TOZ METALURJĠSĠ YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLMĠġ METAL MATRĠSLĠ KOMPOZĠTLERĠN MĠKROYAPISAL VE FĠZĠKSEL KARAKTERĠZASYONU

Transkript

1 T.C. HĠTĠT ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ TOZ METALURJĠSĠ YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLMĠġ METAL MATRĠSLĠ KOMPOZĠTLERĠN MĠKROYAPISAL VE FĠZĠKSEL KARAKTERĠZASYONU HÜSEYĠN CĠHAN ÖZAK YÜKSEK LĠSANS TEZĠ MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI DANIġMAN Yrd. Doç. Dr. ALĠ KURġUN HAZĠRAN 2016 ÇORUM

2

3

4 i TOZ METALURJĠSĠ YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLMĠġ METAL MATRĠSLĠ KOMPOZĠTLERĠN MĠKROYAPISAL VE FĠZĠKSEL KARAKTERĠZASYONU Hüseyin Cihan ÖZAK HĠTĠT ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ Haziran 2016 ÖZET Bu çalıģmada; Fe-Cu temelli metal matrisli kompozitler farklı hacim oranlarında toz metalürjisi yöntemi ile üretilmiģtir. Farklı orandaki katkı maddelerinin üretilen kompozit malzemenin mekanik özelliklerine ve malzeme sertliğine olan etkileri belirlenmiģtir. Üretilen kompozitler, optik, taramalı elektro mikroskop ve enerji dağılım stereoskopik yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiģlerdir. Yapılan araģtırma sonucunda, daha pahalı kompozisyondan oluģan yatak ve burç malzemelerine alternatif kompozit malzeme üretilmiģ ve karakterize edilmiģtir. Yapılan çalıģma sonucunda; elde edilen kompozisyonlardan, orijinal üründen istenilen özellikleri sağlayacak kompozisyon bulunmuģtur. Yeni elde edilen kompozisyon orijinal kompozisyona göre % 43 daha az maliyete elde edilmiģtir. Anahtar kelimeler: Metal matrisli kompozit, toz metalürjisi, taramalı elektro mikroskop, yatak malzemesi.

5 ii MĠCROSTRUCTURAL AND PHĠSĠCALL CHARACTERĠZETĠON OF METAL MATRĠX COMPOSĠTES, PRODUCED BY POWDER METALURGY. Hüseyin Cihan ÖZAK HITIT UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2016 ABSTRACT In this study, Fe-Cu based metal matrix composites in different volume fractions were manufactured by powder metallurgy. The effect of iron contents on mechanical properties and hardness were acquired. The investigation of microstructure characterization by using light microscope, scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) was reported. In the research result, the more expensive the bearing and ring material composition consisting of alternate composite materials have been produced and characterized. As a result of studies; obtained from the composition to provide desired characteristics of the original product was found. The composition were newly obtained is less than % 43 compared to the original composition. Keywords: Metal Matrix Composites, Powder Metalurgy, scanning electron microscope, bearing materials

6 iii TEġEKKÜR Bu çalıģma süresince tüm bilgilerini benimle paylaģmaktan kaçınmayan, her türlü konuda desteğini benden esirgemeyen ve tezimde büyük emeği olan, aynı zamanda kiģilik olarak da bana çok Ģey katan Hitit Üniversitesi öğretim üyelerinden danıģman hocam, sayın Yrd. Dç. Dr. Ali KurĢun a sonsuz minnet ve teģekkürlerimi sunarım. ÇalıĢma süresince beni hep destekleyen ve güvenen çok sevdiğim biricik annem Nilgün Özak ve tüm aileme sonsuz teģekkürlerimi sunarım.

7 iv Toz Metalurjisi Yöntemi Ġle ÜretilmiĢ Metal Matrisli Kompozitlerin Mikroyapısal ve Fiziksel Karakterizasyonu konulu tez çalıģmasına, MUH no lu proje kapsamında vermiģ oldukları destekten dolayı, Hitit Üniversitesi Bilimsel AraĢtırma Projeleri Koordinatörlüğü ne teģekkür ederiz.

8 ĠÇĠNDEKĠLER v Sayfa ÖZET... i ABSTRACT... ii TEġEKKÜR... iii ĠÇĠNDEKĠLER... v ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ... vii ġekġller DĠZĠNĠ... viii SĠMGELER VE KISALTMALAR... x 1. GĠRĠġ GENEL BĠLGĠLER KOMPOZĠT MALZEMELER Metal Matrisli Kompozitler PARTĠKÜL TAKVĠYELĠ METAL MATRĠSLĠ KOMPOZĠTLERĠN ÜRETĠMĠ Toz Metalurjisi Toz üretimi KarıĢtırma Presleme Sinterleme MALZEME VE METOD Numune Üretimi Deneysel ÇalıĢma BULGULAR VE TARTIġMA SONUÇLAR VE ÖNERĠLER... 53

9 vi KAYNAKLAR ÖZGEÇMĠġ... 57

10 vii ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. Bazı metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri Çizelge 5.1. Üretilen Fe-C partikül takviyeli metal matrisli kompozitlerin yüzde ağırlık toz karıģımını belirten kodlama Çizelge ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu90ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu80ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu70ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu60ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu50ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu40ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu30ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu20ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri Çizelge Cu kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri... 48

11 viii ġekġller DĠZĠNĠ ġekil Sayfa ġekil 3.1. Kompozit malzemelerin formuna göre sınıflandırılması elyaflı kompozit b) parçacıklı kompozitler c) tabakalı kompozitler d) karma kompozitler... 6 ġekil 3.2. Metal matrisli kompozit malzeme örneği... 8 ġekil 3.3. a) Partikül takviyeli b) kısa fiber takviyeli c) sürekli fiber takviyeli kompozit malzemeler... 8 ġekil 4.1. Toz metalürjisi yöntemi üretim akıģ Ģeması ġekil 4.2. KarıĢtırıcı örneği ġekil 4.3. Presleme iģleminin basamakları ġekil 4.4. Presleme prosesi ġekil 4.5. Çift küre sinterleme modeli ġekil 5.1. Laboratuvar v tipi toz karıģtırıcı ġekil 5.2. Çekme deney numune ölçüleri ġekil 5.3. Kalıp üst erkek ġekil 5.4. Kalıp alt erkek ġekil 5.5. Kalıp basma diģisi ġekil 5.6. Çekme numuneleri için hazırlanan toz karıģımları ġekil 5.7. Sinterleme sonrası standartlara uygun olarak elde edilen numuneler ġekil 5.8. Sinterleme fırını Ģematik görünümü ġekil ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları,faz b) analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü,d) EDX analiz sonucu ġekil Cu90ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu... 33

12 ix ġekil Sayfa ġekil Cu80ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu70ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu60ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu50ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu40ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu30ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu20ASC tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil Cu tozundan elde edilen kompozite ait a) çekme deneyi sonuçları, b) faz analizi sonuçları, c) 1000x elektromikroskop görüntüsü, d) EDX analiz sonucu ġekil 6.1. Elastik modülü ġekil 6.2. Çekme dayanımı ġekil 6.3. Brinel sertlik değerleri ġekil 6.4. Numunelerdeki gözenek oranları... 52

13 x SĠMGELER VE KISALTMALAR Bu çalıģmada kullanılmıģ bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aģağıda sunulmuģtur. Simgeler Ni Al Al 2 O 3 Cu SiC C O Fe K P Sn Zn Nikel Alüminyum Alüminyum oksit Bakır Silisyum karbür Karbon Oksijen Demir Potasyum Fosfor Kalay Çinko Kısaltmalar FTMMK MMK MA Fiber takviyeli metal matrisli kompozit Metal matrisli kompozit Mekanik alaģımlama

14 1 1. GĠRĠġ Yapılan deneysel çalıģmanın amacı % 100 bakır malzemeden yapılan yatak ve burçların yerine aynı performansı gösterecek alternatif malzeme üretmektedir. Bunun için ise % 100 bakır malzeme içerisine ASC demir tozu eklenerek 11 adet numune üretilecektir. Bu üretilen kompozit malzemelerin mikroyapısal ve fiziksel karakterizasyonu incelenip maliyet olarak da karģılaģtırılıp en uygun olan malzemenin tespiti yapılacaktır. Bu yapılan çalıģma endüstride kullanılmak üzere aynı performansta daha ucuz bir kompozit malzeme üretmemizi sağlayacaktır. Yapılacak olan bu deneysel çalıģma ile de ileride yapılacak çalıģmalara katkı sağlayabilmek istiyoruz.

15 2 2. GENEL BĠLGĠLER Modern insanın gereksinimlerini karģılamak amacıyla daha ekonomik olmasının yanında, daha üstün özelliklere sahip malzemeleri üretmek için araģtırmacılar yeni arayıģ ve çalıģmalar yapmaktadır. Bu kapsamda, özellikle malzeme alanında, insan ihtiyaçlarının yanında tüm mühendislik dallarının da ihtiyaçlarına cevap verecek yeni malzeme geliģtirme çalıģmaları büyük önem taģımaktadır. Söz konusu çalıģmalar kapsamındaki en büyük geliģmelerden biri de Metal Matrisli Kompozit (MMK) malzemelerdir (GüneĢ, 2010). Günümüz modern teknolojilerinin çoğu geleneksel metal alaģımları, seramik veya polimerik malzemeler ile karģılanamayacak pek çok özelliği bir arada istemektedirler. Özel uygulamalar için yeni malzeme türlerinin üretimi konusunda eğilim her geçen gün artmaktadır. Çünkü hiçbir basit malzeme türü son 20 yılda artan gereksinimleri karģılayamamaktadır (Song ve ark., 2003). MMK malzemeler, istenen ve gerekli özellikleri sağlamak üzere en az biri metal olan iki veya daha fazla farklı malzemenin sistematik bileģimiyle elde edilen yeni malzemelerdir. Metal matrisli kompozit malzemeler tek bileģenli alaģımlarla elde edilemeyen özellikleri sağlamak üzere, bir metal matris içinde sürekli, kısa fiber, whisker veya partikül Ģeklinde takviye fazı içerir. MMK malzemeler, karıģtırma, mekanik alaģımlama, döküm, infiltrasyon, vb. birçok yöntemle üretilebilmektedir. Her ne kadar döküm yöntemi ucuz olması sebebiyle tercih edilse de, bu yöntemde takviye elemanlarının matris içerisinde homojen dağıtılması zordur. Fakat bir katı hal iģlem tekniği olan toz metalurjisi tekniklerinden karıģtırma ve mekanik alaģımlama yöntemlerinde bu problemlerin ortadan kaldırılması mümkün olmaktadır (Karabulut, 2011). Kompozit malzemeler önemli mühendislik malzemeleri haline gelmiģ, özellikle denizcilik, otomotiv ve uzay endüstrisinde kullanılmak üzere tasarlanmıģ ve üretilmiģtir. Yüksek dayanımları, rijitlik-yoğunluk oranları ve mükemmel fiziksel özellikleri ile tercih edilmektedirler. Sonuç olarak bu endüstri alanlarında kompozit malzemelerin kullanımı teknolojik ilerlemeye önderlik etmektedir (Ahlatçı, 2003). Kompozit malzemeler çoğunlukla tercih edilen çelik malzemelerin yerini almakta ve ağırlık olarak % avantaj sağlamaktadır (Akbulut, 2000). Kompozit malzemelerin sınıflandırılması matris fazı içeriklerine göre değiģik guruplara ayrılabilirler bu gruplandırma metal matris kompozitler, seramik matrisli

16 3 kompozitler, polimer matrisli kompozitlerdir. Kompozit malzemeler ayrıca kullanılan takviye elemanlarına göre de sınıflandırılabilir. Partikül takviyeli kompozitler, fiber takviyeli kompozitlerdir. Bu sınıflandırmanın en doğru Ģekli ise hem matris hem takviye elemanını belirten sınıflandırmadır. Örnek verecek olursak fiber takviyeli metal matrisli kompozit malzeme (FTMMK) buna bir örnektir (Schwartz, 1984). Metal matrisli kompozit malzemeler, metal ana malzemesi ve takviye elamanını tek bir malzemeye dönüģtüren sistemlerdir. Bu tip kompozitler genellikle seramik gibi metal olmayan bir takviye elemanı içerirler. Seramik takviyesinin metallere katkısı genel olarak yüksek sertlik ve aģınma direnci kazandırmasıdır. Bunun yanı sıra MMK lerin mekanik özellikleri matris malzemenin ve takviye elemanının tipine ve hacimsel oranına bağlıdırlar (Stjernstoft, 2004). Matris sistemleri arasından (Al) alaģımları belirgin bir Ģekilde ağırlık kazancı sağlarlar. Yüksek dayanım, ağırlık olarak hafif malzeme uygulamalarında, üretim kolaylığı ve fiyat uygunluğu gibi özelliklerinden dolayı özellikle son yıllarda matris malzemesi olarak tercih edilmeye baģlanılmıģtır (Muscat, 1993). Alüminyum matris kompozitler (AMK) sahip olduğu özelliklerin bir arada bulunması geleneksel bir malzemede mümkün değildir ve AMK lerin kullanımı yüksek maliyetleri dolayısı ile özellikle uzay çalıģmaları ve askeri silah sanayinde kullanılmaktadır. Kullanım alanı olarak firen diskleri, motor pistonları ve silindir göbeklerini de sayabiliriz. Mekanik alaģımlama (MA), katı hal toz iģleme metodudur. MA, oksit dispersiyonuyla sertleģtirilen malzemeler ile Ni- esaslı süper alaģımları üretebilmek amacı ile geliģtirilmiģ bir yöntemdir. MA diğer yöntemler ile elde edilemeyen MMK özelliklerinin elde edilmesi için geliģtirilmiģtir. MA takviye partiküllerini aglomerasyondan kurtararak, matris içerisinde homojen dağılmasını sağlar ve sürekli çarpıģmalar ile de takviyenin içerebileceği hataları yok eder (Ruiz-Navas ve ark., 2006). MA uygulamasında yüksek enerjili bir top öğütücüsünde iki veya daha fazla elementsel toz karıģtırılır. Öğütülen tozlar arasındaki sentezleme MA veya sinterleme sırasında gerçekleģtirilir. Ortaya çıkan oksit veya nitriller normal Ģartlara göre daha kısa sürede

17 4 veya daha düģük sıcaklıkta oluģabilirler (Arık, 2003). Toz partikülleri top ve kap arasında sıkıģarak mikro yapısal gerinim seviyeleri yükselir ve böylece mekanik özellikleri artar. Metal matrisli kompozit teknolojisi hızlı geliģmektedir. Cam fiber takviyeli plastikler ile kıyaslandığı zaman metal matris kompozit malzemeler yüksek sıcaklıklardaki performansları açısından çok daha üstündür. Metal matrislerin mukavemeti ve elastik modülü geniģ bir sıcaklık aralığında reçine matrisli malzemelerden daha yüksektir (Gül, 1999). Bakır esaslı alaģımlar yüksek termal ve elektirik iletkenliği, iyi korozyon direnci ve iyi aģınma direnci gibi birçok özelliğinden dolayı özellikle toz metalürjisi üretimleri kendi kendine yağlama yapabildikleri için uzun zamandan beri yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bakır alaģımlarında kalay aģınma dayanımında etkilidir ve bu yüzden yatak malzemesi olarak kullanıla gelmiģtir. Yatak malzemesi olarak kalay bronzu, büyük ve darbeli yerlerde yüklerde ve aynı zamanda korozyon tehlikesi olan yüksek sıcaklıklarda uygundur. Kaymalı yatak malzemelerinde beklentileri karģılayan en yaygın kullanılan %90 Cu ve % 10 Sn içeren kalay bronzudur (Ünlü ve ark., 2005). Bakır alaģımlarından bir tanesi olan pirinç malzemeler yüksek ısı, iyi elektirik iletkenliği, kolay Ģekillendirilme, yüksek korozyon direnci, yüksek mukavemet ve güzel görünüm nedeniyle endüstride en çok kullanılan malzemelerdendir. Ayrıca alüminyum ve silisyum içerenleri de yatak malzemesi olarak kullanılmaktadır (Meran, 1999).

18 5 3. KOMPOZĠT MALZEMELER Kompozit malzeme matris ve takviye olmak üzere birbirinden farklı en az iki malzemenin en iyi özelliklerin karıģtırılarak bir araya getirildiği yeni bir malzemedir Matris malzemesi takviye malzemesini çevreler ve izafi pozisyonlarından ayrılmamaları için onları destekler. Yükün takviyelere iletimini sağlar, sünek kompozitler de tokluk değeri kazandırır ve çatlakların ilerlemesini engeller. Takviye elemanı ise mekanik ve fiziksel özelliklerini matris özelliklerini geliģtirmek için ortaya çıkartır. Bu durumda tek baģlarına birer malzeme iken bulunmayan özelliklerin tek bir malzemede ortaya çıkmasını sağlar (Baron, 1988). Kompozit malzemeler türlerine göre üç sınıfa ayrılırlar bunlar; 1. Polimer kompozitler 2. Seramik kompozitler 3. Metal kompozitler Polimer kompozitler endüstride çok yaygın kullanım alanına sahiptirler. PekiĢtirici olarak cam, karbon ve boron lifleri bulunur. Polimer kompozitler de kullanılan bağlayıcılardan en önemlisi polyester ve epoksidir. PekiĢtirici liflerin artması kompozitin mukavemetinin artması demektir. Bu kompozitlerin en dikkat çeken özellikleri yüksek özgül mukavemet ve özgül elastisite modülüdür. Bu özelliklerinden dolayı yoğun olarak kullanım alanı uçak ve uzay endüstrisinde alüminyum alaģımlarında tercih edilir. Seramik kompozitlerin kullanım alanı ise sandviç zırhlar, çeģitli askeri amaçlı parçaların imalatıdır. Metal kompozitlerin kullanım alanı ise uzay teleskopu, platform taģıyıcı parçalar, uzay haberleģme cihazlarının reflektörleridir.

19 6 (a) (b) (c) (d) ġekil 3.1. Kompozit malzemelerin formuna göre sınıflandırılması a) Elyaflı kompozit b) Parçacıklı kompozitler c) Tabakalı kompozitler d) Karma kompozitler (Anonim, 2015a) Kompozit malzeme üretimi ile bazı avantajlar sağlanabilir. Yüksek yorulma dayanımı, mükemmel aģınma direnci, yüksek sıcaklık kapasitesi, iyi termal ve ısı iletkenliği, düģük ağırlık, yüksek korozyon direnci, estetik görünüm vb. fakat bu özellikler tüm kompozit malzemelerde oluģmaz ve oluģmasına gerek yoktur. Ġhtiyaç doğrultusunda doğru malzemeler seçilir ve doğru bir Ģekilde üretimi yapılırsa istenilen özellikler elde edilmiģ olur (ġahin ve ark., 2002). Kompozit malzemelerin avantajları olduğu gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Dezavantajları iģleme maliyeti, geri dönüģümünün olmaması, düģük tokluk, birleģtirmede oluģabilecek zorluklar ve analiz yapımındaki zorluklar (Büyükuncu, 2000). Kompozit malzemenin yaygın olan kullanım alanları cam elyafı, cam, keçe ve cam dokuma ile polyester reçineden yapılan çeģitli ürünlerdir. Cam elyaf oranı % arasıdır. Çay tepsisi, masa, sandalye, depo, küvet, tekne, bot ve otomotiv sanayi bu kompozitlerin uygulama örnekleridir. Ayrıca formika, baskılı devre plakası, elektrikçi fiberleri, spor malzemeleri, araç Ģarjı, atlama sırıkları, kaynak takımı, tenis raketi, yarıģ kanoları değiģik birleģik malzemelerden yapılan ürünlerdir (Anonim, 2015b). Roket üretiminde birleģik malzemelerin rolü oldukça büyüktür. Örnek olarak apilasta ve diğer tanksavar roketlerde gövde kısmen kevlar ve epoksiden, M77 MLRS de lüle (nozzle) karbon birleģik malzemesinden yapılmaktadır (Anonim, 2015b). KurĢun

20 7 geçirmez yeleklerde günümüzde bitiģli kevlardan, balistik testler için zırh levhaları cam ve fenolik reçineler imal edilmektedir ve tasarım alternatiflerinin bulunmasıyla gitgide artacak ve birçok avantajlarıyla insanlığın hizmetine verilmiģ olacaktır (Anonim, 2015b) Metal Matrisli Kompozitler Son 30 yılda MMK da ki geliģmeler malzeme bilimindeki büyük geliģmelerden birisidir (Lloyd, 1993; Yılmaz, 1997). Kompozitler değiģik fazların ana özelliklerinin birleģimidir ve günümüzde bu geliģme sayesinde bir elementin istenilen avantajlı özelliklerinin alınıp baģka bir elementin istenilen özelliklerine ekleyebilmek ve istenilmeyen özelliklerini dahil etmemek mümkündür. Günümüz Ģartlarında üretilebilen metal matrisli kompozit malzemeler üç gruba ayrılmaktadır. a) Elastiklik modülünün, belli oranda da mukavemetin artmasıyla sonuçlanan, bağlayıcı matris içine partikül Ģeklindeki takviye malzemelerinin ilavesi ile oluģturulan partikül takviyeli metal matrisli kompozitler. b) Partikül takviyeli metal matrisli kompozitlere göre daha büyük yük iletimi yeteneğine sahip,yüksek dayanımlı whisker veya kısa fiber takviye metal matrisli kompozitler. c) Fiberin yüksek performanslı tüm özelliklerini taģıyan sürekli fiber esaslı metal matrisli kompozitler (SubaĢı, 2005).

21 8 ġekil 3.2. Metal matrisli kompozit malzeme örneği (Anonim, 2015c) a- Partikül takviyeli, b- Kısa fiber takviyeli, c- Sürekli fiber takviyeli ġekil 3.3. a) Partikül takviyeli. b) Kısa fiber takviyeli c) Sürekli fiber takviyeli kompozit malzemeler (Anonim, 2015d) Kompozit malzemenin yapısı ikiye ayrılmaktadır. Birincisi kullanılan ana malzeme ikincisi takviye malzemesidir. Kullanılan ana malzemelerinde iki ana görevi vardır. Bunlardan birincisi takviye fazını içerisinde hareketine olanak vermeyecek Ģekilde tutmak ve kompozite uygulanan herhangi bir kuvveti kendi yüzeyinde tahribata neden olmayacak Ģekilde takviye fazına iletmektir. Diğer ana görevi ise kompozitin imalatı için seçilmiģ olan ana fazın çalıģtığı ortamda kendisinden istenilen özellikleri yerine getirmesidir. Örneğin; su altında çalıģan bir kompozitin oksidasyon veya korozyona karģı dirençli olması istenilmektedir. Bu görevi ana malzeme yani (matris) yerine getirmektedir (Sur, 2008).

22 9 Takviye malzemeleri istenilen özel dayanım özelliklerini taģıyacak Ģekilde farklı tip ve formlarda tasarıma göre seçilmektedir. Özellikle polimer endüstrisinin geliģmesi ile birlikte cam fiberler kullanılmaya baģlanmıģtır ve bu durumda kompozit malzemeye olan ilgili arttırmıģtır (Seydibeyoğlu, 2012). Genel olarak bakıldığında metal matrisli kompozitlerin, metallere göre üstün olan özellikleri; Yüksek mukavemet / yoğunluk oranı, baģka bir deyiģle spesifik mukavemet: kompozit malzemelerin çekme, darbe, basınç dayanımı gibi bir çok özelliği metalik malzemelere göre çok daha iyi ve yüksektir. Kalıplama özelliklerinden dolayı da istenilen yöne ve bölgeye mukavemet verilebilir. Hafiflik: Kompozitler birim alan ağırlığında hem takviyesiz plastiklere hem de metallere oranla daha yüksek mukavemet değeri sunmaktadırlar. Üründe sağlanılan yüksek mukavemet/ hafiflik özelliğinin kullanılmasında en önemli nedenlerden birisidir. Tasarım esnekliği: kompozit malzeme sayesinde küçük, büyük, basit, fonskiyonel vs. Ģekle sokulabilirler. Tasarım aģamasında maliyet düģürme konusunda da faydalıdır. Kolay Ģekillendirebilme: Büyük ve karmaģık parçalar dahi kalıplanma sayesinde iģçilikten tasarruf sağlanarak üretilebilmektedir. Elektiriksel özellikler: Uygun malzemelerin seçilmesi ile istenilen ölçüde yalıtkanlık ve iletkenlik sağlanabilir. Boyutsal stabilite: Çevresel baskılar altında termoset kompozit malzemeler iģlevlerini ve Ģekillerini korumaktadır. Isıl genleģme katsayıları da çok düģüktür. Yüksek dielektirik direnimi: Elektirik yalıtım özelliği kompozit malzeme tercih edilmesinin en önemli nedenlerinden birisidir. Korozyona ve kimyasal etkilere karģı mukavemet: Genellikle kompozit malzemeler korozyon, hava etkisi ve kimyasallardan zarar görmezler. Bundan dolayı kompozit malzemeler kimyevi madde tankları, deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır.

23 10 Kalıcı renklendirme: Kompozit üretiminin çoğunda renk kalıplama esnasında ürüne katılabilmektedir. Isıya ve ateģe dayanıklılık: Kompozite katılan bazı özel katkı malzemeleri ile kompozitin ısıya dayanımı arttırılabilmektedir. TitreĢim sönümlendirme: Kompozit malzemeler sünekliklerinden dolayı titreģim sönümleme özellikleri vardır. Bu yüzden çatlak yürüme olayı da pek fazla görülmez (Bulut, 2014). DüĢük araç/ gereç maliyeti: Polimer kompozit üretiminde genel olarak seçilen kalıplama yöntemi ne olursa olsun kompozit malzeme üretimi için seçilen alüminyum, çelik ve metal alaģımlı malzemelere göre daha ucuzdur. Hala da geliģtirmeleri devam etmektedir (Arıcaysoy, 2006). Çizelge 3.1. Bazı metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri (Anonim, 2015d) METAL MATRĠSLĠ KOMPOZĠT MALZEME Sürekli fiberli AL 2024-T6 (%45 BOR) AL 6061-T6 (%51 BOR) AL 6061-T6 (%47 SiC) Süreksiz fiberli AL 2124-T6 (%20 SiC) AL 6061-T6 (%20 SiC) Partikül takviyeli AL 2124-F (%20 SiC) AL 6061-F (%20 SiC) ÇEKME DAYANIMI(MPA) ELASTĠK MODULÜ (GPA) KOPMADAKĠ UZAMA MĠKTARI (%) , , , , ,5 GüçlendirilmemiĢ AL 2124-F AL 6061-F ,9 12

24 11 Partükül takviyeli metal matris kompozit malzemeler özellikle düģük fiyat, iyi Ģekil alabilirlik ve iģlenebilirlik gibi özelliklerinden dolayı ilgi odağı haline gelmiģtir. MMK malzemeler ile ilgili olarak yapılan daha önceki çalıģmalar sürekli fiber takviyeli yüksek performans hibrid malzemelerin araģtırılması üzerine olmuģtur fakat takviye fiberin üretim maliyetinin yüksek olması çalıģmaları daha ucuz takviyelerin ulaģılabilirliği ve çeģitli proseslerin geliģtirilmesine itmiģtir (Ġbrahim ve ark., 1991). Kompozitlerin yapısında değiģik morfolojiye sahip kısa ve uzun elyaflar, kılcal kristaller, kırpılmıģ seramikler kullanılmaktadır. Bunların temel fonksiyonu matrisinin dayanımı arttırmak ve gelen yükü taģıyabilmektir. Buradaki takviye edici, kompozitin mekanik dayanımından sorumludur ve dayanıklılığı arttırıcı etkisi çoğu kez kompozit içerisindeki hacmi % 10 unu geçtiği zaman gözlenmeye baģlar. Bu nedenle takviye amacıyla kullanılan lifin mekanik dayanımı matristen daha belirgin ve yüksek olmalıdır (Demirel, 2007). Partikül takviyeli kompozit malzemeler, büyük partikül ve dispersiyonla sertleģtirilmiģ kompozit malzemelerdir. Bunların arasındaki ayrım ise sertleģme ve takviyeye bağlıdır. Takviye partikülleri genellikle matristen serttir ve her birisi partikülün etrafındaki matris fazı engellemeye çalıģır. Genel olarak yükün bir miktarını taģıyan matris, uygulanan gerilimin bir miktarını partiküllere transfer eder. Matris ile partikül arasındaki bağ kuvveti takviyenin derecesine bağlıdır (ġahin ve ark., 2002). Büyük partiküllü kompozitler metal, seramik ve polimer malzemeler ile kullanılabilmektedir. Bunlardan en çok kullanılan ise metal ve seramik malzemenin karıģımından oluģan sermenttir. Kesme takımlarında kullanılan sertleģtirilmiģ çeliklerde kullanım alanlarındadır (Schwartz, 1984). Matris malzemesi olarak bakır ve alaģımlarının kullanımı özellikle elektronik sistemlerde uygulanmaktadır. Genellikle bakır matris içerisine grafit partiküller ilave edilir ve düģük termal genleģme katsayısına sahip elektrik iletkenliği yüksek, sürtünme, aģınma özellikleri iyi malzemeler elde edilir. Bu durumun en büyük

25 12 dezavantajı diğer bir iletken malzeme olan alüminyum malzemeye göre maliyetinin çok daha yüksek olmasıdır. Ayrıca Japon Hitachı firması titreģimi sönümleyebilen alaģımlardan çok daha iyi titreģimi sönümleme yapabilecek gradia adında Al- grafit veya Cu- grafit metal matrisli kompozit malzeme üretmiģtir (ġahin ve ark., 2002). Metal matrisli kompozitlerde mekanik özellikler faydalı olacak Ģekilde kıyaslanmalıdır. Bu Ģekilde bazı mekanik özellikler yani tokluk, uzama, süneklik vb. bunun zıddını etkilemektedir (Turhan ve ark., 2007). Metal matrisli kompozit malzemeler üretileceği zaman takviye elemanının seçimi, üretim tekniği, üretim esnasında takviye elemanının matris tarafından ıslatılabilmesi, takviye elemanlarının yapısal özellikleri, kompozit malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirler. Bu nedenle takviye elemanının doğru seçilmesi ve özelliklerinin iyi bilinmesi gerekir. Kullanım yerine bağlı olmakla birlikte metal matrisli bir kompozitte, genel olarak takviye elemanından beklenen temel özellikler Ģunlardır: Yüksek modül ve dayanım, DüĢük yoğunluk, Matris ile kimyasal uyumluluk, Üretim kolaylığı, Yüksek sıcaklıkta dayanımını muhafaza etmesi, Ekonomik olması. Üretilecek kompozitin yapısal bir uygulamada kullanımı durumunda düģük yoğunluğa, yüksek modül ve mukavemete sahip takviye elemanına gereksinimi vardır. Metal matrisli kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye elemanları SiC, Bor, SiC, Bor, TiC ve karbondur (ġahin, 2000). Bir kompozit ürünün özelliklerini belirleyen unsurlar ; Takviye elemanının (fiber) özellikleri, Matris malzemenin özellikleri,

26 13 Fiber-matris ara yüzeyindeki yapıģma kabiliyeti, Fiber/matris oranı (Hacimsel Yoğunluk, Fibre Volume Fraction), Takviye elemanının geometrisi ve matris içindeki yönlenmesi (oryantasyonu). Bir kompozit yapıda takviye malzemesinin temel fonksiyonları; Yük taģımak. Kompozit bir yapıda yük % oranında takviye malzemesi tarafından taģınır. Direngenlik, mukavemet, termal stabilite sağlamak. Kullanılan takviyeye (fiber) bağlı olarak elektrik iletkenliği veya yalıtımı sağlamaktır Bir kompozit yapıda matris malzemenin temel fonksiyonları; Matris fiberleri bir arada tutarak fiberlere yük aktarımında köprü görevi görür. Yapıya rijitlik ve Ģekil verir. Matris fiberleri birbirinden izole eder. Böylece fiberler birbirlerinden bir yönü ile bağımsız davranırlar. Bu durum, örneğin, çatlak ilerlemesini durdurur ve yavaģlatır. Matris iyi yüzey kalitesi sağlar Matris, aģınma gibi mekanik hasarlara ve çeģitli kimyasal etkilere karģı fiberleri korur. Seçilen matris malzemenin özelliklerine bağlı olarak, kompozitin süneklik, darbe direnci gibi performans karakteristikleri de etkilenir. Daha sünek bir matris yapının kırılma tokluğunu arttırabilir. Ör; yüksek tokluk için termoplastik esaslı kompozit malzemeler seçilir. Kullanılan matrisin özellikleri ve fiberle uygunluğu, meydana gelen hasar modlarını (mekanizmaları) önemli ölçüde etkiler (Anonim, 2015b).

27 4. PARTĠKÜL TAKVĠYELĠ METAL MATRĠSLĠ KOMPOZĠT MALZEMELERĠN ÜRETĠMĠ 14 Metal matrisli kompozit malzemelerin, geleneksel malzemeler karģısında üstün mekanik özellikler sergilemesi, son yıllarda bu malzemelerin üretim teknikleri üzerinde daha yoğun çalıģmalar yapılmasına yol açmıģtır. Buna rağmen, bu malzemelerin üretim maliyetleri hala yüksek değerlerdedir. Metal matrisli bir kompozit malzemenin üretim tekniği; Üretilecek parçanın Ģekline, Ġstenilen mekanik ve fiziksel özelliklere, Matrise, Takviye elemanı Ģekli ve türüne göre belirlenir. Her üretim yönteminin kendine özgü avantajları ve dezavantajları mevcuttur. Ancak tüm kompozit üretim yöntemleri, geleneksel malzeme üretim yöntemleri ile karģılaģtırıldığında, matris ve takviye fazı arasındaki etkileģimler nedeniyle karmaģıklığıyla dikkat çekmektedir. Lockheed-California tarafından üretilen L-1011 yolcu uçaklarında kanatçık yapısı alüminyum alaģımı yerine kompozit malzemeden üretilerek %26,3 bir ağırlık kazancı sağlanmıģtır. Maliyette ise önemli bir artıģ kaydedilmemiģtir (Ġbrahim ve ark., 1991). MMK ler üzerindeki ilk çalıģmalar sürekli fiberle takviye edilen alüminyum matrisli kompozitler üzerinde olmuģtur. ÇeĢitli sürekli fiber takviyeli metal matrisli kompozitler askeri uçak ve havacılık uygulamalarında kullanılmak istenilmiģtir fakat yüksek maliyet, iģleme zorluğu, süneklik ve tokluktaki kısıtlamalar gibi nedenlerden dolayı malzemelerin kullanımı kısıtlı tutulmak zorunda kalmıģtır (Mutlu, 1996; Clyne, 2001).

28 Toz Metalurjisi Toz metalürjisi üretim yöntemi metal tozların üretimi ve üretilmiģ olan tozların iģlenmesi sonucunda istenilen parçaların Ģekline dönüģtürülmesi iģlemidir (ġekil 4.1). Bu yöntem; 1- Toz üretimi 2- Tozların karıģtırılması 3- Tozların preslenmesi 4- Sinterlenmesi 5- Ġstenilen durumlarda (infiltrasyon, yağ emdirme, çapak alma, vb.) Toz metalürjisinin avantajları; 1- Yüksek malzeme kullanım ve düģük malzeme kayıpları, 2- DüĢük maliyetlere sahip olması, 3- Üretim hızlarının yüksek olması, 4- Yüzey düzgünlüğü, 5- KarmaĢık Ģekilli parçaların daha kolay imalatı, 6- Yüksek yoğunluklarda parça üretilmesi, 7- Üstün mikro yapısal özelliklere sahip parça üretimi, 8- Belirli derecelerde gözeneklilik ve geçirgenliktir (Kayyser ve ark., 1990). Toz metalürji yönteminin uygulama alanları: kendinden yağlamalı yataklar, elektrik kontakları, iģ makinesi parçaları, jet motoru parçalarının üretimi, ortapedik protezler, yüksek sıcaklık filtreleri, katalizörlerde ve düģük yoğunlukta parçalara gereksinim olan otomotiv sektöründeki hafif parçaların üretiminde kullanılmaktadır (Turan, 1993).

29 16 ġekil 4.1. Toz metalürjisi yöntemi üretim akıģ Ģeması (Anonim, 2015e) Toz üretimi Toz üretim yöntemi prosesin baģarılı olabilmesi için çok kritiktir. Toz üretim yöntemi özellikle üretilen tozun boyutu, saflığı, Ģekli, mikroyapısı ve birçok diğer özelliklerini belirler. Toz üretim yöntemleri 1- Mekanik üretim yöntemi 2- Kimyasal üretim yöntemi 3- Elektrolizle üretim yöntemi 4- BuharlaĢtırma yöntemi 5- Atomizasyon yöntemi 6- Mikron-altı ve nano- ölçekli üretim yöntemi 7- Özel tozların üretim yöntemi Gibi çeģitleri mevcuttur.

30 17 Partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemeler dikkate alındığı zaman kimyasal kararlılığı, termal uyumsuzluğu, mekanik davranıģı ve maliyeti istenilen son ürünün elde edilmesinde belirgin rol oynamaktadır (Liu ve ark., 1999) KarıĢtırma Uygun malzeme seçimini tamamladıktan sonraki aģama malzemeleri karıģtırmaktır. Bu iģlemin amacı sinterleme esnasında yeni alaģımları oluģturmak için tozları birleģtirmeyi, sıkıģtırma iģlemi için yağların eklenmesini ve Ģekillendirme için tozbağlayıcı karıģımı hazırlamayı sağlamaktır. Bu basamakta toz metalürjisi nihai ürünlerinin mekanik özelliklerini oldukça önemli biçimde etkiler. Tozları harmanlamanın ana sebebi ise taģıma esnasında titreģimle oluģan ayrıģmaların engellenmesidir. Farklı büyüklükteki partiküllerin segregasyon davranıģlarına bakıldığında büyük parçacıkların üst tarafa çıktığı görülmektedir. Ayrıca aynı boyuttaki partiküller ve metal tozları arasındaki farklı yoğunluklarında etkisi oldukça önemlidir. Ağır olan partiküller dibe çöker ve hafif olan partiküller yukarıda kalır. Parçacık boyutlarında meydana gelen bu ayrıģma, SıkıĢtırma ve sinterlemede düzensizliklere neden olur. Yukarıda anlatılan bu ayrıģmanın en büyük nedeni ise partiküllerdeki boyut farklılıklarıdır. Bu durumun üstesinden gelmenin yöntemi mekanik alaģımlamadır. KarıĢtırma iģlemi parça üretiminde büyük bir problemdir. Harmanlama ve karıģtırmadaki değiģkenler çoktur. Bunlar; malzeme, karıģtırma tipi, parçacık boyutu, karıģtırıcının tipi, karıģtırıcının boyutu, karıģtırıcıdaki tozun hacmi, karıģtırma hızı, kesme zamanı, nemlilik ve çevresel etkiler. Bu problemi aģmanın birkaç basit yolu vardır. 1- TaĢıma sonrası kuru tozların yeniden harmanlanması. 2- Kuru tozların titreģtirilmemesi. 3- Boyut ayrıģmasının gerçekleģeceği durumlarda kuru tozun serbest düģüģle gerçekleģmemesi.

31 4- Toz- bağlayıcı karıģımı için gereksiz kesmenin giderilmesi (Liu ve ark., 1999). 18 Tozların karıģtırılması V veya Y tipi karıģtırıcılar ile gerçekleģtirilir. KarıĢtırma iģlemi mümkün olduğunca uzun tutulur. Bunun nedeni de tanecikler kırılarak küreselleģir, plastik deformasyona uğrar. KarıĢtırma iģleminin yeterli sürede yapılıp yapılmadığını anlamak için sinterleme de dahil tüm iģlemlerin bitmesini beklemek gerekmektedir. ġekil 4.2. KarıĢtırıcı örneği (Anonim, 2015f) Presleme Kalıpta sıkıģtırma iģlemi bir tozu istenilen Ģekilde preslemek için alt ve üst zımbalar vasıtasıyla basınç uygular. SıkıĢtırma iģleminden sonra parça elle tutulabilir bir mukavemete sahip olur fakat istenilen mukavemete sahip olabilmesi için sinterleme iģleminden geçirilmesi gerekmektedir. SıkıĢtırma kalıpları tasarlanırken toz, pres ve istenilen parçanın Ģekli dikkate alınır. SıkıĢtırmalar çoğunlukla tozun bir kalıp içerisinde tek eksende preslemesi ile yapılır. SıkıĢtırma basıncına duyarlılığı malzeme ve tozun özellikleri etkilemektedir. Örneğin

32 küçük ve sert malzemelerin preslenmesi oldukça zordur veya büyük ve karmaģık malzemelerin preslenmesinde soğuk izostatik presleme oldukça kullanıģlıdır. 19 Tozlar basınç uygulandığında baģlangıçta birbirleri üzerinde kayarak daha sonra da yüksek basınçlarda parçacığın Ģekil değiģtirmesi ile yoğunlaģırlar. DüĢük basınçlarda yoğunluk artması hızlıdır fakat basınç artmaya devam ettikçe gözeneklerde kapanma olacağından toz yoğunlaģmaya karģı artarak direnç gösterecektir. ġekil 4.3. Presleme iģleminin basamakları; 1. ĠĢlem baģlangıcı, 2. Toz doldurma, 3. Presleme baģlangıcı, 4. Preslemenin bitiģi, 5. PreslenmiĢ parçanın çıkarılması (Anonim, 2015f) Kalıpta sıkıģtırma çevriminde kalıptaki üst zımba yukarı çekilmiģ durumdadır. Toz doldurma boģluğun belirlendiği miktar kadar doldurma pabucu vasıtası ile doldurulur. Doldurma esnasında toza homojen bir doldurma yaptırabilmek için alt zımbaya hareket verilerek bir miktar daha alt kısma çekilir. Üst zımba aģağıya iner ve toz sıkıģtırmıģ olur devamında ise üst zımba geri çekilir, alt zımba vasıtası ile parça yukarıya çıkartılıp alınır. Bu presleme yönteminde alt zımba ve üst zımba birlikte hareket ederek presleme yaparsa daha homojen bir ham parça elde edilir ve bu presleme yöntemine verilen isim çift hareketli preslemedir. Eğer alt zımba hareket etmez ise daha az homojenlik sağlanır bu iģleme ise tek hareketli presleme denilir.

33 20 Kalıptan malzemeyi çıkartma iģleminde yağlamanın önemi kalıp deformasyonunu azaltmaktadır. Bu parçayı çıkartmak için uygulanan kuvvete ise çıkartma kuvveti denilmektedir. SıkıĢtırılmıĢ tozların kalitesini daha iyi kontrol edebilmek için soğuk, ılık ve sıcak olmak üzere üç çeģit izostatik pesleme tekniği vardır. Presleme iģleminde genellikle hidrolik ve pnomatik presler kullanılmaktadır. Pratikte kullanılan basınç değerleri MPa arasındadır (German, 2007). Presleme iģleminden önce tozlar genellikle C aralığında ısıtılır. Isıtılmasının birçok avantajı vardır. Örneğin; ısıl iģlem sonrasında tozların sertlikleri azaltılmıģ olur ve presleme iģlemi daha kolay gerçekleģir. Rutubet, karbon, kükürt mümkün olduğunca ortamdan uzaklaģtırılmıģ olur (German, 2007). ġekil 4.4. Presleme prosesi (Anonim, 2015g)

34 Sinterleme Sinterleme, partiküller arası birleģmeyi oluģturan ısıl prosestir. BaĢka bir değiģle yüksek sıcaklıklarda partiküllerin birbirine bağlanmasını sağlayan ısıl iģlemidir. Bu iģlem ergime noktası altındaki sıcaklıklarda katı hal atom taģınım olaylarıyla gerçekleģtirilebilir, ancak çoğu zaman sıvı faz oluģumunu da içerebilir. Toz partikülleri, toz konumundan kaynaklanan yüksek yüzey enerjisini ortadan kaldıran atom hareketleri sayesinde sinterlenir. Birim hacim baģına yüzey enerjisi, partikül çapı ile ters orantılıdır. Yüzey enerjisi tipik olarak yüzey alanı üzerinden değerlendirilir. Bu nedenle yüksek özgül yüzey alanına sahip daha küçük olan partiküllerin daha fazla enerjisi vardır ve daha hızlı sinterlenirler. SıkıĢtırılmıĢ toz parçalar arasındaki bağlantılar mekanik kitlenme, yapıģma gibi zayıf bağlar kristal kafes içerisindeki bağ dayanımına kıyasla çok zayıftır. Bu sebepten dolayı sıkıģtırılmıģ ham yoğunluktaki parçalar ergime noktası altındaki sıcaklıklara kadar ısıtılarak parçalara mukavemet ve yüksek yoğunluk kazandırılır. Sinterlemenin baģlaması noktasal olarak temas halinde bulunan toz parçaları katı-hal bağına dönüģür (German, 2007). Sinterleme iģlemi sırasında, nokta teması ile baģlayan, ara parçacık bağının geliģmesi ile devam eden mekanizmaya çift-küre sinterleme modeli denilmektedir (ġekil 4.5). ġekil 4.5. Çift küre sinterleme modeli (Anonim, 2015h)

35 22 5. MALZEME VE METOD 5.1. Numune Üretimi Deney numunelerini yapmakta kullanılan kalıp boģluğunun boyutları ġekil 5.2 deki gibi olmalıdır. Kalıp, öncelikle sert metalden yapılmalıdır ve yüzeyi normal koģullarda deney numunesinin basılmasına olanak sağlayacak Ģekilde olmalıdır. Öncelikle numune üretimi için kalıp tasarlanmıģtır. Numunelerin üretiminde kullanılacak yöntem toz metalurjisi olduğu için kalıp malzemesi son derece önemlidir. Üretilen çeki numunesi kalıbı DIN ISO 2740 standartlarına uygun olmalıdır. Üretilen kalıba ait teknik resimler ġekil 5.3 kalıp üst erkek, ġekil 5.4 kalıp alt erkek ve ġekil 5.5 basma kalıp diģisi olarak verilmiģtir. Deneysel çalıģmasının amacı % 100 bakır malzemeden yapılan yatak ve burçların yerine daha ucuz ve aynı performansı sağlayacak alternatif malzeme içeriği sunmaktır. Bu sebeple çeki deney numunesi kalıbı DIN ISO 2740 standartlarına uygun olarak üretilmiģtir. Kalıp, sert metalden yapılmıģ ve yüzeyi normal koģullarda deney numunesinin basılmasına olanak sağlayacak Ģekilde ayarlanmıģtır. ġekil 5.1. Laboratuvar V tipi toz karıģtırıcı

36 ġekil 5.2. Çekme deney numune ölçüleri 23

37 ġekil 5.3. Kalıp üst erkek 24

38 ġekil 5.4. Kalıp alt erkek 25

39 ġekil 5.5. Kalıp basma diģisi 26

40 27 Deneylerde MBC firmasında üretilen % 99,99 saflıkta ortalama büyüklüğü 45 µm çapında olan bakır tozu kullanılmıģtır. Numene üretimi için TOZ METAL A.ġ. tarafından kullanılan höganos firmasının tarafından üretilen ASC ticari isimli demir tozu kullanılmıģtır. Bu tozların ortalama çapı 45 µm olup, yapılan elek analizlerinde toz çapları µm arasında dağılım göstermektedir (Höganos A.ġ.1994). Bu demir tozunda % 0,54 0,66 P ve % 0,05 C olduğu, tozun görünür yoğunluğu 3,08 3,22 g/cm 3, akıcılık 28 s/50 g, yaģ yoğunluk 600 MPa da 7.08 g/cm 3 olduğu bilinmektedir (Tozmetal A.ġ. 2004). ÇalıĢmada kullanılan tozlar Toz Metal Ticaret ve Sanayi A.ġ. tarafından temin edilmiģtir. Laboratuvar V tipi karıģtırıcı kullanarak, 1500 gr lık her bir toz bileģimi 30 dakika boyunca karıģtırılmıģtır. Homojenize edilen tozların resimleri ġekil 5.6 da verilmiģtir. ġekil 5.6. Çekme numuneleri için hazırlanan toz karıģımları Hazırlanan toz karıģımları üretilen numune kalıbı kullanılarak 100 tonluk preste preslenmiģtir. Numune yoğunlukları 6,8-7 g/cm 3 arasında tutulmuģtur ve bu aralık standartlarla uygundur. Preslenen tozlar bronz sinterleme Ģartlarında 700 C de 90

41 dakika sinterlenmiģtir. ġekil 5.7 de değiģik malzeme bileģimlerine sahip numuneler gösterilmektedir. 28 ġekil 5.7. Sinterleme sonrası standartlara uygun olarak elde edilen numuneler Çizelge 5.1. Üretilen Fe-C partikül takviyeli metal matrisli kompozitlerin yüzde ağırlık toz karıģımını belirten kodlama Numune Adı Bakır (% ağırlık) ASC 100,29 (% ağırlık) 1 100ASC Cu90ASC Cu80ASC Cu70ASC Cu60ASC Cu50ASC Cu40ASC Cu30ASC Cu20ASC Cu10ASC Cu DIN ISO 2740 standartlarına uygun olarak üretilen çeki numune kalıbı kullanılarak, hazırlanan toz karıģımları 100 tonluk preste preslenmiģtir. Numune yoğunlukları 6,8-7 g/cm 3 arasında tutulmuģtur ve bu aralıklar standartlarla uygundur. Üretilen numuneler, ġekil 5.8 de Ģematik gösterimi bulunan sinterleme fırınında, 700 C sıcaklıkta, 90 dakika sinterlenmiģtir.

42 29 ġekil 5.8. Sinterleme fırını Ģematik görünümü ġekil 5.8 de görülen sinterleme fırını üç ana bölgeden oluģur. Bunlar; Ön ısıtma, sinterleme ve soğutma bölgesinden oluģmaktadır. Ön ısıtma bölgesinde toza ilave edilen yağlayıcı ve bağlayıcı katkıların tamamı parçadan uzaklaģtırılır, birbirinden bağımsız olan toz partikülleri arasında tane sınırı oluģur. Sinterleme bölgesinde ise sinterleģmenin gerçekleģtiği bölge olup en yüksek sıcaklığa ulaģılan bölgedir. Bu bölgede malzeme içerisindeki gözenek miktarı azalır, yeni bir mikro yapı oluģumuna izin veren tane büyümesi gerçekleģir. Boyutsal küçülmenin en fazla olduğu bölgedir. Sinterleme bölgesinde, malzeme içerisindeki özelliklerin homojen dağılımı için sıcaklık dağılımı homojen olmalıdır. Soğutma bölgesinde ise özellikle ºC sıcaklıklar arasındaki soğutma hızı malzeme içerisindeki faz dönüģümlerinden dolayı mekanik özellikleri önemli ölçüde etkiler. Sinterleme sonrasında parçaların yoğunluğu artmıģ olur. Sinterleme sonrası, DIN ISO 2740 standartlarına uygun çekme numuneleri üretilmiģtir.

43 Deneysel ÇalıĢmalar Bu projede, elde edilen 11 adet numuneye ait detaylı malzeme iç yapıları, EDX, SEM ve çekme deneyi sonuçları ġekil arasında ve Çizelge arasında da EDX analizinden elde edilen malzeme bileģimleri gösterilmiģtir. Çizelege 5.2 de %100 ASC numunesinde genel yapı birleģimi verilmiģtir. Çizelge ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri ELEMENT AĞIRLIK % % NET INT HATA % C K 15,32 43,64 50,81 14,65 O K 2,88 6,15 29,6 17,1 K K 0,41 0,36 12,09 62,27 FeK 81,39 49,85 956,09 2,7 Çizelge 5.2 de görüleceği üzere 100 ASC numunesinin içerisinde ağırlıkça % 81,39 demir ve % 15,32 karbon olduğu gözlemlenmektedir. Sonuç olarak Kompozit içerisinde yoğunluk olarak demir ve karbon elementleri bulunmaktadır. ġekil 5.9 da 100 ASC numunesine ait çekme deneyi, optik mikroskop görüntüleri, oluģan fazların yüzdeleri, SEM görüntüsü ve EDX sonucu görülmektedir. Numune içerisinde toplam kesit alanı % 20,15 oranını gözenekli yapının oluģturduğu ġekil 5.9b de görülmektedir. ġekil 5.9c de 1000x büyütmede çekilmiģ SEM fotoğrafı görülmektedir. ġekil 5.9b ve 5.9c de de görüleceği üzere malzeme içerisinde gözenekli yapının oluģtuğu ve bu gözenekli yapının da malzeme içerisinde homojen bir Ģekilde dağıldığı görülmektedir. Malzeme içerisinde yaklaģık olarak %6 oranında gözenek dağılımı istenmektedir. Ġstenilen bu gözenekli yapı yataklarda ve burçlarda malzemeye kendiliğinden yağlanma özelliği kattığı bilinmektedir. Fakat elde edilen numunedeki gözeneklilik oranı istenilen orandan çok fazla çıkmıģtır. Gözeneklilik oranı % 20 civarındadır. Elde edilen numunenin çekme dayanımı diğer numunelere göre nispeten yüksektir.

44 Gerilme [MPa] ġekil değiģtirme [%] DENEY 1 DENEY 2 DENEY 3 (a) (b) (c) (d) ġekil ASC tozundan elde edilen kompozite ait a)çekme deneyi sonuçları, b)faz analizi sonuçları, c)1000x elektromikroskop görüntüsü, d)edx analiz sonucu

45 Çizelege 5.3 de % % 10 Cu numunesinde genel yapı birleģimi verilmiģtir. 32 Çizelge Cu90ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri ELEMENT AĞIRLIK% % NET INT HATA % C K 2,23 9,39 6,87 37,46 O K 1,22 3,85 17,33 25,49 P K 0,27 0,44 6,96 72,17 SnL 1,02 0,43 15,48 60,63 FeK 91,18 82, ,51 2,85 NiK 1,34 1,15 11,38 65,24 CuK 1,65 1,32 11,47 65,02 ZnK 1,09 0,84 6,36 69,06 Çizelge 5.3 de görüleceği üzere 10Cu90ASC numunesinin içerisinde ağırlıkça % 91,18 demir ve % 2,23 karbon olduğu gözlemlenmektedir. Sonuç olarak Kompozit içerisinde yoğunluk olarak demir ve karbon elementleri bulunmaktadır. ġekil 5.10 de 10Cu90ASC numunesine ait çekme deneyi, optik mikroskop görüntüleri, oluģa fazların yüzdeleri, SEM görüntüsü ve EDX sonucu görülmektedir. Numune içerisinde toplam kesit alanı %16,66 oranını gözenekli yapının oluģturduğu ġekil 5.10b de görülmektedir. ġekil 5.10c de 1000x büyütmede çekilmiģ SEM fotoğrafı görülmektedir. ġekil 5.10b ve 5.10c den de görüleceği üzere malzeme içerisinde gözenekli yapının oluģtuğu ve bu gözenekli yapının da malzeme içerisinde homojen bir Ģekilde dağıldığı görülmektedir. Malzeme içerisinde yaklaģık olarak %6 oranında gözenek dağılımı istenmektedir. Ġstenilen bu gözenekli yapı yataklarda ve burçlarda malzemeye kendiliğinden yağlanma özelliği kattığı bilinmektedir. Fakat elde edilen numunedeki gözeneklilik oranı istenilen orandan çok fazla çıkmıģtır. Gözeneklilik oranı % 16 civarındadır.. Elde edilen numunenin çekme dayanımında ilk numunemiz olan 100 ASC ye ani bir düģüģ gözlenmiģtir.

46 Gerilme [MPa] ġekil değiģtirme[%] (a) DENEY 1 DENEY 2 DENEY 3 (b) (c) (d) ġekil Cu90ASC tozundan elde edilen kompozite ait a)çekme deneyi sonuçları, b)faz analizi sonuçları, c)1000x elektromikroskop görüntüsü, d)edx analiz sonucu

47 Çizelge 5.4 de % % 20 Cu numunesinde genel yapı birleģimi verilmiģtir. 34 Çizelge Cu80ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri ELEMENT AĞIRLIK % % NET HATA % C K 6,65 22,78 68,8 10,45 O K 1,92 5,43 88,64 9,07 P K 0,03 0,04 2,34 62,92 SnL 1,94 0,74 103,16 8,72 FeK 70,41 56, ,49 1,57 NiK 1,11 0,86 35,76 13,36 CuK 17,36 12,35 450,12 3,05 ZnK 1,18 0,82 25,36 15,16 Çizelge 5.4 de görüleceği üzere 20Cu80ASC numunesinin içerisinde ağırlıkça % 70,41 demir ve % 17,36 bakır olduğu gözlemlenmektedir. Sonuç olarak Kompozit içerisinde yoğunluk olarak demir ve bakır elementleri bulunmaktadır. ġekil 5.11 de 20Cu80ASC numunesine ait çekme deneyi, optik mikroskop görüntüleri, oluģa fazların yüzdeleri, SEM görüntüsü ve EDX sonucu görülmektedir. Numune içerisinde toplam kesit alanı %16,66 oranını gözenekli yapının oluģturduğu ġekil 5.11b de görülmektedir. ġekil 5.11c de 1000x büyütmede çekilmiģ SEM fotoğrafı görülmektedir. ġekil 5.11b ve 5.11c de de görüleceği üzere malzeme içerisinde gözenekli yapının oluģtuğu ve bu gözenekli yapının da malzeme içerisinde homojen bir Ģekilde dağıldığı görülmektedir. Malzeme içerisinde yaklaģık olarak %6 oranında gözenek dağılımı istenmektedir. Ġstenilen bu gözenekli yapı yataklarda ve burçlarda malzemeye kendiliğinden yağlanma özelliği kattığı bilinmektedir. Fakat elde edilen numunedeki gözeneklilik oranı istenilen orandan çok fazla çıkmıģtır. Gözeneklilik oranı % 19 civarındadır.. Elde edilen numunenin çekme dayanımı 100 ASC numunesine oranla çok daha düģük ve 100 ASC numunesinin dıģındaki numunelere yakındır.

48 Gerilme [MPa] ġekil değiģtirme [%] (a) DENEY 1 DENEY 2 DENEY 3 (b) (c) (d) ġekil Cu80ASCtozundan elde edilen kompozite ait a)çekme deneyi sonuçları, b)faz analizi sonuçları, c)1000x elektromikroskop görüntüsü, d)edx analiz sonucu

49 Çizelge 5.5 de % % % 30 Cu numunesinde genel yapı birleģimi verilmiģtir. 36 Çizelge Cu70ASC kompozitine ait EDX analiz sonucu değerleri ELEMENT AĞIRLIK % % NET HATA % C K 6,08 22,95 74,35 10,46 O K 2,27 6,44 112,05 9,06 P K 0,02 0,03 1,98 63,98 SnL 2,33 0,89 132,52 7,64 FeK 60,21 48, ,02 1,6 NiK 1,16 0,89 41,38 13,12 CuK 26,84 19,15 771,04 2,73 ZnK 1,09 0,76 26,05 15,06 Çizelge 5.5 den görüleceği üzere 30Cu70ASC numunesinin içerisinde ağırlıkça % 60,21 demir ve % 26,84 bakır olduğu gözlemlenmektedir. Sonuç olarak Kompozit içerisinde yoğunluk olarak demir ve bakır elementleri bulunmaktadır. ġekil 5.12 de 30Cu70ASC numunesine ait çekme deneyi, optik mikroskop görüntüleri, oluģa fazların yüzdeleri, SEM görüntüsü ve EDX sonucu görülmektedir. Numune içerisinde toplam kesit alanı %14,30 oranını gözenekli yapının oluģturduğu ġekil 5.12b de görülmektedir. ġekil 5.12c de 1000x büyütmede çekilmiģ SEM fotoğrafı görülmektedir. ġekil 5.12b ve 5.12c den de görüleceği üzere malzeme içerisinde gözenekli yapının oluģtuğu ve bu gözenekli yapının da malzeme içerisinde homojen bir Ģekilde dağıldığı görülmektedir. Malzeme içerisinde yaklaģık olarak %6 oranında gözenek dağılımı istenmektedir. Ġstenilen bu gözenekli yapı yataklarda ve burçlarda malzemeye kendiliğinden yağlanma özelliği kattığı bilinmektedir. Fakat elde edilen numunedeki gözeneklilik oranı istenilen orandan çok fazla çıkmıģtır. Gözeneklilik oranı % 14 civarındadır.. Elde edilen numunenin çekme dayanımı 100 ASC numunesine oranla çok daha düģük ve 100 ASC numunesinin dıģındaki numunelere yakındır.

50 Gerilme [MPa] ,5 1 1,5 2 2,5 3 ġekil değiģtirme [%] (a) DENEY 1 DENEY 2 DENEY 3 (b) (c) (d) ġekil Cu70ASC tozundan elde edilen kompozite ait a)çekme deneyi sonuçları, b)faz analizi sonuçları, c)1000x elektromikroskop görüntüsü, d)edx analiz sonucu