Rulman Yapımında Kullanılan Malzemeler

Seramik, Krom Çeligi, Paslanmaz Çelik ve Plastik 

Rulman üretim endüstrisinde birbirinden farklı rulman parçalarının üretimi için çok çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemeler, rulman performans ve ömrünü arttırmak ve istenilen diğer özellikleri elde edilebilmek için işlenmektedirler. Bu konuda bahsedeceğimiz malzemeler sanayide en sık kullanılanlardır.

Paslanmaz Çelik (Krom çelik) Rulman – SAE 52100 (çelik derecesi) 

Hassas bilyeli rulmanlar ile silindirik ve konik makaralı rulmanlar icin yük taşıyan bilesenlerin üretiminde en çok kullanılan malzeme “52100 paslanmaz çeliği”dir. Bu bilesenler dış yüzük, iç yüzükler, bilyeler ve makaralardır. Kullanılan çeliğin kimyasal bileşimi yüksek oranda karbon ve %1.5 oranında krom içermektedir. Kontrollü süreç ve ısıl işlem metodları kullanılarak üretilen rulman parçaları çatlak oluşumuna karşı yüksek mukavemete sahiptirler ve ayrıca alt yüzeylerde yuvarlanma sonucu olusan temas yorgunluğuna karşı yüksek direnç ortaya koyan sert yüzeye sahiptirler. Bu malzemeden üretilen rulman bilesenlerinin karakteristik yüzey sertliği 60-64 derece arasında (Rockwell C sertlik skalası – Rc) değişmektedir.

Ekstra Temiz 52100 Paslanmaz Celik 

Yüksek hassasiyete sahip minyatür rulmanlarda kullanılan saf çelik ilave eritme islemlerine tabi tutulur. Sonuc olarak çok düzgün ve ince taneli malzeme yapısına sahip bir çelik türü elde edilerek rulman temas yüzeyleri mükemmel seviyede pürüzsüz olarak islenebilmektedir ve böylelikle rulman gürültüsü de (calışma esnasındaki ses seviyesi) çok düşük seviyededir.

Krom çelik için en yaygın ısıl işlem yöntemi, çeliğin kontrollü bir atmosfer fırınında sertleştirilmesidir. Krom çelikten imal edilen yataklar 120 ° C’ye kadar sürekli sıcaklıklarda çalışabilir.

Daha yüksek sıcaklıklarla karşılaşıldığında, rulman bileşenlerinde “Isı Dengelemesi” yapmak mümkündür. Rulmanlar ısıl işlem süreci değiştirilerek üretilebilmektedir, böylece 220°C ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler. Bu uygulamalar için bileşenler, calışma sıcaklığına karşılık gelenden daha yüksek bir sıcaklıkta tavlama işlemine tabi tutulmaları gerekmektedir. Bu sekilde arttırılan tavlama işlemi malzemenin sertliği üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir ve yatağın yük taşıma kapasitesini azaltmaktadır.

SAE 52100 mükemmel genel amaçlı yatak çeliğidir. Mükemmel sertlik ve aşınma direncine sahip olduğu için, bilyeli rulmanlarda iyi yorulma ömrü gösterir. Ancak, krom çeliğin korozyon direnci düşük krom içeriği nedeniyle zayıftır. Yataklamaların yüzeyleri paslanmayı önlemek için bir pas önleyici kaplama veya yağ ile korunmalıdır.

Aşağıdaki tabloda görüleceği üzere, krom çeliğinin standart kimyasal bileşimi, üretildiği ülkeye göre değişiklik göstermektedir.

Paslanmaz Çelik Rulmanlar 

Paslanmaz çelik malzemeler rulman bileşenleri yapımında kullanılmaktadır, çünkü yüksek miktarda krom içeriği (~% 18) ve nikel ilavesi ile yüzey korozyonuna karşı daha dayanıklıdırlar. Krom, oksijen ile reaksiyona girer ve pasif bir film meydana getirerek yüzeyde bir krom oksit tabakası oluşturur.

Martensitik Paslanmaz Çelik – AISI 440C 

400 serisi paslanmaz çeliklerin karbon içeriği yeterince yüksektir, bu nedenle Rc58’e kadar standart ısıyla muamele yöntemleri kullanılarak sertleştirilebilir. Düşük seviyedeki sertlik nedeniyle, 52100 krom çelik rulmanlara kıyasla, bu malzemeden yapılmış rulmanlarda yük taşıma kapasitesi % 20 daha düşüktür. Karbon içerik seviyesi bileşenlerin manyetik olduğu anlamına gelir. 440C malzeme tatlı suya ve hafif kimyasallara maruz kaldığında korozyon direnci “iyi” dir. Bu malzeme öncelikle ABD rulman imalatçıları tarafından kullanılmaktadır.

Geleneksel 440C paslanmaz çeliğinden imal edilen minyatür rulmanlar nispeten gürültülüdürler, çünkü normal olarak parçacık seviyesinde olusan büyük karpitler yüzey bitirme işlemi esnasında ortaya çıkmaktadır. Daha büyük rulman yatakları ise bu durumdan etkilenmezler. 400 serisi paslanmaz çelikten yapılmış rulmanlar kromlu çelikten daha yüksek sıcaklıklarda, 250° C’ye kadar sürekli çalışabilir.

Bu malzemeden rulmanlar genellikle krom çelik rulmanlardan daha pahalıdır.

Martensitik Paslanmaz Çelik – ACD34 / KS440 / X65Cr13 

Birçok minyatür rulman üreticisi, yüzük ve bilyelerini, ACD34, KS440 ve X65Cr13 gibi çeşitli isimler altında bilinen AISI 440C’den biraz daha düşük karbon ve krom içeriğine sahip paslanmaz çelik bir malzeme ile hazırlar. Isıl işlemden sonra bu malzeme daha küçük karbürlere sahiptir, bu nedenle rulman 440C ile aynı korozyon direnci sunarken üstün düşük gürültü özelliklerine sahiptir. Bu malzemeden üretilen yataklar için, bazı üreticiler krom çeliğiyle aynı yük derecelendirmesini yayınlayacaklardır. Bunun nedeni, sertliği Rc 60’a kadar çıkan sıkı kontrollü ısıl işlem yöntemlerinin kullanılmasıdır. Bilyeli rulmanlar için en yaygın kullanılan paslanmaz çeliklerden biri olmasına rağmen, bu malzeme için AISI belirlemesi bulunmamaktadır.

Martensitik Paslanmaz Çelik – SV30 

Martensitik paslanmaz çelik, karbon içeriğini düşürerek ve nitrojeni bir alaşım elementi olarak işleme sokarak ham çeliğin işlenmesi sırasında modifiye edilebilir. Nitrojen, krom karbürleri yerine krom nitrürlere dönüşen kromun doyumunu arttırır. Sonuç, bazı uygulamalarda yorulma ömrünü % 100 (iki misli) uzatan üstün mikro yapı beraberinde yüksek mukavemet ve sertliğe sahip bir çeliktir. Bu malzeme aynı zamanda 440C’den ve ACD34’den 5 kat daha iyi korozyon direnci sunar. Bu malzemeden üretilen rulmanlar % 20-40’lık bir fiyat primine sahiptirler, fakat çoğu zaman üstün performans ile getirdikleri kazançlar ile bunu telafi etmektedirler. Daha fazla bilgiyi SV30 Teknik Bilgi Sayfasında bulabilirsiniz.

Rulman Çeliğine Uygulanan Isıl İşlem 

Rulman çeliği yumuşak (sertleştirilmemiş) haldeyken, metalürji uzmanları yapılarını perlit olarak degerlendirirler. Çeliği sertleştirmek için çok yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılmalı ve daha sonra yine çok hızlı sekilde soğutulmalıdır. Isıl işlem fırınında 1750°F’ye (954°C) ısıtıldığında, yapı perlitten ostenite dönüşür. Soğutma işleminden sonra (çok hızlı soğutma) yapı daha sonra östenitten martensite dönüşür. Martensite dönüştürüldüğünde çok sert hale gelen çelik, bu noktada “termal açıdan stabil” olarak kabul edilmez. Bunun nedeni, söndürme işlemi sırasında östenitin tamamen martenzite dönüşmemesidir. Bu olguya “östenit korunması” adi verilir.

Çelik, termal olarak stabil değilse, tutulmuş östenit uzun süre (muhtemelen yıllar) martensite dönüşebilir. Bu dönüşüme, metalürjik büyüme (termal büyüme ile karıştırılmamak için) adı verilen hacim artışı eşlik eder. Metalürjik büyüme, oda sıcaklığında bile rulman gibi çelik parçalarının boyut ve biçimlerinde değişime neden olacaktır. Düşük hassasiyetli hammadde tipi rulmanlarda bir sorun teşkil etmezken, yüksek hassasiyete sahip (ABEC 5P, 7P, 9P) minyatür yataklarda boyutsal kararlılığın olmaması sorunlara neden olabilmektedir. Bu istenmeyen metalürjik büyümeyi ortadan kaldırmak için çelik, termal stabilizasyona tabi tutulmalıdır. Bu işlem -120 ° F’de tekrarlanan soğutma döngüleri ve tutulan östenitin büyük bir yüzdesini martensite dönüştürmek için temperleme (çeliğe su verme) ile gerçekleştirilir. Aşağıdaki tablolar, yukarıda tartışılan paslanmaz çelik alaşımlarının kimyasal bileşimini göstermektedir.

AISI316 Östenitik Paslanmaz Çelik 

300 serisi paslanmaz çelik malzemelerden yapılmış rulman parçaları, daha düşük korozyon direncine sahiptir ve düşük karbon içeriğinden dolayı manyetik değildir. Fakat, önemli bir husus bu malzemenin sertleştirilememesi ve bu sebepten dolayı da rulmanların yalnızca düşük yük ve hız altında çalışabilmeleridir. Rulman yüzeyleri, pasifleştirme işlemi adı verilen oksijenle kimyasal isleme tabi tutularak oluşturulan pasif film sayesinde rulman korozyondan korunur. Korozyon direnci, rulman sıvının tamamen altında (sualtı uygulamaları gibi) kalmadığı durumlarda en iyisidir. Bu malzemeden yapılan rulmanlar genellikle minimum miktarları gerektiren özel sipariş öğeleridir ve de daha pahalıdırlar.

Diğer 300 Serisi Paslanmaz Çelik 

Rulman kapakları (shields), sızdırmaz contalar (seals) ve bilye tutucular (retainers) bazen AISI303 veya AISI 304 paslanmaz çelikten imal edilirler, çünkü orta derecedeki korozyon direncine sahiptirler ve çeşitli şekillerde şekillendirme için daha iyi sonuçlar verirler.

Karbon Alaşımlı Çelikten Rulmanlar 

Karbon çelik malzemeler rulmanların çeşitli bileşenlerini üretmek için kullanılmaktadır ve iki temel türleri vardır: Orta Karbon Alaşımlı Çelik ile Düşük Karbon Alaşımlı Çelik.

Orta Karbon Alaşımlı Çelik 

Orta veya düşük karbonlu alaşımlı çelik malzemeden rulmanlara tipik olarak “yarı hassasiyetli” veya “ticari sınıf” rulmanlar denir. Tipik malzemeler AISI8620 veya AISI4320’dir. İç ve dış yüzük yüzeyleri “mahfaza sertleştirme” veya “karbonlama” adı verilen bir ısıl işlem sürecine tabi tutularak sertleştirilir. Bu malzemelerden yapılmış rulmanlar yüksek yükleri kaldıramazlar veya yüksek hızlarda çalışamazlar; korozyon direncine sahip değildirler ve genellikle düşük maliyetlidirler.

Düşük Karbon Alaşımlı Çelik 

Düşük karbon alaşımlı çelik, kauçuğun conta/keçeler icinde kalıplandığı rulman kafesleri, metal kapakların (shields) ve metal kovanların (washer) üretiminde kullanılır. Genel malzemeler AISI C1008 ve C1010’dur. Bu malzeme yağ/gres uygulaması (kafesler) veya kaplama/plating uygulanarak korozyona karşı korunmalıdır. Kafesler ve kapaklar (seal, shield) hakkında ek bilgiye ilgili teknik bültenlerde ulaşabilirsiniz.

Plastikler ve Metalik Olmayan Malzemelerden Yapılan Rulmanlar

Kafesler 

Bazen rulman kafesleri için plastik malzemeler kullanılır. En yaygın kalıplanmış naylon plastiktir ancak kalıplanmış asetal (POM) da kullanılır. Diğer polimerler, yüksek hız, düşük tork veya düşük gürültü gibi özel performans gereksinimlerinin bulunduğu özel rulman tasarımlarında kullanılır. Fenolik (fenol-formaldehit) malzemelerden yapılmış kafesler, takım tezgahı ekipman millerinde kullanılan yüksek hızlı bilyeli rulmanlarda en yaygındır. Fenolik kafesler ayrıca hafif ve yüksek mukavemetlidirler. Bu malzemenin işlenmesinin maliyetli olmasından dolayı, bunun yerine günümüzde genellikle plastik malzeme kullanılmaktadır. Konu hakkında ek bilgiyi “Kafesler” teknik bülteninde bulabilirsiniz.

Rulman Keçeleri 

En yaygın sızdırmazlık malzemesi “nitril kauçuk” veya “buna kauçuk”tur. İyi mekanik özelliklere sahiptir, geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilir, birçok kimyasala dirençlidir ve düşük maliyetlidir. Viton ve Silicone gibi malzemeler pahalı elastomerlerdir ve genellikle benzersiz özelliklerine ihtiyaç duydukları takdirde bir uygulamada kullanılırlar.

Seramik Malzemelerin Yapılan Rulmanlar 

Seramik malzemelerden imal rulmanlar bu endüstriside özel bir alanda yer alırlar. En yaygın uygulama, genellikle paslanmaz çelik yüzükler ile seramik bilyalar içeren hibrid rulman seklindedir. Kullanılan en yaygın seramik

malzeme silisyum nitrittir. Bu malzemeden yapılmış bilyalar Rc78 seviyesine kadar sertliğe sahiptirler ve ayni zamanda çok düzgün bir yüzeye sahiplerdir. Hibrit rulmanlar tüm paslanmaz çelik rulmanlardan daha pahalıdır.

Yazar Hakkında 

John Wallace, ISO 9001: 2008 sertifikalı ve hassas rulman ve rulman ile ilgili ürünlerin lider tedarikçisi olan AST Bearings LLC. Sirketinin operasyonlarından sorumlu Başkan Yardımcısıdır.

10,000’den fazla rulman ürününün, yağlama hizmetlerinin, mühendislik ve tasarım hizmetlerinin, ücretsiz teknik raporlar (white papers), teknik makalelerin, 3D CAD modellerinin ve daha fazlasının bulunduğu katalog hakkında daha fazla bilgi için www.astbearings.com adresini ziyaret edin. AST’nin “Parçanın Ötesinde Değer” (Value beyond the Part) saglama yaklaşımı eşsiz uygulamanız için doğru ürünü bulmanızda sizinle birlikte çalışabilecek uzman ve mühendislerden olusan bir ekip oluşturur.

John Wallace, Operasyonel Baskan Yardimcisi, AST Rulman

Bu makale BearingNEWS dergisi Eylül 2016 sayısında yayınlanmıştır, dijital BearingNEWS dergisinde okumak isterseniz lütfen buraya tıklayın.