VAKUMDA VE DÜŞÜK BASINÇLARDA TRİBOLOJİ

503051205 Fatih ARUK

YÜKSEK VAKUMLU ORTAMLAR

•UZAY ARAÇLARI, UYDULAR VE UZAY İSTASYONLARINDA ÇALIŞAN MEKANİK ARAÇLAR

•ELEKTRON MİKROSKOLARI, DİĞER VAKUM GEREKTİREN ORTAMLARDA ÇALIŞAN ARAÇLAR

GENEL PROBLEMLER

AERODİNAMİK DESTEK YOK!

-SIVI YAĞLAYICILARDA BUHARLAŞMAYLA YAĞLAYICI KAYBI

tribolojik karakter zamanla değişiyor

vakum ortamının kirlenmesine neden oluyor…

AŞIRI TERMAL ORTAMLAR!

-ELEKTROMANYETİK RADYASYON

-TAŞINIM YOK

-YÜKSEK SICAKLIK FARKLARI(-100 ila +150 derece)KALKIŞ TİTREŞİMLERİ!

-40g’ YE VARAN YÜKSEK İVMELİ YÜKLENMELER

yüksek basınç ve adezyon problemi

fretting (sürtünme oksidasyonu)

UZAY ARAÇLARI SERVİS SÜRESİ AÇISINDAN İKİYE AYRILIR

BEKLENEN GÜVENİRLİK FAKTÖRÜ;

“% 99”HAFİF MALZEMELER

TİTANYUM, ALUMİNYUM, BERİLYUM

YÜZEY KAPLAMAYLA İYİLEŞTİRİLMİŞ TRİBOLOJİK ÖZELLİKLER

1) SERVİS SÜRESİ KISA OLAN ARAÇLAR (UZAY MEKİKLERİ GİBİ)

2) ÖMÜRBOYU UZAYDA YAŞAYACAK ARAÇLAR (UYDULAR, UZAY TELESKOPLARI)

UZAY ARAÇLARI;

•Aşırı mekanik gerilmelere mağruzdurlar•Bakım olmaksızın çalışırlar

•Yeryüzünde simüle etmesi zor, çetin ortamlarda çalışırlar•Çok uzun servis süreleri beklenir; Uydularda≈15 yıl•Düşük yük kapasitesi

•Kompleks yüklemeler; Optik araçların hareketi gibi

•Uydu pozisyonunun stabilitesi için titreşimler mikro düzeyde olmalı

ÖRNEK;

SPOT 4 UYDUSU

-200 yatak

-12 kilit mekanizması

-Solar aynaların ve antenlerin, teleskopların hareketini sağlayan mekanizmalar

-Kilit mekanizmaları

-Jiroskoplar

-Momentum ve reaksiyon tekerlekleri

-MEMS (hafiflik, düşük güç gereksinimi)

-Diğer bilimsel araçların mekanizmaları

TRİBOLOJİ VE ULTRA-VAKUM-BASINÇLAR: 10^-7~10^-10 Torr (mmHg)-Sıvı yağlayıcılarda buharlaşma basıncı, geniş bir sıcaklık aralığında, çok düşük olmalı;Standart testler;

CVCM : Collected Volatile Condensible Material; Toplayıcı plakalarda toplanan toplam malzeme kütlesinin ilk malzeme kütlesine oranı

TML :Total Mass Loss; Vakum nedeniyle malzemeden dışarı kaçan toplam kütlenin ilk kütleye oranı

ASTM E1559

TRİBOLOJİ VE ULTRA-VAKUM ADEZYON

VAKUMDA AŞINMA MEKANİZMASI

TRİBOLOJİ VE ULTRA-VAKUM ADEZYON

Metal-seramik temasında, temiz yüzeyler arasında ortaya çıkan yüksek adeziv bağ, metal pürüzdeki koheziv bağı yenerek

kopmasına neden oluyor;

VAKUMTEMİZ TEMAS

YÜZEYLERİGÜÇLÜ ADEZİV

BAĞLAR

YÜKSEK SÜRTÜNME

KATSAYISI VE AŞINMA

VAKUMDA AŞINMA MEKANİZMASI

ADEZYON VE SÜRTÜNME KATSAYISI

)( Af ;;A;A

Yüzey Enerjisi

Gerçek Değme Alanı

Toplam Yüzey Enerjisi

Sürtünmeyi azaltmak ve yağlama sağlamak için, toplam yüzey enerjisi

azaltılmalıdır.

ADEZYON VE SÜRTÜNME KATSAYISI

YÜKSEK VAKUMDA TEMAS HALİNDE BULUNAN MALZEMELERİN ÖNEMİ;

VAKUMDA TEMAS HALİNDE BULUNAN TEMİZ YÜZEYLERDE SÜRTÜNME KATSAYISI, TEMAS EDEN MALZEMELERİN TÜRÜNE

ÖNEMLİ DERECEDE BAĞLIDIR;

GENELLİKLE; BENZER MALZEMELER

YÜKSEK µ

YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNÜN SÜRTÜNME VE AŞINMAYA OLAN ETKİSİ;

ATMOSFER

Elmas-elmas teması

VAKUM

Atmosferde Abraziv etkiler sürtünme katsayısını belirliyor

Yüzey pürüzlüğü arttıkça sürtünme katsayısı artıyor;

Pürüzler düzeldikçe sürtünme katsayısı azalıyor.

Vakumda Adeziv kuvvetler hakim

Sürtünme katsayısı yüzey pürüzlüğünden bağımsız

Pürüzler düzeldikçe, değme alanı büyümesi ve yüzeylerin temizlenmesi ile adeziv kuvvetler artıyor; sürtünme katsayısı artıyor

YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNÜN SÜRTÜNME VE AŞINMAYA OLAN ETKİSİ;

ATMOSFER VAKUM

YÜZEY PÜRÜZLÜĞÜ HER İKİ ORTAMDA DA AŞINMAYI ARTTIRIYOR

VAKUMDA ARTAN ADEZİV KUVVETLER AŞINMANIN ÇOK DAHA FAZLA OLMASINA NEDEN OLUYOR

VAKUMDA YAĞLAMA VE YAĞLAYICILAR

İDEAL “UZAY VE VAKUM” YAĞLAYICISI

HEM KATI HEM DE SIVI YAĞLAYICILAR VAKUMDA KULLANILABİLİRLER.

VAKUMDA ARTAN ADEZİV BAĞLAR KATI HAL KAYNAĞINA NEDEN OLACAĞINDAN VAKUMDA ÇALIŞAN RULMANLI YATAKLAR, KAYMALI YATAKLAR, DİŞLİLER GİBİ MÜHENDİSLİK ELEMANLARI YAĞLANMAK ZORUNDADIRLAR!

•AŞINMAYI ENGELLER

•UYGULUANDIĞI ALANDA KALIR (GAZ FAZINA GEÇEREK YA DA SÜRÜNEREK UZAKLAŞMAZ)

•TRİBOLOJİK ÖZELLİKLERİ SICAKLIK YA DA KAYMA HIZI DEĞİŞİMLERİYLE VE ZAMANLA DEĞİŞMEZ

•SÜRTÜNME PARÇACILARI YARATMAZ YA DA ELEMANLARIN KİRLENMESİNE NEDEN OLMAZ

Katı ve sıvı yağlayıcıların her ikisi de mükemmel değil

KATI YAĞLAYICILAR SIVI YAĞLAYICILAR

Buharlaşma basıncı ihmal edilebilir Sonlu buhar basıncı

Geniş çalışma sıcaklığı aralığıViskozite, sürünme ve buhar basıncı sıcaklık bağımlıdır

İhmal edilebilir yağlayıcı göçü Sızdırmazlık gerektirir

İvmelendirilmiş teste olanak tanır

İvmelendirilmiş teste olanak sağlamaz

Sürtünme sonucu parçaçıklar oluşur; Tork stabil değildir(torque

noise)

Parçaçıklar oluşturmaz; sürtünme gürültüsü

düşüktür

Ömürü aşınma belirler Ömürü bozulma belirler

Zayıf termal karakteristik Yüksek ısıl iletkenlik

Elekrik iletkenliği vardır Elektrik iletmez

Sıvı yağlayıcılar uçucudurlar, viskozite ve buhar basınçları sıcaklıkla doğrudan ilişkili olduğundan termal etkilere duyarlıdırlar…

Katı yağlayıcılar ise aşınma sonucu parçacıkların oluşmasına neden olurlar ve bu parçacıklar korunan malzemelerin aşınmasına(mild wear) yol açar; tork karakteristiği dengesizlik gösterir.

Sıvı yağlayıcılar uzay aracının ağır olmasına neden olur; ek yağlayıcı taşınmasına ve yağlama sistemlerine gerek duyulur.

Katı yağlayıcılar sıvı yağlayıcılar kadar yüksek temas basınçlarına müsaade etmezler. Örnek: 440C paslanmaz çelik rulmanlı yataklar sıvı yağlayıcıyla 40 Mpa, MoS2 yağlamayla ancak 20 Mpa Basınca müsaade eder.

Katı yağlayıcılarda aşınmada etken olan çevrim sayısı olduğundan, hareketin frekansı arttırılarak yeryüzü ömür deneyleri yapılabilir. Sıvı yağlayıcılarda ise temas davranışı izafi hızın bir fonksiyonu olduğundan bir ömür testi uydu ömrü kadar uzun sürebilir.

SIVI YAĞLAYICILAR

En önemlisi PFPE (perfluorinated fluids)

Vakumda Kullabilabilecek Sıvı Yağlayıcıların Buharlaşma

Basınçları

En düşük buharlaşma basıncı!

2

1

058.0

T

MP

dt

dmLangmuir Buharlaşma Hızı;

Bu formüle göre;

2000,10,50 7 MmmHgPCT 10µm film kalınlığı toplam 20h’de kaybolurdu.

Sızdırmazlık elemanları, buharı toplamak ve yağın dağılma hızını

yavaşlatmak için şart

SIVI YAĞLAYICILAR

T;sıcaklık

P;buharlaşma basıncı

M; molekül ağırlığı

SIVI YAĞLAYICILAR; Viskozite-Sıcaklık

Değişik türde yağlayıcılar için viskozitenin zamanla değişimi

Uzay araçlarında; Tork marjini düşük…

Viskozitenin sıcaklıkla değişimi az olmalı!

Mineral Yağları ve Esterler; En yüksek Değişim oranına sahip

PFPE; En düşük Değişim oranı… En uygunu!

ELASTOHİDRODİNAMİK YAĞLAMA ÖZELLİKLERİ

Rulmanlı yataklarda, dişli çark mekanizmalarında; Yüksek Basınçlar;

Viskozitenin basınçla artışı; EHL’nin ne kadar efektif olduğunun bir göstergesi!

Yüksek basınç altında ve vakumda pürüzlerin uygun olmayan EHL nedeniyle değmesi normal atmosfer şartlarından daha ciddi sonuçlar doğurabilir; Kopan pürüzcükler havadaki oksijenle oksidize olmayacağından, yağdaki oksijenle birleşerek yağın bozulmasına neden olur! Metal polimer oluşur! Yağ filmi delinebilir ve tork noizi artar!

ELASTOHİDRODİNAMİK YAĞLAMA ÖZELLİKLERİ

Mineral yağları en iyi EHL özelliklerine sahip.

En düşük buharlaşma basıncı ve en iyi termik özelliklere

sahip PTFE, en kötü EHL etkenliğine sahip!

Tork-ömür grafiği

Mineral yağı(BP 110)

PTFE(fomblin)

Sıvı yağlayıcılarınEHL Etkinlikleri

SIVI YAĞLAYICILAR; SÜRÜNME-DAĞILMA

-Abzorbe edilmiş sıvı katmanın yokluğu

-Mikro çekim etkisi

Yağın sürünmesine ve dağılmasına neden oluyor!

Düşük mobiliteye sahip yağlar tercih edilir!

Sürünme mekanizmaları

Sürünmeye çözüm;

“sürünme bariyeri”;

düşük yüzey enerjili florokarbon bileşimleri yağın

kalması gereken bölüm etrafına

sürülür.

KATI YAĞLAYICILAR;

KATI YAĞLAYICILAR

YUMUŞAKMETALLER

LAMELLİ KATILAR

POLİMERLER

ALTIN GÜMÜŞ KURŞUN MoS2,WS2 CdI2, PbI2 BN PTFE FEP PolyetheneİNDİUM polyimide

KATI YAĞLAYICILAR;

GRAFİT

Atmosfer gazları artık abzorbe edilemediğinden, bazı katı yağlayıcıların özellikleri ileri derecede değişikliğe uğrar.

Atmosfer şartlarında çok iyi bir yağlayıcı olan grafit, düşük basıçlarda zararlı olur ve

vakumda kullanılmaz!

DÜŞÜK KAYNAMA NOKTASINA SAHİP METALLER DE VAKUMDA KULLANILMAZLAR; ÖRNEK, ÇİNKO

KATI YAĞLAYICILAR;YUMUŞAK METALLER

-KURŞUN

-GÜMÜŞ

-İNDİYUM

DÜŞÜK SÜRTÜNME KATSAYISI;

BÜTÜN BU METALLER VAKUMDA BAŞARILI BİR ŞEKİLDE KULLANILMAKTADIR

-KURŞUN; RULMANLI YATAKLARDA BİR LİMİT KALINLIĞA KADAR SIKIŞTIKTAN SONRA PLASTİK DEFORMASYONA UĞRAMAZ, ÇÜNKÜ KAYMA GERİLMELERİ OLUŞMAZ. ANCAK BU ELASTİK KABUK MİKRO KAYMALAR SONUCU “AŞINIR”. TAKVİYE YAĞLAYICI KURŞUN İHTİVA EDEN BRONZ KAFES YARDIMIYLA SAĞLANIR.

KATI YAĞLAYICILAR;LAMELLİ KATILAR

2MoS EN İYİ BİLİNEN VE EN ÇOK KULLANILAN LAMELLİ YAĞLAYICI

VAKUMDAKİ ÖZELLİKLERİ HAVADAN DAHA İYİ; VAKUMDA SU GİBİ TÜRLERİ ABZORBE ETMEZ VE ; -EN YÜKSEK AŞINMA DAYANIMINA -EN DÜŞÜK SÜRTÜNME KATSAYISINA

VAKUMDA ULAŞIR…

MAGNETRON SPUTTERING (manyetron püskürtme)

SÜRTÜNME KATSAYISI, DİĞER YÖNTEMLERE GÖRE DAHA UZUN SÜRE ÇOK DÜŞÜK(0.01 VEYA DAHA AZ) VE DÜZGÜN KALIR.

2MoS Ve MAGNETRON SPUTTERING

Hassas mekanizmalarda ve yatak momentinin ve momentteki dalgalanmaların

ölçülen sinyale karışmaması istenen uygulamlarda kullanılır.

KATI YAĞLAYICILAR;LAMELLİ KATILAR

KATI YAĞLAYICILAR;POLİMERLER

PTFE -DÜŞÜK SÜRTÜNME KATSAYISI -VAKUMDA İYİ PERFORMANS

HERHANGİBİR TEMİZ METALİK YÜZEYE SÜRTÜNMEYLE TRANSFER EDİLEBİLİR; RULMANLI YATAKLARDA KAFES İÇİNDE DEPOLANIR

2MoS

PROBLEM: -KAFESTEN BİLYALARA GEÇİŞ PARÇACIKLAR ŞEKLİNDE OLUR! SÜRTÜNME DALGALANMALARINA NEDEN OLUR.. ÇÖZÜM: CAM FİBERLE TAKVİYE EDİLMİŞ PTFE’ye KATKISI

KATI YAĞLAYICILAR;POLİMERLER

PTFE İLE İLGİLİ DİĞER BİR PROBLEM: -HIZ, GERİLME VE SICAKLIĞA BAĞLI BİR DEĞERDEN SONRA PTFE FİLMİ BOZULMAYA UĞRAR. PARAMETRİK SINIRLAMALAR LİTERATÜRDE BULUNABİLİR.

POLYİMİDE-VAKUMDA İYİ PERFORMANS -BİLİMSEL ENSTÜRMANLARIN DİŞLİLERİNDE KATKILI KULLANILIR.

2MoS

KATI YAĞLAYICILAR; DUROİD;

DUROİD= PTFE + +CAM FİBER2MoS

TORK/ÖMÜR GRAFİĞİ

2MoS