fluorlu gazlardan korunmak için havalandırma şarttır. Ayrıca TEFLON' un işlenmesi sırasında TEFLON tozlarının tütüne bulaşmasını ve sigara yakıldığında dekompoze olmasını önlemek amacıyla çalışma sahasında kesinlikle sigara içilmemelidir. Teflon® Alaşımları TEFLON ALAŞIMI
TİPİ
CAM ELYAFLI TEFLON
C-15 C-25
KARBONLU K-25 K-35 TEFLON
BRONZLU TEFLON
B-60
BAŞLICA KULLANMA YERLERİ - Keçeler - Keçe ringleri - Yük altında deformasyona, aşınma ve - Contalar soğukta akmaya karşı dirençleri iyi. - Vana Setleri - Asitlere ve oksidasyona dayanımı yüksek - Diğer vana parçaları - Elektriksel izolasyon özelliği yüksek - Segmanlar - Yataklar - Yük altında deformasyona karşı direnci çok iyi. - Yataklar - Kuru ve yağlı ortamlarda aşınma direnci - Segmanlar yüksek. - Contalar - Korozif ortamlara dayanıklı - Keçe ringleri - Sulu ortamlar için ideal - Isı iletkenliği yüksek - Yük altında deformasyona, aşınma ve soğukta akmaya karşı dirençleri çok iyi. - Yataklar - Kimyasal dayanımı, Karbonlu ve Cam - Segmanlar elyaflı TEFLON' a göre daha az - Vana Setleri - Isı iletkenliği yüksek - Diğer vana parçaları - Mekanik olarak işlenmesi kolay ÖZELLİKLERİ
- Bütün katılar içinde en düşük sürtünme katsayısına sahip olma, - Sanayide kullanılan hemen hemen bütün kimyasallara dayanım, - Tüm sanayi plastikleri içinde en geniş sıcaklık aralığında (-260°C , +270°C) sürekli kullanılabilme, - Yapışmazlık, yanmama, 89
- Yüksek elektriksel izolasyon özelliği, - Hava şartları ve nemden etkilenmeme, ve bunun gibi üstün özelliklerinin birarada oluşu nedeniyle TEFLON; birçok uygulamada tek çözüm olarak ullanılmaktadır.Ancak saf TEFLON malzemenin bazı kullanım yerlerinde yetersiz kalan fiziksel özelliklerini geliştirmek amacıyla, malzemeye polimerizasyon sırasında bazı dolgu maddeleri eklenerek TEFLON ALAŞIMLARI imal edilmektedir. TEFLON malzemenin özelliklerinde aşağıdaki değişiklikler elde edilebilir. - Aşınma direncinde 1000 kata varan artış, - Soğukta akma direncinde 2-5 kat, yük altında ilk deformasyona karşı dirençte %30-60 oranında artış, - Isı iletkenliğinde 5 kata kadar artış, - Termal genleşmede % 80 oranında azalma. Bunların yanında. dolgu maddelerinin eklenmesi TEFLON' un kimyasal dayanım, elektriksel izolasyon, çekme dayanımı, kopma uzaması, esneme ömrü gibi özelliklerini, kullanılan dolgu maddesi cins ve miktarına bağlı olarak değişen oranlarda zayıflatır. Teflon' un® Genel Kullanım Alanları Üstün kimyasal, elektriksel, fiziksel, termal ve mekanik özellikleri ile TEFLON, çok geniş ve sürekli genişleyen uygulama alanına sahiptir. KİMYA SANAYİİNDE UYGULAMALAR Sanayide kullanılan tüm kimyasal maddelere ve korozyona tam dayanımı ve çok geniş sıcaklık aralığında kullanabilmesi nedeniyle TEFLON, kimya sanayii için çok değerli bir malzemedir. Bazı kullanma yerleri şunlardır : - Conta, keçe, V-ring, O-ring, salmastra, bant, vana seti vb. sızdırmazlık elemanları, - Diyaframlar, - Boru, bağlantı parçaları, vana ve pompa kılıfları - Kazan, reaktör kılıfları, - Karıştırıcılar, - Hortum, körük, sparger, steamjet vb., - Laboratuvar cihazları, - Gözenekli filtreler, - Yapışkan, korozif ve yüksek sıcaklık ortamları için taşıyıcı bantlar vb. ELEKTRİK VE SANAYİİNDE UYGULAMALAR
ELEKTRONİK
90
Yüksek dielektriksel dayanımı, düşük dielektriksel kayıp faktörü, ark direncinin çok yüksek oluşu, bu özelliklerin nem ve frekanstaki değişimlerden etkilenmemesi, TEFLON' un elektrik ve elektronik sanayiinde de geniş bir uygulama alanına sahip olmasını sağlamaktadır. Bazı kullanım yerleri şunlardır : - Her türlü kablo izolasyonu ve makaronlar - Trafo, röle, anten, transformatör, radar parçaları, bağlantı parçaları, bobin, jeneratör vb. izolasyonu, - Yüksek gerilim izolatörleri, - Kapasitör ve transformatörler için hava geçirmez keçeler, - Yakıt hücreleri için elektrodlar, - Yüksek frekans kabloları için bağlantı kutusu, - Baskı devreleri için lamine levhalar, vb. ÇEŞİTLİ SANAYİİ KOLLARINDAKİ UYGULAMALAR TEFLON' un düşük sürtünme, yapışmazlık gibi fiziksel özellikleri, yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanımı, nem ve hava şartlarından etkilenmemesi ve mekanik özellikleri, çeşitli sanayi kollarında pek çok uygulama alanı bulmasına neden olmaktadır. Bazı kullanma yerleri şunlardır : - Yağlamasız yataklar ve burçlar, - Köprü, bina vb. için kayar yataklar, - Segmanlar, aşınma ringleri, sıyırıcı keçeler, - Tekstil sanayiinde; kurutma ve haşıl tamburlarına yapışmayan yüzeyler, - Çeşitli pnömatik ve hidrolik ekipman parçaları, vb •
DENEY DÜZENEĞİ
Deney elemanları : • • • • • • • • •
PTFE yatak burcu , beyaz metal yatak burcu , elektronik takometre , hız kontrol sistemiylehızı değiştirilebilir elektrik motoru , moment kolu dddenge ağırlıkları askısı , yük kolu ve askısı , 40 mm çaplı çelik mil , burcun dönmesini engelleyen ve içine termokupl ucu yerleştirilen vida, termocupl
Yatak yükü ,tel kablo çevrimiyle ve 4:1 ‘lik kol sistemiyle uygulanır.Aparatın kendi ağırlığı minimum yük olup gövdeye 55 N’luk yük uygular. 91
PTFE ve Beya metal burç için maksimum mil hızı nmax =200d/dak , maksimum ilave yük Fimax=30 N oalrak tavsiye edilmektedir. Maksimum sıcaklık artışları ∆Tmax ise PTFE burç için 2 C0, beyaz metal burç için 4 C0 olmalıdır.
•
DENEYİN YAPILIŞI
Teflon yatak burç ile ; İlave yüksüz (Fi=0) halde motor çalıştırılır . Devir sayısı n=0 dan n=150 d/dak ‘ya çıkarılır.Bu halde 1-2 dakika çalıştırılır. Deneye Fi=20 N’luk kuvvet ile deneye başlanır .Bu kuvvetin yatağa uyguladığı kuvvet ise Fn=4*20+55 =135 N dur.(yatak toplam ağırlığı 55 N ) .Daha sonra 20 N luk azaltmalarla (bu azalmanın sağlanması için kuv kolundan 5 N luk kuvvet kaldırılır )deneylere devam edilir.Her deneyde sürtünme etkisiyle bozulan moment kolu dengesini sağlayan Fd denge kuvvetleri belirlenir.Deney başlangıcındaki ve sonundaki sıcaklıklar kaydedilir .deneyler esnasında sıcaklık 2 C0 yi aşmamalıdır. Beyaz yatak burç ile: Teflon burç çıkarılarak yerine beyaz metal burç takılır .Teflondan kalma artıklar deneye etki etmemesi için temizlenir temizlenir. İlave yüksüz (Fi=0) halde motor çalıştırılır . Devir sayısı n=0 dan n=150 d/dak ‘ya çıkarılır.Bu halde 1-2 dakika çalıştırılır. Deneye Fi=20 N’luk kuvvet ile deneye başlanır .Daha sonra 5 N luk azaltmalarla deneylere devam edilir.Her deneyde sürtünme etkisiyle bozulan moment kolu dengesini sağlayan Fd denge kuvvetleri belirlenir.Deney başlangıcındaki ve sonundaki sıcaklıklar kaydedilir .deneyler esnasında sıcaklık 4 C0 yi aşmamalıdır.
92
•
VERİLER VE ÖLÇÜM DEĞERLERİ
Yapılan deneyler sonucun da elde edilen veriler aşağıdaki tabloda verilmiştir. malzeme Tb/Ts
PTFE 20,3 – 20,6
Fi ↓ 20 N 15 N 10 N 5N 0N
Fd / F e
Beyaz Metal 23,2 – 23,3
2,95 2,65 2,4 2,1 1,75
3,45 3,0 2,55 2,1 1,70
• HESAPLAMALAR VE SONUÇLAR İlave yüksüz (Fi=0) halde motor çalıştırılır . Devir sayısı n=0 dan n=150 d/dak ‘ya çıkarılır.Bu halde 1-2 dakika çalıştırılır. Deneye Fi=20 N’luk kuvvet ile deneye başlanır .Bu kuvvetin yatağa uyguladığı kuvvet ise Fn=4*20+55 =135 N dur.(yatak toplam ağırlığı 55 N ) .Daha sonra 20 N luk azaltmalarla (bu azalmanın sağlanması için kuv kolundan 5 N luk kuvvet kaldırılır )deneylere devam edilir.Her deneyde sürtünme etkisiyle bozulan moment kolu dengesini sağlayan Fd denge kuvvetleri belirlenir.Deney başlangıcındaki ve sonundaki sıcaklıklar kaydedilir .deneyler esnasında sıcaklık 4 C0 yi aşmamalıdır.
Sürtünme katsayısı : µ =
∆Fs ∆M s = ∆Fn r * ∆Fn
rmuylu = 20[mm]
Fd Sürtünme momenti : M s = Fd .300[ Nmm]
300 mm
Fd=denge kuvveti *1
Yatağa gelen normal kuvvet : Fn = 4.Fi + 55[ N ]
*4
Fi=ilave kuvvet Fn
Fi Teflon için sürtünme ve ortalama sürtünme değerleri : Fi 20 15 10 5 0
Fd 2,95 2,65 2,4 2,1 1,75
Ms 885 795 720 630 525
Fn 135 115 95 75 55
93
µ 0,225 0,1875 0,225 0,2625
µ ort = 0,225
4
µ ort = ∑ µ i / 4 = 0,225 bulunur. i =1
Beyaz metal için sürtünme ve ortalama sürtünme değerleri : Fi 20 15 10 5 0
Fd 3,45 3 2,55 2,1 1,7
4
Ms 1035 900 765 630 510
Fn 135 115 95 75 55
µ 0,3375 0,3375 0,3375 0,3
µ ort = 0,3281
µ ort = ∑ µ i / 4 = 0,3281 bulunur i =1
•
TAVSİYELER
• Her deney sonunda yatağın çıkarılıp temizlenmesi gerekir.Grafit tozları yatağı kirletir.Daha hassas sonuç için yüzeyler temiz olmalıdır. •
• 1. 2. 3.
En küçük dengeleyici ağırlık 0,1 N olduğundan daha hassas ölçüm yapılamaz.
KAYNAKLAR Deney Föyleri Makine Elemanları Cilt 2 Prof.Dr.İng. Fatih C.Babalık Endüstri Malzemeleri Cilt 2 Prof.Dr.M.Ali Topbaş
4.
94
CNC TEZGALAR
95
• AMAÇ Farklı kaymalı yatak malzemelerinin kuru sürtünme özelliklerinin belirlenmesi ve karşılaştırılması . • GİRİŞ Kaymalı yatak malzemesi olarak seçilen birinci malzeme kuru yağlayıcı olarak grafit karıştırılmış politetrafloretilen (PTFE) dir. Dolgulu PTFE yüzey hızının normal olarak 0,5 m/s ‘ yi aşmadığı ve sıcaklık sahasının –200 C0 ila 250 C0 olduğu hallerde kullanılan bir kompozit yataktır .Yükleme 20 C0 de 7 N/mm2 ye düşer .Yağlama gerektirmeyen PTFE yataklar su ve diğer sıvılar içinde çalıştırılabilir .İkinci yatak malzemesi kalay esaslı bir alaşım olan beyaz metaldir .Beyaz metal iyi bir bası mukavemetine ve duktiliteye sahiptir.Tamamen yağlandığında yüksek hızlar ve yükler için elverişlidir . Beyaz metal yataklar sürekli yağsız olarak çalıştırılmamalıdır.Ancak çalışma başlangıcı ve sonundaki sürtünme şartlarına dayanabilir . • TEORİ Kaymalı yataklar muylu ile yatak arasında bir yağ filmi oluşturarak , parçaların birbirlerine direkt temas etmemesi, sürtünmenin sıvı sürtünme şekline dönüştürülmesi esasına dayanır. Genel anlamda yataklar makinaların döner parçalarının aynı konumda kalmalarını sağlayan , bu parçalarda etkiyen kuvvetleri gövdeye, temele iletmekle görevli makine elemanlarıdır . Konstrüksiyonlarına göre kaymalı yataklar, yuvarlanmalı yataklar (rulmanlar) ve hassas cihaz yatakları diye üç gurupta incelenirler. Yataklar, az sürtünme ile haraketi sağlamalarının yanı sıra mil veya aksı taşıyıcı bir işlevde gördüğünden bir kuvvete maruz kalırlar. Taşıdığı bu kuvvetin yönünün bu yatağın merkezine doğru olması halinde de radyal yatak , ekseni doğrıultusunda olması halinde de eksenel yatak diyede adlandırılırlar . Herhangi bir kuvvet taşıma görevi olmayan sadece mili belirli bir konumda tutması , kılavuzlaması istenen yataklarada kılavuz yatak adı verilir. Kaymalı yatakları ; yağlayıcı elamanlarının sıvı , gres ve katı yağlayıcı olmasına görede sınıflandırabiliriz. Mil ve yatak arasında yağ filminin oluşması açısından ise kaymalı yataklar iki sınıfa ayrılırlar; Hidrostatik kaymalı yataklar : yağ filminin , yağın dışarıdan bir pompa tarafından mil ile yatak arasına basılması sayesinde meydana geldiği yataklardır. Hidrodinamik kaymalı yataklar : yağ filminin milin haraketi sayesinde kendiliğinden oluşan yataklardır. Kaymalı yataklar , mil ve yatak arasında geniş bir alanı kapsayan yağ filmi sayesinde rulmanlı yataklarla hem gürültü hemde titreşimi sönümlediklerinden karşılaştırıldıklarında genelde daha sessiz çalışırlar . Doğru konstrüksiyonda , sürekli sıvı sürtünme sağlandı ise ömürleri sonsuzdur , devir sayısının sınırı yoktur, imalatları da kolaydır . Kaymalı yatak tasarımına başlarken en önemli adım doğru yatak malzemesini seçmektir .yatağın boyutları ve şekli ,mil ile yatak arasında yağ filmini oluşturarak tam bir sıvı sürtünmenin gerçekleşmesini sağlamalıdır .Sıvı sürtünme halinde yatak malzemesinden beklenen ,yağın sanki yatak yüzeyine yapışıyormuşcasına bir film oluşturması ve yatak yükü altında sınır dışı bir deformasyona uğramamasıdır. Kaymalı yatak malzemesi olarak teknikte ilk zamanlar tahta ,demir, deri yada tekstil türünde maddeler kullanılmıştır. Zamanla bunların yerini pirinç ve bronzla ayrıca kalay esaslı yada kalayın pahalı olması ve temininin biraz zor olmasından dolayı kurşun esaslı olarak yapılan ve çok iyi zor koşullarda çalışabilme özelliği gösteren özel yatak malzemeleri kullanılmaya başlanmıştır. Bunları takiben yatakta yüklenebilirlik için daha iyi beklentileri karşılamak amacıyla daha yüksek sertlikte fakat zor koşullarda çalışabilme kabiliyeti biraz düşük olan bakır esaslı kaymalı yatak malzemeleri kullanılmaya başlandı . Son zamanlarda özelliklerle içten yanmalı motorlar için , aliminyum esaslı kaymalı yatak malzemeleri geliştirilmiş ve kullanılmaya başlanmıştır. Ergitme metalürjisi ile üretilen metalik kaymalı yatak malzemelerinin yanında kısmen yeni özelliklerde taşıyan (kendi kendine yağlama) ve toz metalürjisi ile üretilen (sinter kaymalı yatak 96
malzemeleri ) ve belirli kullanım alanları için yüksek polimer malzemelerden kaymalı yataklarda bugün kullanılmaktadır. Kaymalı yatak için kullanılan diğer malzemeler (dökme demir yumuşak lastik ve benzeri ), yanlızca çok kötü koşullarda kaymalı yataklarda özel beklentilere yeterli çözüm bulabildiklerinde kullanılırlar. Bundan dolayı bu tarz malzeme çeşitleri çok daha az öneme sahiptir.Ancak bunların kullanımıyla özel durumlarda teknik ve ekonomik olarak en iyi çözüm sağlanmış olur. Kalay ve kursun esaslı alaşımlar Beyaz metal teriminden kalay yada kurşun esaslı bir dizi alaşım anlaşılır .TS 5032 de (1976) standartlaştırılan bu alaşımların bileşimi tablo1 de verilmiştir. Önemli özellikleriyle kullanım yerleri ile ilgili bilgiler de Tablo 2 de verilmiştir. Bu alaşımların özgül ağırlıkları kalayı az alaşımlarda yaklaşık 10 gr/cm3 ve kalayı zengin alaşımlarda 7,4 gr/cm3 kadardır. Boyuna doğrultuda ısıl genleşme katsayısı , 24 ile 20*10-6 1/K arasında değişir. Mekanik teknolojik özellikleri büyük ölçüde yapıya ( kaba yada ince taneli) bağlıdır. Bu özelliklere uygun yönde etki etmek için ,yapının ince olmasına ve intermetalik fazların homojen olarak dağıtılmasına çaışılır. Tüm beyaz metallerin yapı teşekkülü benzerdir.Yumuşak ötektik ana yapı içerisinde ,primer yada sekonderçökebilen sert ve kırılgan kristal faz olarak intermetalik faz dağılmıştır. Kalayı zengin beyaz metallerin katılaşması ( yaklaşık 430 C0 ),SbSn fazının kristalizasyonu ile kitlenen Cu6Sn5 iğnelerinin teşekkülü ile yönlenir. Kalyı zengin artık eriyik ,230 C0 de katılaşır. Kurşun esaslı alaşımların kristalizasyonu, intermetalik Cu2Sb fazının teşekkülü ile başlar, devam eden soğumada SbSn kristalleri (PbSn 10) veya antimonu zengin katı çözeltiler teşkil eder. Kurşunu zengin artık eriyik ötektik oarak katılaşır. Antimon yanlızca bakır gibi intermetalik faz teşekkülü ile taşıyıcı görev yapmaz, aynı zamanda kurşunun katı çözeltisinde de dayanımı arttırır . Kurşunu zengin beyaz metallerde bulunan diğer alaşım elamanlarından kadminyum dayanımı ve sıcakta sertliği yükseltir. Arsenik tane inceltici etkisiyle dayanımı iyileştirir. Nikel, antimon ve kalyla intermetalik faz teşekkül ettirilir. Kalaydan tasarruf etmek amcıyla geliştirilen çökelmeyle sertleştirilebilen kurşun esaslı yatak alaşımları kalsiyum, sodyum, magnezyum ve baryum (veya lityum) ilavesiyle daha iyi özellikler gösterirler. Fakat üretimlerinde büyükteknolojik güçlükler vardır ve bu nedenle de sınırllı kullnaılırlar. Beyaz metal çok üstün kayma ve alışma özelliğine sahiptir, ancak darbeli çalışma için uygun değildir. Alaşımdaki bakır ve antimon oranları arttırılarak sertliği arttırılır.Beyaz metal genellikle ince bir tabaka halinde döke demir çelik veya hafif metal zarflara dökülür. Teflon® Makinanızda, tesisinizde; yağlama yapmak istemiyorsanız ya da yağlama olanaksızsa; titreşim ve gürültü olmasını istemiyorsanız; statik ve dinamik sürtünme katsayılarının çok düşük olması gerekliyse; yağlar, yağlama özelliklerini kaybediyor ve yağların ayrışıp buharlaştığı yüksek sıcaklık ortamı oluşuyorsa; korozif ortamlarda çalışıyorsanız; ürün kirlenmesinin önlenmesi gerekiyorsa; bakım yapma olanağı yoksa; yatakların yalıtkan olmasını istiyorsanız; ideal çözüm Teflon Yataklardır. Metal yatakların kullanıldığı sistemlerde yağlayıcı kullanma zorunluluğu ve yağlayıcıların neden olduğu sorunlar, yağlamasız kullanılabilen TEFLON yatakların, sürekli genişleyen bir uygulama alanına sahip olmasını sağlamaktadır. Çok düşük sürtünme katsayıları, geniş sıcaklık aralığında kullanılmaları, mükemmel kimyasal dayanımları ve yeterli mekanik özellikleri nedeniyle TEFLON malzemeler yatak olarak kullanılırlar. Alaşımlı TEFLON malzemelerin saf TEFLON malzemeye göre aşınma ve yük altında deformasyona karşı daha yüksek dirence, yüksek ısı iletkenliği ve düşük termal genleşmeye sahip olmaları, soğukta akmaya (cold flow) karşı dirençlerinin yüksek oluşu, bunun yanında oldukça düşük sürtünme katsayısına sahip olmaları ve saf TEFLON gibi geniş sıcaklık aralığında sürekli kullanılabilmeleri; bazı uygulamalar dışında genellikle yatak malzemesi olarak saf TEFLON' un yerine alaşımlı TEFLON malzemelerin seçilmesine neden olur. Saf TEFLON
97
yataklar alaşımlı TEFLON yatakların kimyasal dayanımlarının yetersiz olduğu yerlerde ve daha çok düşük hız ve düşük yükte çalışan sistemlerde kullanılırlar. TEFLON yataklar; - Yağlama gerektirmezler, dolayısıyla yağlayıcıların neden olduğu sorunları ortadan kaldırırlar. - Kimyasal maddelere ve korozyona dayanıklıdırlar. - Eş çalıştıkları mil yüzeyini bozmazlar, aşındırmazlar. - Sürtünmeyi azaltırlar. - İlk harekette statik durumdan dinamik duruma geçerken tutukluk olayı görülmez, dolayısıyla demaraj yükü çok azdır ve motorlarda ilk harekette aşırı yüklenme olmaz. - Titreşimsiz ve gürültüsüz çalışırlar. - Kullanılan dolgu maddesine bağlı olarak, elektriksel izolasyon veya iletkenlik özelliği gösterirler. Bakım gerektirmeden uzun süre çalışırlar. TEFLON yataklar çeşitli TEFLON takoz, içi boş takoz, çubuk veya bunun gibi yarımamullerden mekanik işlemeyle elde edilebileceği gibi; sipariş üzerine POLİKİM tarafından çeşitli boyutlarda, saf veya alaşımlı TEFLON malzemeden de imal edilebilirler. Teflon Yataklarda Dizayn Esasları 1. Sürtünme Katsayısı TEFLON bütün katılar içinde en düşük sürtünme katsayısına sahip bir malzemedir. Statik ve dinamik sürtünme katsayısı birbirine çok yakındır. Bu durum ilk harekette tutukluk olmamasını sağlar. Yapılan son araştırmalar; TEFLON alaşımlarının çelik vb. metallere karşı sürtünme katsayılarının çok düşük ve saf TEFLON' un aynı şartlardaki sürtünme katsayısına çok yakın olduğunu ortaya koymuştur. Sürtünme katsayısı, TEFLON' la eş çalışan malzeme cinsi ve yüzey temizliği, yatak yükü, yüzeysel hız ve sıcaklık gibi faktörlere bağlıdır. TEFLON yatakların eş çalıştığı yüzey, TEFLON veya çelik ise sürtünme katsayısı düşüktür. Ancak karşı yüzeyin TEFLON olması tercih edilmez. TEFLON' un ısı iletkenliği çok düşüktür. Sürtünmeden dolayı oluşan ısı iletilip dağıtılamaz. Bu durum aşınmanın artmasına neden olabilir. TEFLON yatakların eş çalıştığı yüzeyin çelik vb. metaller olması tavsiye edilir. Alüminyumla eş çalıştığı zaman sürtünme katsayısı biraz yüksektir. Sürtünme katsayısına etki eden faktörlerden biri de yüzey temizliğidir. TEFLON' la eş çalışan malzeme yüzeyi uygun temizlikte ise çalışma sırasında TEFLON yüzeyinden bazı partiküller, diğer malzeme yüzeyine yapışır. Bir süre sonra karşı yüzey üzerinde ince bir TEFLON filmi oluşur, böylelikle TEFLON, TEFLON üzerinde çalışmaya başlar. Bundan dolayı TEFLON yataklar belli bir çalışma süresinden sonra en düşük sürtünme katsayısına sahip olurlar. En uygun karşı yüzey temizliği, taşlama ve honlama ile elde edilebilen 0.2-0.4 µm Ra (CLA) arasındadır. Sürtünme katsayısı yükleme ile ters orantılı olarak değişir. Bu nedenle TEFLON yataklar büyük yüklerde de düşük sürtünme katsayıları ile çalışırlar. Yüzeysel hızın artmasıyla TEFLON' un sürtünme katsayısı önce artar, belli bir hızdan sonra değişmeden kalır. Sürtünme katsayısının sıcaklıkla değişimi ihmal edilebilecek kadar azdır. Bütün çalışma sıcaklık aralığında sabit olduğu kabul edilebilir. 2. Hız, Yük ve PV Limitleri TEFLON yataklar yağlamalı ve yağlamasız sistemlerde başarıyla kullanılmaktadır. Dolgu maddesi cinsi, yağlama durumu, yükleme ve ısıya bağlı olarak maksimum yüzeysel hız 30900m/dak. arasında değişir. TEFLON yataklara uygulanabilen maksimum yük "Birim Yük Limiti" olarak adlandırılır. Birim yük limiti; yatak kalınlığı, dolgu maddesi cinsi, sıcaklık ve yüzeysel hıza bağlı olarak 25-80 kg/cm² arasında değişir. Birim yatak yüzeyindeki çalışma basıncı olarak tanımlanan "Birim Yatak Yükü"(P.kg/cm²); aynı sıcaklıktaki Birim Yük Limiti' nden az olmalıdır. Burada "Yatak Yüzeyi", yatak çapı ile yatak boyunun çarpımı kabul edilir. "Birim Yatak Yükü x Hız" (P.V) değeri belli sınırları aşmamalıdır. PV Limiti olarak adlandırılan bu sınır, TEFLON yatak dizaynında önemli parametrelerden biridir. PV limitleri hesaplanırken, 98
çeşitli hızlarda yük limitleri bulunur ve grafiğe geçilir. Malzemenin çalışma PV değeri, PV limitinin altında olmalıdır. 3. Aşınma TEFLON yatak dizaynında gözönünde tutulması gereken önemli özelliklerden biri, TEFLON malzemenin aşınma direncidir. Alaşımlı TEFLON malzemeler aşınmaya karşı iyi direnç gösterirler. Dolgu maddelerinin eklenmesi ile saf TEFLON' un aşınma direnci bazı hallerde 1000 kata kadar arttırılabilir. Aşınma; PV limiti ve zaman ile orantılıdır. Orantı katsayısı K, aşınma faktörü olarak adlandırılır. R : Radyal Aşınma, cm P : Birim Yatak Yükü, kg/cm2 V : Yüzeysel Hız, m/dak. T : Zaman, saat. K : Aşınma Faktörü, cm3 dak./kg.m.saat olmak üzere, radyal aşınma aşağıdaki eşitlikten bulunabilir. R = KPVT K, Aşınma faktörü, her malzeme için karakteristik bir parametredir. Aşınmaya etki eden faktörler, PV limiti, çevre sıcaklığı, karşı yüzey temizliği ve sertliği, alaşımlı TEFLON malzemedeki dolgu maddesi cinsi ve miktarıdır. PV limitinde çalışan yataklarda aşınma hızı çok yüksektir. Bu nedenle çalışma PV değeri, PV altında olmalıdır. Yatak malzemesi seçiminde, aşınma faktörü ile PV limiti birlikte düşünülmelidir. Sadece PV limiti gözönüne alınarak yapılacak bir seçim yanlış sonuç verebilir. TEFLON yatağın birlikte çalıştığı yüzeyin temizliği de aşınmaya etki eder. Taşlama veya honlama ile sağlanabilen 0.2-0.4 µm Ra (CLA) yüzey temizliği en az aşınmayı sağlamak için uygundur. Daha kaba veya daha düzgün bir yüzey, TEFLON film oluşmasını engeller. Bu nedenle sürtünme ve dolayısıyla aşınma artar. Aşınmaya etki eden bir başka faktör çevre sıcaklığıdır. Sıcaklıktaki artış, TEFLON yatağın aşınma hızını arttırır. Sonuç olarak; aşınmanın en aza indirilmesi için bütün bu faktörler arasında bir denge sağlanması gerekir. 4. Malzeme Seçimi TEFLON yatakların performansını ve çalışma ömrünü etkileyen faktörlerden biri de yatak malzemesidir. Aşağıda çeşitli koşullarda hangi malzemenin tercih edildiği kısaca açıklanmıştır. Mükemmel kimyasal dayanımın gerekli olduğu durumlarda ve genellikle düşük hız, düşük yük uygulamalarında Saf TEFLON malzeme tercih edilir. Bunun dışındaki diğer bütün uygulamalarda yatak malzemesi olarak alaşımlı TEFLON kullanılır. Bunların içinde de en çok kullanılan malzeme Karbonlu TEFLON' dur. Yük altında deformasyona ve aşınmaya karşı direnci ve ısı iletimi yüksektir. Düşük ve yüksek PV değerlerinde rahatlıkla kullanılır. Karşı yüzeyi aşındırmaz. Kuru ve sulu ortamlarda kullanılabilir ancak oksitleyicilere karşı dayanımı cam elyaflı TEFLON malzemeden daha düşüktür. Genellikle çekme dayanımı, kopma uzaması gibi özelliklerin önemli durumlarda K-25; aşınma ve yük altında deformasyona karşı direncin önemli olduğu durumlarda K-35 tercih edilir. Cam Elyaflı TEFLON malzeme, genellikle düşük ve orta PV değerlerinde (daha çok düşükyük;yüksek hızlarda) ve kimyasal dayanımın önemli olduğu durumlarda tavsiye edilir. TEFLON alaşımları içinde en iyi kimyasal dayanıma sahip malzemedir. Sadece alkalilere dayanımı azdır.Karşı yüzey yeterince sert değilse, yüksek PV değerlerinde karşı yüzeyi aşındırabilir. Genellikle çekme dayanımı, kopma uzaması gibi özelliklerin önemli olduğu durumlarda C-15; aşınma ve yük altında deformasyona karşı direncin önemli olduğu durumlarda C-25 tercih edilir. Bronzlu TEFLON malzeme, yük altında deformasyona ve aşınmaya karşı direnci ve ısı iletkenliği en yüksek, standart alaşımlı TEFLON malzemedir. Ancak kimyasal dayanımı iyi değildir. Genel olarak bronzu etkileyen kimyasal ortamlar, bronzlu TEFLON malzemeyi de etkiler. Bu nedenle, yüksek kimyasal dayanımın gerekli olmadığı durumlarda, düşük ve yüksek 99
PV değerlerinde kullanılabilir. Karşı yüzey yeterince sert değilse, yüksek hızlarda karşı yüzeyi aşındırabilir. Su ve solventlerde kullanılır, düşük hızlarda kuru şartlar için de uygundur. Diğer alaşımlı TEFLON malzemeler göre özgül ağırlığı daha yüksektir. 5. Toleranslar TEFLON yatakların uzun ömürlü olması için, yatak dizayınında ve işlenmesinde dikkat edilecek en önemli nokta iç çapta verilen çalışma toleransıdır. Oda sıcaklığındaki (20-30°C) minimum boşluk (çapta yatak toleransı) şöyle hesaplanır; - PV < 175 kg.m/cm2.dak ise, Çaptaki Minimum Boşluk = 0.0002t+0.01)W+0.05mm. dir. Burada, t = İşletme şartlarındaki ortam sıcaklığı, °C. W = Yatak et kalınlığı, mm.dir. - PV > 175 kg.m/cm2.dak ise, yukarıdaki tolerans 0.02W kadar arttırılmalıdır. 6. Yuvaya Takma TEFLON yataklar yuvalarına sıkı geçme suretiyle takılır. 25 mm dış çapa kadar olan yataklarda 0.01 mm/mm geçme toleransı (dış çapta) tavsiye edilir. Daha büyük yataklarda minimum geçme toleransı 0.1 mm+(0.005xD) mm. olmalıdır. Burada D, dış çaptır. Yuva ağzında 15° lik havşa yapmak yararlıdır, havşa boyu; çapı 50mm ye kadar olan yataklarda 1 mm, daha büyüklerde 1.5 mm olmalıdır. Sıcaklık değişiminin fazla olduğu durumlarda veya PV değerinin 90kg.m/cm².dak dan veya birim yükün 35 kg/cm² den büyük olduğu durumlarda, yatağın yuva içindeki hareketine tesbit plakası,kama veya yapıştırmak suretiyle engel olunmalıdır. Yatak tamamen dışarıda işlenip yuvaya takılacaklarsa, iç çapın toleransına dış çapa verilen çakma toleransını eklemek gerekir, fakat en ideal işleme şekli TEFLON yatağı yuvaya taktıktan sonra iç çapı işlemektir. 7. Et Kalınlığı Genel olarak yatak et kalınlığı, iç çapın 1/8 ine eşit veya daha küçük seçilir. Ortam sıcaklığı yüksek ve PV > 110 kg.m/cm². dak. ise bu oran 1/16 olarak alınır. Eğer yatak et kalınlığının fazla olması zorunluluğu varsa, bu durumda yatak muhafazası soğutulmalıdır. 8. Yatak Boyu Genellikle yatak boyu, yatak çapının 1.5-2 katı uzunlukta olmalıdır. Eğer yatak yükü fazla ise yatak boyu daha uzun tutularak birim yatak yükü azaltılır. 9. Yüzey Temizliği TEFLON yatağın eş çalıştığı yüzey üzerinde ince bir TEFLON film oluşturması, dolayısıyla aşınmanın azalarak yatak ömrünün artması için en uygun yüzey temizliği, taşlama ve honlama ile elde edilebilen 0.2-0.4 µm. Ra (CLA) dır. Taşlama olanağı olmadığı durumlarda mil yüzeyinin 0 numara (en ince) su zımparası ile zımparalanması tavsiye edilir. Kritik işletme şartlarında, karşı yüzey üzerinde film oluşuncaya kadar meydana gelebilecek ilk aşınmayı azalmak için, mümkünse ilk montajda yatakların 30 dakika kadar normal işletme hızlarının yarısı kadar bir hızla ve birkaç damla ısıya dayanıklı yağda yağlanarak çalıştırılmaları tavsiye edilir. Teflon Yatakların Kullanma Yerleri TEFLON yatakların bazı kullanma yerleri şöyle sıralanabilir: - Gıda, tekstil, kağıt ve ilaç sanayileri gibi, ürün temizliğinin önemli olduğu alanlar. Örneğin : Taşıyıcı bantlar, 100
Karıştırıcılar, Süt ve yoğurt makinaları, Dondurma makinaları, Ve benzerleri. - Yağlama özelliği olmayan sıvı ortamlar. Örneğin : Benzin, Endüstriyel solventler Ve benzerleri. - Kuvvetli asit ve alkaliler gibi korozif ortamlar. - Bakım gerektirmeden uzun çalışma ömrü istenen yerler. Örneğin : Karıştırıcılar, Elektrik motorları, Çamaşır makinaları, Sinema makinaları, Dikiş makinaları, Ve benzerleri. - Yağlamanın işe yaramadığı, çok düşük sıcaklıklarda çalışan ekipmanlar. Örneğin : Sıvı azot ekipmanları, Freon sistemleri, Ve benzerleri. - Normal yağların ayrıştığı veya buharlaştığı çok yüksek sıcaklıklarda (+270°C' e kadar) çalışan ekipmanlar. - Diğer kuru yatakların düzgün çalışmadığı, çok düşük veya yüksek nemli ortamlar. - Yağın diğer yataklardan atıldığı, düşük devir ve ağır yüklerde çalışan ekipmanlar. Örneğin : Vinçler, Kaldırma makinaları, Ve benzerleri. - Millerin yataklara yapışması ve tutukluk yapması ihtimali olan yerler. - Gürültü ve titreşimin istenmediği durumlar. Örneğin : Fotokopi makinaları, Saç kurutma makinaları, Ve benzerleri. - Gidip-gelme ve dönme sistemlerinde olduğu gibi, çok düşük sürtünme özellikleri gerektiren durumlar. - Yağlamanın zor veya imkansız olduğu durumlar. - Ağırlıktan tasarruf edilmesi gereken ve boyutların önemli olduğu durumlar. Örneğin : Ölçü ve kontrol ekipmanları, Elektrik saatleri, Kameralar ve slayt projektörleri, Ve benzerleri. - Elektriksel izolasyon özelliği gerektiren durumlar.
101
Teflon' nun Mekanik Özellikleri ÇEKME DAYANIMI Değişik sıcaklıklar için çekme gerilmesine karşı deformasyon eğrileri Şekil-1'de verilmiştir. Birçok plastikte olduğu gibi elastik bölgedeki eğri lineere yakındır. Akma, büyük deformasyonlardan sonra başlar, TEFLON' un kopmada çekme dayanımı 23°C' de 140-380 kg/cm² arasındadır.
Şekil 1 - TEFLON' un Çekme Dayanımı Dayanımı
Şekil 2 - TEFLON' un Basma
BASMA DAYANIMI Basma gerilmesine karşı deformasyon eğrileri,düşük deformasyon değerlerinde, çekme gerilmesi -deformasyon eğrilerine benzer. Deformasyon arttıkça eğriler farklılaşır.(Şekil-2) TEFLON' un basma dayanımı %1 deformasyon için, 23°C' de 45-50 kg/cm² arasındadır. KESME DAYANIMI Kesme gerilmesine karşı deformasyon eğrileri Şekil-3' de verilmiştir. Basma, çekme ve kesme dayanımı grafiklerinden, önce izin verilen deformasyon saptanmalı sonra buna karşı gelen gerilme bulunmalıdır.
Şekil 3 - TEFLON' un Kesme Dayanımı Kalıcı Deformasyon
102
Şekil 4 - Basmada
KALICI DEFORMASYON Şekil-4' de görüldüğü gibi elastik bölgeyi geçmeyen gerilmelerde kalıcı deformasyon az olmaktadır. DARBE DAYANIMI TEFLON parçalar, düşük sıcaklıklarda bile darbeye mükemmel dayanım gösterirler. Darbe dayanımı parçanın geometrik şekline büyük ölçüde bağlıdır. Dizaynda dikkat edilecek konu, keskin köşelerin elimine edilmesi ve parça içinde gerilim yığılmasının engellenmesidir. TEFLON takozların IZOD darbe dayanımı - 57°C de 10.5 - 11.5 kg-cm/cm., + 23°C de 15.5 - 16.5 kg-cm/cm.'dir Düşük sürtünme katsayısı ve yüksek aşınma direnci gibi özelliklerin yanında, mükemmel darbe dayanımları; alaşımlı TEFLON segmanların, yağlamasız kompresörlerde kırılgan karbon segmanların yerine başarıyla kullanılmalarına sebep olmuştur.
YORULMA DAYANIMI Tekrarlanan yüklemeye maruz kalan parçalarda, gerilme deformasyon eğrileri dizayn hesapları için yeterli değildir. Demir alaşımlarında olduğu gibi TEFLON parçalarda da bir gerilme değeri vardır ki, bunun altındaki gerilmeler ne kadar tekrarlanırsa tekrarlansın, TEFLON' un mükemmel esnekliğinden dolayı, malzeme buna dayanır. Bu değere "Yorulma Limiti" denir. TEFLON için 23°C de 50-70 kg/cm² arasındadır. TEFLON' un 23°C' deki eğilme modülü (flexural modulus) 3500-6300 kg/cm² arasındadır ve sıcaklıkla ters orantılı olarak değişir.Esneme ömrü (flex life) ise tekrarlanan yük miktarına ve uygulanan imalat yöntemine bağlı olarak değişir. Teflon' nun Fiziksel Özellikleri 1. ÖZGÜL AĞIRLIK Standart TEFLON takozların özgül ağırlığı, 23°C' de 2.1 - 2.2 gr/cm3 arasındadır. Özgül ağırlık uygulanan imalat yöntemine bağlı olarak değişir. 2. SÜRTÜNME TEFLON bütün katılar içinde en düşük sürtünme katsayısına sahip olan malzemedir. Statik ve dinamik sürtünme katsayıları birbirine çok yakındır. Bu nedenle özellikle yatak ve segmanlarda, ilk harekette statik durumdan dinamik duruma geçerken görülen tutukluk olayı, TEFLON parçalarda görülmez. TEFLON' un sürtünme katsayısı : - Yükleme arttıkça azalır. - Hız arttıkça artar. - Sıcaklık ve çevre koşullarından çok az etkilenir. 2.4 kg/cm2 yük ve 45 m/dakika hızla statik sürtünme katsayısı yaklaşık olarak 0.04, dinamik sürtünme katsayısı ise 0.06'dır. Mekanik özelliklerinin yanında, düşük sürtünme özelliği ile TEFLON, yağlamalı ve özellikle yağlamasız sistemlerde yatak ve segman olarak geniş kullanım alanına sahiptir. TEFLON ve alaşımlı TEFLON malzemenin, eş çalıştığı yüzeyin TEFLON olması tavsiye edilmez. TEFLON' un ısı iletkenliğinin çok düşük olması, dolayısıyla sürtünmeden dolayı oluşan ısının her iki yüzey tarafından iletilememesi, aşınmanın artmasına neden olabilir. TEFLON ve Alaşımlı TEFLON malzemelerin eş çalıştığı yüzeylerin metal olması tercih edilir. 3. AŞINMA Teflon ve Alaşımlarının Teknik Özellikleri tablosunda verilen PV limitleri, TEFLON parçanın aşınma gözönüne alınmadan saptanan maksimum "Yükleme X Hız" kombinasyonlarıdır. Çalışma PV değeri, V limitinin altında olmalıdır. Aşınma, PV limiti ve zamanla orantılıdır. Orantı
103
katsayısı, K, her malzeme için karakteristiktir. K, aşınma faktörü, Teflon ve Alaşımlarının Teknik Özellikleri tablosunda da saf TEFLON ve çeşitli TEFLON alaşımları için verilmiştir. R = Radyal aşınma, cm. P = Birim yatak yükü, kg/cm2 V = Kayma hızı, m/dak. T = Zaman, saat. K = Aşınma föktörü, cm3dak./kg.m.saat olmak üzeri; R = KPVT' dir. Aşınma, iki yüzeyin yüzey temizliğine de bağlıdır. Aşınma direncinin yüksek olması gereken yerlerde TEFLON alaşımları tercih edilmelidir. Alaşımlı TEFLON malzemelerin eş çalıştığı karşı yüzeyin temizliği aşınmaya büyük etki eder. Karşı yüzey uygun temizlikte ise, çalışma sırasında bazı TEFLON partikülleri bu yüzey üzerinde ince bir TEFLON filmi oluşturur. Böylelikle kısa bir çalışma süresinden sonra TEFLONTEFLON sürtünmesi sağlanır. En az aşınmayı sağlayacak optimum yüzey temizliği, taşlama, honlama veya lepleme ile elde edilebilen 0.2-0.4 µm Ra (CLA) dır. 4. YAPIŞMAZLIK Molekül yapısı nedeniyle TEFLON malzemelerin yüzeyi yapışmazlık özelliğine sahiptir. Diğer malzemelerin TEFLON' a yapışması çok güçtür. Yapışma istenen durumlarda, TEFLON' un yüzeyi özel tekniklerle hazırlanarak yapışacak hale getirilir. Bu özelliği ile TEFLON hortumlar en yapışkan akışkanların bile iletiminde kullanılmaktadır. Ayrıca, tekstil sanayiinde TEFLON kaplı haşıl ve kurutma silindirleri, gıda sanayiinde çikolata ve bisküvi kalıpları ve TEFLON kaplı çeşitli mutfak eşyaları yaygın olarak kullanılmaktadır. 5. GEÇİRGENLİK TEFLON' un gazlara ve su buharına karşı geçirgenliği yaklaşık olarak diğer termoplastikler kadardır. Çeşitli deneyler sonucu 23 °C' deki Oksijen geçirgenliği 1 x 10 -9 cm3 cm/cm2 sa. cm Hg bulunmuştur. Bu değer, aynı birimde Hidrojen için 2.4 x 10 -9 Azot için 4 x 10 -9 civarındadır. 0.05 - 0.02 mm. kalınlık aralığındaki TEFLON filmlerin 24 saatteki su buharı geçirgenliği ortalama olarak 0.9 - 1.8 gr/m2' dir. Geçirgenlik; imalat yöntemi, kalınlık, sıcaklık, basınç ve gazın cinsine, büyük ölçüde bağlıdır. Özel imalat yöntemleri ile muhtelif miktarda porozite yaratılarak TEFLON parçaların filtre olarak kullanılmaları sağlanır. Teflon' nun Termal Özellikleri 1. YÜKSEK SICAKLIKLARA DAYANIM TEFLON, sanayi plastikleri içinde en geniş sıcaklık aralığında kullanılabilen bir polimerdir.260°C ile + 270°C sıcaklık aralığında sürekli kullanılabilir. Kısa süreler için 300-325°C' lere çıkılabilir. 325°C' nin üzerindeki uzun süreli kullanımlarda dekompoze olur, bazı fluorlu gazlar açığa çıkar. Yüzeyine alev yaklaştırılırsa yanmaya başlar, alev uzaklaştırıldığında yanma hemen durur. TEFLON 327°C' de parçanın şeklini ve direncini koruyan, vizkozitesi çok yüksek, hemen hemen şeffaf bir pelte haline gelir, diğer termoplastikler gibi erimez. Yüksek sıcaklıklara dayanım ve yanmama özellikleri ile birlikte mükemmel dielektriksel özellikleri, TEFLON' un 200°C' ye kadar izolasyon malzemeleri arasında yer almasını sağlamaktadır. 2. DÜŞÜK SICAKLIKLARA DAYANIM TEFLON, mutlak sıfıra yakın derecelere kadar özelliklerini ve esnekliğini korur. Sıvı helyumda dahi kırılgan değildir. Bu özelliği ile düşük sıcaklık uygulamaları için de idealdir. Örneğin; oksijen ve sıvı hava kompresörlerinde TEFLON segmanlar, freon ile çalışan sistemlerde TEFLON contalar başarıyla kullanılmaktadır. 3. ISI İLETKENLİĞİ
104
Bütün plastiklerde olduğu gibi TEFLON' un da ısı iletkenliği düşüktür, iyi bir ısı izolasyon malzemesidir. 30°C' deki ısı iletkenlik katsayısı 5.5 x 10-4 - 6.0 x 10-4 cal/cm. sn.°C. arasındadır. 4. ELASTİK HAFIZA ( Elastic Memory ) Belli bir deformasyona uğratılan TEFLON parçalar, baskı kaldırıldıktan sonra ilk şekillerine dönmeye çalışırlar. Normal sıcaklıklarda bu geriye dönüş çok yavaştır, sıcaklık arttıkça Diyafram ve bunun gibi karmaşık şekilli parçalar, bazı durumlarda, özel bir yöntem olan sıcak şekillendirme yolu ile imal edilmektedir. Bu tür parçalar yüksek sıcaklıklarda (genellikle 200°C' nin üzerinde) kullanıldıkları zaman boyutlarında deformasyon görülebilmektedir.Bunların kullanılabileceği maksimum sıcaklık kullanıcının istediği sıcaklıklara göre bir imalat yöntemi uygulanmaktadır. Tüm yarı-mamullerimiz ve bu tür parçalar dışındaki tüm mamullerimiz -260°C, +270°C sıcaklık aralığında tereddütsüz kullanılabilir. 5. TERMAL GENLEŞME TEFLON' un lineer termal genleşme katsayısı metallere göre çok yüksektir. Örneğin çeliğin termal genleşme katsayısının yaklaşık 10 katı kadardır. 25°C - 100°C sıcaklık aralığında değeri 12.5 x 10-5 - 16.0 x 10-5 °C-1' dir. TEFLON, 327°C' deki geçiş bölgesinin dışında, 19°C civarında bir geçiş bölgesine daha sahiptir. Bu sıcaklıktan geçilirken parça boyutlarında % 0.3 - 0.6 arasında bir değişiklik olur. Şekil-1' de sıcaklığa karşı özgül hacim eğrisi, Şekil-2' da sıcaklığa karşı lineer termal genleşme eğrisi verilmiştir. Termal genleşme katsayılarındaki farklar nedeniyle, saf ve alaşımlı TEFLON parçaların işleme toleransları da değişir. Düşük termal genleşme katsayısı ve yüksek ısı iletkenlikleri nedeniyle alaşımlı TEFLON parçalar daha hassas işlenebilir
ŞEKİL 1 - TEFLON' un Özgül Hacminin Lineer Termal Sıcaklıkla Genleşmesi
ŞEKİL 2 - TEFLON' un Değişimi
Teflon' nun Elektriksel Özellikleri Düşük sürtünme katsayısı, kimyasal dayanımı, kırılgan olmayışı, yanmazlığı, yüksek sıcaklıklara dayanımı gibi birçok önemli özelliklerinin yanında TEFLON, kritik elektriksel ve elektronik uygulamalarda gerekli olan önemli elektriksel özelliklere de sahiptir. Bu özellikleri ile çok iyi bir elektriksel izolasyon malzemesidir.
105
1. DİELEKTRİK SABİTİ TEFLON' un dielektrik sabiti çok düşüktür. Değeri 2.0 - 2.1 arasındadır. Sıcaklık, frekans ve nemdeki büyük değişikliklerden etkilenmez. Başka hiçbir termoplastik bu dielektriksel özelliğe sahip değildir. 2. DİELEKTRİKSEL KAYIP FAKTÖRÜ TEFLON aynı zamanda çok düşük dielektriksel kayıp faktörüne sahiptir. -100 °C ile +250 °C sıcaklık ve 50 Hz ile 107 Hz frekans aralığında değeri 1 x 10-4 den daha küçüktür. Nem ve frekans değişimlerinden etkilenmez. 3. DİELEKTRİKSEL DAYANIM TEFLON' un dielektriksel dayanımı yüksektir ve sıcaklıktan bağımsızdır. Bütün izolasyon malzemelerinde olduğu gibi, kalınlık arttıkça birim dayanım azalır. 0.1 mm kalınlık için, dielektriksel dayanım, 40-80 kV/mm' dir 4. YÜZEYSEL ARK DİRENCİ TEFLON' un yüzeysel ark direnci yüksektir. Uzun süreli arka maruz kalsa bile yüzeyi bozulmaz, karbonlaşma olmaz. 5. HACİMSEL VE YÜZEYSEL DİRENÇ TEFLON' un hacimsel ve yüzeysel dirençleri çok yüksek ve sıcaklıktan bağımsızdır. 23°C' de %50 bağıl nemde hacimsel direnç 1018 ohm-cm' den; yüzeysel direnç ise 1016 ohm' dan daha büyüktür. TEFLON bu özellikleri ile telsiz, uçaklar, roketler, uzay araçları, bilgisayarlar ve bütün elektronik ve endüstriyel uygulamalarda kablo yalıtkanı olarak kullanılmaktadır. 200°C sıcaklığa kadar izolasyon malzemeleri içinde yer almaktadır. Teflon' nun Kimyasal Özellikleri TEFLON, kimyasal dayanım bakımından, bilinen en iyi malzemedir. Çalışma sıcaklık aralığında (-260°C ile +270°C), sanayide kullanılan bütün asitler, bazlar ve çözücülere tam dayanıklıdır. Hiç bir kimyasal maddede erimez, çözünmez ve yumuşamaz. Sadece erimiş veya çözünmüş haldeki saf sodyum, saf potasyum gibi alkali metaller ve fluor gazı, yüksek sıcaklık ve basınç altında TEFLON' a etki ederler. TEFLON' un korozyona dayanımı sonsuzdur. Korozif maddelerle çalışan ortamlarda, pompa, vana, boru, bağlantı parçaları gibi ekipmanların TEFLON' la kılıflanması ve çeşitli TEFLON malzemenin kullanılması, korozyon problemlerinde mutlak çözümdür. Teflon' nun Fizyolojik Özellikleri TEFLON' un çalışma sıcaklık aralığında insan sağlığı üzerine hiçbir etkisi yoktur. Cildi tahriş etmez. Mutfak eşyalarının kaplanmasında, gıda ve ilaç gibi sanayi kollarında çeşitli uygulamalar için tereddütsüz kullanılır. 325°C' nin üzerindeki sıcaklıklarda dekompozisyon sonucu açığa çıkan fluorlu gazlardan korunmak için havalandırma şarttır. Ayrıca TEFLON' un işlenmesi sırasında TEFLON tozlarının tütüne bulaşmasını ve sigara yakıldığında dekompoze olmasını önlemek amacıyla çalışma sahasında kesinlikle sigara içilmemelidir. Teflon® Alaşımları TEFLON ALAŞIMI
TİPİ
CAM ELYAFLI TEFLON
C-15 C-25
BAŞLICA KULLANMA YERLERİ - Yük altında deformasyona, aşınma ve - Keçeler soğukta akmaya karşı dirençleri iyi. - Keçe ringleri - Asitlere ve oksidasyona dayanımı yüksek - Contalar - Elektriksel izolasyon özelliği yüksek - Vana Setleri
ÖZELLİKLERİ
106
- Diğer vana parçaları - Segmanlar - Yataklar
KARBONLU K-25 K-35 TEFLON
BRONZLU TEFLON
B-60
- Yük altında deformasyona karşı direnci çok iyi. - Yataklar - Kuru ve yağlı ortamlarda aşınma direnci - Segmanlar yüksek. - Contalar - Korozif ortamlara dayanıklı - Keçe ringleri - Sulu ortamlar için ideal - Isı iletkenliği yüksek - Yük altında deformasyona, aşınma ve soğukta akmaya karşı dirençleri çok iyi. - Yataklar - Kimyasal dayanımı, Karbonlu ve Cam - Segmanlar elyaflı TEFLON' a göre daha az - Vana Setleri - Isı iletkenliği yüksek - Diğer vana parçaları - Mekanik olarak işlenmesi kolay
- Bütün katılar içinde en düşük sürtünme katsayısına sahip olma, - Sanayide kullanılan hemen hemen bütün kimyasallara dayanım, - Tüm sanayi plastikleri içinde en geniş sıcaklık aralığında (-260°C , +270°C) sürekli kullanılabilme, - Yapışmazlık, yanmama, - Yüksek elektriksel izolasyon özelliği, - Hava şartları ve nemden etkilenmeme, ve bunun gibi üstün özelliklerinin birarada oluşu nedeniyle TEFLON; birçok uygulamada tek çözüm olarak ullanılmaktadır.Ancak saf TEFLON malzemenin bazı kullanım yerlerinde yetersiz kalan fiziksel özelliklerini geliştirmek amacıyla, malzemeye polimerizasyon sırasında bazı dolgu maddeleri eklenerek TEFLON ALAŞIMLARI imal edilmektedir. TEFLON malzemenin özelliklerinde aşağıdaki değişiklikler elde edilebilir. - Aşınma direncinde 1000 kata varan artış, - Soğukta akma direncinde 2-5 kat, yük altında ilk deformasyona karşı dirençte %30-60 oranında artış, - Isı iletkenliğinde 5 kata kadar artış, - Termal genleşmede % 80 oranında azalma. Bunların yanında. dolgu maddelerinin eklenmesi TEFLON' un kimyasal dayanım, elektriksel izolasyon, çekme dayanımı, kopma uzaması, esneme ömrü gibi özelliklerini, kullanılan dolgu maddesi cins ve miktarına bağlı olarak değişen oranlarda zayıflatır. Teflon' un® Genel Kullanım Alanları Üstün kimyasal, elektriksel, fiziksel, termal ve mekanik özellikleri ile TEFLON, çok geniş ve sürekli genişleyen uygulama alanına sahiptir. KİMYA SANAYİİNDE UYGULAMALAR
107
Sanayide kullanılan tüm kimyasal maddelere ve korozyona tam dayanımı ve çok geniş sıcaklık aralığında kullanabilmesi nedeniyle TEFLON, kimya sanayii için çok değerli bir malzemedir. Bazı kullanma yerleri şunlardır : - Conta, keçe, V-ring, O-ring, salmastra, bant, vana seti vb. sızdırmazlık elemanları, - Diyaframlar, - Boru, bağlantı parçaları, vana ve pompa kılıfları - Kazan, reaktör kılıfları, - Karıştırıcılar, - Hortum, körük, sparger, steamjet vb., - Laboratuvar cihazları, - Gözenekli filtreler, - Yapışkan, korozif ve yüksek sıcaklık ortamları için taşıyıcı bantlar vb. ELEKTRİK VE ELEKTRONİK SANAYİİNDE UYGULAMALAR Yüksek dielektriksel dayanımı, düşük dielektriksel kayıp faktörü, ark direncinin çok yüksek oluşu, bu özelliklerin nem ve frekanstaki değişimlerden etkilenmemesi, TEFLON' un elektrik ve elektronik sanayiinde de geniş bir uygulama alanına sahip olmasını sağlamaktadır. Bazı kullanım yerleri şunlardır : - Her türlü kablo izolasyonu ve makaronlar - Trafo, röle, anten, transformatör, radar parçaları, bağlantı parçaları, bobin, jeneratör vb. izolasyonu, - Yüksek gerilim izolatörleri, - Kapasitör ve transformatörler için hava geçirmez keçeler, - Yakıt hücreleri için elektrodlar, - Yüksek frekans kabloları için bağlantı kutusu, - Baskı devreleri için lamine levhalar, vb. ÇEŞİTLİ SANAYİİ UYGULAMALAR
108
KOLLARINDAKİ
TEFLON' un düşük sürtünme, yapışmazlık gibi fiziksel özellikleri, yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanımı, nem ve hava şartlarından etkilenmemesi ve mekanik özellikleri, çeşitli sanayi kollarında pek çok uygulama alanı bulmasına neden olmaktadır. Bazı kullanma yerleri şunlardır : - Yağlamasız yataklar ve burçlar, - Köprü, bina vb. için kayar yataklar, - Segmanlar, aşınma ringleri, sıyırıcı keçeler, - Tekstil sanayiinde; kurutma ve haşıl tamburlarına yapışmayan yüzeyler, - Çeşitli pnömatik ve hidrolik ekipman parçaları, vb •
DENEY DÜZENEĞİ
Deney elemanları : • • • • • • • • •
PTFE yatak burcu , beyaz metal yatak burcu , elektronik takometre , hız kontrol sistemiylehızı değiştirilebilir elektrik motoru , moment kolu dddenge ağırlıkları askısı , yük kolu ve askısı , 40 mm çaplı çelik mil , burcun dönmesini engelleyen ve içine termokupl ucu yerleştirilen vida, termocupl
Yatak yükü ,tel kablo çevrimiyle ve 4:1 ‘lik kol sistemiyle uygulanır.Aparatın kendi ağırlığı minimum yük olup gövdeye 55 N’luk yük uygular. PTFE ve Beya metal burç için maksimum mil hızı nmax =200d/dak , maksimum ilave yük Fimax=30 N oalrak tavsiye edilmektedir. Maksimum sıcaklık artışları ∆Tmax ise PTFE burç için 2 C0, beyaz metal burç için 4 C0 olmalıdır. •
DENEYİN YAPILIŞI
Teflon yatak burç ile ; İlave yüksüz (Fi=0) halde motor çalıştırılır . Devir sayısı n=0 dan n=150 d/dak ‘ya çıkarılır.Bu halde 1-2 dakika çalıştırılır. Deneye Fi=20 N’luk kuvvet ile deneye başlanır .Bu kuvvetin yatağa uyguladığı kuvvet ise Fn=4*20+55 =135 N dur.(yatak toplam ağırlığı 55 N ) .Daha sonra 20 N luk azaltmalarla (bu azalmanın sağlanması için kuv kolundan 5 N luk kuvvet kaldırılır )deneylere devam edilir.Her deneyde sürtünme etkisiyle bozulan moment kolu dengesini sağlayan Fd denge kuvvetleri belirlenir.Deney başlangıcındaki ve sonundaki sıcaklıklar kaydedilir .deneyler esnasında sıcaklık 2 C0 yi aşmamalıdır.
109
Beyaz yatak burç ile: Teflon burç çıkarılarak yerine beyaz metal burç takılır .Teflondan kalma artıklar deneye etki etmemesi için temizlenir temizlenir. İlave yüksüz (Fi=0) halde motor çalıştırılır . Devir sayısı n=0 dan n=150 d/dak ‘ya çıkarılır.Bu halde 1-2 dakika çalıştırılır. Deneye Fi=20 N’luk kuvvet ile deneye başlanır .Daha sonra 5 N luk azaltmalarla deneylere devam edilir.Her deneyde sürtünme etkisiyle bozulan moment kolu dengesini sağlayan Fd denge kuvvetleri belirlenir.Deney başlangıcındaki ve sonundaki sıcaklıklar kaydedilir .deneyler esnasında sıcaklık 4 C0 yi aşmamalıdır. •
VERİLER VE ÖLÇÜM DEĞERLERİ
Yapılan deneyler sonucun da elde edilen veriler aşağıdaki tabloda verilmiştir. malzeme Tb/Ts
PTFE 20,3 – 20,6
Fi ↓ 20 N 15 N 10 N 5N 0N
Fd / F e 2,95 2,65 2,4 2,1 1,75
Beyaz Metal 23,2 – 23,3 3,45 3,0 2,55 2,1 1,70
• HESAPLAMALAR VE SONUÇLAR İlave yüksüz (Fi=0) halde motor çalıştırılır . Devir sayısı n=0 dan n=150 d/dak ‘ya çıkarılır.Bu halde 1-2 dakika çalıştırılır. Deneye Fi=20 N’luk kuvvet ile deneye başlanır .Bu kuvvetin yatağa uyguladığı kuvvet ise Fn=4*20+55 =135 N dur.(yatak toplam ağırlığı 55 N ) .Daha sonra 20 N luk azaltmalarla (bu azalmanın sağlanması için kuv kolundan 5 N luk kuvvet kaldırılır )deneylere devam edilir.Her deneyde sürtünme etkisiyle bozulan moment kolu dengesini sağlayan Fd denge kuvvetleri belirlenir.Deney başlangıcındaki ve sonundaki sıcaklıklar kaydedilir .deneyler esnasında sıcaklık 4 C0 yi aşmamalıdır.
Sürtünme katsayısı : µ =
∆Fs ∆M s = ∆Fn r * ∆Fn
rmuylu = 20[mm]
Fd Sürtünme momenti : M s = Fd .300[ Nmm]
300 mm
Fd=denge kuvveti *1
Yatağa gelen normal kuvvet : Fn = 4.Fi + 55[ N ]
*4
Fi=ilave kuvvet Fn
Fi
110
Teflon için sürtünme ve ortalama sürtünme değerleri : Fd 2,95 2,65 2,4 2,1 1,75
Fi 20 15 10 5 0
4
Ms 885 795 720 630 525
Fn 135 115 95 75 55
µ 0,225 0,1875 0,225 0,2625
µ ort = 0,225
µ ort = ∑ µ i / 4 = 0,225 bulunur. i =1
Beyaz metal için sürtünme ve ortalama sürtünme değerleri : Fd 3,45 3 2,55 2,1 1,7
Fi 20 15 10 5 0
4
Ms 1035 900 765 630 510
Fn 135 115 95 75 55
µ 0,3375 0,3375 0,3375 0,3
µ ort = 0,3281
µ ort = ∑ µ i / 4 = 0,3281 bulunur i =1
•
TAVSİYELER
• Her deney sonunda yatağın çıkarılıp temizlenmesi gerekir.Grafit tozları yatağı kirletir.Daha hassas sonuç için yüzeyler temiz olmalıdır. •
En küçük dengeleyici ağırlık 0,1 N olduğundan daha hassas ölçüm yapılamaz.
111
KOJENERASYON
112
GİRİŞ KOJENERASYON SİSTEMLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Elektrik üretimine yönelik olan ve ülkemizde de yaygınlaştırılarak kullanılmak istenilen bu yeni teknoloji, ısı ve elektriği birlikte üretecek bileşik ısı - güç sistemleri (CHP) yani kojenerasyon teknolojisidir. Bu teknolojinin, ilk basit örnekleri 20. yüzyılın ilk yarısında görülmüştür. Ancak ucuz yakıt döneminde ise terk edilmiştir. 1973-1979 petrol krizlerinin ardından geliştirilerek yeniden uygulanmaya konulmuştur. Kojenerasyon, 20. yüzyılın başlarından itibaren, güç santrallerinin yerleşim birimlerinde kurulması ve bölge ısıtması yapılmasıyla başlamıştır. Bölge ısıtması konutların ve işyerlerinin ısıtma, sıcak su ve proses ısılarının bir veya birkaç merkezden sağlanmasıdır. Bölge ısıtması, 1940’ lı yıllarda yakıt fiyatlarının düşmesiyle çekiciliğini yitirmiştir. Ama 1970’ li yıllarda yakıt fiyatlarının hızla yükselmesiyle bölge ısıtmasına ilgi dünya çapında yeniden uyanmıştır. Kojenerasyon ekonomik açıdan kazançlı olmuştur. Bunun sonucu olarak son yıllarda bu tür santrallerin kurulması hızlanmıştır [3]. Kojenerasyon, merkezi ısıtma uygulamalarının yaygın olarak kullanıldığı ülkelerde daha erken gelişme ve kullanılma olanağı bulmuştur. Çünkü ABD’ de binalar çok yüksek olduğundan sıcak su ile ısıtma yapılamamakta, bunun yerine alçak basınçlı buhar kullanılarak ısıtma yapılmaktadır. Bu yüzden merkezle kullanma yeri arasında yüksek basınçlı buhar tercih edilmiştir. Bu sistemin kullanılmasının bir sebebi ise yaz aylarında büyük klima tesisleri için buhara olan ihtiyaçtır. Bu nedenle bileşik ısı – güç üreten merkezlerin yıllık verimi yüksek olmaktadır. Bu yüzyılın sonuna kadar ABD’de elektriğin % 15’inin bileşik- kojenerasyon tesislerinden sağlanması beklenmektedir. İngiltere’de 1945 yılından itibaren gelişen bölge ısıtması özellikle son 25 yıllık dönem içinde kojenerasyon sistemlerinin gelişmesi ile oldukça hızlı bir şekilde yaygınlaşmıştır. Fransa’da bölge ısıtması ile ilgili ilk büyük tesis Paris’te yapılmıştır ve buharlı olan bu sistem devamlı olarak gelişmekte olup, hem bileşik ısı–güç üreten merkezlerden hem de yalnız buhar üreten çöp yakma merkezleri tarafından beslenmektedir. Almanya’da ise bölge ısıtma uygulamaları 1930’lardan sonra kaynar suya ve özellikle bileşik ısı – güç üretimine geçilmiştir. Merkezde ayrıca çöp yakan büyük kapasitedeki buhar kazanları da bulunduğundan işletme rantabilitesi yüksek olmaktadır. İskandinav ülkeleri bu tesisler açısından en önde gelmektedirler. Danimarka, İsveç, Finlandiya ve Norveç’te toplam binaların % 30-80’ i bu sistemle ısıtılmakta olup ısıtma merkezleri birleşik ısı – güç üretimi şeklinde düzenlenmiştir [4].
113
Kojenerasyonun Gerekliliği Hayatımızın temelini oluşturan enerji kavramının, yönlendirilmesinin en zor biçimi olan ısıl enerji, insanlığın ilk ve önemli keşiflerinden biri olan ateşle birlikte bizi meşgul etmektedir. Fakat, enerjiyi biz insanlar gittikçe kendimiz için değil, kendimize karşı kullanmak gibi bir hataya düştük ve bu hatayı yaşama düzeyimizin yükselmesi olarak yorumladık. Şöyle ki; geçen yüzyıldan bu yana dünyamızda üretim 100 kat, çevre kirliliği ise 50 kat artmıştır. Bu artışların ortalama %55’i son 20 yıl içinde olmuştur. Yine geçen yüzyıldan bu yana fosil yakıt kullanımı ve hava kirliliği 30 kat artmıştır; bu artışın %60’ı 1970-90 yılları arasında gerçekleşmiştir. Bu arada, bitki ve hayvan türlerinin %20’si yok olmuştur. Orman yüz ölçümü %25 azalmış, 480 milyon hektar toprak erozyona uğramıştır. Ozon tabakasında %3-6 arası incelme olmuştur. Nükleer reaktörler yılda 85 milyon m3 radyoaktif atık üretmekte, yalnızca OECD ülkelerinde, yılda 20 milyon ton oksijen tüketici madde deniz, göl ve nehirlere evsel ve endüstriyel atık olarak atılmaktadır. 1980-90 yılları arasında ortalama yıllık nüfus artışı %2.5 olan ülkemizdeki durum da hiç farklı değildir. Bu olumsuzluklar enerjiyi, özellikle ısıyı yanlış kullanmamızdan ve en önemlisi yanlış yöntemlerle üretmemizden kaynaklanmaktadır. Ülkemizde yılda 20 milyon TEP olan tüketiminin %31’inin odundan, %20’sinin kömürden, %20’sinin petrolden, %14’ünün hayvan ve bitki atıklarından, %11’inin elektrikten, %4’ünün doğal gazdan karşılandığı düşünülürse; enerji üretiminde izlenecek yolun çevre kirliliği, ekonomi ve dışa bağımlılık üzerindeki etkileri daha net görülebilir. Söz konusu enerji tüketiminin %41’i konut ısınmasında, %35’i sanayide, %20’si ise ulaşımda kullanılmaktadır. Sanayide harcanan enerjinin sektörel dağılımı %38 metal, %25 toprak, %16 kimya, %9 kağıt, %6 tekstil kolları şeklindedir. Dolayısıyla hem sanayide, hem de konut ısıtmasında gerekli olan elektrik enerjisinin ve ısıl enerjinin aynı kaynaktan karşılanması ile yapılacak olan enerji tasarrufu çevre kirliliğini ve dışa bağımlılığımızı azaltırken, kaynaklarımızın hızla tükenmesini de önleyecektir. Bundan dolayıdır ki; elektrik ve ısı enerjisinin aynı kaynaktan karşılanması yöntemi, yani kojenerasyon teknolojisi gereklidir. 21. Yüzyılda Kojenerasyonun Yeri Dünya’ da 50 yıldan beri, Türkiyemizde 6 yıldır uygulanmakta olan Kojenerasyon sistemleri, arz ettikleri yüksek çevrim randımanı ile sağladıkları kolay işletme ile dayanılmaz cazibede bir yatırım modeli olma ayrıcalığını korumaktadır ve 21. Yüzyılda da korumaya devam edecektir. Bugün Avrupa Birliliği enerji politikasının iki temel taşını, enerji pazarının tümüyle serbest pazara dönüştürülmesi ve çevre koruma sorumluluğunda uluslararası paylaşımın sağlanması oluşturmaktadır. Enerji pazarının serbest hale getirilmesi, enerji arzında yüksek rekabet, fiyatlarda giderek yükselen şeffaflık, elektrik şebekelerinin çağdaş gelişmişlik düzeyine ulaştırılması ve kojenerasyon uygulamalarına ağırlık verilmesi, gelişmelerini de beraberinde getirmektedir. Gelişmiş enerji pazarının en önemli özelliği endüstriyel ya da domestik tüketicilerin, kaliteli enerjiyi uygun fiyatla almalarına imkan sağlayacak rekabet ortamını yaratmasıdır. Bu ortam, büyük tüketicilerin yakınında, gelişmiş ve güvenli elektrik sistemlerinin birbirleriyle yarışır biçimde enerji arzına hazır olmaları mümkündür. Yani çağımızda tüketim merkezlerine enerji hatlarıyla enerjinin nakli yerine, tüketim merkezlerine yakın üreticilerin bir rekabet ortamı içinde (iki ya da üç üreticinin yarattığı enerji arzı ile) üretimlerini arz edecekleri bir piyasanın oluşturulması yönüne gidilmelidir. Desantralizasyon dediğimiz bu sistemin özeti tüketim merkezlerine yakın üretim birimlerinin oluşturulmasıdır. İşte kojenerasyon, tüketim
114
merkezlerinin yakınında kurulmasıyla yüksek randımanıyla ve temiz enerji üretim teknolojisi ile, bu çağdaş gelişmenin en güzel örneğini oluşturmaktadır. Avrupa’da Kojenerasyon sistemleri daha çok, kışları uzun ve soğuk geçen Kuzey Avrupa (Finlandiya, Danimarka ve Hollanda gibi) ülkelerde, şehirlerin bir merkezden ısıtılmasıyla başlamıştır. Kojenerasyon teknolojisi, bu suretle bir yandan, konutların ihtiyacı olan ısıyı üretirken diğer yandan da, yine konutların ve sanayi tesislerinin elektrik ihtiyacını da sağlamıştır. Yani Avrupa’da ısı üretim amaçlı Kojenerasyon projeleri daha önce başlamış ve daha çok yaygınlaşmıştır. Finlandiya, Hollanda ve Danimarka gibi Kuzey Avrupa ülkelerinde konutların %60’ı merkezi ısıtma sistemi ile ısıtılmakta ve bu sistemlerinde en az yarısında kojenerasyon sisteminin uygulanmakta olduğunu görüyoruz. Bu gibi ülkelerde kojenerasyonla üretilen elektrik enerjisinin toplam elektrik tüketimindeki payının %40’lara ulaştığını görmekteyiz. Ülkemizde bu rakamın, 1997 de %8, 2000 yılı itibariyle %12 olduğunu görüyoruz, 2005 yılında %17 ve 2020 yılında %30’a ulaşacağını tahmin ediyoruz. Bu hesapta 2020 yılında Türkiye’nin kurulu elektrik üretim gücünün 118 500 MW olacağını ve bunun 35 500 MW’ının kojenerasyona dayalı tesislerden oluşacağı varsayılmıştır. Ülkemizde 04/09/1985 yılında çıkartılmış olan Otoprodüktörlük Kararnamesi, ondan önce devlet kuruluşlarının uyguladığı benzeri projeleri soyutlarsak, kojenerasyon yatırımları için teşvik unsuru olmuştur. Devletimizin getirdiği vergi iadesi ve gümrük muafiyeti gibi teşviklerin rüzgarını arkalarına alan Otoprodüktörler, 1998 Eylül sonuna kadar 45 adet kojenerasyon tesisini kurarak işletmeye almışlardır. Şu anda toplam kapasitesi 1000 MW olan 42 tesis kurulmaktadır; ayrıca toplam kapasitesi 1760 MW olan 52 tesis için ETKB’ nin onayı beklenmektedir. Özel enerji yatırımlarının en randımanlısı (Kojenerasyonda çevrim randımanı %90’a kadar yükselmektedir.) olduğu kadar yasal alt yapısı en sağlam olan kojenerasyon, yani Otoprodüktörlük uygulamaları, hiçbir yasal engele takılmadan, ortalama elektrik tüketim artışının %10 olduğu ülkemizde yıllık %40 artışla büyümekte ve gelecek yılların elektrik ve ısı tüketim artışını karşılayacak en güvenilir üretim kaynağı olacağı anlaşılmaktadır. Tüketici, üretici ve ülkemiz ekonomisi yönünden bu kadar cazip bir enerji üretim modelinin sorunları nelerdir? En önemli sorun, doğal gazın ancak ülkemizin küçük bir bölgesine ulaşabilmiş olmasıdır. Kojenerasyon designının hayat kaynağı olan doğal gaz, ancak çok sınırlı varlığıyla, bölgeler arası haksız rekabetin de en önemli nedenini oluşturmaktadır. Ulusal doğal gaz şebekesi yaratılmadıkça ve bu şebekeye talep edilen doğal gaz verilmedikçe bu haksız rekabet devam edip gidecektir. BOTAŞ, ulusal doğal gaz şebekesinin yapımında geç kalmakta, yeterli gaz temininde de başarılı olamamaktadır. Gelecek yıllarda bu sorunun giderilmesi, BOTAŞ’a gazda tekelcilik yetkisi veren 397 sayılı KHK’ nin kaldırılarak yada değiştirilerek, özel sektöre gaz tesisleri kurma ve gaz ithal etme yetkisinin tanınmasına bağlıdır. ETKB’nin ülkemizin büyük bir bölümünde olmayan doğal gaz yerine alternatif yakıt yaratma gayretlerini takdirle karşılıyoruz. ETKB Petrol İşleri Genel Müdürlüğünün Haziran 1998’den beri çıkardığı yönetmelik ve tebliğlerle LPG, Fuel oil ve motorinin elektrik üretim maksatlı kullanımında AFİF ve ATV’yi önemli ölçüde azaltılmasıyla, bu yakıtların 1000 Kcal fiyatı, doğal gazla yarışacak seviyeye inmiş ve kanaatimizce bölgeler arası haksız rekabet büyük ölçüde ortadan kalkmıştır. Kojenerasyon uygulamaları konusunda diğer önemli bir engel de Otoprodüktörlük Kararnamesi ile Otoprodüktörlük sistemi teşvik edilmelidir. Kanaatimizce, teşvik edilmesi gereken, Otoprodüktör değil kojenerasyon design ve teknolojisidir. Bu çok yüksek randımanlı çağdaş sistemi ister Otoprodüktör ister toplu konut yatırımcısı uygulasın ülkemiz ekonomisine katkısı aynıdır. Yani yüksek enerji tasarrufudur. Bu nedenle, anılan kararname
115
Otoprodüktörlüğün katı çerçevesinden çıkartılmalı ve kojenerasyon teknolojisini getiren ve bunu fizibilite raporuyla kanıtlayan her yatırımcıya bu tesisleri kurma imkanı verilmelidir. BÖLÜM 1 KOJENERASYON NEDİR? Tek bir sistemden eş zamanlı olarak elektrik ve/veya mekanik güç ile kullanılabilir ısı üretilmesi demek olan kojenerasyon veya diğer adıyla Bileşik Isı ve Güç Üretimi tekniğinde ana kaynak; kullanılan gaz türbini veya gaz motorunun jeneratör gücü ile motor soğutma ısısı, yağlama yağı ve egzost gazının ısısıdır. Konvansiyonel enerji üretim sistemleri (Termik santrallarda elektrik, kazanlarda ısı üretimi) çevreyi kirletmekte ve primer enerjinin yaklaşık %55-65’i atık ısı olarak ziyan olduğundan hiç ekonomik olmamaktadır. Buna karşılık bir kojenerasyon sisteminde elektrik üretimi sırasında ortaya çıkan ısı, eşanjörler yardımıyla çeşitli ısı ihtiyaçları için (Sıcak su, buhar, absorbsiyonlu soğutma vb.) değerlendirilebilmektedir. Gaz ile çalışan CHP (Combined Heat and Power-Bileşik Isı ve Güç) sistemlerinde elektrik ve ısının eş zamanlı üretilmesi ile %80-90 oranında verim elde edilebilmektedir. Böylece primer enerjinin atılan kısmı minimize edilmektedir. Bu yüksek sistem verimi sayesinde kojenerasyon sistemi, ilk yatırım tesis giderini 1.5-3 sene gibi çok kısa bir sürede geri öder [1]. Şekil 2.1’de konvansiyonel ve kojenerasyon sistemleri ile enerji üretimi bir Sankey diyagramı üzerinde karşılaştırılmıştır. Görüleceği üzere; 40 birim elektriksel, 50 birim ısıl güce ihtiyacı olan bir tesisin bu ihtiyaçlarını karşılamak için; konvansiyonel sistemde 168 birim enerji gerekirken, kojenerasyon sistemi ile 100 birim enerji yeterli olmaktadır. Enerji Girişi 168 Kondens Bölgesi 112 2 ηel=36%
Enerji Girişi Kojenerasyon 100 40 Elektriksel Güç
Doğal Gaz 100
70 Kazan 56
ηısıl =90%
53 Isıl Güç
6 78 Kayıplar
13 Kayıplar
Birincil Enerji Kazancı =68/168=40%
Şekil 1.1 Kojenerasyon ve konvansiyonel sistemlerle enerji üretimlerinin Sankey diyagramı karşılaştırılması [1]. 116
Kısaca özetlersek kojenerasyon sistemi tüm ısı makinelerinin çevreye vermek zorunda oldukları atık ısıdan yararlanmayı amaçlar. Şekil 1.2’deki ısı makinesinden de görüleceği üzere, bir ısı makinesinde üretilen işin (W), alınan ısı enerjisine (QH) oranı, ısıl verim, η’dir. η = W / QH
(1.1)
TH QH
W
QL
TL
Şekil 1.2 Bir ısı makinesi Bir ısıl verime kojenerasyon uygulamalarında elektrik çevrim verimi adı da verilmektedir. Çevreye aktarılan ısıl enerji, QL, kojenerasyon sisteminde kullanılan ısıdır. Böylece enerjiden yararlanma oranı (EYO) maksimum düzeye çıkartılmaktadır. EYO = W+ QL / QH EYO’ya kojenerasyon uygulamalarında toplam verim de denilmektedir. Her ne kadar EYO, termodinamiğin birinci yasasına göre “1” olsa da, uygulamada atık ısının tümünden yararlanılamadığından bu mümkün olmamaktadır. Bu atık ısıdan, doğrudan ısı olarak yararlanılmadıkça, %35-55 aralığında uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Bileşik çevrimde dünyadaki en iyi örneklerinden biri olmasına rağmen, Ambarlı Çevrim Santralında bu verim değeri %50 civarında kalmaktadır [1]. Oysa atık ısıdan, gene ısı olarak faydalanılan kojenerasyon sisteminde toplam sistem verimini yani Enerjiden Yararlanma Oranını (EYO) %80-90’lara dek çıkarmak mümkün olmuştur. Bileşik ısı güç santrallarında üretilen işin (elektriğin) faydalanılan ısıya oranı, elektrik ısı oranı, EIO diye tanımlanır. Termodinamiğin birinci yasası uyarınca ısıl verimle de gösterilebilir (eşitlik 1.3). EIO, kojenerasyon sisteminin önemli özelliklerinden biridir. 117
EIO = W / QL = η / 1 - η
(1.3)
Türbinlerde ise genellikle EIO’nın tersi (1 / EIO) olan ısı oranı temel parametrelerden birisi olarak verilir (eşitlik 1.4). Isı Oranı = QL / W = 1 - η / η
(1.4)
BÖLÜM 2 KOJENERASYON TEKNİKLERİ 2.1. GAZ TÜRBİNLİ KOJENERASYON TEKNİĞİ Termik açıdan değerlendirildiğinde, gaz türbinli sistemlerin çalışma prensipleri aşağıda açıklanmaktadır: Yakıt ve hava karışımının (12-35 bar) yanma odasında yakılmasıyla oluşan kinetik enerji, türbin ve şanzıman aracılığıyla jeneratörü tahrik eder. Jeneratörden de böylece elektrik enerjisi elde edilir. Gaz türbinli sistemlerin egzost çıkışları 400-500 oC sıcaklık dolaylarındadır. Türbin çıkışından direkt bir ısı eşanjörü (atık ısı kazanı) aracılığıyla istenen şartlarda doymuş buhar ve/veya sıcak su elde edilir. Böyle bir kojenerasyon tesisinin prensip şeması Şekil 2.1’de görülmektedir[1].
Doğal Gaz
Egzost 140 oC Degazör G
Gaz Türbini Hava
Proses Kazan 10 bar / 190 oC
Hava
Doğal Gaz Yardımcı yanma Fan
Şekil 2.1 Gaz türbinli basit çevrim kojenerasyon tesisi prensip şeması 118
Buradan elde edilen buhar ve/veya sıcak suyun doğrudan proseste kullanılması verimin maksimum olduğu en ekonomik çözümdür. Özellikle Avrupa’da elektrik sisteminin şebeke ile senkronize çalışabilmesi için gerekli yasal düzenlemeler tamamlanmış olduğundan, firmaların fazla elektriği şebekeye satması veya şebekeden elektrik takviyesi alabilmesi mümkün olmaktadır. Şebeke elektrik fiyatı da kaçakların az olmasından dolayı ucuz olduğundan sistem seçimi, atık ısının tamamı kullanılabilecek şekilde yapılır. Fakat Türkiye şartlarında şebeke elektriği çok pahalı olduğu için sistem elektrik gereksinimine göre seçilmektedir. Dolayısıyla gaz türbini kojenerasyon sistemlerinin oranca yüksek olan ısıl çıkışından elde edilen buharın doğrudan buroseste kullanılmasına ihtiyaç duyulmadığından, gaz türbini atık ısı sistemine bağlanan buhar türbini ile kojenerasyon sisteminden daha fazla elektrik üretilebilir. Bu prensipte çalışan sistemlere “Kombine Çevrim Santralları” denilmektedir. Böyle bir tesisin prensip şeması Şekil 2.2’de görülmektedir[1].
Doğal Gaz
Egzost 150 oC
Degazör G
Proses
Gaz Türbini
6 bar
Hava
Kazan Buhar Türbini
G
40 bar / 450 oC Hava
Doğal gaz Yardımcı yanma Fan
Şekil 2.2 Gaz ve buhar türbininden oluşan kombine çevrim kojenerasyon tesisi prensip şeması
119
Şekil 2.3 Gaz türbinli basit çevrimli kojenerasyon sisteminde enerji dağılımı
Şekil 2.4 Gaz türbinli, kombine çevrimli kojenerasyon sisteminde enerji dağılımı Gaz türbinlerinde basit çevrimli sistemlerin enerji dağılımı (primer enerjinin dönüştüğü şekiller) Şekil 2.3’te [2], kombine çevrimli sistemlerin enerji dağılımı ise Şekil 2.4’te görülmektedir[2]. Ağır sanayi tipi ve jet olmak üzere iki tip gaz türbini mevcuttur.
120
2.2 GAZ MOTORLU KOJENERASYON TEKNİĞİ Daha düşük sıcaklıkta ve kütlede atık ısı sağladıklarından ve çok çeşitli güçlerde üretebildiklerinden dolayı, özellikle elektrik ihtiyacı, ısı ihtiyacından daha fazla olan yani elektrik ısı oranı (EIO=W/QL , Bileşik ısı güç santaralında üretilen işin-elektriğin, kullanılan ısıya oranı) yüksek (%80 civarı) endüstriyel uygulamalarda, toplu konut, tatil köyleri, büyük oteller gibi sıcak su ve soğutma gereksinimi olan uygulamalarda, optimum çözümler olarak karşımıza çıkmaktadır. Gaz motorundaki enerji dağılımı grafiği Şekil 2.5’te gösterildiği gibidir[2].
121
Grafikten görüleceği üzere, pistonlu bir gaz motorunda yanan yakıtın enerjisinin (birincil enerjinin) dönüştüğü enerji türlerinin şöyle sıralayabiliriz: * %35-40’lık bir kısmı mekanik güce, * %30-35’lik bir kısmı motor gömlek ısısına, * %25-30 Egzost ısısına ve • %7-10’luk bir kısmı radyasyon enerjisi şeklinde kayıp enerjiye dönüşmektedir[3].
122
1
10 6 7
3
2
8 9
4 5 MOTOR
Alternatör
11 Açıklamalar: Egzost Gazı Hattı Gaz Hattı Kızgın Su Buharı Hattı Isıtma Suyu Hattı Silindir bloğu soğutma suyu devresi Yağlama yağı devresi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Egzost gazı eşanjörü Silindir bloğu soğutma suyu devresi plaka tipi eşanjörü Yağlama devresi soğutması ısı değitiricisi Genleşme tankı Soğutma suyu pompası Isıtma suyu girişi Isıtma suyu çıkışı Kızgın su veya buhar girişi Kızgın su veya buhar çıkışı Egzos gazı çıkışı Gaz girişi
Şekil 2.6 Gaz motorlu kojenerasyon sistemi prensip şeması Yukarıda bahsedilen enerji dağılımından yola çıkarak, ortaya çıkan atık ısılardan gaz motorunun, kojenerasyon (Bileşik Isı ve Güç Üretimi) amaçlı kullanımında sistem verilen ısı enerjisi üç
123
unsurdan elde edilir. Bunlar; gaz motorunun yağlama devresi, egzost gazları ve şarj havası, silindir bloğu soğutma devresidir. Şekil 2.6’da gaz motorları kullanılan bir kojenerasyon tesisinin prensip şeması görülmektedir [4]. Atık ısıları geri kazanım için kullanılan eşenjörler sistemini çeşitli modifikasyonlarda tasarlamak mümkündür. Söz konusu Şekil 2.6 ise tasarım örneklerinden bir tanesidir. Gaz motoru uygulamalarının en önemli avantajı şunlardır; • En yüksek miktarda elektriği üretebilecek (elektrik ısı oranı ≅0.8) toplam %40’a varan elektrik çevrim verimi ile elektrik tüketiminin ısıl tüketimine oranla daha yüksek olduğu durumlarda seçilmesi uygun olan çözüm alternatifleridir. Bu özellikleri ile gaz motorları elektrik ihtiyacının yanı sıra, ısıtma ve/veya soğutma amaçlı ısı enerjisi gereksinimi duyan;toplu konut,tatil köyleri, oteller, yüzme havuzlu spor kompleksleri, üniversite kampüsleri gibi uygulama alanlarında çok uygun çözümler olarak karşımıza çıkmaktadır. • %85 ile %91 arasında değişen toplam çevrim verimi türbinli sistemlerle karşılaştırıldığında, türbinli CHP (Combined Heat and Power – Bileşik ısı ve güç ) sistemlerinde elektrik çevrim verimi artıkça toplam çevrim veriminin önemli miktarda düştüğü görülmektedir[5]. • Fakir karışım veya katalizörlü yakma sistemlerinin çevre dostu temiz doğal gazla kombinasyonu sayesinde, çok düşük zararlı emisyon seviyesi yakalanabilir. Modern fakir karışım yanma sistemlerine haiz motorlar NOx emisyonlarını azaltmak için katalizöre ihtiyaç görmeksizin, binlerce saat izin verilen emisyon değerlerinin altında çalışabilmektedir. • Kısmi yük verimlilikleri ve çok modüllü konfigürasyon, gaz motorlu kojenerasyon sistemlerinin en esnek CHP sistemi yapmaktadır. Kısmi yükte çalışma durumunda verimin önemli miktarda etkilenmemesi ve modüllerin gerektiğinde sırayla devreye girip çıkma imkanları, sistemin elektrik ve ısı talebinde gün içinde olagelen talep değişikliklerini ve EIOdeğişimlerini rahatca kompanse etmesine izin verir. Bu da gün bazında enerji maliyetlerinin miniminize edilmesine yardımcı olur. • Gaz motorunun kısa zamanda devreye alınıp, kısa zamanda devre dışı bırakılabilmesi, bir kolaylığıdır. Aynı zamanda, gaz motoru, tesisin az devre elemanı içermesinden dolayı, diğer sistemlere göre daha kısa zaman sürelerinde tesis edilebilmesi ve tesis iç tüketimlerinin az olması da gaz motoruna yıllar boyu %98’in üzerinde bir emre amadelik oranı sağlar. • Gaz motorları denilince, yakıt olarak ilk önce doğalgaz akla gelmekte fakat atık arıtma tesislerinden kanalizasyon gazı (Sewage gas), çöp depolama tesislerinden çöplük gazı (Landfill gas) ve benzer şekilde biyogaz, kok gazı vb. yakıtlarda kullanılabilmektedir. Üstelik atıklardan elde edilen bu gaz türleri elektrik ve ısı üretmek için direkt olarak kullanılabilir. Bunların direkt olarak motorlarda yakılmasıyla, değerlendirilmeleri için önce yakıp buhar üretmek, bununla da bir buhar türbini çevirmek gibi ara işlemler gerekmemektedir. 2.3 KULLANILAN YAKITLAR Kojenerasyon teknolojisi kaynakların yeniden üretilmesinden kazanılan biyogaz kullanımının ekolojik ve ekonomik bir cazip olasılığını sunar. 0.54kWh/Nm3 ‘lük bir ısıl değere düşük metan sayılı kimyasal endüstriden elde edilen gazlardan, 34kWh/ Nm3 ‘lük bir ısıl değere sahip bütana kadar bir çok yakıt kullanmak olasıdır. Bu yakıt türlerinden bazı örnekler ve ısıl değerleri Şekil 2.7’de görülmektedir.
124
Şekil 2.7’deki yakıtların yanı sıra dizel türü ağır yakıtlar kullanılan motorlar, LPG ile çalışan sistemlerde çeşitli kojenerasyon uygulamalarında kullanılmaktadır. Firma tanıtım bölümünde bu yakıtların Avrupa’da kullanıldığı yerler örneklendirilecektir. Isıl değerler incelendiğinde çöplüklerimizde, kanalizasyonlarımızda ve bu gibi atıklarımızda adeta enerji hazinelerinin yatmakta olduğunu görürüz. Bu atıkları kontrolsüz bir şekilde çevreye atarak ,sadece çevreyi kirletmekte kalmıyor, aynı zamanda enerji kaynaklarımızı da kullanamamış oluyoruz. Aşağıda bunun için küçük bir hesap örneğini göreceksiniz.
35 30
Kimyasal Endüstri gazları Ağaç gazı
Isıı dğerler
25
Proliz gazı Pit gazı
20
Kok gazı Çöplük gazı Biyogaz
15
Arıtma gazı Doğal gaz
10
Propan Bütan
5 0 Yakıt Trüleri Şekil 2.7 Çeşitli birincil yakıtların ısıl değerleri
Şekil 2.7’deki ısıl değerlerden yola çıkarsak: 2kWh elektrik enerjisi ve 1.23kWh ısıl enerji için • • • •
5-7 kg bio-atık, 5-15 kg çöp, 8-12 kg ters-organik atık, 4-7 m3 şehir kanalizasyon suyu
yeterli olmaktadır.
125
Trükiya gibi sürekli enerji kesintilerinin gündemde olduğu ve devamlı nükleer ve termik santral tartışmalarının yapıldığı bir ülkede, çöplükler ancak patladığında can aldığında akla geliyor. Oysa buralarda oluşan gazlar değerlendirilirse hem çöplükler daha güvenli hale gelecek hem de enerjideki dar boğazın aşılabilmesinde önemli katkılar sağlayacaktır. Gaz motorunda kullanılan bir yakıtın en önemli özelliklerinden biri de vuruntu direncidir. Gazın vuruntu direncini de “Metan Sayısı” belirler. Aşağıda tabloda bazı yakıtların metan sayıları görülmektedir. Benzin yakmalı motorlarda “Oktan Sayısının” vuruntu kriteri olduğu ve sıkıştırma oranı ile ateşleme açısının buna göre belirlendiği bilinmektedir. Gaz yakıtlı Otto motorlarında ise yakıtın uygunluğunu tespit etmek için hesaplanması gereken vuruntu kriteri metan sayısıdır. Metan sayısının 100’e yakın veya üzerinde olması, sıkıştırma oranını yükseltme ve böylece mekanik verimi arttırma olanağı sağlar. Bu koşulda, motor sıkıştırma oranını 12.5:1 seçmek ve gaz motoru için oldukça yüksek sayılabilecek olan %41’lik bir verime ulaşmak mümkündür. Tablo : Bazı Yakıtların Metan Sayıları Yakıt H2 CH4 C2 H4 C2 H6 C3 H6 C3 H5 C4 H10 CO Doğal Gaz (Tipik)
Arıtma Gazı Çöplük Gazı
Tanımı – Bileşimi ( % ) Hidrojen Metan Etilen Etan Propilen Propan Bütan Karbonmonoksit CH4 = 88.5 C2 H6 = 4.7 C3 H6 = 1.6 C4 H10 = 0.2 N2 = 5.0 CH4 = 65 CO2 = 35 CH4 = 65 CO2 = 35 N2 = 10
Metan Sayısı 0 100 15 43.7 18.6 33 10 75 72-98
134 136
2.4 KAPASİTE ARALIKLARI Gaz motorlarında tek modül olarak kapasite 20 kWel ile 15 kWel arasında değişmektedir. Gaz türbininde ise 1 MWel ile 50 MWel arasında değişen model ve markalar mevcuttur. Sistem birleşik buhar gaz türbini olarak işletilirse 10 MWel ile 100 MWel arası güçlerde sistemler tesis edilebilmektedir.
126
2.5 TOPLAM VERİM Daha önceki bölümde de anlatıldığı üzere toplam verim %30 ile %90 arasında değişmektedir. Gaz türbinlerinde : Yalnız elektrik üretimi : ≈ %30 Kombine çevrimle elektrik üretimi : ≈ %45-50 Bileşik güç ve ısı santralı : ≈ %85 Gaz motoru : Elektrik çevrim verimi : ≈ %40 Toplam sistem verimi : ≈ %85-91 2.6 EKONOMİK ÖMÜR Kojenerasyon sistemlerinin ekonomik ömürleri 100.000 ila 150.000 saat mertebelerindedir. Bu da yaklaşık 12 – 20 yıla tekabül etmektedir. 2.7 ATIK ISININ KULLANIM ÇEŞİTLERİ Isının geri kazanım türleri aşağıdaki başlıklar altında toplanabilir [2] : • • • • • • • •
Ortam ısıtma : Sıcak su, buhar, sıcak hava Kurutma prosesi : Sıcak su, buhar, sıcak hava veya gaz Kazan besi suyu ön ısıtma : Kızgın su Yağ alma ve temizleme : Sıcak su Proses buharı sağlama : boru testi, çamaşırhane vs. Kızgın buhar üretimi : Kombine çevrimli santral Ergitme (plastik) : Kızgın yağ üretme Absorpsiyonlu soğutma makinesi : İklimlendirme Sistemi
Atık ısıdan soğutma amaçlı yararlanılmadıkça yaz aylarında sistem verimi çok düşecek, sadece elektrik üretir konuma gelinecektir. Absorpsiyonlu soğutma sisteminin pahalı, büyük ebatlı, işletmesi zor ve sık bakım gerektiren bir sistem olmasından dolayı bu sistemin kullanımı henüz yaygınlaşmamıştır. Üstelik verdiğiniz 100 birim ısı enerjisinden ancak 60-65 birim soğutma alabilirsiniz. Dolayısıyla elektriğe oranla verimsiz bir çözüm gibi gözükmesine rağmen (ki 100 birim elektrik enerjisinden, 150-200 birim soğutma enerjisi alabilirsiniz) absorpsiyonlu sistemde kullanılan ısının tamamen atık ısı olduğu düşünülürse sistemin verimliliği ortadadır. Yukarıda bahsedilen sorunların çözülmesi kojenerasyonun önünde yepyeni bir ufuk açacaktır. Sıcak su ve buhar üreten sistemlerde ise atık ısının; gaz notorlarında yaklaşık %70’i sıcak suya,%30’u buhara; gaz türbinlerinde ise yaklaşık %45’i sıcak suya, %55’i buhara dönüştürülebilir. Bu atık ısının kojenerasyon sisteminden çekilme şekli daha önceki, gaz türbinli kojenerasyon tekniği ve gaz motorlu kojenerasyon tekniği kısımlarında açıklanmış ve prensip şemalarında gösterilmiş olduğu üzere;
127
Gaz motorlarında : • • •
Gaz motorunun yağlama devresi, Yanma sonucu oluşan egzost gazları ve şarj havası, Silindir bloğu soğutma suyu devresi,
Gaz türbinlerinde ise : •
Türbin egzost çıkışına direkt olarak konulan bir ısı eşanjörü (atık ısı kazanı)
aracılığıyladır. 2.8 ELEKTRİK ISI ORANLARI Elektrik ısı oranları, gaz motorlarında %80 civarındadır. Yani 100 kW elektrik enerjisi üreten bir gaz motoru, aynı zamanda ilave bir primer enerji (gaz-yakıt) kullanmaksızın 125 kW ısı enerjisi üretmektedir. Yada daha basit bir biçimde, 90-70 oC sıcak su ile çalışan bir sistemde yaklaşık 22.500 kg/h debisinde sıcak su üretir. 125 kW’lık bir ısı enerjisi de, İstanbul kış şartlarında orta büyüklükte 10-12 dairelik bir binanın ısıtmasını karşılayabilecek bir kapasitededir. Gaz türbinlerinde ise EIO, %40 civarındadır. Yani 1 MW’lık elektrik enerjisi üreten bir gaz türbini eş zamanlı olarak ilave bir primer enerji (gaz-yakıt) kullanmaksızın 2.5 MW ısı enerjisi (sıcak su veya buhar) üretme kapasitesinede sahiptir. Daha fazla elektrik enerjisi üretebilmek için gaz türbini egzost çıkışına bir de buhar türbini ilave edilirse (Kombine çevrim yada birleşik gaz – buhar türbini) EIO %67’ye çıkartılabilir. Son halde 1 MW elektrik enerjisi üreten bir kombine çevrimli gaz buhar türbini eş zamanlı olarak yaklaşık 1.50 MW ısı enerjisi üretecektir. Görüldüğü gibi elektrik enerjisi ihtiyacının ısı enerjisi ihtiyacına göre izafen en fazla olduğu durumlarda gaz motoru kullanmak, bu oran azaldıkça da sırasıyla kombine çevrimli santral veya gaz türbini kullanmak daha ekonomik olacaktır. EIO, sistem seçiminde önemli etkenlerden biri olduğu için daha başka etkenleride göz önünde bulundurmaksızın tek kriterde değildir. Fakat kojenerasyonu asıl verimli kılan; çalışma saatinin maksimum çıkarılıp, elektrik ve atık ısınında sürekli kullanılmasını sağlamaktır. Bu yüzden elektrik ve ısı ihtiyaçları ile elektrik ısı oranı değiştikçe bu değişimi kompanse edebilecek sistemlere ihtiyaç vardır. Bu sistemlerin başlıcaları şunlardır : i )Birden fazla modül kullanmak : Kojenerasyon sistem seçiminde Şekil 2.8’deki gibi bir yıllık yük eğrisini belirlemek çok önemlidir. Bu eğriden yola çıkarak özellikle gaz motoru kullanılacak sistemlerde birden fazla modül kullanmak daha ekonomik olabilmektedir. Bunu daha kaba ve basit anlatacak olursak; gece-gündüz, yaz-kış, hafta sonu-hafta içi elektrik ve ısı kullanımlarında büyük farklar olmasıdır. Fakat aşağıda ki Şekil 2.8’deki modüllerden 1. Modül kendini en önce amarti ederken yukarı doğru diğer modüllerin amortisman süreleri sırasıyla artmaktadır.
128
ŞEKİL 2.8 Tipik yıllık yük eğrisi [4] ii )Isı akümülatörleri kullanmak : Isı üretiminin ihtiyaçtan fazla olduğu durumlarda ısı akümülatörlerini doldurup, ihtiyacın üretimden fazla olduğu durumlarda ısıyı akümülatörlerden çekerek toplam verimin mümkün olduğunca düşmemesi sağlanır. iii )Şebekeyle senkronize çalışmak : Elektrik üretiminin tüketimi karşılayamadığı durumlarda şebekeden elektirk çekerek, fazla üretim halinde de şebekeye elektrik satarak, sistemin tam yük ve maksimum verimde çalışması sağlanır. Fakat bu sistem Türkiye’de yasal zorluklar bulunması ve de şebeke elektriğinin çok düzensiz olması dolayısıyla fazla uygulanmamaktadır. iv ) By-pass’lı kombine çevrim kullanmak : Türbinli kojenerasyon sistemlerinde, atık ısı kazanından elde edilen buharı; • Elektrik ihtiyacı arttığında ikinci bir buhar türbininde kullanarak, üretilen toplam elektrik miktarı arttırılabilir. Bu şekilde elektrik çevrim verimi %45 civarlarına çıkartılabilir. • Isı enerjisi ihtiyacı arttığında by-pass yolunu açarak buharın tamamen ısıtma amaçlı kullanımı sağlanabilir.
129
• Isı ihtiyacının bazı pik durumlarında; türbin egzost çıkışına ilave yakıt enjekte edilerek birt art yanma (post-combustion) ile ısı üretimi arttırılabilir. v ) Buhar türbini kullanıldığında da, türbinden ara buhar çekerek değişen elektrik ısı oranları kompanse edilir. vi ) Doğrudan by-pass bacası ve damper sistemi kullanarak, ısı gerekli olmadığında ısıyı dışarıya atmak. En verimsiz işletme şekli bu şekilde olur ki, tüm ısının atılması halinde %80 civarında olan toplam verim (Enerjiden Yararlanma Oranı) %30’lara düşer. vii ) Pik yük bayleri ve/veya chilleri kullanmak : Şekli 2.8’deki yıllık ısı gereksinimi eğrisinden görüleceği üzere, toplamda az bir süre olsa da, bazı zamanlarda ısı gereksinimi toplam kojenerasyon ısı üretimini aşmaktadır. Bu pik durumları karşılamak için ilave kojenerasyon modülü koymak verimsiz olacaktır. Çünkü kojenerasyon modülleri yılda 365 gün, günde 24 saat (bakım için durmalar hariç) işletilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu çalışma şartlarında kendisini ≈ 2.5 yılda amorti edecektir. Oysa çalışma süresi azaldığında, bu amortisman süresi çok artacaktır. Bu tür pik durumlar için ilave bir boyler veya soğutma ihtiyacı için pistonlu bir chiller kullanmak daha ekonomik olacaktır. BÖLÜM 3 KOJENERASYON SİSTEMLERİNİN TANITIMI Kojenerasyon kısaca, enerjinin hem elektrik hem de ısı biçimlerinde aynı sistemden beraberce üretilmesi veya tüm ısı makinalarının çevreye vermek zorunda oldukları atık ısıdan yararlanmak olarak tarif edilir. Bu birliktelik, iki enerji biçiminde tek tek kendi başlarına ayrı yerlerde üretilmesinden daha ekonomik sonuçlar vermektedir. Basit çevrimde çalışan, yani sadece elektrik üreten bir gaz türbini ya da motoru kullandığı enerjinin % 30-40 kadarını elektriğe çevirebilir. Bu sistemin kojenerasyon şeklinde kullanılması halinde sistemden dışarıya atılacak olan ısı enerjisinin büyük bir bölümü de kullanılabilir enerjiye dönüştürülerek toplam enerji girişinin % 70-90 arasında değerlendirilmesi sağlanabilir. Bu tekniğe ‘bileşik ısı-güç sistemleri’ (CHP) ya da kısaca ‘kojenerasyon’ denilmektedir. Her iki enerji biçiminin ayrı ayrı aynı miktarlarda üretilmesi için gerekli birincil enerji miktarının, bunların kojenerasyonla üretilmesi durumunda ne oranda azalacağı Şekil 1’de görülmektedir. Şekil 1’e göre kojenerasyon tekniği ile kullanılan birincil enerjiden tasarruf % 42 seviyesinde gerçekleşmektedir. Dolayısı ile kojenerasyon sisteminin çevreye en önemli katkılarından biri de burada ortaya çıkmakta, büyük enerji tasarrufu yanında atık emisyonları da aynı oranda azalmaktadır. Ülkemizde henüz üzerinde çok durulmayan bu husus, sistemin özellikle Avrupa ülkelerinde yaygın teşvik görmesinin ana sebeplerinden biridir. Buharlı güç çevrimlerinde amaç aracı akışkana verilen ısının bir bölümünü, en değerli enerji biçimi olarak nitelenen işe dönüştürmektir. Isı enerjisinin geri kalan bölümü akarsular, göllere, denizlere veya atmosfere atık ısı olarak verilir. Bunun nedeni, çevreye verilen ısının başka bir amaçla kullanılamayacak kadar düşük sıcaklıkta olmasıdır. Büyük miktarlarda ısının
130
çevreye verilmesi, iş üretmek için ödenmesi gereken zorunlu bir bedeldir. Çünkü birçok mühendislik sistemi, elektrik enerjisi veya mekanik enerji ile çalışır.
Şekil 1. Kojenerasyon ve Diğer Üretim Sistemleri Arasındaki Isıl Bilanço [2] Fakat mühendislik sistemlerinin büyük bir bölümünde enerji gereksinimi ısı biçimindedir. Kimya, kağıt, petrol, çelik, gıda ve tekstil endüstrileri gibi bazı endüstrilerde ısıl işlemler önemli bir yer tutar. Isıl işlemler için gerekli ısıya proses ısısı adı da verilir. Bu endüstrilerde proses ısısı genellikle 5-7 atm basınçları arasında ve 150-200 °C sıcaklıkları arasında su buharıyla sağlanır. Buharı oluşturmak için gerekli ısı ise kömür, sıvı yakıtlar, doğal gaz ve benzeri yakıtları bir kazanda yakarak elde edilir.
Şekil 2. Basit Bir Proses Isı Santrali [4] Isıl işlemlerin gerçekleştirildiği bir endüstri kuruluşun incelendiğinde dağıtım borularındaki ısı kayıpları ihmal edilirse, su buharına kazanda verilen tüm ısı, Şekil 2’de gösterildiği gibi ısı değiştiricileri aracılığıyla ısıl işlemlerde kullanılır. Kazanda üretilen tüm ısının ısıl işlemlerde kullanılması, bir kaybın olmadığı izlenimini verebilir. Oysa, ikinci yasa açısından bakıldığı zaman, dönüşümün mükemmel olmadığı anlaşılır. Kazanların içinde yanma 131
sırasında oluşan sıcaklıklar, 1370 °C gibi çok yüksek değerlere ulaşır. Bu nedenle kazanlarda üretilen enerjinin niteliği yüksektir. Bu yüksek nitelikli enerji daha sonra 200 °C veya daha düşük sıcaklıkta buhar oluşturmak için suya verilir. Buradaki tersinmezlik çok büyüktür. Bu tersinmezlikle ilişkili olarak, kullanılabilirlikte bir azalma veya iş potansiyelinde bir kayıp söz konusudur. Düşük nitelikli bir enerjiyle gerçekleştirilebilecek bir işlemi yüksek nitelikli bir enerjiyle gerçekleştirmek akıllıca değildir [3]. Bir ısı makinasında üretilen işin (W), alınan ısı enerjisine (QH) oranı, ısıl verim olarak tanımlanır (ç) ve aşağıdaki gibi ifade edilir.
(1) Bu ısıl verime kojenerasyon uygulamalarında ‘elektrik çevrim verimi’ de denilmektedir [1]. Buhar türbinli bileşik ısı-güç santralinin en önemli özelliği yoğuşturucunun olmamasıdır. Böylece çevreye verilen ısı, yani atık ısı yoktur. Yani kazanda buhara verilen tüm enerji, elektrik enerjisine veya proses ısısına dönüşmektedir. Bir bileşik ısı-güç santrali için “enerjiden yararlanma oranı” Eşitlik 2’ deki gibi tanımlanır:
(2) Burada Qç, yoğuşturucuda çevreye verilen ısıdır. Qç aynı zamanda borulardan ve diğer elemanlardan çevreye olan ısı geçişlerini de kapsamaktadır, fakat bu kayıplar ihmal edilebilir düzeydedir. Eşitlik 2’ de görüldüğü gibi, buhar türbinli enerjiden yararlanma oranı % 100’dür. Gerçek bileşik ısı-güç santrallerinde enerjiden yararlanma oranı % 70 dolaylarındadır. Daha yüksek ısıl verim sağlayabilmek için süregelen çalışmalar, alışılmış güç santrallerinde yeni düzenlemelerin yapılmasına yol açmıştır. Yukarıda bahsedilen ikili buhar çevriminin dışında ise gaz akışkanlı bir güç çevrimini buharlı bir güç çevriminin üst çevrimi olarak kullanmaktır. Bu çevrime birleşik gaz-buhar güç çevrimi adı verilir. En çok ilgi duyulan birleşik çevrim, gaz türbini (Brayton) çevrimiyle buhar türbini çevriminin (Rankine) oluşturduğu çevrimdir. Bu çevrimin ısıl verimi her iki çevrimin ısıl veriminden yüksektir. Alman Siemens firması tarafından 1988 yılında yapılan İstanbul Ambarlı’da kurulan bileşik çevrim güç santrali 1350 MW gücündedir.Bu santralin ısıl verimi tasarlanan çalışma koşullarında % 52,5 gibi yüksek bir değere ulaşmıştır [2]. Bileşik ısı-güç santrallerinde üretilen işin (elektriğin) faydalanılan ısıya oranı, elektrik ısı oranı, (EIO) diye tanımlanır. Bu tanım ısıl verimle de gösterilebilir: 132
(3) EIO, kojenerasyon sisteminin önemli özelliklerinden biridir. Türbinlerde ise genellikle EIO’nın tersi (1/EIO) olan Isı Oranı temel parametrelerden birisi olarak verilir [6].
(4) SİSTEM SEÇİMİ Kojenerasyon sistemleri, sistemin ekonomikliği, teknik açıdan toplam sistem verimliliği ne kullanıcının gereksinimleri dikkate alınarak, uygun bir şekilde seçilmelidir. Kojenerasyon oldukça büyük bir yatırım olduğu için, sistemin fizibilitesinin çok ayrıntılı olarak yapılması zorunluluğu vardır. Bu fizibilite sonuçları ucuzluk ve kaliteden bile daha önce gelebilmektedir. Hatta ve hatta bu sistemlerin kurulması kararı verilmeden önce danışman veya müşavir kişi yada kuruluşlarla çalışılması yatırımcıların yararına olacaktır. Aksi halde kojenerasyon firmaları, yatırımcıları kendi ellerinde mevcut bulunan sistem ve kapasiteler doğrultusunda yönlendirirler. Örnek vermek gerekirse; firmanın elinde türbin mevcut, gaz motoru bulunmamaktaysa, yatırımcıyı türbin alma konusunda ikna etmeye çalışır. Bazı verileri dikkate almayarak ta, fizibilite çalışmasını sanki türbin daha ekonomik ve ilk yatırım tesis giderini daha kısa zamanda geri ödeyecekmiş gibi düzenleyebilir. Yada elinde gerekli kapasitede motor yoktur; yatırımcıya daha küçük yada daha büyük motorlar önererek gene fizibilite çalışmasını buna göre düzenleyebilir. Bütün bu sakıncalı durumlardan dolayı yatırımcıların, yatırım kararını vermeden önce (daha sonra da devam edebilir) danışman müşavir veya kontrolör kişi veya kuruluşlarla birlikte çalışması daha sağlıklı olacaktır. Yatırımcıya bir ön fikir vermek açısından, uygun sistem seçimi aşağıdaki ön görü ve parametreler dikkate alınarak yapılır. 3.1 YAKIT Çeşitli sebeplerden dolayı, kojenerasyon sisteminde kullanılması düşünülen yakıt türü veya türlerine göre sistem seçilir. Bazı uygulamalarda birden fazla, örneğin iki yakıtlı veya üç yakıtlı sistemler kullanılmaktadır. Bazı tesislerde ise kojenerasyon sistemi doğrudan yakıttan yola çıkılarak seçilir. Çöplük gazı ve arıtma gazı ile çalışan sistemler buna örnek olarak verilebilir. Bu tesislerde primer enerjinin işletme maliyeti “ sıfır “ olacağından, özellikle arıtma tesisi bulunan kuruluşlar için kojenerasyon sistemi çok cazip hale gelmektedir. Türkiye için özellikle doğal gaz kullanılan yerlerde sistem çok ekonomik olmakta, ilk yatırım tesis giderini geri ödeme süresi 2 yıl, hatta daha da altına düşebilmektedir. Kullanılmak istenen yakıt türü sayısı arttıkça seçilen sistem gaz türbinine doğru yönelmektedir. Gaz türbinlerinde ise, ağır sanayi tipleri, jet tipi türbinleri oranla daha fazla tür yakıt yakabilme özelliğine sahiptir. 3.2 ELEKTRİK ISI ORANI Kojenerasyon uygulanacak sistemin termik ve mekanik güç ihtiyaçları seçim parametrelerinin önemlilerindendir. Özellikle yeni kurulacak tesislerde (henüz başka bir şekilde elektrik ve ısı yatırımı yapılmamış) bu ihtiyaçlar ve birbirleriyle oranları sistem seçimi için zorunlu ve temel faktördür.
133
Gaz türbini ile yapılan kojenerasyon sistemlerinde, elektrik ısı oranları, 0.40 – 0.50 civarlarındadır. Yani toplam enerji çıkışının 1/3’ ü elektrik enerjisi, 2/3’ü ısıl enerjidir. Gaz motorları ile yapılan uygulamalarda ise elektrik ısı oranları, 0.75 – 0.80 civarındadır. Yani toplam enerji çıkışının ≈ %40’ı elektrik gücü olarak elde edilirken, %50’si de termik güç olarak geri kazanılabilir. Kojenerasyon sistemlerinin temel ayrımından dolayı, tüketim bölgesinin özelliğine göre (hangi oranda ısı ve elektrik ihtiyacı bulunduğu) seçim yapılır. 3.3 YÜK EĞRİSİ Tüketim bölgesinin ısıl ve elektriki yük eğrilerine göre seçim yapılır. Eğer yük eğrisi; günün, haftanın, yılın çeşitli zamanlarında çok dengesiz oluyorsa; bu yük eğrisine, birden fazla aralığa bölerek, tüketimi birden fazla modül ile karşılarız. Örnek olarak, gün içinde 400 kW, gece ise 200 kW elektrik enerjisi ihtiyacı olan bir hastanenin elektrik tüketimini karşılamak üzere, 200 kW’lık iki gaz motoru kullanmak çalışma rejimini daha verimli olmasını sağlayacaktır. 3.4 START SAYISI Gaz motorlarının daha kolay devreye alınabilmesinden dolayı senelik start sayıları fazla olan işletmeciler için gaz motoru kullanımı kaçınılmaz hale gelir. 3.5 ORTAM SICAKLIĞI Gaz türbinlerinin çıkış güçleri ve ısıl oranları, ortam sıcaklığına fazla duyarlılık gösterdiği için; gaz motorları, ortam sıcaklığına çok fazla duyarlı olmadığından, bazı uygulamalarda gaz motoru kullanımı zorunlu hale gelir. 3.6 TOPLAM SİSTEM KAPASİTESİ Kojenerasyon sisteminde ihtiyaç duyulan güçler büyüdükçe, seçilen sistem, gaz türbinine doğru yönelmektedir. Genellikle uygulamada, 15 – 20 MW seviyesinin altında gaz motorları, üzerinde ise gaz türbinleri kullanılmaktadır. Aslında bu seçim elektrik – ısı kullanım oranına göre yapılır. Bir sistemde çok az ısı kullanıyorsanız, kombine çevrimli gaz türbini kurmak daha avantajlıdır. Elektrik fiyatı, bizim ülkemiz koşullarında daha pahalı olduğundan, gaz motorlarında elektrik verimi daha yüksek olduğundan dolayı, gaz motoru seçmek daha ekonomik olmaktadır. 3.7 ELEKTRİĞİN KALİTESİ Elektrikteki frekans ve gerilim hassasiyetinin yüksek olduğu işletmelerde bazen sistemin karlılığına yada şebeke elektriğinin sürekliliğine bakmaksızın, kojenerasyon yatırımı zorunlu hale gelir. Özellikle hassas elektronik cihazların bulunduğu tesislerde (tekstil, computer,vs.) frekans ve gerilim değerlerinin toleransı çok azdır. Tesiste bu türden sorunlar varsa, kojenerasyon bu kuruluş için kaçınılmaz olmakta, tolerans miktarı azaldıkça ise sistem seçimi gaz motorundan gaz türbinine doğru kayacaktır.
134
BÖLÜM 4 BÖLGE ISITMASI VE KOJENERASYONUN EKONOMİK OLURLULUĞU Türkiye birincil enerji kaynakları kendi kendine yeterli bir ülke değildir. Enerji açığı olarak tanımlanan, birincil enerji tüketimi ile üretimi arasındaki farkın günümüzde 50 milyon TEP (ton eşdeğeri petrol, 1 TEP=41800 MJ), 2010 yılında 100 milyon TEP olması beklenmektedir. Birincil enerji tüketiminin yüzde 60’a yakınını oluşturan petrol ve doğal gaz büyük ölçüde dışarıdan alınmaktadır. Enerji açığını kapatmak için yapılacak birincil enerji ithalatının bedeli, bugünkü fiyatlarla 10 milyar dolar, 2010 yılında ise 20 milyar doları bulacaktır,[1]. İkincil enerji türleri, elektrik enerjisi ve ısıl enerjidir. Isıl enerji konutlarda ısıtma, sanayide proses ısısı olarak kullanılmaktadır. 1996 yılı itibariyle, Türkiye’nin enerji üretimi için kurulu gücü yaklaşık 23 000 MW’dır. Kurulu gücün yaklaşık yarısı termik, yarısı hidroelektrik santrallerdir. Termik santralların yüzde 55’i linyit, yüzde 25’i doğal gaz yakan santrallerden oluşmaktadır. 1996 yılında yaklaşık 90 milyar kWh olan elektrik tüketiminin hemen tümü yerli üretimle karşılanmış, ancak daha sonraki yıllarda tüketim, üretimi az da olsa aşmıştır. Aksayan enerji yatırımları nedeniyle, önümüzdeki yıllarda elektrik açığının oluşması beklenebilir. Elektrik üretmek için 2010 yılına kadar sisteme her yıl 3 ila 6 MW kurulu güç eklemek başka bir değişle 3 ila 6 milyar dolar yatırım yapmak gerekecektir. Buna ek olarak doğal gazın taşınması için boru hatlarının yapımı, elektrik dağıtımı içinde yüksek ve alçak gerilim hatlarının geliştirilmesi zorunlu olacaktır. Yukarıdaki verilen bilgiler Türkiye’nin enerji sorununun boyutlarını ortaya koymaktadır. Açıkça görüleceği gibi birincil ve ikincil enerji tüketiminin, etkin kullanımla, olabilecek en alt düzeyde tutulması, enerji politikasının önemli bir amacı olmalıdır. Bileşik ısı-güç üretiminin yaygınlaşması birincil enerji kaynaklarından yararlanma oranını artırmanın yanısıra kurulu güce yapacağı katkı bakımından bu amaca hizmet edecektir. Konutların ısıtması için gerekli enerjinin bileşik ısı-güç santrallarından sağlanması durumunda her 1 MW santral gücü için, ülke olarak yıllık tüketimimizden yaklaşık 700 ton yakıt veya 175 bin dolarlık bir artırım yapmak mümkündür. Özellikle yeni kurulan yerleşim bölgelerinde bileşik ısı-güç üretiminin uygulanması kolay olup, özendirilmelidir. Yeni yerleşim bölgelerinde bu konuda bir ön çalışmanın yapılması yasa ile zorunlu kılınmalıdır. 4.1 Bölge Isıtması Bölge ısıtması, bir yerleşim biriminin bir veya birkaç merkezde kurulan santrallerle ısıtılmasıdır. Yerleşim birimi, bir site olabileceği gibi, bir mahalle veya bir kent de olabilir. Bazı uygulamalarda ısı santralları sıcak su veya buhar üreten kazanlardan oluşur. Başka bir değişle santralde sadece ısı üretilir. Bazı santrallerde ise ısı ve elektrik birlikte üretilir. Bu tür santrallerde buhar türbini, gaz türbini veya diesel (gaz) motoru kuruludur. İkinci uygulama bileşik ısı-güç üretimi veya kojenerasyon olarak bilinir. Bölge ısıtmasının, her apartmanın veya konutun ayrı ayrı ısıtılmasına oranla bazı avantajları vardır. Bunların arasında atıkların denetlenerek çevre kirliliğinin önlenmesi, yakıtın ekonomik yakılması, yakıt seçeneklerinin fazlalığı öncelikle belirtilmelidir. Bölge ısıtmasının en büyük dezavantajı ise ilk yatırım maliyetinin yüksek olmasıdır. Ancak planlı ve düzenli yerleşim bölgeleri ile maliyeti azaltmak olanaklıdır. Bir bölge ısıtma sistemi, ısı üretim merkezi, dağıtım şebekesi ve kullanıcı bağlantılarından oluşur,[2].
135
Isı üretim merkezi, kazanlardan oluşan bir ısı santrali olabileceği gibi, bir bileşik ısı-güç santrali de olabilir. Santralde, ısının dağıtımı için aracı akışkan işlevini gören sıcak su veya buhar üretilir. Günümüzde aracı akışkan olarak sıcak su kullanımı çok daha yaygındır. Santralde ayrıca aracı akışkanı şebekede dolaşımını sağlayan pompalar bulunur. Santralde üretilen sıcak su veya buhar bir boru şebekesinde dolaşarak, ısıl enerjinin dağıtımını sağlar. Suyun santralden çıkış sıcaklığı 90 ile 120o C arasında olabilir. Şebekedeki sıcaklık düşümü ise 10 ile 30o C arasındadır. Boru şebekesi kanalların içine yerleştirilebileceği gibi, yer üstünde veya toprağa gömülü de olabilir. Günümüzde çelik bir koruyucu kılıf içinde yalıtılmış plastik veya çelik borular yaygın olarak kullanılmaktadır. Dağıtım sisteminde ayrıca genleşme elemanları, vanalar, yardımcı pompalar yer alır. Kullanıcı bağlantıları, şebeke ile konut arasında ısıl enerji aktarımını sağlayan eşanjör ve konut içindeki ısıtma tesisatından oluşur. 4.2 Bileşik Isı – Güç Üretimi (Kojenerasyon) Bileşik ısı-güç üretimi veya kojenerasyon ısı ve elektriğin aynı sistemde birarada üretilmesi anlamına gelir. Bu maçla herhangi bir ısı makinesi kullanılabilir. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, bir ısı makinesi veya güç santrali tükettiği yakıt enerjisinin ancak belirli bir bölümünü işe veya elektriğe dönüştürebilir. Geri kalan enerji çevreye ısı olarak verilir. Bileşik ısıgüç üretiminde çevreye atılan bu enerjiden yararlanılır. Bileşik ısı güç üretimi ile ilgili üç temel tanım, ısıl verim, enerjiden yararlanma oranı ve elektrik-ısı oranıdır. Bu tanımlar aşağıda açıklanmıştır. Bir ısı makinesinde üretilen işin (W), sağlanan yakıt enerjisine (Y) oranı, ısıl verim, η olarak tanımlanır,[3]. η= W/Y
(1)
Isı makinesinin çevreye attığı ısıl enerji Q, kullanımı amaçlanan ısıdır. Enerjiden yararlanma oranı (utilization factor, total efficiency), EYO , yararlanılan toplam enerjinin, sağlanan enerjiye oranıdır: EYO = W+Q / Y
(2)
Termodinamiğin birinci yasasına göre enerjiden yararlanma oranı 1’dir. Fakat uygulamada atık ısının tümünden yararlanılamadığı için bu değer 0.7 ile 0.9 arasında olur. Bir bileşik ısı-güç santralinde üretilen işin (elektriğin), kullanılan ısıya oranı, elektrik-ısı oranı (power to heat ratio), EIO diye tanımlanır. Bu değer, termodinamiğin birinci yasasını kullanarak, ısıl verimle gösterilebilir: EIO = W / Q = η / 1 - η
(3)
Aşağıda bileşik ısı-güç üretimi için kullanılabilecek farklı sistemler ele alınmış, teknik ve ekonomik yönden karşılaştırılmıştır. Bileşik ısı-güç üretimi için kullanılabilecek sistemlerden biri kazan-buhar türbini seçeneğidir. Buhar çevrimine dayalı bu sistemde karşı basınçlı ve ara buhar almalıyoğuşturuculu olmak üzere iki farklı düzenleme düşünülebilir. Bu düzenlemeler şekil 1 ve 2’ de gösterilmiştir. Buharlı çevrimlerde her türlü yakıt kullanılabilir.
136
Türbin W
Kazan Yoğuşturucu
Pompa Şekil 1 . Karşı basınçlı buhar türbini çevrimi Karşı basınçlı çevrimde, buhar türbin çıkışında, ısıtma sıcaklığına karşı gelen doyma basıncında yoğuşturulur. Böylece yoğuşturucu, ısıtma şebekesine verilen ısının kaynağı olur. Karşı basınçlı buhar çevriminin ısıl verimi %20 dolaylarındadır ve bu tür sistemlerin elektrik üretim güçleri 1 ile 10 MW arasında değişir. Bu sistemlerde elektrik-ısı oranı 0.15 ile 0.2 arasında olup, verilen bir çevrim için sabittir. Üretilen elektrik veya ısının miktarı, türbinden geçen buhar debisini azaltarak veya çoğaltarak değiştirilir. Türbin W
Kazan Yoğuşturucu
Pompa Pompa Şekil 2. Ara buhar almalı yoğuşturuculu buhar türbini çevrimi Ara buhar almalı-yoğuşturuculu çevrimde, yoğuşturucu basıncı atmosfer basıncının çok altındadır. Buhar 30-40 derece arasında bir sıcaklıkta yoğuşur. Isıtma enerjisi ise daha yüksek bir basınçta türbinden ayrılan buharla sağlanır. Ara buhar almalı buhar çevriminin ısıl verimi %20-%30 arasındadır, elektrik üretim gücü ise 10 ile 50 MW arasında değişir. Elektrik ısı oranı türbinden ayrılan buhar miktarını azaltarak veya çoğaltarak değiştirilebilir. Bu bakımdan ara buhar almalı çevrim, çalışma süresince değişen ısı ve elektrik yüklerini karşılamada daha esnektir. Elektrik-ısı oranı, türbinden ayrılan buhar miktarına bağlı olarak 0.15 ile 0.4 arasındadır. Bileşik ısı-güç üretimi için kullanılabilecek bir başka seçenek şekil 3’te gösterilen gaz türbini-atık ısı kazanı düzenlemesidir. Bu düzenlemede çıkan yüksek sıcaklıktaki gazlar bir atık ısı kazanında buhar veya sıcak su üretmek için kullanılır. Elektrik üretim gücü 2 ile 50 MW, ısıl verim ise %25 ile %30 arasındadır. Gaz türbinlerinde doğal gaz, LPG veya nafta yakıt olarak kullanılabilir. Bu tür santrallerde elektrik-ısı oranı 0.5 mertebesindedir. Türbin çıkışına konacak olan bir 137
yönlendirme (by-pass) mekanizması ile atık gazlar ısı gereksinimin az olduğu zamanlarda, kazana gönderilmeyerek doğrudan atmosfere verilebilir. Bileşik ısı-güç üretiminde kullanılan gaz türbinleri, uçak motorlarının tasarımına dayanan aero-derivativ türden veya yer santrallarında kullanılan ağır (heavy duty) türden olabilir.
Atık ısı kazanı
Buhar
Yanma odası Türbin Kompresör
Şekil 3. Gaz türbinli bileşik ısı-güç sistemi Bileşik ısı-güç üretiminde son yıllarda yaygınlaşan bir başka uygulama şekil 4’te görülen diesel veya gaz motoru ile atık ısı kazanının kullanılmasıdır. Bu düzenlemede motorun egzoz gazları bir atık ısı kazanından geçirilerek buhar veya sıcak su üretmek için kullanılır. Ayrıca motorun soğutma suyundan, sıcak su üretimi için yararlanılabilir. Elektrik üretim gücü 0.5 ile 10 MW,ısıl verim ise %40 ile %50 arasındadır. Diesel veya gaz motorlu bileşik ısı-güç üretiminde elektrik ısı oranı yaklaşık 1’dir. Burada da, atık gazlar ısı gereksinimin az olduğu zamanlarda, bir yönlendirme mekanizmasıyla doğrudan atmosfere verilebilir. Diesel veya gaz motorlarında yakıt seçenekleri motorin, doğal gaz, LPG ve nafta’dır. Şekil 4. Diesel motorlu bileşik ısı-güç sistemi
Atık ısı kazanı
Diesel mak.
Sıcak Su Merkezi
138
4.3 Bileşik Isı-Güç Üretimi ile Bölge Isıtmasının Ekonomik Olurluluğu Bileşik ısı-güç üretimi kullanarak yapılan bölge ısıtmasının olurluluğuna termodinamik, ekonomik ve iklimsel parametreler birlikte gözönüne alınarak karar verilir. Ekonomik olurluluğun birlikte belirlenebilmesi için sistemin yıllık net işletme geliri ile yatırım giderinin hesaplanmaları gerekir. Yıllık net işletme geliri, bölgenin ısı ve elektrik gereksinimlerinin ayrı ayrı karşılanması durumunda yıllık olarak ödenecek ısıtma, elektrik, personel, bakım onarım giderlerinin toplamından, bileşik ısı-güç santralinin yıllık yakıt, personel, bakım onarım giderlerinin toplamını çıkartarak bulunur. Yatırım gideri ise bileşik ısıgüç santralinin satın alınması ve kurulması ile ilgili olarak başlangıçta ödenen paradır. Bu değerler belirlendikten sonra geri ödeme süresi, şimdiki değer, yıllık net kazanç gibi ekonomik analiz yöntemlerinden biri ile yatırımın karlılığına karar verilebilir,[4]. Uygulamanın yapılacağı bölgenin ısı ve elektrik gereksinimin, bileşik ısı-güç santralinin elektrik-ısı oranı ile uyumlu olması gözönünde bulundurulması gereken bir husustur. Bu uyumu tam olarak sağlamak mümkün değildir. Üretilen elektrik fazla olduğu zaman şebekeye satılabilmesi, elektrik açığı olduğu zaman şebekeden alınabilmesi anlaşmalar çerçevesinde mümkün olabilir. Isı enerjisi açığı yardımcı kazanlarla, ısı enerji fazlası ise ısı depolayan akümülatörlerle belirli ölçüler içinde dengelenebilir. Bileşik ısı-güç santralinin kullanılma oranı (yük faktörü) gözönüne alınması gereken bir başka parametredir. Yük faktörü iklim koşullarına bağlıdır. Bileşik ısı-güç santralının kapasitesi belirlenirken yük- süre eğrisinden yararlanılır. Aşağıda bir yük-süre eğrisi gösterilmiştir.
Isı gereksinimi (MW)
yük –süre eğrisi Bileşik ısı-güç üretim merkezi tarafından karşılanan ısı gereksinimi (MJ)
Süre (saniye) Şekil 5. Yük-Süre Eğrisi Bir bölge ısıtma sistemi tasarlanırken, bileşik ısı-güç santralının ısı üretim kapasitesi genellikle, ısıtma sisteminin maksimum ısı gereksiniminin %50’sini karşılayacak biçimde seçilir. Böylece bileşik ısı-güç santralının yılın büyük bir bölümünde tam yüke yakın bir kapasitede çalışması sağlanır. Isı gereksiniminin büyük olduğu kısa bir süre içinse yardımcı kazanlar devreye girer. Şebekeye elektrik satış fiyatı, şebekeden elektrik alış fiyatı, bileşik ısı-güç santralından yakılan yakıtın fiyatı olurluluk hesaplanırında göze alınması gereken ekonomik parametrelerdir. Ayrıca bileşik ısı-güç santralı, yardımcı kazanlar, dağıtım şebekesi, konut bağlantıları için sabit yatırım değerleri, faiz oranı, bakım onarım ve işletme giderleri de olurluluk hesapları için gereklidir. 139
Bazı durumlarda üretilen ısı ve elektriğin fiyatlandırılması söz konusu olabilir. Fiyatlandırma; ürünlerin enerji veya ekserjini göz önüne alarak yapılabilir. Ürünlerin enerjilerini göz önüne alarak yapılacak hesaplama için aşağıdaki bağıntı kullanılabilir,[5]: f e + f q / EIO = f y / η + C . a / (s.e) burada, : fe : fq fy : EIO : η : C : A : S : E :
(4)
elektriğin fiyatı, ( para birimi / kJ ), ısının fiyatı, ( para birimi / kJ ), yakıt fiyatı, ( para birimi / kJ ), bileşik ısı-güç santralının elektrik-ısı oranı bileşik ısı-güç santralının ısıl verimi bileşik ısı-güç santralının yatırım bedeli ( para birimi ) amortizman faktörü ( capital recavery factor ), [5] santralın yıllık çalışma süresi ( saniye ) santralın elektrik üretim gücü ( kW )
olmaktadır. (4) numaralı bağıntıda elektrik ve ısının fiyatları iki bilinmeyen olarak yer almaktadır. Bu nedenle bir bağıntıya daha gerek duyulur. Ürünler enerji bazında eşit fiyata sahip kabul edilir, başka bir değişle f e = f q alınabilir. Bir başka yaklaşım da yatırım masraflarını elektriğe yıkmaktır, bu durumda f q = f y alınır. BÖLÜM 5 ESENYURT KOJENERASYON TERMİK SANTRALI Esenyurt Kojenerasyon termik Santralı,Türkiye Ulusal elektrik şebekesine 180 MW elektrik ve Esenkent Bölgesel Isıtma sistemine ısı amaçlı sıcak su sağlayacaktır. Santralın tanımı,projenin esasları ve santralın merkezi ısıtma sistemine bağlantısı aşağıda verilmektedir. 5.1.Esenyurt Kojenerasyon Termik Santralı Esenyurt Kojenerasyon Termik Santralı,180 MW termal enerji üreten,ısı elektrik kombine çevrimli bir termik santraldır. Sağlanan elektrik, ulusal elektrik şebekesine ve üretilen ısı Esenkent Merkezi Isıtma sistemine hizmet vermektedir. Santralda : 3 adet Gaz Türbini / Jeneratör 3 adet Isı Geri Kazanımlı Atık Isı Jeneratörü(kazanı) (HRSG) Buhar Türbini / Jeneratörü Hava Soğutmalı Kondansatör Yardımcı Kazan 154 kV Şalt sahası da dahil olmak üzere Elektrik Sistemleri Dağıtım Kontrol Sistemi Santralın Balansı Sistemleri 5.1.1.Gaz Türbini / Jeneratörü Gaz türbini / jeneratörü paketleri PG6551(B) (Frame 6B) tiptir ve General Electric il lisans sözleşmesi kapsamında Thomassen International tarafından Üretilmişlerdir. Her paket taban levhasına monte edilmiş şekilde bir türbin ve aksesuar paketini içerir. Her gaz türbininin nominal çıkışı 40MW’ tır. Türbin, jeneratöre, bir vites ile bağlanmaktadır, bu da türbinin 5000rpm ‘lik rotasyonel hızını, 3000rpm ‘ ye düşürmektedir. 140
Giriş filtresinden giren hava, 17 aşamalı eksenel kompresör tarafından tazyik edilir. Tazyikli hava yakıtla karıştığı ve yandığı 10 hücreli ateşleme sistemine yönlendirilir. Ateşlemenin tamamlanmasından sonra sıcak gazlar genleştikleri 3 kademeli türbine akarlar. Gazlar egsoz çıkışından gaz türbinini terk eder ve Isı Çevrim Buhar Jeneratörünün giriş kanalını girerler. Gaz türbinleri normalde doğal gaz ile çalışırlar. Noχ emisyonu şartlarını karşılayabilmek için türbinler kuru düşük Noχ yanma sistemi ile donatılmıştır. Eğer doğal gaz kesilirse, gaz türbinleri yedek yakıt olarak mevcut bulunan petrol ile yanacaktır. Gaz türbinleri petrol ile çalıştığında Noχ ‘ u düşürmek için su enjeksiyonu yapılır. Gaz türbini jeneratörleri GEC Alsthom tarafından üretilmiştir. 3000rpm ‘ li, 11kV ‘ lık 0.9 güç faktörü bulunan jeneratörlerdir. Gaz türbini başlatma sisteminde ağır dizel motor, burma konverteri ve starter debriyajı bulunmaktadır. Başlatma sistemi yardımcı kompartmana yerleştirilmiştir ve vites vasıtasıyla gaz türbini rotorunu çalıştırır. Şebekeden enerji gelmediği zaman da bile başlamayı sağlamak için dizel motor seçilmiştir. Gaz türbinlerinin kontrolü için GE Speedtronic Mark V kontrol sistemi kullanılmaktadır. Mark V üçlü kontrol sistemidir ve yakıt kontrolü (yarı yük durumlarında hız veya yük kontrolleri içindir), derece kontrolü (temel yük durumlarında), veya açık çevrim (işletmeye alma durumlarında) gibi farklı şekillerde çalışır. İlaveten, emisyon ve işletme şartlarını karşılamak için türbin giriş kılavuz kanatları ve su enjeksiyonu kullanılır. Normalde gaz türbinleri, en yüksek elektrik verimini ve en düşük emisyonu verdiği için temel yükte çalışacaktır. Diğer gaz türbinleri / jeneratör yardımcı sistemlerde, yağlama yağı sistemi (gaz türbini ve jeneratörü yağlamak ve hidrolik yağ sistemini çalıştırmak için kullanılır), kapalı soğutma su sistemi (yağlama yağını soğutmak için kullanılır), yangın detektör ve söndürme sistemi (yangın detektörü, alarm ve CO2 söndürücüleri içerir), gaz türbini ve jeneratör akustik kaplaması (gürültüyü azaltmak için) ve gaz türbini ve jeneratör koruyucu (alev detektörü, aşırı hız ve senkronizasyon) sistemleri mevcuttur. 5.1.2 Isı Geri Kazanımlı Atık Isı Kazanları (HRSG) Isı geri kazanımlı atık ısı kazanları (HRSG) Schelde Breda Boilers (Hollanda) tarafından dizayn edilmiş ve DESA (İzmir) tarafından üretilmiştir. Bunlar yatay, doğal sirkülasyonlu, çift basınçlı modeldir ve ilave ateşleme sistemine sahiptir. Her bir HRSG’nin ilave ateşleme sistemi, doğal gaz veya petrol ile yanabilen üç brülöre sahiptir. Brülörler merkezi kontrol odasında manuel olarak çalıştırılır ve HRSG başına 27MW maksimum kapasitesi vardır. Gaz türbini egzoz gazları giriş kanalıyla HRSG’lere sırasıyla girer. Egzoz gazı akışının şartları gaz türbini yükü ve çevre koşulları ilave ateşleme hızı ile orantılıdır. HRSG’nin ısı yüzeyi aşağıdaki şekilde ayarlanmıştır (egzoz gaz akışı yönünde): - YB Süper ısıtıcı II - Buharlaştırıcı Ekran - YB Süper ısıtıcı I - YB Buharlaştırıcı - YB Buhar Ekonomizeri II - AB Süper ısıtıcı - AB Buharlaştırıcı - AB Buhar Ekonomizeri ve YB Buhar Ekonomizeri I - AB Bölgesel Isıtma Serpantini 141
Gürültü ile ilgili talepleri karşılayabilmek için HRSG egzoz kanalına susturucu yerleştirilmiştir. Her bir HRSG’nin kendi %100 x 2 kombine yüksek / düşük basınç kazan besleme suyu pompaları seti vardır. Pompalardan biri çalışır durumdadır, diğeri beklemededir. Kondanserin ısınma ve dearasyonu için gereken buhar miktarını azaltmak için dearatörden gelen brülör besleme suyu kullanılarak kondanser, harici kondanser ön ısıtıcısı içinde ısıtılır. Böylece santralın elektrik verimliliği yükseltilir. Eğer santral petrol ile çalıştırılıyorsa, HRSG’nin arka kısmında oluşabilecek korozyonu önlemek için kondanser ön ısıtıcılar ve merkezi ısıtma serpantinleri devre dışı bırakılır. Merkezi ısıtma serpantinlerinde kalan suyun serpantinlerin içinde buharlaşmasını önlemek için basınç altında tutulur. Bir ünitenin işlemesini sağlamak için, her bir HRSG basınç düşürücü ve kızgın buhar soğutucusu (desuperheater) istasyonları ile birlikte ortak bir YB ve AB başlama hattına bağlanır. Başlama (start-up) baypas sisteminin kapasitesi bir seferde sadece bir tane HRSG çalıştırabilir şekildedir. Baypas istasyonları hava soğutma kondanserine deşarj edilir. Her bir HRSG tam otomatik su kalite kontrol sistemi ile donatılmıştır. Bu sistem (brülör besleme suyu, YB ve AB kazan suyu, YB ve AB doymuş buhar için) numune istasyonu ve kimyasal dozajlama sistemine sahiptir. Kazan suyu pisliği kazan boşaltma borusu ile deşarj edilir. 5.1.3 Buhar Türbini / Jeneratörü Buhar türbini General Electric lisansı ile Thomassen International tarafından üretilmiştir. Tek muhafazalı, bir adet kontrolsüz kombine emme/basma ve bir adet kontrollü basma tipi kondanse buhar türbinidir. Kombine emme/basma HRSG’nin AB bölümü ile aynı basınçta çalışmaktadır. Basma olarak çalıştığında merkezi ısıtma kondanseri yüksek ısısını besler. Yaz döneminde merkezi ısıtma suyunu talep edilen ısıda tutabilmek için, kontrollü basma 1.75 barlık bir basınçta tutulur. Buhar türbini jeneratörü GEC Alsthom tarafından üretilmiştir. 3000rpm’li, 11kV’lık, (normal işletme şartları altında) 0.9 güç faktörü bulunan jeneratörlerdir. Bütün YB buhar sistemi (HRSG’ler ve buhar türbini)kayıcı basınç şeklinde çalışır. Normalde, buhar türbini kontrol valfları tam olarak açıktır. Buhar basıncı kabul edilir minimum değerin altına düştüğünde, basıncı istenen değere getirmek için valfların bir bölümü kapanır. Buhar basıncının aniden düşmesi durumunda buhar türbini kelebek valfı da kapanacaktır. 5.1.4 Hava Soğutmalı Kondanser Hava soğutmalı kondanser (ACC), buhar türbini egzozundan ve/veya buhar türbini baypas sisteminden gelen buharı kondanse etmeye yarar. Soğutma için çevre havası kullanılır. Buhar, demetlerin dış yüzeyinden geçen havaya ısı transfer ederek, fin tüp demetleri içinde kondanse edilir. Buhar yoğunlaşır ve kazan besleme suyu olarak tekrar kullanılmak için ACC kondanser tankına geri döner. Buhar türbini egzozu veya baypas buharı, buhar türbini egzoz kanalı ve iki dağıtım manifoldu vasıtasıyla yoğunlaştırıcı elemanlara gönderilir. Kanalda oluşabilecek herhangi bir yoğunlaşmayı önlemek için buhar kanalında drenajlar vardır.
142
Fin tüp elemanları çift çatı konfigürasyonu içine yerleştirilmiştir. Her çatının beş modülü mevcuttur. Her modülün eksenel akış fanı ve sekiz fin tüp demetleri vardır. Böylece tamamlanmış bir ACC 80 (8x10) fin tüp demetinden oluşur. Her bir fin tüp demeti 200 tek geçişli karbon-çelik, sıcak daldırmalı galvanizli oval fin tüplerden oluşur. Tüpler dört paralel sıra halinde tüp saçları ile başlıklar arasında yer alır. ACC’den gelen yoğunlaşma sıvısı kondansatörün toplama başlıklarında toplanır ve yer çekimi drenajı yoluyla, ACC sıcak su toplama tankına yollanır. ACC’ye bağlı dört buhar türbini baypas istasyonu vardır: - ana YB buhar türbini baypas - YB başlangıç baypası - ana AB buhar türbini baypası - AB başlangıç baypası Tüm bu baypas istasyonlarında basınç düşürücü valf ve kızgın buhar soğutucusu mevcuttur. ACC baypas konumundayken tüm HRSG’lerin buhar akışını kontrol etme özelliği vardır. 5.1.5 Yardımcı Kazan Projenin işletmeye alma döneminde karşılayacağı ısı talebi için, yardımcı bir sıcak su kazanı kurulmuştur. Bu sıcak su kazanı silindir, üç geçişli ve basınca dayanıklıdır, ön ve arka bitiş plakaları ve çift yakıt yakıcıya sahiptir. Yardımcı kazanın maksimum termal kapasitesi 20MW’tır. Çıkış suyunun derecesi 130 oC de kontrol altında tutulur. 5.1.6 Elektrik Sistemleri elektrik sistemleri aşağıdakilerden oluşur: - gaz türbin jeneratörleri ve buhar türbin jeneratörleri - her jeneratör için yükseltici transformatörü - 154kV şalt sahası - istasyon ve dağıtım transformatörü - orta ve düşük voltaj dağıtım sistemi - kesintisiz güç kaynağı 11kV elektrik üreten gaz türbin jeneratörleri ve buhar jeneratörü tamamen su-hava soğutmalı jeneratörler (TEWAC) tarafından sarılmışlardır. Jeneratörler statik ikaz sistemi ile donatılmıştır. Tüm jeneratörler 3000rpm rotasyonel hız ile çalışmaktadır. Her jeneratörün kendi yükseltici transformatörü vardır ve şalt sahası vasıtasıyla, santralı 154kV şebekesine bağlar. 154kV şalt sahası şebeke hatları şalt sahası içinde toprağa gömülüdür ve enerji hatları ve ilgili ekipmanı uyumlu hale getirmek için kurulmuş olan gantry’ler vasıtasıyla sahaya giriş ve çıkış yaparlar. Santral işletmeye alındığında, gaz türbini yükseltici transformatörlerinden ikisi yardımcı sistemlerin işletmeye geçmesi için santrala enerji sağlamak amacıyla voltaj düşürme transformatörü fonksiyonu görür. 154kV şebekesinden enerji almak mümkün değilse yardımcı sistemlere enerji sağlamak amacıyla acil dizel jeneratörü kullanılır. Orta voltaj dağıtım sistemi elektrik enerjisini, 11kV dağıtım sisteminden beslenen iki istasyon transformatöründen alır. Alçak voltaj dağıtım sistemi elektrik enerjisine, 6.3kV dağıtım sisteminden beslenen iki dağıtım transformatöründen alır. Alçak voltajın gücü 400V’tır. Tüm acil durumlarda santralın güvenli bir şekilde kapatılması için üç kesintisiz güç kaynağı sistemi vardır.
143
1. Koruma ve Kontrol Sistemleri acil motorları ile statik 400/230 VAC UPS sistemini besleyen 110VDC sistemi, 2. TEAŞ PLC komünikasyonu sistemi için 48VDC sistemi, 3. DCS sistemi alarmları besleyen 24VDC sistemi. 5.1.7 Dağıtım Kontrol Sistemi Elektrik dağıtımını da içeren santralın tamamı, merkezi kontrol odasından yürütülür. Merkezi kontrol odası, operatör istasyonları, mühendislik istasyonları, dağıtım kontrol sistemi (DCS) iin yazıcılardan oluşur. DCS Elsag Bailey Hartmann & Braun tarafından yapılmıştır. DCS mikro proses esaslı bir sistemdir ve şu fonksiyonları vardır: kontrol, görüntüleme, işletme, veri saklama, yazma, alarm ve koruma, Santralın, enstrümanları, kontrol ve koruma şartları, kontrol odasının yanında bulunan elektrik ve kontrol panel odasında yer alan gaz ve buhar türbini yerel kontrol kabinlerindeki ekipmanlarca idare edilir. Operatör istasyonları, kontrol odası ve santral sistemlerindeki operatörler arasındaki veri alış verişini sağlar. Ekranlar işletme ile ilgili tüm unsurları grafik ve tablo olarak gösterir. Santralın durumunu gösteren bir ışıklı panel operatör istasyonlarının önüne yerleştirilmiştir. İşletme ve görüntüleme işlemleri normalde merkezi kontrol odasından yapılmasına rağmen, gaz türbinleri, buhar türbini ve su arıtma tesisinin kendi kontrol sistemleri vardır. 5.1.8 Santralın Balansı Sistemleri Aşağıdakileri de kapsayan birkaç tane santralın balansı sistemi vardır: - yakıt temin sistemi - yağ temin sistemi - demiranalize su sistemi - kapalı soğutma suyu sistemi - enstrüman ve servis hava sistemi - santral yangın söndürme sistemi - kullanma suyu sistemi - ısıtma, havalandırma ve hava şartlama sistemi - atık su deşarj sistemi - yağmur suyu deşarj sistemi - içme suyu sistemi Santralın işletmesi için gerekli olan yardımcı sistemler öyle projelendirilmiştir ki, bir parçanın çıkışı, gaz türbinleri, HRSG’ler veya buhar türbini gibi diğer başlıca ekipmanların çıkışına sebep olamayacağı şekildedir. 5.2 Proje Esasları kombine elektrik ve merkezi ısı üreten bir santral veya kojenerasyon santralı için, santralı maksimum verimlilikte işletmek için ekonomik bir yöntem vardır. Elektrik üretiminden gelenler ısı üretiminin arz ve sağlanabilirlik talepleriyle dengelenmelidir. (iklim sonucu) Merkezi ısı talebi değişikliklerinde ısı teminini kontrol etmek önemlidir. Santral buhar türbini çıkışında çok çeşitli ısı talebini karşılarken, bir yandan da ulusal şebekeye elektrik üretmeye devam edebilir. Santralın güvenlik şartlarında, çeşitli gaz türbinin konfigürasyonları kullanılması öngörülmüştür. Paralel çalışan üç gaz türbini / HRSG setleri, bu konuda optimum sonuçları vermektedir. Frame 6B gaz türbini seçimi ısı talepleriyle ilgili olarak ortaya çıkmıştır ve 180MW’lık kojenerasyon santralının maksimum gerekleriyle uyumluluk sağlamıştır.
144
Ekonomi ve verimlilik sebepleriyle, tek bir buhar türbini kullanılmaktadır. Bu tür uygulamalarda buhar türbinleri oldukça güvenilirdir ve çok az rutin bakım isterler. Buhar türbininde arıza olması ve bakım gerekmesi durumunda buhar türbini baypas edilerek, buhar, reformer istasyonlarından merkezi su ısıtıcısına gönderilir. Bakımı gerektiğinde buhar türbini, bağlantı borusundaki bir valf ile ACC’den ayrılabilir. Gaz türbinlerini ve HRGS kanal yakıcılarını ateşlemek için hem doğal gaz, hem de petrol kullanılmaktadır. Verimlilik sebebiyle HRSG’deki egzoz gazı su ve sülfür tarafından, bunların yoğuşma ısısının izin verebileceği kadar düşük dereceye soğutulur. Petrol yakarken sülfür içeriği, doğal gazda olduğundan daha yüksektir, bu da egzoz gazında, asit doyma noktasının daha yüksek çıkması ile sonuçlanır. Sonuç olarak, düşük derecedeki korozyonu önlemek için, HRSG egzozunun derece seviyesi yükseltilmelidir. Kullanma suyunun temini zor olduğundan ve pahalı olması sebebiyle su tüketimi önemli bir projelendirme sorunudur. Bu suretle, su tüketimi aşağıdaki yollarla azaltılmaktadır: Buharlaşma kayıplarını önlemek için ıslak soğutucu sistem ile hava soğutmalı kondanser kullanılmıştır. Gaz türbini, birinci yakıt olan doğal gaz için kuru düşük Nox yanma sistemi ile donatılmıştır. İç soğutma sistemi kapalı loop sistemidir ve hava soğutmalıdır. İşletmeye alma için, HRSG’ler ACC’nin kabul edemeyeceği kalitede olan buharı atan ve böylece buhar patlamasını önleyen ayrı bir baypas sistemi kullanılmaktadır. Egzoz gazı emisyonları, kuru düşük Nox , oluşumunu önler ve gaz türbini egzozunun Nox seviyesini çok düşük tutar. Gaz türbini petrol ile çalışırken emisyonları kontrol altında tutmak için su enjeksiyonu kullanılmaktadır. Normal işletme için işletme ve kontrol fonksiyonları tamamen otomatiktir, böylece gerekli işletme ekibinin sayısı en aza indirilmiştir. Gaz türbinleri ve buhar türbini gibi ana santral sistemlerinin kendi kontrol üniteleri vardır ve otomatik olarak kontrol edilip, kontrol odasından sıralanır. Esenkent evlerinin sahaya olan yakınlığı sebebiyle, gürültünün önlenmesi santral dizaynında önemli bir unsurdur. Gürültünün ana kaynakları gaz türbinleri, HRSG’ler ve ACC’dir. Bunlar evlerden olabildiğince uzak tutulmuşlardır. Gaz türbinleri ve HRSG’ler ayrı bir binada yer almıştır ve buhar türbini ve idari bina, ACC’nini önünde yer alarak gürültü kesici görevi görmüşlerdir. Fin Fan Soğutucusu gibi diğer potansiyel gürültülü parçalar için gürültü azaltıcılar kullanılmıştır. Santral yerleşim planları aşağıdakileri de içermektedir: Yüksek voltaj şebeke hatları 154kV şalt sahasına gömülmüştür, böylece yüksek gerilim hatları ile ortaya çıkabilecek problemler ortadan kaldırılmıştır. Gereksiz basınç kayıplarını önlemek için buru hattı işleri en aza indirgenmiştir. Düzenli bakım ve tüketim ürünlerinin(kimyasallar,petrol vs.) temini için boş alan ve giriş sağlanmıştır. Petrol ve su tankları bir duvar ile çevrelenmiştir.
145
5.3 Merkezi Isıtma Sistemine Bağlantı Esenyurt Kojenerasyon Termik Santralı, Esenkent Merkezi Isıtma sistemine sıcak su olarak termal enerji temin edecektir. Sistem minimum 110oC, maksimum 130oC arasında sıcak su temin etmek üzere projelendirilmiştir. Bu amaçla, santralın bir kısmı ısı üretmeye ayrılmıştır. Santral içindeki merkezi ısıtma sistemi aşağıdaki parçalardan oluşmaktadır : - HRSG’lerdeki merkezi ısıtma serpantinleri - 1 yüksek ısı merkezi ısıtma kondanseri - 2 düşük ısı merkezi ısıtma kondanseri - basınç sistemli, genleşme kanalları - 3 x %50 merkezi ısıtma sirkülasyon pompaları Merkezi ısıtma serpantinlerinin amacı, egzoz gazında bulunabilecek ısıyı maksimuma çıkararak, HRSG’nin termal verimliliğini artırmaktadır. Merkezi ısıtmadan dönen soğuk su ilk önce merkezi ısıtma serpantinlerine pompalanır. Bu, santralın termal verimliliğini artırır, çünkü merkezi ısıtma kondansatörlerindeki suyu ısıtmak için buhar türbininden daha az buhar çıkışına ihtiyaç duyacaktır. Eğer santral petrol ile çalışıyorsa, egzoz gazındaki sülfüre bağlı korozyonu önlemek amacıyla, merkezi ısıtma serpantinleri baypas edilir.buharlaşmayı önlemek için merkezi ısıtma serpantinlerindeki su basınç altında tutulur. Kış aylarında suyu 130oC’lık maksimum sıcaklıkta tutabilmek için yüksek ısılı merkezi ısıtma kondanseri kullanılır. Bu kondanser buhar türbininin kombine emme/basma bölümündeki buhar ile beslenir. Eğer buhar türbini çalışmıyorsa, buhar, buhar türbini baypas istasyonlarında düşük basınçlı merkezi ısıtma kondanserlerinden sağlanır. İlaveten, HRSG’ler tarafından temin edilen düşük basınç buharı, normal buhar yolundan yüksek ısı merkezi ısıtma kondanserine akar. Genleşme kanalları merkezi ısıtma sistemindeki ortalama su ısısının değişmesinden hacim değişikliklerini denkleştirir. Merkezi ısıtma sirkülâsyon pompalarına güç gitmemesi durumunda merkezi ısıtma şebekesindeki suyun kaynamasını önlemek için basınç sistemi gereklidir. Minimum sistem basıncını elde etmek için genleşme kanallarında azot örtüsü kullanılmaktadır : Her biri %50 kapasiteli üç merkezi ısıtma sirkülasyon pompası, suyun merkezi ısıtma şebekesinde sirküle edilmesi için kullanılmaktadır. Pompaların enerji tüketimini indirgemek için, bir pompa çeşitli hız kademeleri ile donatılmıştır. Sabit hızlı pompa baz yük gücünü temin ederken, bahse konu pompa yükleme varyasyonlarına dikkat edecektir. Ayrıca, merkezi ısıtma sisteminde, düşük sıcaklık merkezi ısıtma kondansatöründen gelen yoğunluğu, ACC sıcak su deposundan gelen yoğunluk ile soğutmaya yarayan plaka modelinde bir eşanjör bulunmaktadır. Ayrıca, merkezi ısıtma su kalite kontrol sistemi de temin edilmiştir. Bu sistemde numune ve analiz istasyonu ve de kimyasal dozajlama ünitesi bulunmaktadır. Merkezi ısıtma suyu demineralize sudur ve korozyon önleyici ve oksijen vidanjörü ile dozajlanmıştır.
146
BÖLÜM 6 SONUÇ Teknolojinin hızla geliştiği günümüzde enerji ihtiyacı oldukça artmıştır. Özellikle sanayinin hızlı gelişimi bu sektörün enerji tüketimini de aynı hızda arttırmıştır. Enerji ihtiyacının artması, kaynakların yetersizliği, enerji maliyetinin yüksek oluşu ve elektrik kalitesinin düşük olması sonucunda yüksek verimli sistemleri kullanma zorunluluğu ortaya çıkmıştır. Bu amaçla kojenerasyon sistemleri gündeme gelmiştir. Özellikle tekstil, kağıt, kimya, gıda gibi hem kaliteli elektrik hem de ısı gereksinimi olan sektörler için kojenerasyon sistemleri kurmak avantajlı hale gelmiştir. Bu sistemlerin enerjinin tüketildiği yerlere kurulmasından dolayı hat kayıplarının ortadan kalkması ve toplam enerji çevrim verimlerinin şebeke santralılarının verimlerine göre daha yüksek olması enerji tasarrufunu arttırmaktadır. Kojenerasyon sistemleri uzun yıllardan beri yabancı ülkelerde kullanılmaktadır. Ucuz enerji üretimi, kullanım rahatlığı, çevreye katkısı vb. sebeplerden dolayı tercihi kolay olmaktadır. Zaten ülkemizde kullanılan belirli miktarlarda doğal gaz ve fule il kullanımı mevcuttur. Bunların enerji verimleri ile birlikte kontrol edilip sıkı bir enerji politikası uygulanması kaçınılmazdır. Bundan sonra yapmamız gereken, enerjiyi daha verimli kullanmak, enerji kayıplarını en aza indirmektir. Yeni enerji kazanımları yaratmak, yer altı ve yer üstü kaynaklarını kullanmak da önemlidir. Bu konuda gerçekçi politikalar oluşturmak sivil toplum örgütlerinin ve üniversitelerin çabaları ile olacaktır. Kojenerasyon konusunda dikkat etmemiz gereken tek nokta, yakıtın dış ülkelere bağımlı olmasıdır. Bir ülkenin enerji üretiminin dış ülkelere bağımlı olması stratejik olarak sakıncalı olabilir. Bu sebepten dolayıdır ki enerji politikası üzerine çalışan kişi ya da kuruluşların, enerji üretimi üzerinde çok hassas olmaları gerekmektedir. Sonuç olarak; bir kojenerasyon sistemi, uygulama yapılacak tesisin hangi oranda ısı ve elektrik ihtiyacı olduğu dikkate alınarak seçilmeli ve elde edilen ısının mutlaka yararlı bir şekilde kullanılması yoluna gidilmelidir.
147
ÇOK İNCE TALAŞ KALDIRMA İŞLEMLERİ
148
YÜZEY PÜRÜZLÜĞÜ Talaş kaldırma işleminin amacı,parçalara sadece bir şekil vermek değil,bunları geometrik,boyut ve yüzey bakımından parça resminde gösterilen belirli bir doğruluk derecesine göre imal etmektir.Buna işlem kalitesi denilmektedir.Parçanın geometrik,boyut ve yüzey doğruluğunu kapsayan işleme kalitesi,günümüzde talaş kaldırma işleminin en önemli özelliğidir. Boyut kalitesi,parçanın gerçek boyutları arasında müsaade edilen sapmalardır.Bu sapmalar boyut toleransları ile ifade edilir.Geometrik kalite,müsaade edilen şekil ve konum sapmalarını kapsamaktadır. Bunlar,ideal silindirik şekle göre saptamalar,ideal yüzeye göre sapmalar ve eksenel sapmalar olmak üzere üç gruba ayrılır. Yüzey kalitesi;talaş kaldırma işleme ile işlenen yüzeylerde dalga ve pürüzlülük olmak üzere iki türlü yüzey sapması meydana gelir. Dalga geometrik sapmalar grubuna dahildir;dolayısıyla yüzey kalitesini esasen yüzey pürüzlülüğünü tayin eder. Standartlara göre yüzey pürüzlülüğünün değerlendirilmesi belirli kriterlerle yapılır. Bu kriterlere göre pürüzler,yüzeye dik olan bir kesitte,belirli bir numune uzunluğu boyunca,belirli bir referans profiline ve profil ortalama çizgisine göre tayin edilir. Referans profil genellikle geometrik profil alınır.Profil ortalama çizgisinin yeri,bu çizginin üstünde ve altında kalan alanların toplamı birbirine açık olacak şekilde belirlenir.Yüzey pürüzlülüğü,yüzey pürüzlülüğünün derinliği (Rt) yüzey pürüzlülüğünün düzeltilmiş derinliği (Rp) ve yüzey pürüzlülüğünün aritmetik ortalama değeri (Ra) gibi kriterlere göre değerlendirilir.(Rt) referans profiline göre en derin pürüzün değeri ; (Rp) referans profil ile profil ortalama çizgisi arasındaki mesafe;(Ra)’da,ortalama çizgiye göre pürüz yüksekliklerinin veya derinliklerinin mutlak değerlerinin aritmetik ortalamasıdır. Pratikte yüzey kalitesi genellikle (Rp) veya (Ra)’nın değerleri ile ifade edilir. Kayma hareketlerinin ortaya çıktığı yerlerden,sızdırmazlığın sağlanması da söz konusu olabilir. Bu durumda,yüzey çiftlerindeki aşınma sonucunda akışkan kayıpları ortaya çıkmaya başlar.
A
B
C D Resim: Yaklaşık 2800 kez büyütülmüş olarak hassas taşlama uygulanmış yapı parçalarının yüzey fotoğrafları 149
ABCD-
taşlama diski D91, soğuk yağlayıcı mineral yağ, malzema Al2O3 D20-30, mineral yağlayıcı, Al2O3 D20-30 , sulu çözelti, Al2O3 D20-30, mineral yağ , SİC.
Bu olayla vanalarda,pompalarda,içten yanmalı motorlarda sık karşılaşılır. Yine içten yanmalı motorlarda kam millerinin hem form hem de pürüzlülük açısından hassas işlenmesi motorun optimizasyonunda önemli rol oynar. Bazen yağlayıcı maddelerin yatak boşluğunda tutunabilmesi için kayma yüzeylerinde küçükte olsa yüzey pürüzlülüğü istenir.Bu nedenle tasarımcı pürüzsüz yerine belirli bir pürüzlülüğe sahip yüzey şekli talep eder. Ayrıca motor gövde ve kapağının ortak yüzeyleri gibi hareketsiz yüzey çiftlerinde gaz kaçağı olmaması için belirli yüzey şekli istenebilir. 1 .Yüzey Şekli Sapmaları : TS 5882’de teknik yüzeylerdeki şekil sapmalarının sınıflandırılması için altı kategori önerilmektedir. Bunlardan şekil sapması malzemenin kristal ve kafes yapısı ile ilgilidir. Şekil sapmaları genellikle iş parçasının işlendiği takım tezgahının kızaklarındaki düzgünsüzlükten ve iş parçasının hatalı bağlanması ile işleyici takımdaki form hatasından ve takım tezgahındaki titreşimlerden oluşur. Yüzey pürüzlülüğü ise,talaş kaldırılan takımın şekline ve ilerleme miktarına bağlıdır. Yüzey pürüzlülüğü kavramı içerisinde değerlendirilebilecek şekil bozukluğu talaşın oluşum biçimi ile ilgilidir. Talaşın sürekli veya sürekli teşekkülüne göre farklı yüzey oluşacaktır. Talaş kaldırmanın tornalama,frezeleme,matkapla delme, broşlama , raybalama , taşlama veya honlama ile yapılmasında farklı yüzey şekilleri elde edilir.
Yüzey işleme atölyesi(honlama makinesi)
150
2. Yüzey Pürüzlülüğünün Ölçülmesi Yüzey pürüzlülüğü araştırılacak yüzeyin özelliği bilinen bir yüzeyle karşılaştırılmasıyla,izleyici uç aletlerle veya optik araçlarla ölçüm yapılması ile belirlenir. Yüzey karşılaştırılması ile yüzey kontrolü yapıldığında sayısal bir sonuç elde edilemez. Bu işlem için tornalama,frezeleme,taşlama ve lepleme gibi yöntemlerle biline çeşitli pürüzlülük değerlerinde hazırlanmış standart numune karşılaştırma parçaları kullanılır. Bu durumda yüzey kontrolü çıplak gözle,büyüteçle veya mikroskopla yapılabilir. Ayrıca yüzeyin üzerine düzgün kenarlı bir cetvel konularak arada oluşan küçük ışık boşluklarından düzgün aydınlatılmış bir yüzeye bakılarak bir mikrona kadar olan pürüzlülüğü algılamak mümkündür. Teknolojik yüzeylerin yüzey kontrollerinde izleyici uçlu cihazlar büyük önem taşır. Bu cihazlarda yüzey kalitesi hakkında sayısal değerler elde edilir.İğne ucunun çapı 2 ile 15 mikron arasında değişir. İğne malzemesi elmas veya safirdir. Bunların ölçme aralığı 0,1-300 mikron arasında olup bu aralık genel makine imalatındaki pürüzlülük değerlerini kapsamaktadır. Cihazın hassasiyet yapısına göre Ry ,Ra ,Rp ,Rq ve Rz gibi yüzey parametrelerinden hepsi veya bir kısmı cihazdan doğrudan okunabilir veya yazıcısından alınan profilinden bu parametreler elle hesaplanabilir. İzleyici uçlu cihazlarda iğne,yüzeyi ölçme yolu boyunca tarar. İğne hareketi elektrik sinyaline dönüştürülerek büyütülür ve bir yazıcıya veya ölçekli ekrana taşınır. Ölçme hataları,iğne ucunun çapı dolayısıyla profil derinliklerine nüfuz edememesinden,iğnenin mekanik hareketlerinin elektrik sinyaline dönüşmesi sırasında ve elektrik sinyalinin yazıcıya taşınması sırasında oluşabilir. 3. Kesme Parametrelerinin Etkileri İşleme kalitesinin etkileyen faktörler dört grupta incelenir. • Takım tezgahına ait sapmalar;tezgahın kinematik mekanizmasındaki mevcut olan hataların etkisinden,ana mil ile kızak yüzeylerinin paralel olmamasından,tezgahın tüm mekanizmaları ve yataklama sistemlerindeki mevcut olan sapmalar ve boşlukların etkisinden,gövde ve ana milin yeterince rijit olmamasında • Takım sistemine ait hatalar;ana elemanların imalat hatalarından,tertibatın yeteri kadar rijit olmamasından,ana elemanlarda oluşan aşınmalardan. • Takım sistemine ait hatalar;takımın konum bakımından hatalı bir şekilde tutturulmasından,kesme kuvvetlerinin etkisi altında şekil değiştirilmelerin oluşması ve takımın aşınmasından. • Ortamın etkisi altında meydana gelen hatalar;sıcaklığın oluşturduğu şekil değiştirmeleri ve diğer makinelerden gelen titreşimler. Yüzey pürüzlüğüne etki eden faktörler : 1. İlerleme,kesme hızı,talaş derinliği 2. Kesici takım geometrisi 3. Diğer faktörler • Kesici uç üzerine talaşın yapışması • Takım ve iş parçasının elastik deformasyonu • Takım ve iş parçası arasındaki titreşim • Kesme kenarının pürüzlüğü,birinci ve ikinci kesme kenarında oluşan izler ve aşınma • İş parçasının talaş kaldırılan yüzeyinde 100 um’luk derinlikteki,fiziksel ve kimyasal özellikler. • Talaşın plastik akışı
151
ÇEŞİTLİ İNCE TALAŞ KALDIRMA İŞLEMLERİ; 1-Lepleme Yüzeyleri birbirine paralel olan iş parçalarının son işlemleri ,bir çok durumda düzleme lepleme üretim yöntemiyle gerçekleştirilir. Malzemelerin sertliğinden bağımsız olarak , lepleme yöntemi ile ,homojen bir dokuya sahip olan ve işlemesi sırasında kendine özgü ağırlığından yada yüklenmesinden dolayı plastik herhangi bir deformasyona uğramayan hemen hemen bütün materyaller işlenir.bunun yanı sıra lepleme ,yüksek yüzey karakterlerinin elde edilmesinde, çok iyi düzgünlük ve dar ölçü toleransları olanağı sağlamaktadır.bundan başka çok farklı iş parçası geometrileri de işlenebilmektedir. Bundan dolayı bu yöntemin uygulama yelpazesi, örneğin pompalarda, optik sanayinde ve ayrıca otomotiv sanayinde kullanılan metal ,seramik, cam yada diğer malzemelerden yapılmış iş parçasına kadar uzanmaktadır. Leplemenin , kullanılan lepleme süspansiyonlarının tasfiyesindeki yüksek maliyetler, işlenen iş parçasının temizlik masrafları ve ayrıca düşük malzeme kaldırma payları gibi dezavantajları da mevcuttur.
Resim: Hassas Taşlama Son işleme olarak ince taşlama leplmenin yerini alaıyor; Son işleme aşamasında leplemeye karşın hassan taşlamanın önemi giderek artıyor. Benzer kinematik davranışlar nedeniyle , her iki yöntemle de yüksek ölçü ve şekil tamlığı elde etmek mümkündür. Ancak hassas taşlama yönteminde ‘bağlı taşlama taneleri’ kullanıldığı için temizleme ve atık masrafları çok daha düşük olur.Bu yöntem ,iş parçasının sikloidal hareketinden dolayı yüksek ölçü ve biçim hassasiyetleri temel olabilecek bir şekilde , lepleme kinematiği esasına dayanmaktadır.
152
Yöntem, standartlarda henüz tam olarak tanımlanmış değildir. Birbirlerine birleştirilmiş olan taşlama taşlama taneciklerinin kullanılması suretiyle ,proses maddesinin kapalı bir sirkülasyonu ve ayrıca işleme sürelerinin önemli bir ölçüde kısaltılması temin edilmektedir. Bu yöntem konvensiyonel yöntemlere göre ön önemli farkı , düşük kesme hızında büyük temas yüzeylerinde bulunmasıdır. Değişik uygulamalarda ince taşlama yüzey honlaması yada leplemeli taşlama olarak adlandırılmaktadır. Endüstriyel pratikte çok çeşitli yapı parçaları için , pürüzsüzlük ve düzlük bakımından çok iyi düzeyde değerler talep edilmektedir. Bu konuda bir örnek, tribolojik zorlamalara maruz kalan yatak ve conta yüzeyleridir. Bu yapı parçaları ,çok defa talaş kaldırma suretiyle uygulanan işleme yönteminde geometrik bakımından belirsiz kesici ağızlar ve birleştirilmiş olmayan taşalama tanecikleriyle üretilmektedir. Bunun yanı sıra lepleme yöntemine sık sık geri dönülmektedir. Lepleme ,örneğin gri(kır) dökümden , çelikten yada bakırdan ibaret olan bir lepleme diskinin ve iş parçasının bağıl ( relatif) bir hareketine dayanmaktadır. İş parçası ile lepleme diskinin arasında var olan bir boşluğa silisyum karpit ,bor karpit alüminyum oksit yada elmastan meydana gelen dağılmış haldeki sulu yada yağlı bir süspansiyon konulur. Süspansiyon, iş parçası ile lepleme diskinin arasında , tanımı daha önce yapılmış olan bir ara mesafesini gerçekleştirir ve soğuk olarak kaynak olmalarına engel olur. Leplemenin avantajları , yüksek yüzey kalitelerine erişilmesinde ve ayrıca ölçü ve biçim hassasiyetlerinde yönlendirilmemiş olan işleme çizgilerinde, birçok iş parçalarının aynı zamanda işlenmesinde ve iş parçalarının üzerinden talaş alınmasından vazgeçilmesinde, bulunmaktadır. Konvensiyonel leplemenin ağırlıklı dezavantajı , kapalı almayan madde akışından kaynaklanmaktadır. Lepleme diskinin normal olarak yüklenmesinden dolayı , sert madde tanecikleri temas bölgesinin içinde parçacıklara ayrılmaktadır.bu nedenle , lepleme tanecikleri temas bölgesinden bir kere akıp geçtikten sonra , zaten süspansiyon halindeki genişletilmiş tane büyüklüğü parti gurubunu meydana getirir. Ayrı ayrı büyüklükteki tanecikler yapı parçalarına sürekli olarak zarar verebileceğinden süspansiyonun prosesten uzaklaştırılması zorunluluğu bulunmaktadır. Federal Almanya’da hali hazırda yılda yaklaşık olarak 5000 ile 10000 t’luk lepleme süspansiyonu sarf edilmekte ve sık sık özel artık olarak ortadan kaldırılması zorunluluğu ile karşı karşıya kalınmaktadır. Yüksek düzeydeki tasfiye maliyetlerinden başka düşük miktardaki talaş kaldırma payları iş parçasının temizlik işlemleri için yapılması zorunlu olan yüksek masraflar ve üretim prosesinin kötü bir şekilde otomatikleştirilmesi leplemenin en ağırlıklı dezavantajını oluşturmaktadır. 2- Taşlama Yüksek kaliteli ürünlerin üretimi için çoğu zaman birden fazla üretim süreci gerekmektedir. Üretilen parçanın talep edilen fonksiyonel kullanım özelliğinin elde edilebilmesini garantilemek için , her bir prosesinin kalitesi ve üretim sırası birbirleriyle uyumlu olmalıdır.
Bu özellikle nihai işlemler için geçerlidir, bu nedenle geometrik özellikleri ve yüzey kalitesi gerektiren ürünlerin üretiminde hassas işleme yöntemleri uygulanır.
153
Her şeyden önce dişlilerin kalitesine yönelik olarak giderek artan talepler üretim etabında hassas işlemeyi gerekli kılmaktadır. Örneğin dişlilerin kalitesinin bir kriteri olarak ,dişlerin ölçülerinin tutarlılığı verilebilir. Büyük ölçüde sapmaların çarkların çalışma ömrünü kısalttığı , kabul edilemez gürültülere ve bir şanzımanda büyük aktarma sapmalarına yol açabileceği görülmektedir. Bu günlerde geçme dişli çarklarının seri üretiminde sıcak işleme , son üretim adımı olarak öne çıkmaktadır. Isı ve sertleşme etkisiyle oluşan değişim gerilmeleri dış yan yüzünün geometrisini değiştirmektedir. Sertleştirilme işlemine etkiyen büyüklükler çok çeşitlidir ve özellikle çeliğin değişim davranışı , malzemenin birleşimine yönelik hassas bir tepki vermekte , böylece yüksek bir sarj bağımlılığı ve nispeten uygunsuz bir yeniden işlenebilirlik düzeyi oluşmaktadır. Yukarda belirtilen nedenlerle ısıl işlem sonucu biçimde meydana gelen sapmalar nedeniyle bir ila iki DIN kalite basamağı kaydedilmektedir. Şayet dişliler ısıl işlemden sonra hassas işleme durumunda iseler, bu taktirde dişlilerin taşlanması yöntemleri ağır basmaktadır.kullanılan yönteme bağlı yüzey yapısı çoğu zaman yüksek gürültüden sorumlu tutulmakta,bu nedenle dişliyi taşlama işleminin ardından , duruma bağlı olarak , gürültüyü azaltmak amacıyla raspa taşlama işlemi de uygulanmaktadır.
Dişlilerin taşlanması Son yıllarda dişli hassas işlemelerinde daha geniş kullanım potansiyeli vaat eden bir işleme sistemi geliştirmek için giderek daha çok çaba harcamaktadır. Burada söz konusu edilen ‘Raspa’ sıyırma taşlamadır(dişlerin korunması). Şayet raspa sıyırma işlemini çıkan talaş açışından daha verimli kılmak başarıla bilirse , bu sistem üretim teknolojisi açısından bazı avantajlar sağlamaktadır. Özellikle önceden yapılan kazıma , dişli taşlama , sert yüzey soyma ve sert frezeleme işlemlerine bazı durumlarda gerek kalmayabilir. Gelecekte dişli üretiminde uygulanacak üretim prosedürü ilk olarak yuvarlama frezesi yada sertleştirme ile ön diş açma aşaması ve ardından raspa ile taşlamadan sonra sert hassas işleme aşamasından oluşabilir. Avrupa Birliği’nce desteklenen ‘High Precision Shave-Grinding System for Single Step Hard Finishing Operation Of Gears’ (dişlerin tek kademeli sert finisleme işlemleri için yüksek hassasiyette raspa taşlama sistemi) projesinin hedefi , yavaş kesme hızı ile yapılan taşlama işlemlerinde temel noktaları inceleyerek, işleme sisteminde değiştirmeler yapabilmektedir. Burada taşlama tezgahı üreticileri Efesis GmbH ve Reineke GmbH , İtalyan dişli üreticileri Demm S.p.A. , eurocabi S.p.A. ve Metalcastello S.r.l. ,dişli makineleri üreticisi Pfauter Italia S.r.l. firmalarının ortaklaşa yürüttükleri bir projeden bahsediliyor.
154
Taşlama işlemi Literatürde ve patikte dişlilerin sert hassas işlemeleriyle ilgili çok sayıda terim kullanılmaktadır. İlerki metinde bu işleme sistemi raspa taşlama olarak anılacaktır, çünkü taşlama çalışmalarındaki gibi talaş alma hareketleri ve raspa taşlamalarında uygulanan işlem hareketleri ile ve tatbikte uygulanan hareketlerde benzerlik göstermektedir. Raspa taşlamada hareket akışı ve müdahale oranları raspalamadaki (kazımadaki) gibidir. Her iki işleme sistemi de aynı hacim kinematik ( hareket bilgisi) temele sahiptir. *Raspa Taşlama; Raspa taşlama tezgahları teknolojik açıdan geometrik olarak belirsiz kesici ağızlı aletler olarak sınıflandırılmaktadır. Alet , iç kısmı dişli çark şeklinde ve sert taneli taşlama diskine benzer biçimde ve bağlamada hazırlanmıştır. İki taraflı dişler raspa işlemindeki gibi birbirlerinin içlerine doğru taramaktadırlar . Dişli yanaklarının arasından göreceli (relative) bir hareket olan kaynama olayı gerçekleşmektedir. Raspa taşlamada bu kayma hareketi , talaş kaldırma sürecini gerçekleştiren kesme hareketi olarak kullanılmaktadır. Raspa taşlama prosesinin temellerinin araştırılması için bir anoloji modelinden geçen bir yol seçilmiştir. Raspa taşlamada talaşlı üretim sırasında önemli değerler, göreceli hızlar yada erişim hatlarının eğitim yarı çapları gibi önemli verili büyüklükler çok değişkendir ve birbirlerine bağlıdır. Anolojik deneme standı yardımıyla sağlanan teknolojik simulasyon , sabit oranların ayarlanması olanağını sağlamıştır. Bunlardan yola çıkılarak ayar büyüklükleri birbirlerinden bağımsız olarak ayarlanabilmektedir. Bu hem işleme prosesi , hemde düzleme (planyalama) prosesi için geçerlidir. Bilindiği gibi planyalama , proses özelliklerini belirleyen disk topografisinin ayarlamasında belirleyici rol oynar. *Kuru Taşlama; Üretkenliğin artırılması , üretim masraflarının azaltılması ve parça kalitesinin artırılması amacıyla üretim teknolojilerinde yapılan araştırmalar , son yıllarda talaşlı üretimde yüksek hızda işleme ve kesici uç geometrisi belli takımlarla yüksek hızda işleme alanlarında gelişmelere neden olmuştur. Bunu yanında özellikle Almanya’da üretim teknolojileri arasında kuru işleme , en çok tartışılan konudur. Bunun nedeni soğutma yağlarının sağlığa ve çevreye olan olumsuz etkileri konusunda duyulan rahatsızlıkları yanı sıra soğutma yağlarının hazırlama , bakım ve bertaraf masraflarının giderek artmasıdır. Toplam üretim masrafları içinde , Soğutma yağlarının payı her durum için çok farklı olabilir. Pek çok durumda soğutma yağı kullanımı ile ilgili toplam masrafların çıkartmak oldukça zordur. Çünkü tedarik masraflarının yanı sıra , depolama ve bertaraf masraflarını da göz önünde tutmak gerekir. Çoğu zaman yalnızca soğutma yağı fiyatları dikkate alındığı için hesaplanan maliyetler gerçek maliyetin altında kalıyor. 155
Bugün her şeyi ile otomotize edilmiş bir seri üretimde soğutma sıvılarının neden olduğu masraflar takım ve ücret maliyetlerinden daha yüksek olabilir. Diğer taraftan düşük ıskarta oranı ile çalışan , otomatizasyon derecesi düşük olan ve pahalı takımlar kullanan işletmelerde soğutma yağlarının oynadığı rol diğer örnekteki kadar büyük değildir. Uç sınır teşkil eden bu iki örnek arasında yer alan işletmelerin çoğunluğu kuru işlemeye geçiş konusundaki potansiyeli önemli ölçüde etkileyecektir. İşlemler soğutma yağlı kullanımından vazgeçerek maliyetlerini göz ardı edilmeyecek ölçüde azaltabilirler. Çünkü takım malzameleri konusunda yaşanan gelişmeler sayesinde, takımların kunlanım sürelerinde yada talaş kaldırma verimlerinde azalma olmadan kuru işleme yapmak mümkün olmaktadır.
Talaşları uzaklaştırmanın zor olduğu derin deliklerin yada yiv gibi geometrilerin işlenmesi dışında , soğutma yağları kullanmadan yada en az düzeyde yağlayıcı kullanarak yapılan talaşlı işlemler , günümüzün teknolojik konumunu sergiliyor. Derin deliklerin yada yiv gibi geometrilerin işlenmesi gibi özel durumlar dışında özel geometrili yivlerin açılması yada derin deliklerin delinmesi gibi özel işleme durumları dışında , günümüzde ulaşılan teknolojik düzey sayesinde soğutma yağları kullanmadan yada en az düzeyde yağlayıcı kullanılarak talaş kaldırma işlemi yapılıyor.
156
Resim: Kuru taşlama Bilindiği gibi kuru işleme gibi yeni bir işleme sürecinin üretime dahil edilmesi , birçok adımda gerçekleşiyor. Tek bir prosesin kuru işlenmesi gerçekleştirildikten sonra , takımın ve ardındanda tezgahın kuru işlemeye uyarlanması gerekiyor. Burada atılacak en önemli adım, bütün üretim aşamalarında soğutma yağlarından vazgeçmektir. Bu sayede soğutma yağlarını bulundurma , besleme , hazırlama ve bertaraf gibi masrafların ortadan kalkması ile ve kuru talaşların kolayca bertaraf edilmesi ile önemli ölçüde tasarruf sağlanır. Pek çok durumda taşlama işlemi , son işleme olması açısından vazgeçilmektir. Bu nedenle işletmede kuru işlemeye geçiş , taşlama işlemininde soğutma yağı kullanarak yapılmasını gerektiriyor. Ancak günümüzde hala , bazı istisnalar dışında , taşlama işlemi büyük miktarda soğutma yağı kullanılarak yapılıyor .Yukarda bahsedilen gerçeklerden dolayı işletmeler , taşlama işleminide soğutma yağı kullanmadan gerçekleştirmek istiyorlar. Taşlama aracı olarak giderek daha yaygın bir şekilde kullanılan CBN ‘ nin yanı sıra , seramik bağlayıcılı korindon taşlama taneciklerinin kullanımının pek çok avantajları bulunuyor. Öncelikle tezgahın rijitliği , bağlamanın hassaslığı ve taşlayıcının dönme hızı konusunda yüksek talepler getirmiyorlar. Diğer yandan düzleme olanakları sayesinde taşlama işlemi esnek bir şekilde değişen kullanım durumlarına uyum sağlayabiliyor.
157
Takım Büyüklükleri
Korindon Taşlıyıcılar
CBN Taşlıyıcılar
Fiyat
düşük
yüksek
Kullanım Ömrü
düşük
yüksek
Geometrik Esneklik
yüksek
Çok düşük
Topokrafik Esneklik
yüksek
düşük
Spesifik Esneklik
orta
yüksek
Talaş Hassasiyetine getirilen talepler Tezgah Rijitliğine Getirilen talepler Gerekli dairesel hız
düşük
yüksek
Orta
yüksek
orta
yüksek
Tablo 1: Korindon ve CBN taşlıyıcı özelliklinin karşılaştırılması CBN taşlama elemanlarına oranla daha ucuz olan korindon taşlama taşları ile ayrıca karmaşık geometrili parçalarda işlenebiliyor. Böylece CBN taşlama elemanlarının yüksek olan sipesifik talaş kaldırma hacmine karşılık , korindon taşlama elemanları üretkenlik ve işlemede daha az sayıda tezgah kullanımı bakımından üstünlük sağlıyor. (tablo 1). Bu düşünüşten yola çıkarak seramik bağlayıcılı korindon taşlama taneleri ile kuru taşlama işlemini gerçekleştirmek hedefleniyor. Burada ilk koşul, talep edilen parça kalitesinde ulaşmaktır. Aynı zamanda mevcut teknoloji en ez seviyede değiştirilmeli ve üretkenlik bakımından da dezavantajlar ortaya çıkmalı. Temelde kesici uç geometrisi belli takımlarla talaş kaldırma ve talaş işlemlerinde kuru yöntemin uygulanması ile elde edilecek avantajlar birbirleri ile uyuşuyor. Ancak diğer yandan taşlama işleminde kuru yöntemi gerçekleştirmek sırasında ortaya daha büyük zorluklar çıkıyor. Soğutma yağlarının müdahale bölgeleri yağlamak , parçayı soğutmak ve talaşları uzaklaştırmak gibi görevleri , kuru işlemde farklı bir şekilde halledilmelidir.
158
159
ELMAS DİSKLER .
CBN DİSKLER
Rezin Bağlantı
Taşla ma Tipi
Sul u taşlama
Satıh Taşlama
30
Metal Bağlantı
Kur Sul u taşlama u taşlama .
20-
Ku ru taşlama .
15-
. Taşla ma Tipi Satıh Taşlama
25
16-
1520
m/s
Dış Silindirik Taşlama
20-
m/
m/
.
30
1015
15/
.
Dış Silindirik Taşlama
m/ s
Alet Bileme
m/s
1015
20
20
s
m/
m/
m/
.
35
m/s
20-
.
25 m/
m/ s 15-
18-
20-
20
25
30
m/
m/
m/ s
Tablo: Elmas ve CBN Disklerin Ekonomik Çalışma Hızları
160
m/ s
s 22-
20
25
25
15-
15-
18-
20-
s
s
.
20s
30
m/
m/
m/s
Alet Bileme
Kur u taşlama
25
s 15-
15-
1828
Sul u taşlama
.
2235
s
25 m/s
İç Silindirik Taşlama
s
s
Metal Bağlantı
m/
1520
m/s
Ku ru taşlama
s
s 25
Sul u taşlama
m/
m/s İç Silindirik Taşlama
Rezin Bağlantı
s
5-25 m/s
161
