Malzeme Seçimi

Malzeme Seçimi

Yay malzemeleri endüstride kullanılan en mukavemetli malzemelerdir (Şekil 1.). Yaylar genellikle diğer elemanlardan daha fazla zorlanmaya maruz oldukları dikkate alınarak dizayn edilir.

Mesela helisel sarılmış basma yayları kopma mukavemetinin %70’ i hatta daha fazlası bir değerde gerilmeye maruz kalabilir. Buna ilaveten yay malzemeleri yüksek ve düşük sıcaklığın olduğu, korozif çözeltilerin bulunduğu yerlerde ani ve dinamik yüklemenin mevcut olduğu yerlerde çalışabilmelidir. Yay malzemelerinin sadece mekanik özellikleri değil elektrik ve manyetik özellikleri de önemlidir.


Helisel yaylar için malzeme seçimini yönlendiren birkaç faktör vardır. Bunlar yükleme durumu, çalışma gerilimi aralığı, ağırlık, çalışma sınır ölçüleri, yorulma ömrü, sıcaklık, korozyon, üretim metodu (soğuk ve sıcak sarım) ile malzeme özellikleri olarak sayılabilir.

Yaylara uygulanan yük arttırıldığında ve kullanılan yer sınırlandırıldığında yaylar daha yüksek çekme mukavemetine sahip malzemelerden yapılmalıdır. Eğer yayın üzerine etkiyen gerilme değeri yüksek ve yükleme durumu dinamikse bu kez yorulma dayanımı yüksek malzemeler tercih edilmelidir.

Yay malzemeleri konusu önemli ve derin bir konudur. Bu çalışma bu konuya ait küçük bir giriştir ve yay dizaynı yapan kişilerin malzeme seçiminde kendilerine güven duymasını sağlar.

Bu çalışmada yay malzemelerinin beş ana grubu ele alınmıştır. Bunlar yüksek karbonlu yay çelikleri, alaşımlı yay çelikleri, paslanmaz yay çelikleri, bakır alaşımları ve nikel alaşımlarıdır. Tablo 1’ de özet bir malzeme referans tablosu verilmiştir. Bu tablo yay malzeme listesinin tamamı değildir. Kısa tutulmak amacıyla bir çoğu alınmamıştır.


Yüksek Karbonlu Yay Çelikleri

Genel amaçlı çalışmalar için bu yay çelikleri yay tasarımcıları için en iyi seçimdir. Aynı zamanda yay tasarımcılarının seçebileceği mukavemetli malzemelerdir. Yayların yapımında kullanılan çelik malzemeler yayların çekme, basma, eğilme, burulma gibi zorlanma durumlarına göre değişmektedir.

Yay telleri sıcak hadde çubuklarından, karbür kalıplardan soğuk çekilerek üretilir. Böylece istenen boyut, yüzey düzgünlüğü, boyut hassasiyeti ve mekanik özellikler elde edilir. Ayrıca yayların performansları kullanılan malzemenin mekanik özellikleri ile malzemeye uygulanan tavlama, soğuk çekme, ön temperleme gibi ısıl işlemler sonucu kazanılan özelliklere de bağlıdır. 2 mm’ den daha az boyutlardaki yaylar için standartta verilen SAE J271 özel kalite soğuk çekilmiş karbon çeliği en mukavemetli olanıdır. Bu malzemeler yüzey işlemi ve mukavemet açısından ideal malzemelerdir. Tel toleranslarının sınırlı olduğu ve yüksek gerilimlerin bulunduğu yerlerde kullanılırlar. Bu gruptaki bazı çelikler Zn veya Al–Zn ile ön çekme uygulanarak elde edilir. Bunlar normal şartlarda yeterli korozyon korumasına sahiptir. Aksi takdirde korozyon koruması için bazı işlemlerin yapılması gerekecektir.

Yağda temperlenmiş SAE J316 karbon çeliklerinde ise temperleme sonucu elde edilen martenzitik yapı sabit veya değişken yükler karşısında yumuşama yani gevşemeye karşı daha dirençlidir. Bu çelikler hassas şekil vermeye de daha uygundur. Bu gruptaki J113 soğuk çekilmiş teller, yağda temperlenen J316 çeliğinden daha fazla deformasyona dayanırlar. Ayrıca soğuk çekilmiş teller, statik yükler, düşük gerilimler ve gerilme tekrarının az olduğu yerlerde kullanılırlar.

Alaşımlı Yay Çelikleri

Yay malzemelerinin diğer bir grubu da düşük alaşımlı veya ön sertleştirilmiş ve temperlenmiş karbon çelikleridir. Bu malzemeler tavlanarak çekilir ve daha sonra yüksek mukavemet elde etmek için tel üreticileri tarafından sertleştirilir. Bunlar 2 mm boyutun üzerindeki soğuk çekilmiş malzemelerden daha mukavemetlidir. Bu malzemelerin mekanik özellikleri sertleştirme prosesinde elde edilir.

Düşük alaşımlı veya ön sertleştirme yapılmış ve temperlenmiş karbon çelikleri mükemmel statik ve dinamik özelliklere sahiptir ve 230 oC’ ye kadar ki sıcaklıklarda çalışabilirler. Fakat yüzey işlem görmez ise kolayca aşınabilir. Si–Cr ( J157 ) veya Cr–V en yaygın kullanılanlar arasındadır.

Paslanmaz Yay Çelikleri

Paslanmaz yay çelikleri, korozyona dayanıklı, şekil değiştirme kabiliyeti yüksek olan çeliklerdir ve normal yay çeliklerine göre daha yaygın kullanılırlar. Bu çelikler içerisinde en az %16 Cr ve %6,5 Ni bulunmaktadır. Ayrıca bu çelikler soğuk şekillendirme ve ısıl işleme tabi tutulan çeliklerdir. Paslanmaz çeliklerinin mekanik özelliklerine ve korozyon direncine göre çok değişik çeşitleri vardır.

Bakır Alaşımlı Yay Malzemeleri

Bakır alaşımlı yay malzemeleri yüksek elektrik ve ısı geçirgenliği istenen ve çok iyi atmosferik direnç gerektiren yerlerde kullanılır. Yay üretiminde Tablo 1’ de verilen üç adet alaşım yer alır. Bunlar fosfor bronzu, berilyum bakır ve pirinçtir. Fosfor bronzu ve pirinç malzemeler mekanik özelliklerini soğuk çekim işleminden kazanır. İçerisinde yüksek miktarda kalay bulunan fosfor bronzunun çekme mukavemeti oldukça yüksek ve elektrik iletkenliği iyidir. Bu sebeple en yaygın kullanılan bakır alaşımıdır.

Berilyum bakır çökelme sertleşmesine sahip bir malzemedir. Haddelemedeki ısıl işlem miktarına bağlı olarak değişik sertliklere sahip olabilir. Ayrıca en pahalı bakır alaşımıdır. Fakat sertleştirilebildiği gibi diğer bakır alaşımlarına nazaran daha büyük gerilme ve yorulma direncine sahiptir. Ayrıca manyetik özellikleri yoktur.

Nikel Alaşımlı Yay Malzemeleri

İçerisinde %75 Ni ve %16 Cr bulunan UNS N06600 malzemelerin yüksek sıcaklıklarda oksidasyon dirençleri ve mukavemetleri oldukça iyidir. Soğuk çekildiklerinde çekme mukavemetleri de oldukça yükselir. Bir Cu–Ni alaşımı olan UNS N04400 ise yüksek mukavemete ve sünekliğe sahip olmakla birlikte asit ve alkalilere dirençlidir. Özellikle deniz suyu gibi tuzlu su ortamlarına ve hafif yüklemelere karşı çok ideal bir malzemedir.