Dişli Kutusu Dayanıklılığı İçin Malzeme Seçimi Neden Kritiktir?

Malzeme Özelliklerinin Vites Kutusu Arıza Modellerini Nasıl Etkilediği

Yaygın Dişli Arıza Modellerini Malzeme Özellikleriyle Bağlama

ASM International'ın 2023 raporuna göre, tüm dişli kutusu arızalarının yaklaşık %72'si malzeme yorulması ve aşınma sorunlarına dayanmaktadır. Malzemelerin davranışları ile dişlilerin neden başarısız olduğu arasındaki ilişki yakından incelendiğinde oldukça basittir. Çekme mukavemeti, bir dişlinin kırılmadan sürekli bükülme kuvvetlerine dayanıp dayanamayacağını temel olarak gösterirken, yüzey sertliği zamanla pit oluşumuna veya aşındırıcı hasarlara karşı direnç gösterebileceğini belirler. Örneğin düşük karbonlu çelikten, AISI 1020 çeliği gibi üretilmiş dişlileri ele alalım. Bu dişlilerin çekirdek sertliği yüksek tork uygulamalarına karşı yeterince dayanıklı olmadığından, erken dönemlerde bile bükülme yorulması belirtileri gösterirler. Bu türde, makinenin ihtiyaç duyduğu ile malzemenin gerçekten sağlayabildiği arasında bir açık olduğunda, belirli arıza modelleri tekrar tekrar ortaya çıkmaya eğilimlidir. Akıllı mühendisler, bu tür durumların öngörülebilir olduğunu bildikleri için, yaygın sorunları önlemek amacıyla dikkatli malzeme seçimi neredeyse ikinci doğa haline gelmiştir.

Eğilme Yorulması, Kabuklanma ve Aşınma: Yetersiz Malzeme Seçiminin Rolü

Eğilme yorulmasına bağlı malzeme arızası, ani şok yüklerini karşılayacak kadar dayanıklı olmayan malzemelerde meydana gelir ve bu durum genellikle esneme kabiliyeti düşük yüzey sertleştirilmiş çeliklerde sıkça görülür. Dişliler doğru şekilde sertleştirilmediğinde kabuklanma (pitting) sorunları hızla kötüleşir. Bu durum, hiç işlem görmeden bırakılmış sıradan 1045 çeliğinden yapılan dişliler üzerinde yapılan testlerde açıkça görülmektedir. Bu tür parçaların makul bir ömre sahip olabilmesi için yüzey sertliğinin 55 HRC'nin üzerinde olması gerekir. Sementasyon ve diğer yüzey sertleştirme yöntemleri yüzey sertliğini 60 HRC'nin üzerine çıkarabilir; ancak sertleşmiş tabakanın yeterince derin olmaması durumunda (0,8 mm'den azsa), yüksek yükler altında spalling adı verilen küçük pulların oluşmasına neden olur. Bir başka önemli nokta ise: malzeme, endüstriyel ortamlarda dolaşan kirleticilerden en az 1,5 kat daha sert değilse aşınma çok şiddetli hâle gelir.

Vaka Çalışması: Malzeme Performans Uyumsuzluğundan Kaynaklanan Gerçek Dünya Şanzıman Arızası

Nebraska'daki bir et işleme tesisinde, standart AISI 4140 alaşımlı çelik bileşenler kullanmalarına rağmen şanzımanlar birkaç ayda bir arızalanıyordu. Mühendisler bunun nedenini araştırdığında, sertleştirilmiş martenzit yapısının sıcaklık 150 derece Celsius'un üzerine çıkınca hızla bozulduğunu tespit ettiler. Görünüşe göre orijinal parçalar hiç uygun şekilde ısıl işlem görmemişti. Vakum ergitme yöntemiyle üretilmiş, yüzeyi karbürize edilerek sertliği 62 HRC'ye çıkarılmış 8620 çeliğe geçtikten sonra, bu yeni dişliler değiştirilmesi gerene kadar etkileyici 54 ay dayandı. Şirket bu yükseltim için yaklaşık 250 bin dolar harcadı ancak maliyetli arızaları önlemekle aylık neredeyse 18 bin dolar tasarruf etti. Geçen yılın Güvenilirlik Mühendisliği Dergisi'ndeki endüstriyel malzemeler üzerine yapılan çalışmada da gösterildiği gibi, aslında bunun mantıklı olduğu görülüyor.

Çekme ve Akma Mukavemeti: Yük Taşıma Kapasitesinin Temelleri

Dişliler için kullanılan malzemeler, şekil değiştirmeden aşırı tekrarlayan gerilmelere dayanabilmelidir. Malzeme özellikleri açısından konuşursak, çekme mukavemeti temel olarak bir şeyin tamamen kırılmasından önce ne kadar gerilime dayanabileceğini gösterir; akma mukavemeti ise malzemenin kalıcı olarak deformasyona uğramaya başladığı anı belirtir. AISI 4140 çeliğini örnek alacak olursak, bu özel alaşımın akma mukavemeti yaklaşık 950 MPa'dır ve bu da ASTM A370-22 test standartlarına göre 85.000 Newton'un üzerindeki dinamik yükleri taşıyabileceği anlamına gelir. AGMA'dan gelen endüstriyel kurallar, yüzey sertliği ile dişlilerin tekrarlı eğilme kuvvetlerine maruz kaldığında ömürleri arasında bir bağlantı olduğunu göstermektedir. Çoğu üretici, en az 500 HB sertliğe sahip ısıl işlem görmüş çelikleri hedefler çünkü bu tür malzemeler dünya genelindeki fabrikalarda görülen ağır çalışma koşullarındaki oldukça uzun çalışma döngülerinde daha iyi dayanma eğilimindedir.

Yüzey ve Çekirdek Sertliği: Aşınma Direnci ile Yorulma Ömrü Arasında Denge

Sementasyon işlemi, yüzeylerin çizilmelere ve kazımalara karşı direnç göstermesi için Rockwell ölçeğinde yaklaşık 58 ila 62 değerine ulaşmasını sağlarken, metalin iç kısmının kırılmadan ani darbeleri taşıyabilmesi için yaklaşık 28 ila 32 HRC aralığında daha yumuşak kalmasını sağlar. Ancak yüzey sertliği 64 HRC'nin üzerine çıkarsa, malzeme gevrek hale gelir ve hızlı kayma durumlarında küçük oyuklar oluşmaya başlar. Madenlerde kullanılan dişli sistemlerini inceleyen bazı araştırmalar ilginç bir şey ortaya koymuştur. Sementasyonla işlenmiş dişlilerde yüzeyden merkeze doğru kademeli sertlik değişimi gözlenir ve bu tasarım, 10.000 saat boyunca sürekli çalışma sonrası oyuğa karşı problemleri neredeyse dörtte üç oranında azaltmıştır. Detayları kontrol etmek isteyenler için bu bilgi AGMA standartları dokümanı 925-A23'e göre belirtilmiştir.

Çelik Alaşımlarında Mukavemet, Tokluk ve Gevreklilik Arasındaki Karşıtlıklar

Sertleştirilmiş 8620, rüzgar türbini dişli kutuları gibi yüksek darbe uygulamaları için üstün tokluk sağlarken, sertleştirilmiş 4140 tork yoğun sistemler için daha yüksek eğilme mukavemeti sunar. İşlenmemiş 1045 çeliği maliyet açısından avantajlı olsa da, akma mukavemetinin %40'ını aşan çevrimli yükler altında felakete yol açar - bu otomotiv şanzıman tasarımı için kritik bir husustur.

Yaygın Dişli Kutusu Malzemelerinin Karşılaştırmalı Analizi

Performans kıyaslama: Alaşımlı çelik karşı karbon çelik karşı paslanmaz çelik karşı dökme demir karşı mühendislik plastikleri

Mekanik bileşenler için malzeme seçerken mühendisler, dayanıklılık, aşınmaya karşı direnç ve parçanın maruz kalacağı çevre koşulları gibi faktörleri dikkate almalıdır. AISI 4140 ve 8620 gibi alaşımlı çelikler, 1.200 ila 1.500 MPa arası çekme kuvvetlerine dayanabildikleri ve yüzeylerinin karbürizasyonla 60 HRC'nin üzerine sertleştirilebildiği için yüksek stres altındaki parçalar için tercih edilir. 1045 gibi karbon çeliği türleri bütçe korozyon korumasından daha önemli olduğunda yük taşımak için yeterli performans gösterir; ancak nikel-krom alaşımlarının yaptığı gibi pitlenmeye karşı aynı direnci göstermez. Paslanmaz çelik diğer metallerin korozyona uğrayacağı agresif kimyasal ortamlarda kendi değerini korur; fakat uygun ısıl işlem uygulanmış alaşımlı çeliklere kıyasla tekrarlı gerilim çevrimlerinde o kadar uzun ömürlü değildir. Titreşimlerin sönümlenmesi gereken muhafaza bileşenleri için döküm demir hâlâ popülerdir, ağırlığına rağmen. Bu arada mühendisler tork gereksinimlerinin fazla talepkar olmadığı sistemlerde daha sessiz çalışma için bazen naylon ve benzeri plastiklere yönelir.

Maliyet ile ömür kıyası: Malzeme bazında toplam sahip olma maliyetinin değerlendirilmesi

Alaşımlı çelikler, normal karbon çeliklerine kıyasla başlangıçta yaklaşık %30 ila %50 daha fazla maliyet oluşturur, ancak sürekli kullanıldığında çok daha uzun ömürlü olma eğilimindedir ve bu da zaman içinde daha az değişim anlamına gelir. Sabit dişli kutuları için dökme demir, bazılarının düşündüğünün aksine uzun vadede en ekonomik seçenek olur. Bu bileşenler normal çalışma koşullarında büyük sorunlar olmadan 15 ila 20 yıl boyunca kullanılabilir. Diğer yandan mühendislik plastikleri hafif parçalar için başlangıçta yaklaşık %40 tasarruf sağladığından görünüşte avantajlıdır, ancak sürekli aşınma olan ortamlarda bakım maliyetleri artma eğilimindedir. Birçok atölye, plastik bileşenlerin ileride yapılacak onarımlar için ilk bakışta tasarruf ettiklerinden daha fazla para harcadığını fark eder.

Hangi malzemenin ne zaman tercih edileceği: Uygulamaya özel öneriler

• İnalLOY çeliği : Şok yüklemeye maruz kalan madencilik ekipmanları, rüzgar türbini dişli kutuları ve ağır makinalar
• Stainless steels : ISO 9227 korozyon sertifikasyonu gerektiren denizcilik veya kimyasal işleme sistemleri
• Mühendislikplastikleri : <25 dB gürültü seviyeleri gerektiren gıda işleme konveyörleri, tıbbi cihazlar ve robotik uygulamalar
• Dökme Demir : Pompa gövdeleri, tarım makineleri ve ağırlık tasarrufundan çok titreşim sönümlemeye öncelik verilen uygulamalar

Sıcaklık, Yük Döngüleri ve Şok Yüklemesi: Malzemelerin Operasyonel Streslere Uyarlanması

Gerçek endüstriyel ortamlarda 150 derece Celsius'un üzerindeki sıcaklık değişimlerine dayanıklı malzemeler, dişli kutuları için gereklidir. Karbon çelik bileşenler, sürekli yüklenme ve boşaltma döngülerine maruz kaldığında daha hızlı aşınır. Normal tork seviyesinin üç katına ulaşan aniden gelen şoklara maruz kalındığında, sıradan malzemeler artık yeterli olmaz. Bu nedenle bu tür durumlarda AISI 4340 gibi sert alaşımların kullanılması gerekir. Başka yaygın bir sorun ise farklı parçaların ısıyla genleşmesinde uyumsuzluk olmasıdır. Gövde, dişlilerin kendisinden farklı şekilde genleşir ve bu bazen dişlilerin tamamen sıkışmasına neden olur. Aslında düzgün tasarlanmamış planet dişli kutularının arızalanmasının başlıca nedenlerinden biri budur.

Zorlu veya Islak Ortamlarda Korozyon Direnci Gereksinimi

Paslanmaz çelikler ve nikel esaslı alaşımlar, tuzlu suya maruziyetin karbon çelik ömrünü %63 oranında kısalttığı deniz dişlilerinde klorür kaynaklı gerginlik korozyon çatlamasını önler (ASM International 2023). Kimyasal işlemede süper duplex çelikler, asidik soğutuculardan kaynaklanan oyuğa karşı dirençte standart 304 paslanmaz çeşitlerinin performansını aşar.

Yüksek Hız ve Aşındırıcı Koşullarda Aşınma Direnci

Saniyede 20 metreden daha yüksek hızlarda çalışan rüzgar türbini dişli kutularında kullanıldığında, yüzey sertleştirilmiş AISI 8620 çeliği aşınma oranlarını %0,1'in altına indirir. Bu malzeme neden bu kadar etkilidir? Bunun nedeni, dış katmanlarının 60 HRC'nin üzerinde sertleşmesi ve çekirdeğin yaklaşık 30 HRC civarında kalmasıdır. Bu durum, aşınmaya direnç ile metal içinde çatlakların yayılmasını önleme arasında iyi bir denge oluşturur. Aşındırıcı silika tozuna maruz kalan konveyör sistemleriyle uğraşan madencilik operasyonları için karbür kaplamalar uygulamak büyük fark yaratabilir. Bu şekilde işlenmiş dişliler, normal alaşımlı çelikten yapılan kaplanmamış eşdeğerlerinden yaklaşık sekiz kat daha uzun dayanır. Bu tür bir dayanıklılık, en zorlu endüstriyel ortamların bazılarında doğrudan daha az parça değişimi ve bakım kaynaklı duruş süresine çevrilir.

Artırılmış Dayanıklılık İçin Isıl İşlem ve Yüzey İyileştirme Teknikleri

Sementasyon, Nitrürleme ve Endüksiyonla Sertleştirme: Yorulma ve Aşınmaya Etkileri

Yüzey sertleştirme teknikleri, iç malzemelerin esnekliğini korurken dış yüzeyleri aşınmaya karşı dirençli hale getirerek bileşenlerin ömrünü uzatır. Karbürizasyon söz konusu olduğunda, bu işlem düşük alaşımlı çeliklere genellikle 900 ila 950 derece Celsius civarında karbon ekler ve ağır yükler altında çalışan dişliler için ihtiyaç duyduğumuz dayanıklı dış katmanları oluşturur. Bir başka yöntem ise 500 ile 600 derece Celsius sıcaklıklarda azotun metal yüzeyine emdirildiği nitrürlemedir. 2022 yılında Tribology International'de yayımlanan bir araştırmaya göre, bu yöntem yüksek hızlı işlemlerde parçaların yorulmaya karşı direncini yaklaşık %40 artırabilir. Özellikle dişli diş kökleri için indüksiyon sertleştirmesi iyi bir çözümdür. Bu yöntem, sertleştirmek üzere belirli bölgelere odaklanmak için elektromanyetik alanlar kullanır ve tekrarlı yükleme döngülerinde ortaya çıkan eğilme yorulması sorunlarına karşı gerçek etkinlik göstermiştir.

Mikroyapısal Değişimler ve Hizmet Ömrü Üzerlerindeki Etkileri

Isıl işlem, performansı optimize etmek için kristal yapıları değiştirir. Yüzey sertleştirme, yüzeydeki osteniti martenzite dönüştürerek 60-65 HRC sertliği sağlarken sünek bir gövde korur. Aşırı temperleme, kalan osteniti %15'in altına düşürerek mikro çatlak oluşumunu en aza indirir. Kontrollü soğutma, tane sınırlarında karbür birikmesini önler ve işlenmemiş bileşenlere kıyasla planet dişli sisteminin ömrünü %30-50 oranında uzatır.

Püskürtme, Parlatma ve Kaplamalar: Pitlenme, Çizilme ve Yüzey Bozulmasının Azaltılması

Şot peening uygulandığında, güneş dişliler ani dönme darbeleriyle karşılaştığında çatlakların oluşmasını önlemeye yardımcı olan yaklaşık -800 MPa'lık önemli basınç gerilmeleri oluşturur. Yüzey işçiliği açısından, hassas parlatma işlemi Ra değerlerinin 0,4 mikronun altına inmesini sağlar. Bu özellikle yüksek devirli vida dişli uygulamalarında yağın yeterince uzun süre tutunmadığı durumlarda sürtünmeyi azaltmada büyük önem taşır. Tungsten katkılı DLC (Diamond Like Carbon) gibi yeni nesil ince film kaplamalar, sürtünme katsayısını 0,08 ile 0,12 arasında önemli ölçüde düşürür. Bu modern kaplamalar, dişlilerin kritik ilk çalışma (alıştırma) periyodu sırasında aşınma hasarını öneme gelir konusunda geleneksel fosfat muamelelerinin çok ötesindedir.