Sürtünme ve Yağlama: Makinelerde Sürtünme Türleri ve Yağlayıcılar

Bir otomobil motorunda, bir torna tezgahının kızaklarında ya da bir elektrik motorunun rulmanlarında birbirine değerek hareket eden yüzlerce parça vardır. Bu parçalar arasındaki sürtünme, bir yandan enerji kaybına, ısınmaya ve aşınmaya yol açar. Öte yandan frenlerin, kavramaların ve cıvata bağlantılarının çalışması da sürtünmeye dayanır. Makinelerde sürtünmenin istenmeyen etkilerini azaltmanın en önemli yolu ise yağlamadır.

Bu yazıda sürtünme nedir, sürtünme katsayısı nasıl kullanılır, kuru, karışık ve sıvı sürtünme arasındaki farklar nelerdir, yağlama yağlarının görevleri ve özellikleri nelerdir ve gres yağı ile katı yağlayıcılar nerelerde kullanılır sorularını ele alıyoruz.

Sürtünme Nedir?

Sürtünme, birbirine temas eden iki yüzeyin birbiri üzerinde hareket etmesine karşı koyan dirençtir. Sürtünme kuvveti, her zaman hareket yönünün tersine etki eder.

Yataklarda ve kızaklarda sürtünme kuvvetinin büyüklüğü başlıca şunlara bağlıdır:

• Yüzeylere dik etki eden kuvvete (normal kuvvet)
• Malzeme çiftine (hangi malzemelerin birbirine sürtündüğüne)
• Yağlama durumuna
• Kayma yüzeylerinin yüzey yapısına (pürüzlülüğüne)
• Sürtünme türüne (kayma ya da yuvarlanma)

Sürtünme Katsayısı ve Sürtünme Kuvveti

Malzeme çiftinin, yağlama durumunun, yüzey yapısının ve sürtünme türünün etkisi tek bir sayıyla, sürtünme katsayısıyla (μ) ifade edilir. Sürtünme katsayısı deneylerle bulunur.

Sürtünme kuvveti formülü:

F_R = μ × F_N

• F_R: Sürtünme kuvveti (N)
• μ: Sürtünme katsayısı (birimsiz)
• F_N: Yüzeye dik etki eden normal kuvvet (N)

Statik ve Dinamik Sürtünme

• Statik sürtünme (yapışma sürtünmesi): Parçaları itmeye çalışan kuvvet, sürtünme kuvvetinden küçük olduğu sürece parçalar hareket etmez.
• Dinamik sürtünme (kayma sürtünmesi): Kuvvet sürtünme kuvvetine ulaştığında parçalar birbiri üzerinde kaymaya başlar.

Statik sürtünme katsayısı, dinamik sürtünme katsayısından büyüktür. Bu yüzden bir cismi harekete geçirmek, hareketini sürdürmekten daha fazla kuvvet gerektirir.

Sürtünme Katsayıları Tablosu (Yaklaşık Değerler)

Malzeme çifti	Statik sürtünme katsayısı (kuru)	Kayma sürtünme katsayısı (kuru)	Kayma sürtünme katsayısı (yağlanmış)
Dökme demir / çelik	0,20	0,18	0,09
Çelik / çelik	0,20	0,15	0,07
Bronz (Cu-Sn) / çelik	0,20	0,10	0,04
Fren balatası / çelik	0,60	0,50	0,25

Tablodan görüldüğü gibi yağlama, sürtünme katsayısını yaklaşık yarıya indirir. Bronz-çelik çiftinin düşük sürtünme katsayısı, bronzun yatak burcu malzemesi olarak tercih edilmesinin bir nedenidir. Fren balatasında ise yüksek sürtünme katsayısı bilinçli olarak istenir.

Örnek: Çelik bir kızak, 2000 N’luk bir kuvvetle çelik kızak yoluna bastırılıyor. Yağlanmış durumda (μ = 0,07) sürtünme kuvveti:

F_R = 0,07 × 2000 N = 140 N

Aynı kızak yağsız çalışırsa (μ = 0,15):

F_R = 0,15 × 2000 N = 300 N

Yağlama sayesinde kızağı hareket ettirmek için gereken kuvvet yarıdan fazla azalır.

Sürtünme Momenti ve Sürtünme İşi

Bir yatakta sürtünme kuvveti, milin çevresine etki ettiği için bir sürtünme momenti oluşturur:

M_R = F_R × r

M_R: Sürtünme momenti (Nm)
r: Mil yarıçapı (m)

Sürtünme momenti, milin iletebileceği döndürme momentini azaltır. Sürtünme kuvvetine karşı yapılan iş ise ısıya dönüşür:

W_R = F_R × v × t

v: Kayma hızı (m/s)
t: Süre (s)

Bu ısı, yatakların ve kızakların ısınmasının temel nedenidir.

Sürtünme Durumları: Kuru, Karışık ve Sıvı Sürtünme

Yüzeyler arasındaki yağ miktarına göre üç sürtünme durumu vardır:

Kuru Sürtünme (Katı Cisim Sürtünmesi)

Yüzeyler arasında yağ yoktur ve yüzeyler doğrudan temas eder. Yüzeylerin mikroskobik pürüz tepeleri birbirine değer ve ezilerek şekil değiştirir.

Uygun olmayan malzeme çiftlerinde, yüksek yüzey basıncında ve yüksek hızda, temas eden noktalar mikroskobik olarak kaynayabilir. Bu olay sürekli tekrarlandığında ısı artar, sürtünme şiddetlenir ve sonunda yüzeylerde yenme (karıncalanma) ve tam kaynama (sarma, kilitlenme) meydana gelir. Kuru sürtünme, yağlama yapılmadığında oluşur ve hareketli makine parçaları için en zararlı durumdur.

Karışık Sürtünme

Hareketin başlangıcında, düşük hızlarda ya da yetersiz yağlamada ortaya çıkar. Yüzeyler arasında yağ vardır, ama yağ filmi yüzeyleri tamamen ayıracak kadar kalın değildir. Yüzeylerin bazı noktaları hâlâ birbirine değer. Sürtünme ve aşınma, kuru sürtünmeden azdır, ama sürekli çalışma için uygun değildir. Takım tezgahı kızaklarında düşük hızlarda görülen sarsıntılı hareket (stick-slip), karışık sürtünmenin tipik bir sonucudur.

Sıvı Sürtünme (Akışkan Sürtünmesi)

İdeal durumdur. Yüzeylerin arasında, onları tamamen birbirinden ayıracak kalınlıkta bir yağ filmi bulunur. Metal yüzeyler birbirine hiç değmez. Sürtünme yalnızca yağ moleküllerinin birbiri üzerinden kaymasıyla oluşur.

Sürtünme katsayısı en düşük seviyededir ve aşınma neredeyse yoktur. Hidrodinamik kaymalı yataklar, yeterli devire ulaştıklarında bu durumda çalışır.

Sürtünme durumu	Yağ filmi	Yüzey teması	Sürtünme ve aşınma	Ne zaman görülür?
Kuru sürtünme	Yok	Tam temas	Çok yüksek	Yağlama yokken
Karışık sürtünme	İnce, kesintili	Kısmi temas	Orta	Kalkışta, düşük hızda, yetersiz yağlamada
Sıvı sürtünme	Kalın, kesintisiz	Temas yok	Çok düşük	Yeterli yağ ve yeterli hızda

Sürtünme Türleri: Kayma ve Yuvarlanma Sürtünmesi

Kayma Sürtünmesi

Birbirinin üzerinde kayan iki parça arasında oluşur. Kaymalı yataklarda mil muylusu ile yatak burcu arasındaki sürtünme ve kızaklarda kızak ile kızak yolu arasındaki sürtünme buna örnektir.

Yuvarlanma Sürtünmesi

Birbiri üzerinde yuvarlanan parçalar arasında oluşur. Rulmanlarda bilyalar ya da makaralar, bilezikler üzerinde yuvarlanır. Parçalar birbirine yalnızca bir nokta (bilyalarda) ya da bir çizgi (makaralarda) boyunca değer. Yuvarlanma sürtünmesi, kayma sürtünmesinden çok daha küçüktür.

Kaymalı Yuvarlanma Sürtünmesi

Gerçek rulmanlarda saf yuvarlanma yoktur. Örneğin bilyalı bir rulmanda bilya, bileziğin yuvarlanma kanalına, kanalın farklı çaplarındaki noktalarda değer. Bu noktalar bir devirde farklı uzunlukta yollar kat etmek zorunda kalır. Sonuçta yuvarlanmanın yanında bir miktar kayma da oluşur. Bu yüzden rulmanlar da mutlaka yağlanmalıdır.

Yağlama Maddelerinin Görevleri

Yağlama maddelerinin (yağlayıcıların) başlıca görevleri şunlardır:

• Sürtünmeyi azaltmak
• Aşınmayı azaltmak
• Isıyı uzaklaştırmak (soğutma)
• Darbeleri sönümlemek
• Korozyondan korumak
• Aşınma parçacıklarını ve kiri sürtünme bölgesinden uzaklaştırmak
• Sızdırmazlık sağlamak (özellikle gres yağları, toza ve neme karşı)

İyi Bir Yağlama Maddesinden Beklenen Özellikler

Özellik	Neden önemlidir?
Basınca dayanıklılık	Yüksek yük altında yağ filmi yırtılmamalıdır
Düşük iç sürtünme	Yağın kendisi enerji kaybına yol açmamalıdır
Sıcaklıkla az değişen viskozite	Soğukta katılaşmamalı, sıcakta incelmemelidir
Asit ve su içermemesi	Korozyona yol açmamalıdır
Yüksek parlama ve yanma noktası	Yüksek sıcaklıkta tutuşmamalıdır
Düşük akma noktası	Soğukta akıcılığını korumalıdır
İyi yapışma kabiliyeti	Yüzeyden kolayca sıyrılmamalıdır
Katı parçacık içermemesi	Aşındırıcı etki yapmamalıdır
Eskimeye (oksitlenmeye) dayanıklılık	Uzun süre özelliklerini korumalıdır

Yağlama Yağlarının Karakteristik Değerleri

Viskozite Nedir?

Viskozite, bir yağın iç sürtünmesinin, yani akmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsüdür.

• Yüksek viskoziteli sıvılar (örneğin bal) koyu ve yapışkandır, yavaş akar.
• Düşük viskoziteli sıvılar (örneğin su) ince ve akıcıdır.

Viskozite sıcaklığa çok bağlıdır. Sıcaklık arttıkça yağ incelir, düştükçe koyulaşır. Bir yağın viskozitesinin sıcaklıkla ne kadar az değiştiği viskozite indeksi ile ifade edilir. Viskozite indeksi yüksek olan yağlar geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilir.

Endüstriyel yağlar genellikle ISO VG viskozite sınıflarıyla gösterilir. Örneğin ISO VG 32 ince bir hidrolik yağını, ISO VG 220 ise koyu bir dişli kutusu yağını ifade eder. Rakam büyüdükçe yağ koyulaşır. Motor yağlarında ise SAE sınıfları (örneğin 10W-40) kullanılır.

Parlama Noktası, Yanma Noktası ve Akma Noktası

Karakteristik değer	Tanımı
Parlama noktası	Yağın, üzerine bir alev tutulduğunda anlık olarak parlayan yanıcı buharlar çıkardığı en düşük sıcaklık
Yanma noktası	Yağdan çıkan buharların bir alevle tutuşturulduktan sonra sürekli yanmaya devam ettiği sıcaklık
Kendiliğinden tutuşma sıcaklığı	Yağ-hava karışımının hiçbir alev olmadan kendiliğinden tutuştuğu sıcaklık
Akma noktası	Soğutulan yağın artık akmadığı ya da damlamadığı sıcaklık

📍Yüksek sıcaklıkta çalışan yerlerde parlama noktası yüksek, soğuk ortamlarda çalışan yerlerde ise akma noktası düşük yağlar seçilmelidir.

Yağlama Maddelerinin Çeşitleri

Sıvı Yağlar

Sıvı yağlama maddesi olarak çoğunlukla mineral yağlar ya da sentetik yağlar kullanılır.

Mineral (madeni) yağlar:

Petrolden damıtılarak elde edilir ve temizlenir. Yüksek kaliteli mineral yağlara, basınç dayanımını, eskime dayanımını ve korozyon korumasını artırmak için katkı maddeleri eklenir.

Viskoziteleri sıcaklığa çok bağlıdır. Viskozite iyileştirici katkılarla genellikle -20 °C ile +100 °C arasında kullanılır.

Kullanım alanları: Genel makine yağlaması, yataklar, dişli kutuları, hidrolik sistemler, su verme ve menevişleme banyoları.

Sentetik yağlar:

Kimyasal olarak, çoğunlukla hidrokarbonlardan sentezlenerek üretilir. Mineral yağlara göre viskoziteleri sıcaklıkla çok daha az değişir ve eskimeye çok daha dayanıklıdır. Ancak pahalıdır.

Poliglikol (PG) yağları: Karışık sürtünmede iyi özellik gösterir, eskimeye dayanıklıdır. Özellikle sonsuz vida dişlileri gibi yüksek kayma içeren dişlilerde kullanılır. Mineral yağlarla karıştırılmamalıdır.

Silikon yağları: Çok yüksek ve çok düşük sıcaklıklar için uygundur, suyu çok iyi iter ve eskimeye dayanıklıdır.

Yağ türü	Avantajı	Dezavantajı	Tipik kullanım
Mineral yağ	Ucuz, yaygın	Viskozitesi sıcaklıkla çok değişir, daha çabuk eskir	Genel makine yağlaması, hidrolik
Sentetik yağ	Geniş sıcaklık aralığı, uzun ömür	Pahalı	Ağır yüklü dişliler, yüksek ve düşük sıcaklık
Poliglikol (PG)	İyi karışık sürtünme özelliği	Mineral yağla karışmaz	Sonsuz vida dişlileri
Silikon yağı	Çok geniş sıcaklık aralığı, su itici	Pahalı, yük taşıma kapasitesi sınırlı	Plastik parçalar, aşırı sıcaklıklar

Gres Yağları

Gres yağları, mineral ya da sentetik bir yağın lityum, sodyum, kalsiyum ya da baryum sabunlarıyla koyulaştırılarak macun kıvamına getirilmesiyle elde edilir. Sabun, bir sünger gibi yağı içinde tutar ve gerektikçe yavaş yavaş sürtünme yüzeyine bırakır.

Gres yağlarının avantajları:

Sürtünme yüzeyinde kalıcıdır, kolayca akıp gitmez. Yatakları toza, kire ve neme karşı sızdırmaz hale getirir. Sık yağlama gerektirmez.

Kullanım alanları:

• Yüksek yüklü rulmanlar ve kaymalı yataklar
• Tozlu ortamlarda çalışan ve sızdırmazlık gereken yataklar
• Taşıtların ön düzen ve şasi mafsalları

Gres yağları kaymalı yataklara ve mafsallara gresörlükler (gres nipelleri) ile ya da ince borularla bağlı merkezi yağlama sistemleriyle basılır. Gres yağlarının kıvamı (sertliği) NLGI sınıflarıyla gösterilir. Örneğin rulmanlarda en çok NLGI 2 sınıfı kullanılır.

Katı Yağlayıcılar

Bazı durumlarda sıvı yağ ya da gres, yüzeyler arasında bir yağ filmi oluşturamaz:

• Kayma hızı çok düşükse
• Çalışma sıcaklığı çok yüksek ya da çok düşükse
• Yağ kullanılamayan temiz ortamlarda (gıda, vakum)

Bu durumlarda katı yağlayıcılar kullanılır. En yaygın katı yağlayıcılar grafit ve molibden disülfür (MoS₂)’dür. Her ikisi de ince pulcuklardan oluşur. Bu pulcuklar iş parçası yüzeylerinin pürüzlerini doldurur ve yüzeyleri düzeltir. Parçalar hareket ettiğinde pulcuklar, üst üste dizilmiş bir deste iskambil kağıdının kayması gibi birbiri üzerinden kolayca kayar. Grafit ve MoS₂’nin yanında PTFE (teflon) gibi plastikler de katı yağlayıcı olarak kullanılır.

Katı yağlayıcı	Renk	Yaklaşık kullanım sıcaklığı	Kimyasal dayanım	Korozyon koruması	Sürtünme katsayısı
Grafit	Gri-siyah	-18 °C ile +450 °C	Çok iyi	İyi	Düşük
Molibden disülfür (MoS₂)	Gri-siyah	-180 °C ile +400 °C	İyi	Zayıf	0,04 – 0,09
PTFE (teflon)	Beyaz	-260 °C ile +260 °C	Çok iyi	İyi	0,04 – 0,09

Katı yağlayıcılar toz halinde, gres ve yağlara katkı maddesi olarak, sprey şeklinde ya da yüzeye uygulanan kaplamalar olarak kullanılır. Örneğin cıvatalarda sıkma sırasında sürtünmeyi azaltan montaj pastaları genellikle MoS₂ içerir.

Gazlar

Gazlar, viskozitesi çok düşük yağlama maddeleridir. Kayma yüzeylerini birbirinden ayırmak için basınçlı hava ya da başka bir gaz, küçük deliklerden yatağın içine basılır. Bu yöntem hava yataklarında (aerostatik yataklar) kullanılır. Çok yüksek devirli iş millerinde, koordinat ölçme makinelerinde ve hassas tezgahlarda neredeyse sürtünmesiz bir çalışma sağlar.

Yağlama Yöntemleri

Yöntem	Nasıl çalışır?	Kullanım
Elle yağlama	Yağdanlık ya da fırçayla periyodik yağlama	Basit, az yüklü yataklar
Gresörlükle yağlama	Gres tabancasıyla gresörlükten gres basılır	Mafsallar, rulmanlar
Yağ banyosu ile yağlama	Dönen parçalar (dişliler, yağ bilezikleri, yağ diskleri) yağ banyosundan yağı alıp yağlanacak yerlere taşır	Dişli kutuları, şanzımanlar
Sirkülasyonlu (dolaşımlı) yağlama	Bir pompa, yağı yaklaşık 0,5 – 3 bar basınçla yataklara basar, yağ hazneye geri döner	Ağır yüklü yataklar, motorlar, türbinler
Merkezi yağlama	Tek bir pompa, ince borularla birçok yağlama noktasına belirli aralıklarla yağ ya da gres gönderir	CNC tezgahlarının kızakları ve vidaları

Aşırı yüklenme nedeniyle ısınan yataklarda dolaşan yağ, bir yağ soğutucusundan geçirilerek soğutulur. Kaymalı yataklarda yağ delikleri ve yağ cepleri, yatağın yüklenmeyen tarafına açılmalıdır. Aksi halde yağ, basıncın en yüksek olduğu bölgeye giremez.

Sürtünme Her Zaman Kötü müdür?

Sürtünme genellikle enerji kaybı ve aşınma olarak düşünülse de birçok makine elemanı sürtünme sayesinde çalışır:

Frenler ve kavramalar, yüksek sürtünme katsayılı balatalarla çalışır.
Kayış-kasnak mekanizmaları, kayış ile kasnak arasındaki sürtünmeyle güç iletir.
Cıvata ve somun bağlantıları, diş yüzeylerindeki sürtünme sayesinde kendiliğinden gevşemez.
Sıkı geçmeler, mil ile göbek arasındaki sürtünmeyle moment iletir.
Taşıtların lastikleri yola sürtünme sayesinde tutunur.

Bu yüzden makine tasarımında amaç, sürtünmeyi her yerde azaltmak değil, istenen yerde artırmak, istenmeyen yerde azaltmaktır.

Sonuç

Sürtünme, birbirine temas eden yüzeylerin hareketine karşı koyan dirençtir ve F_R = μ × F_N formülüyle hesaplanır. Yağ durumuna göre kuru, karışık ve sıvı sürtünme, hareket şekline göre ise kayma ve yuvarlanma sürtünmesi olarak ayrılır. Kuru sürtünme en zararlı, sıvı sürtünme ise en ideal durumdur.

Yağlama maddeleri sürtünmeyi ve aşınmayı azaltır, ısıyı uzaklaştırır, darbeleri sönümler ve korozyondan korur. Mineral yağlar ucuz ve yaygındır, sentetik yağlar geniş sıcaklık aralığında uzun ömür sağlar. Gres yağları sızdırmazlık ve kalıcılık gereken rulman ve mafsallarda, grafit, MoS₂ ve PTFE gibi katı yağlayıcılar ise çok düşük hızlarda ve aşırı sıcaklıklarda kullanılır. Doğru yağlayıcının seçilmesi, makinelerin ömrünü ve verimini doğrudan belirler.

Sıkça Sorulan Sorular