
Mühendislikte doğru dişli malzemesini seçmek neden bu kadar önemlidir? Uygun malzemelerin seçilmesi, dişlilerin aşınma direnci, dayanıklılık ve verimlilik gibi talepleri karşılamasını sağlar. Bu makale, çelikten metalik olmayan seçeneklere kadar çeşitli dişli malzemelerini, özelliklerini ve ideal uygulamalarını incelemektedir. Okuyucular, dişli malzemesini belirli koşullarla nasıl eşleştireceklerini, performansı ve uzun ömürlülüğü nasıl optimize edeceklerini öğrenecekler. Bu kritik kararları etkileyen temel faktörleri keşfederek dişli sistemlerinizi sağlam ve güvenilir hale getirin.
Dişlilerin arıza modlarından, dişli şanzıman tasarımının malzeme özelliklerinin dikkatli bir şekilde dikkate alınmasını gerektirdiği açıktır. Diş yüzeyi aşınmaya, çukur korozyonuna, yapışkan aşınmasına (galling) ve plastik deformasyona karşı yüksek dirence sahip olmalı, diş kökü ise mükemmel kırılma direncine sahip olmalıdır.
Sonuç olarak, dişli malzemeleri için temel gereksinimler aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Bu gereksinimleri karşılamak için dişli tasarımcıları genellikle gelişmiş malzemeler ve ısıl işlem süreçleri kullanır. Örneğin:
Uygun dişli malzemelerinin ve işlemlerinin seçiminde yük koşulları, çalışma ortamı, üretim süreçleri ve maliyet etkinliği gibi faktörler göz önünde bulundurulmalıdır. Fiziksel buhar biriktirme (PVD) kaplamaları gibi gelişmiş yüzey mühendisliği teknikleri, zorlu çalışma koşulları için dişli yüzey özelliklerini daha da geliştirebilir.
Çelik, mekanik özellikleri ve işleme kabiliyetlerinin olağanüstü kombinasyonu nedeniyle dişli üretiminde en yaygın kullanılan ve çok yönlü malzemedir. Doğal tokluğu ve darbe direnci, onu çeşitli uygulamalarda dişlilerin sıklıkla karşılaştığı döngüsel yüklere ve ani şoklara dayanmak için ideal kılar.
Çeliğin en önemli avantajlarından biri, ısıl işlem veya termokimyasal süreçlerle önemli ölçüde geliştirilebilmesidir. Bu işlemler dişlinin mekanik özelliklerini, özellikle de dişli performansı ve uzun ömürlülüğü için çok önemli olan yüzey sertliğini ve aşınma direncini önemli ölçüde iyileştirebilir. Örneğin:
1. Dişli İmalatı için Dövme Çelik
Dövme çelik, üstün mekanik özellikleri ve yapısal bütünlüğü nedeniyle dişli üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çelik kalitesi seçimi özel dişli uygulamasına bağlıdır ve (0,15 - 0,60)% karbon içeren karbon ve alaşımlı çelikler en yaygın seçeneklerdir. Bu malzemeler, dişli performansı için gerekli olan güç, tokluk ve işlenebilirlik arasında optimum bir denge sunar.
Dişli imalatında kullanılan dövme çelik, nihai diş yüzeyi sertliğine göre iki ana tipte kategorize edilebilir:
a) Yumuşak Diş Yüzeyli Dişliler:
Bu dişliler tipik olarak düşük karbon içerikli çeliklerden (0,15 - 0,30% C) yapılır ve orta düzeyde mukavemet ve mükemmel işlenebilirliğin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır. Diş yüzeyleri ısıl işlemden sonra nispeten yumuşak kalır, bu da dövme sonrası işlemeyi kolaylaştırır ve iyi aşınma özellikleri sağlar.
b) Sertleştirilmiş Dişliler:
Orta ila yüksek karbonlu çeliklerden (0,30 - 0,60% C) veya alaşımlı çeliklerden üretilen bu dişliler karbürleme, nitrürleme veya indüksiyonla sertleştirme gibi yüzey sertleştirme işlemlerinden geçer. Elde edilen sert diş yüzeyi üstün aşınma direnci ve yorulma mukavemeti sunarak bu dişlileri yüksek yük ve yüksek hızlı uygulamalar için uygun hale getirir.
Aşırı büyük boyutlara veya karmaşık geometrilere sahip dişliler için dökümün dövmeye tercih edilebileceğini belirtmek önemlidir, çünkü bu gibi durumlarda dövme işlemi ekonomik veya teknik olarak zorlayıcı olabilir. Dövme ve döküm arasındaki seçim dişli boyutu, karmaşıklık, üretim hacmi ve performans gereksinimleri gibi faktörlere bağlıdır.
2. Yumuşak diş yüzeyli dişliler (sertlik 350 HBS):
Mukavemet, hız ve doğruluk için orta düzeyde gereksinimler nedeniyle, dişli boşluğu dişli kesme işleminden önce ısıl işleme tabi tutulur. Tipik olarak normalizasyon veya su verme ve temperleme olan bu işlem, kesme işlemleri sırasında aşınma oranlarını azaltarak işlemeyi kolaylaştırır ve takım ömrünü uzatır.
Dişli kesme işlemi daha sonra doğrudan bitmiş ürünü üretir.
Genel olarak, bu dişliler ISO standartlarına göre 8 hassasiyet derecesine ulaşır. Ancak hassas kesim teknikleriyle 7 gibi daha yüksek bir hassasiyet derecesine ulaşmak mümkündür.
Bu tür dişli üretimi basitliği, maliyet etkinliği ve üretim verimliliği ile karakterize edilir. Süreç akışı tipik olarak şunları içerir:
Yumuşak diş yüzeyi yaklaşımı, özellikle aşırı sertliğin gerekli olmadığı uygulamalar için uygundur ve performans ile üretilebilirlik arasında bir denge sunar.
3. Sertleştirilmiş dişliler (sertlik 350 HBS ve üzeri):
Bu dişliler, gelişmiş takım tezgahları ve havacılık motorları gibi yüksek hızlı, ağır hizmet tipi ve hassas makinelerde çok önemli bileşenlerdir. Olağanüstü performansları, üstün malzeme özellikleri, yüksek diş mukavemeti ve yüksek diş yüzeyi sertliğinin (tipik olarak 58 ila 65 HRC arasında değişen) bir kombinasyonuna atfedilir.
Bu yüksek hassasiyetli dişlilerin üretim süreci tipik olarak üç aşamalı bir sıra izler:
Bu sıra, ISO kalite derecesi 5 ve hatta 4'e ulaşan dişlilerle olağanüstü hassasiyet elde edilmesini sağlar. Son işlem süreci, özellikle de dişli taşlama, bu tür yüksek hassasiyet seviyelerine ulaşmak için çok önemlidir.
Dişlinin yüzey özelliklerini geliştirmek için çeşitli ısıl işlem yöntemleri kullanılır:
Malzeme ve ısıl işlem yönteminin seçimi, özel uygulama gereksinimlerine ve istenen performans özelliklerine bağlıdır.
Alaşımlı çelikler, belirli özelliklere göre uyarlanabilmeleri nedeniyle bu yüksek performanslı dişliler için ağırlıklı olarak kullanılmaktadır. Üreticiler, alaşım elementlerini ve oranlarını dikkatli bir şekilde seçerek özelliklerini geliştirebilirler:
Ayrıca, hassas ısıl işlem veya termokimyasal süreçler sayesinde mekanik özellikler ve yüzey sertliği zorlu spesifikasyonları karşılayacak şekilde optimize edilebilir.
Yüksek hızda çalışma, ağır yük kapasitesi ve minimum boyut ve ağırlık gerektiren havacılık ve uzay uygulamaları için özel alaşımlı çelikler kullanılır. Örnekler arasında mükemmel bir güç, dayanıklılık ve ağırlık verimliliği dengesi sunan 20CrMnTi ve 20Cr2Ni4A bulunur.
Elde edilen sertleştirilmiş dişliler, sert bir çekirdekle birleştirilmiş sert bir diş yüzeyi sergiler ve aşınma direnci ile darbe mukavemetinin optimum bir kombinasyonunu sağlar. Bu da onları güvenilirlik ve performansın çok önemli olduğu kritik uygulamalar için ideal kılar.
4. Dökme Çelik
Dökme çelik mükemmel aşınma direnci ve yüksek mukavemet sunar, bu da onu endüstriyel uygulamalar için değerli bir malzeme haline getirir. Bununla birlikte, mekanik özelliklerini ve mikro yapısını optimize etmek için döküm sonrası ısıl işlemler gereklidir. Tavlama ve normalleştirme, dökme çelik bileşenlere uygulanan başlıca işlemlerdir.
Tavlama, dökme çeliğin belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılmasını, önceden belirlenmiş bir süre boyunca tutulmasını ve ardından yavaşça soğutulmasını içerir. Bu işlem iç gerilimleri azaltır, sünekliği artırır ve işlenebilirliği geliştirir. Normalleştirme ise çeliğin kritik sıcaklığının üzerine ısıtılmasını ve ardından havayla soğutulmasını içerir. Bu işlem tane yapısını iyileştirir, mukavemeti ve tokluğu artırır ve döküm boyunca daha homojen özellikler sağlar.
Daha da yüksek mukavemet ve sertlik gerektiren uygulamalar için, dökme çelik su verme ve temperleme işlemlerinden geçirilebilir. Bu iki aşamalı ısıl işlem süreci özellikle yüksek yük ve aşınmaya maruz kalan büyük boyutlu dişliler için faydalıdır. Su verme, ısıtılmış çeliği tipik olarak yağ veya su içinde hızla soğutarak sert bir martensitik yapı oluşturur. Daha düşük sıcaklıklarda yapılan müteakip menevişleme, su verme sırasında kazanılan sertliğin çoğunu korurken iç gerilimleri azaltır ve tokluğu artırır.
Gri dökme demir, perlitik veya ferritik bir matris içinde grafit pulları içeren benzersiz mikro yapısı ile karakterize edilir. Bu yapı spesifik mekanik özellikler kazandırır:
Gri dökme demir tipik olarak aşağıdakileri gerektiren uygulamalarda kullanılır:
Yaygın uygulamalar şunları içerir:
Belirli bir uygulama için gri dökme demir seçerken, optimum performans ve uzun ömürlülük sağlamak için kaliteyi (çekme mukavemetine göre belirlenir) ve özel yükleme koşullarını dikkate almak çok önemlidir.
Dişli sistemlerinde gürültü ve titreşimi azaltmak için mühendisler genellikle pinyon dişlisi için metalik olmayan malzemeler kullanırken, daha büyük dişli için çelik veya dökme demir kullanırlar. Yaygın metalik olmayan seçenekler arasında polioksimetilen (POM), poliamid (naylon) ve fenolik reçineler (örn. bakalit) gibi yüksek performanslı polimerler bulunur. Bu malzemeler mükemmel sönümleme özellikleri, düşük ağırlık ve kendinden yağlama özellikleri sunarak daha sessiz çalışma ve gelişmiş verimliliğe katkıda bulunur.
Dişliler için metalik olmayan malzemelerin seçimi, yük kapasitesi, çalışma sıcaklığı ve çevre koşulları gibi faktörlerin dikkatle değerlendirilmesini gerektirir. Örneğin, bu polimerlerin cam elyaf veya karbon elyaf içeren güçlendirilmiş sınıfları, mukavemeti ve boyutsal kararlılığı önemli ölçüde artırarak daha zorlu uygulamalar için uygun hale getirebilir.
Metalik olmayan dişliler çok sayıda avantaj sunarken, eşleşen çelik veya dökme demir dişli, yeterli aşınma direnci ve çukur korozyon direnci sağlamak için hala uygun yüzey sertliği gerektirir. Metalik dişli için önerilen yüzey sertliği aralığı tipik olarak 250 ila 350 HBS (Brinell Sertlik Ölçeği) arasındadır. Bu sertlik aralığı, uzun dişli ömrü ve güvenilir performans için gerekli olan aşınma direnci ile tokluk arasında bir denge sağlar.
İstenen yüzey sertliğini elde etmek için, özel malzeme ve uygulama gereksinimlerine bağlı olarak indüksiyonla sertleştirme, karbonlama veya nitrürleme gibi çeşitli ısıl işlem süreçleri kullanılabilir. Ek olarak, bilyeli çekiçleme gibi yüzey işlemleri yorulma direncini ve dişli dişleri boyunca gerilim dağılımını daha da artırabilir.
Dişli malzemelerinin seçimi birçok faktörden etkilenen kritik bir süreçtir. Aşağıdaki temel hususlar bu seçime rehberlik etmelidir:
Dişli malzemesi özel operasyonel gerekliliklerle uyumlu olmalıdır:
Operasyonel ortam ve performans gereksinimleri, malzeme seçiminde öncelikli hususlar olmalıdır.
Alaşımlı çelikler, üstün mukavemetleri, toklukları ve yorulma dirençleri nedeniyle yüksek hızlara, ağır yüklere ve önemli darbe kuvvetlerine maruz kalan dişliler için tercih edilir.
Havacılık ve uzay dişlileri, güç yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak ve ağırlığı en aza indirmek için yüzey sertleştirme işlemlerine sahip yüksek mukavemetli alaşımlı çelikler gerektirir.
Mühendisler bu faktörleri dikkatle değerlendirerek, çeşitli uygulamalarda optimum performans, uzun ömür ve güvenilirlik sağlamak için en uygun dişli malzemelerini seçebilirler.
Sonuç olarak, dişli seçimi büyük ölçüde özel uygulamaya ve çalışma ortamına bağlıdır. Farklı kullanım durumları farklı değerlendirmeler gerektirir ve malzeme seçimi her senaryoda çok önemli bir rol oynar.
Dişliler tasarlanırken, optimum performans, uzun ömürlülük ve güvenilirlik sağlamak için malzeme seçimine dikkat edilmelidir. Yük kapasitesi, aşınma direnci, çalışma sıcaklığı, korozyon direnci ve maliyet etkinliği gibi faktörlerin tümü dikkate alınmalıdır. Örneğin, karbon çelikleri genel amaçlı dişliler için uygun olabilirken, özel alaşımlar ve hatta yüksek performanslı polimerler gibi metalik olmayan malzemeler aşırı koşullar için gerekli olabilir.
Ayrıca, dişlinin bir sistem içindeki güç aktarımı, hassas konumlandırma veya gürültü azaltma gibi amaçlanan işlevi, malzeme ve tasarım seçimlerini daha da etkileyecektir. Dişli malzemelerini ve tasarımlarını özel uygulamalarıyla titizlikle eşleştiren mühendisler, yalnızca pratik ve dayanıklı değil, aynı zamanda yüksek verimli ve amaçlanan rollerinde mükemmelleşecek şekilde uyarlanmış dişliler oluşturabilirler.