Al-Cu/Al2O3 In-Situ KOMPOZİTLER: SİNTERLEME SICAKLIĞININ ETKİSİ

Transkript

1 TMMOB Makina Mühendisleri Odası 11. Otomotiv Sempozyumu 8-9 Mayıs 2009 Al-Cu/Al2O3 In-Situ KOMPOZİTLER: SİNTERLEME SICAKLIĞININ ETKİSİ Özet- Alüminyum bazlı metal matriksli kompozitler (AMMK) otomotiv endüstrisi başta olmak üzere uçak, uzay ve savunma sanayinde birçok mühendislik uygulamasının gerçekleştirilmesinde geniş bir şekilde kullanılmaktadırlar. Bu kompozitler sahip oldukları yüksek spesifik mukavemetleri nedeniyle özellikle ağırlık kazancı istenen otomotiv parçalarında tercih edilmektedirler. Bu çalışmada, konvansiyonel sıcak presleme yöntemiyle üretilmiş in-situ Al2O3/Al Cu kompozitler üzerine sinterleme sıcaklığının etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla 750, 850 ve 950 C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitlerin sertlik, mikroyapı ve arayüzey özellikleri incelenmiştir. Kompozit numunenin sinterlenmesi esnasında oluşan reaksiyonları belirlemek için diferansiyel termal analiz (DTA), faz analizleri içinse X-ışınları difraktometre (XRD) cihazından yararlanılmıştır. Ayrıca, kompozitlerdeki in-situ faz yapıları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile açığa çıkarılmıştır. Anahtar Sözcükler: Metal matriksli kompozit, sıcak presleme, in situ sentezleme, Al alaşımı 1. GİRİŞ Alüminyum bazlı metal matriksli kompozitler (AMMK) özellikle otomotiv endüstrisi başta olmak üzere uzayhavacılık, savunma sanayi gibi birçok mühendislik uygulamalarında başarılı bir şekilde kullanılmaktadırlar. AMMK malzemeler sahip oldukları düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık mukavemeti ve tokluk, iyi aşınma direnci, düşük ısıl genleşme katsayısı gibi dikkat çekici özellikleri nedeniyle farklı gereksinimlere cevap verebilmektedirler [1 3]. Şekil 1 de bu kompozitlerin otomotiv endüstrisindeki kullanımlarına örnekler sunulmuştur. Kompozit üretiminde uygulanan üretim yöntemi oldukça önemlidir, burada dikkat edilmesi gereken husus, seçilen yöntemin istenmeyen metallerarası bileşiklerin oluşumuna izin vermeyecek veya bunların oluşumunu minimuma indirgeyecek bir yöntem olmasıdır. Elde edilen ürünün istenilen mekanik özellikleri sağlayacak şekilde tasarlanabilir olması da dikkat edilmesi gereken diğer önemli bir noktadır. Seramik partikül takviyeli Al bazlı kompozitlerin üretiminde alışılagelmiş döküm ve/veya toz metalürjisi yöntemleri kullanıldığında üretim aşamasında, kuvvetlendirici partiküller kırılabilmekte yada parçalanabilmektedirler. Oluşan bu problemler ise kompoziti pek çok mekanik ve/veya korozif etkiye duyarlı hale getirmektedir. Çünkü yapılan mikroyapısal incelemeler hasarların bu hataların bulunduğu noktalardan başlayarak gelişimini sürdürdüğünü açığa çıkarmıştır [7]. Şekil 1. a) Kolbenschmidt şirketi ve Porsche işbirliği ile üretilen Al2O3 ve grafit takviyeli motor blok ve b) piston gömlek giydirmeleri, c) SiC takviyeli otomobil fren diski, d) Toyota Altezza için geliştirilen Ti bazlı egzoz valfleri, e) Al bazlı metal matriks kompozitlerin ekstrüzyonu ile elde edilen şaft mili, f) otomobil fren diskleri, g) Al matriksli motor bloğu [4 6] Ayrıca, bu kompozitler sergiledikleri anizotropik özellikler ve yüksek porozite miktarları gibi olumsuz bir takım özelliklere de sahiptirler [1, 7, 8]. Diğer önemli bir parametre ise kullanılan seramik partikül ve matriks metalinin birbirini ıslatabilme durumlarıdır. Seramik malzemelerin sıvı metaller tarafından ıslatabilirliği, özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları açısında önemlidir. İyi bir arayüzey uygulanan yükün matristen katkı fazına transferine de yardım etmektedir ve kompozitin mekanik özelliklerini iyileştirmektedir. In-situ tekniği ile yerinde reaksiyonlarla üretilen kompozitler sayesinde yukarıda bahsedilen bu gibi problemin üstesinden gelmek mümkündür. Bu teknik ile seramik kuvvetlendiriciler matriks metali içerisinde oluşturulan ekzotermik reaksiyonlarla homojen ve mikron altı boyutlarda rahatlıkla sentezlenebilmektedirler [9 11]. Örneğin, Al ile CuO arasında oluşan ekzotermik in-situ reaksiyonlar yarımı ile Al Cu matriks alaşımı içerisinde Al2O3 seramik partiküller sentezlemek mümkün olmuştur. Tongxiang et.al. [11] bu ikili sistemi (CuO Al) kullanarak ürettikleri in-situ Al2O3/Al kompozitlerin kırılma şeklinin parçacık kırılması (particle cracking) şeklinde gerçekleştiğini açığa çıkarmışlardır. Bu çalışma, in-situ kompozitlerin arayüzey bağ kuvvetinin daha büyük olduğunu ortaya koyması

2 bakımından da oldukça ilgi çekicidir. Yapılan benzer çalışmalar ise, in-situ reaksiyonların sentezlenebilmesinin; üretim sıcaklığı, sinterleme süresi ve kompoziti oluşturan bileşenlerin ergime sıcaklığı gibi pek çok üretim parametresine duyarlı olduğunu göstermektedir [9 13]. Bu çalışmada, konvansiyonel sıcak presleme yöntemi ile Al CuO ikili sistemi arasında in-situ yer değiştirme reaksiyonları yardımıyla, Al matriks alaşımı içerisinde Al203 partiküllerin mikronaltı boyutta sentezlenebilmesi ve elde edilen kompozitlerin makro/mikro sertlik davranışları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıda tartışılmıştır. 2. DENEYSEL PROSEDÜR 2.1. Materyal Bu çalışmada, in-situ bazlı metal matriksli kompozit üretimi için, fiziksel özellikleri Tablo 1 de verilen Al CuO ikili sistemi kullanılmıştır. Toz partiküller Atlantic Equipment Engineers (USA) şirketinden temin edilmiştir. işlemi 30 ton kapasiteli bir hidrolik pres (Hidroliksan) yardımıyla 500 MPa basınç altında 2 saat süreyle gerçekleştirilmiştir. Daha sonra kalıp, kompozit üretimi için özel olarak tasarlanmış fırın içerisine yerleştirilmiştir. Üretim işlemi boyunca fırın içerisi argon (Ar) atmosferi altında tutulmuştur. Fırın önceden belirlenen üretim sıcaklığına ulaştıktan sonra ise kalıplar 1 saat süreyle sinterlenmişlerdir. In-situ reaksiyonların gerçekleşmesinin ardından, kalıp sıcaklığı Al un yarı katı-sıvı sıcaklık aralığına düşürülüp elde edilen üretimi yoğunlaştırmak için sıcak olarak preslenmiştir. Şekil 2 de sıcak preslemede kullanılan fırın ve kalıp sisteminin parçaları sunulmuştur. Sıcak presleme esnasında hem poroziteyi azaltmak hem de eriyiğin kalıp dışına kaçmasını engellemek için maksimum 200 MPa lık bir basınç uygulanmıştır. Daha sonra oda sıcaklığına kadar soğumasına izin verilen kalıp iki alt destek üzerine oturtulup, bir koç vasıtasıyla preslenerek kompozitin kalıptan çıkarılması sağlanmıştır. Uygulanan basınç değerleri ve sinterleme sürelerinin seçiminde hazırlanan karışımın DTA analiz sonuçları, literatür derlemeleri ve ex-situ üretimler esnasında elde edilen tecrübeler etkin olmuştur. Tablo 1. Al CuO sistemini oluşturan bileşenlerin bazı fiziksel özellikleri Miktar Saflık Boyut Yoğunluk Bileşen (%/gr) (%) (µm) (gr/cm3) Al 80/40 99, ,699 CuO 20/10 99, ,395 Bu sisteminin seçimindeki amaç, Al ve CuO arasındaki insitu yer değiştirme reaksiyonlarından yararlanarak, AlCu matriks alaşımı içerisinde mikronaltı boyutta Al203 partiküller sentezleyebilmektir. Bu matriks yapısı oldukça kararlı ve uyumlu bir yapıdır, çünkü Al ve Cu ın her ikisi de yüzey merkezli kübik kafes (YMK) yapısındadır ve kafes parametreleri de birbirine oldukça yakındır. Ayrıca, yaşlandırma ile sertleştirilmeye de müsait olup ikinci bir mukavemetlendirme işlemine de tabi tutulabilmektedirler. Üretim işleminde tüm karışımlar toplam 50gr. lık numuneler elde edilecek şekilde stokiyometrik oranlarda karıştırılarak hazırlanmıştır. Seçilen üretim parametreleri Tablo 2 de sunulmuştur. Tablo 2. Sentezlenen in-situ kompozitlerin üretim parametreleri Sinterleme Sinterleme In-situ faz sıcaklığı ( C) süresi (dak.) Al2O3 750, 850, Kompozit Üretimi AMMK malzemelerin üretimi konvansiyonel reaktif sıcak presleme yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Sıcak presleme yöntemi, düşük maliyet ve nano-partikül oluşturma gibi avantajlara sahip olması nedeniyle oldukça ilgi görmektedir. İlk olarak, tozlar seramik bir havan içerisinde elle karıştırılmıştır. Tozların homojen karışımını kolaylaştırmak amacı ile bir miktar izopropil alkol ilave edilmiştir. Hazırlanan toz karışımlar tek eksenden basmalı kare bir kalıp içerisinde soğuk olarak preslenmiştir. Kalıplar H13 sıcak iş takım çeliğinden üretilmiş olup işlendikten sonra yüzeyleri nitrürlenmiştir. Soğuk presleme Şekil 2. Sıcak presleme fırını ve kalıp sistemi parçaları 2.3. Karakterizasyon Al ile CuO arasındaki in-situ reaksiyonları belirleyebilmek için diferansiyel termal analiz cihazı (DTA, Netzsch STA409), hazırlanan toz karışımlarının doğrulanması ve kompozit içerisinde sentezlenen in-situ fazların tespitinde X-Işınları difraktometresi (XRD, Rigaku 2200DMax) kullanılmıştır. Ayrıca, kompozitlerin içyapı morfolojilerinin açığa çıkarılmasında ve başlangıç tozlarının tane yapısının belirlenmesinde taramalı elektron mikroskobundan (SEM, Jeol 6335F) yararlanılmıştır Sertlik Ölçümleri Kompozit malzemelerin makro ve mikro sertlik ölçümleri 3 ayrı numuneden ve 10 farklı bölgeden yapılmıştır. Elde edilen sonuçların ortalama değerleri bulunup, standart

3 sapmaları hesaplanmıştır. Makro sertlik ölçümleri Emcotest marka M1C010 model Brinell sertlik cihazı ile 15 kg yük altında, mikro sertlik ölçümleri ise Buehler marka Micromet 2001 model Vickers sertlik cihazı ile 100 gf lik yük altında gerçekleştirilmiştir. 3. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMALAR Toz karışımına ait yapılan XRD analizi ile karışım bileşenlerin tam olarak uyuştuğu kanıtlanmıştır (Şekil 3). Şekil 3. Üretim öncesi Al CuO toz karışımının XRD analizi Karışımın % miktarları bileşenlerin molekül ağırlıkları ve yoğunlukları kullanılarak, partikül boyutları ise üretim işlemi öncesi çekilen SEM görüntülerinden faydalanılarak hesaplanmıştır (Şekil 4). Şekil 5 deki termogram incelendiğinde, iki maksimum ve bir minimum pik gözlemlenmektedir. İki maksimum (ekzotermik sürecin bir sonucu olup numuneden açığa çıkan ısıdır) sıcaklığının yükselmesine neden olur; erime ile ilgili aşağıya doğru olan pik, ısının analit tarafından absorplandığı endotermik süreç sonucudur. Şekil 5'de de görüldüğü gibi, diferansiyel termal analiz pikleri, numunedeki sıcaklık değişimlerinin yol açtığı fiziksel değişimler ve kimyasal reaksiyonlar sonucunda oluşur. 655 C de negatif endotermik bir pik görülmektedir. Al un erimesi bu pike karşılık gelir. Bu çukurun sağ ve solunda 635 ila 680 C ler arasında iki pozitif ekzotermik pik bulunmaktadır. Bu iki pik aslında çukurun sağ ve soluna yerleşmiş büyük bir pikin parçaları olduğu rahatlıkla görülebilir. Bu büyük pik Al CuO arasındaki reaksiyona karşı gelir. Çünkü Al un erimesiyle birlikte reaksiyonlarda devam eder. Al un erime çukuru bu pik üzerine geldiğinden bu pik endotermik çukur tarafından iki ayrı pike ayrılmıştır. İkinci bir ekzotermik pik C arasında gözlemlenmiştir. Başlangıç ekzotermik pik, sinterleme esnasında sıcaklık artışına bağlı olarak reaksiyonun oluştuğunu göstermektedir. Bu reaksiyon iki adımlı bir işlemdir. Karışım içerisindeki toplam Cu içeriği azalmadan önce, CuO in Cu2O ya dönüşümü gerçekleşmiştir. Bu başlangıç reaksiyonu bir katı-katı reaksiyonu olarak yer almıştır. Endotermik pikin başlangıç parçası eriyik Al ün yerini alarak endotermik çukurun solunda yer almıştır (Şekil 5). Al ün erime sıcaklığının aşıldığı sıcaklıklarda, reaksiyon bir katı-sıvı reaksiyonu olarak devam etmiştir. Buraya kadar gerçekleşen reaksiyon adımları literatürde eşitlik 1 ve 2 deki gibi açıklanmıştır [10, 11]. 2Al + 6CuO Al2O3 + 3Cu2O 2Al + 3Cu2O Al2O3 + 6Cu Şekil 4. Üretim öncesi kullanılan partiküllere ait SEM görüntüleri a) Al, b) CuO Yapılan termal analizle toz karışımına kontrollü bir ısıtma programı uygulanmış, böylelikle karışımın reaksiyon ürünlerinin fiziksel özellikleri sıcaklığın fonksiyonu olarak açığa çıkarılmıştır (Şekil 5). Şekil 5. Al CuO toz karışımına ait DTA analiz sonucu (1) (2) Şekil 6 8 de sırası ile 750, 850 ve 950 C lerde üretilen kompozitlerin XRD analiz sonuçları sunulmuştur. Bu şekillerin, üretim öncesi XRD analizi (Şekil 3) ile karşılaştırılması halinde üretim sonrası oluşan in-situ Al2O3 kristalleri nedeniyle Al un yoğunluğunda önemli miktarlarda azalma olduğu görülebilir. Ayrıca, CuO piklerinin üretim sonrası alınan XRD analizlerinde hiç gözükmemesi, bu bileşenin tamamen reaksiyona katıldığını göstermektedir. Bununla beraber, sinterleme sıcaklığının artması ile kompozit bünyesindeki in-situ Al2O3 yoğunluğunun da önemli oranda arttığı görülmektedir.

4 Şekil C de 1 saat saat süreyle sinterlenerek üretilen Al Cu/ Al2O3 in-situ kompozitin XRD analiz sonucu korozyon direncinin zayıfladığını göstermektedir [7, 14]. Özellikle, kompozit üzerine değişken yüklerin etkimesi durumunda, yorulma hasarı bu boşluklardan başlayarak gelişimini sürdürmektedir. Bu nedenle, bu tip kompozitler için düşük porozite içerikleri oldukça önemlidir. Şekil 9. In-situ kompozitlerin üretim sonrası görüntüleri Şekil C de 1 saat saat süreyle sinterlenerek üretilen Al Cu/ Al2O3 in-situ kompozitin XRD analiz sonucu Şekil 10 da 950 C de sentezlenen kompozitin genel içyapı görüntüsü farklı büyütme oranları ile verilmiştir. Sönük renkli beyaz alanlar, CuAl2, siyah alanlar Al Cu katı çözeltisini, parlak beyaz partiküller ise Al2O3 partiküllerini ifade etmektedirler. Ayrıca yapılan incelemelerde Al2O3 yüzeyi üzerinde Al Cu matrisin ıslatma etkisinin yüksek olduğu görülmüştür. Şekil C de 1 saat saat süreyle sinterlenerek üretilen Al Cu/ Al2O3 in-situ kompozitin XRD analiz sonucu XRD sonuçları, kompozitlerde in-situ sentezlenmenin ardından soğuma esnasında CuAl2 metallerarası fazının oluştuğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, Peng ve arkadaşlarının [10] benzer bileşenler üzerinde elde ettikleri sonuçlarla uyum içindedir. Ancak, Tongxiang et.al. [11] yeniden ergitme yolu ile ürettikleri CuO kaynaklı, Al 2O3/Al kompozitlerde farklı olarak in-situ faz sentezlenmesi öncesinde kompozitlerde reaksiyona girmemiş CuO fazı tespit etmişlerdir. Bu durumu, eşitlik 1 ile oluşan Cu2O tabakalarının ham (reaksiyona girmemiş) CuO partiküllerini her zaman çepeçevre sarmasına, böylelikle, çekirdek içindeki CuO parçacıklarının reaksiyona girememesine bağlamışlardır. Bu çalışmada üretim işlemi sonrası CuO fazının XRD eğrilerinde gözükmemesi, uygun stokiyometrik oranların seçildiğini göstermektedir. Ayrıca, bu durum, kullanılan üretim yöntemi ve uygulanan sinterleme sıcaklıkları farklılığından kaynaklanmış olabilir. Bununla beraber, kimyasal reaksiyonlar sinterleme süresi, ısıtma ve soğutma hızları, uygulanan basınç gibi pek çok işlem parametrelerinden de etkilenebilmektedirler [9 11]. Şekil 9 da, kompozitlerin üretim işlemi sonrası genel bir görüntüsü verilmiştir. Alüminyum matriksli kompozit malzemenin göz ile yapılan makroskobik muayenesi neticesinde numunelerde herhangi bir üretim hatası ve makro porozite gözlenmemiştir. Yapılan çalışmalar kompozit içerisindeki boşluk miktarının artması ile mekanik ve Şekil 10. Al Cu/Al2O3 in-situ kompozitin SEM mikroyapı görüntüsü Şekil 11 de farklı sıcaklıklarda üretimi yapılan in-situ Al Cu matriksli Al2O3 partiküller ile kuvvetlendirilmiş kompozitlerin makro ve mikro sertlik sonuçları Tablo 3 de ise bu eğrilerden hesaplanan ortalama değerler verilmiştir.

5 Bu artışın sebebi in-situ reaksiyonlar esnasında kompozit içerisinde büyüyen seramik Al2O3 partiküllerden kaynaklanmaktadır. Al2O3 fazının sentezlenmesi sonrası kompozitin soğutulması esnasında, matriks bünyesinde arta kalan Al ile Cu arasında CuAl2 metallerarası fazının oluştuğu gözlemlenmiştir. TEŞEKKÜR Bu çalışmanın maddi desteğini veren TÜBİTAK a (Proje No: 106M023), kalıpların üretimi ve nitrürlenmesinde sağladıkları yardımlardan dolayı TEKİŞ kalıp ve ALDEM çelik inşaat-makine sanayine teşekkür ederiz. 5. REFERANSLAR Şekil 11. Değişik sıcaklıklarda sinterlenen Al CuO/Al2O3 in-situ kompozitlerin makro/mikro sertlik dağılımları: a) 750, b) 850, c) 950 C Tablo 3. Kompozitlerin ortalama sertlik değerleri ve standart sapmaları Sinterleme Makro Mikro Makro Mikro Sıcaklığı standart standart sertlik sertlik ( C) sapma sapma ,60 4,52 59,00 6, ,51 2,79 64,34 4, ,03 5,44 73,43 6,58 Sertlik ölçümleri neticesinde elde edilen makro ve mikro sertlik değerlerin ortalaması Al Cu/Al2O3 kompozitlerin en yüksek sırasıyla 62HB ve 73HV olarak ölçülmüştür (950 C sinterleme sıcaklığında).hesaplanan standart sapma değerlerine göre, sertlik sonuçlarının ±%5.44 ve ±%6.58 hata payı ile kabul edilebilir olduğunu göstermektedir. Sertlik değerinin artan sinterleme sıcaklığına bağlı olarak artması in-situ reaksiyonlar sonucunda kompozitler içerisinde oluşturulan Al2O3 kuvvetlendirici partiküller nedeniyledir. Bu partiküller dislokasyon hareketine karşı bir engel olarak hareket edip, kompozitin pekleşme yolu ile mukavemet ve sertlik değerinin artmasına sebep olmaktadır. 4. SONUÇLAR Al Cu/Al2O3 in-situ kompozitlerin sentezlenebilmesi üzerine yürütülen çalışma sonunda aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır. In-situ reaksiyonların sentezlenebilmesi kompozitin sinterleme sıcaklığı ile direkt ilgilidir. Kompozitlerin sinterleme sıcaklığı arttıkça makro ve mikro sertlik değerlerinde fark edilir bir atış gözlemlenmiştir. [1] M.D.Huda, M.S.J.Hashmi, M.A.El-Baradie, MMCs: Materials, manufacturing and machanical properties, Key Engineering Materials, , 1996, [2] M.Gavgali, B.Aksakal, Effects of various homogenisation treatments on the hot workabilitiy of ingot aluminium alloy AA2014, Materials Science and Engineering, A254, 1998, [3] S.Skolianos, Mechanical bahaviour of cast SiCpreinforced Al-4.5%Cu-1.5%Mg alloy, Materials Science and Engineering, A210, 1996, [4] C.Cayron, TEM study of interfacial reactions and precipitation mechanisms in Al2O3 short fiber or high volume fraction SiC particle reinforced Al-4Cu-1Mg0.5Ag squeeze-cast composites, Doktora Tezi, Tez No: 2246, Lausanne, EPFL, 2000, Fransa. [5] T.Saito, The automotive application of discontinuously reinforced TiB-Ti composites. JOM: Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 56 (5), 2004, [6] J.W.Kaczmar, K.Pietrzak, W.WøosinÂski, The production and application of metal matrix composite materials, Journal of Materials Processing Technology, 106, 2000, [7] A.J.Trowsdale, B.Noble, S.J.Haris, I.S.R.Gibbins, G.E.Thompson, G.C.Wood, The influence of silicon carbide reinforcement on the pitting behaviour of aluminium, Corrosion Science, 38, 1996, [8] H.Y.Ersoy, Kompozit Malzeme, Literatür Yayıncılık, s 1-15, 2001, İstanbul. [9] C.F.Feng, L.Froyen, In-situ P/M Al/(ZrB2+Al2O3) MMCs: processıng, mıcrostructure and mechanıcal characterızatıon, Acta mater, 47(18), 1999, [10] H.X.Peng, D.Z.Wang, L.Geng, C.K.Yao, Evaluation of the microstructure of in-situ reaction processed Al3Ti-Al2O3-Al composite, Scripta Materialia, 37(2), 1997, [11] F.Tongxiang, D.Zhang, G.Yang, T.Shibayanagi, M.Naka, Fabrication of in situ Al2O3/Al composite via remelting, Journal of Materials Processing Technology, 142, 2003,

6 [12] W.H.Jiang, G.H.Song, X.L.Han, C.L.He, H.C.Ru, Synthesis of TiC/Al composites in liquid aluminium, Materials Letters, 32, 1997, [13] H.S.Chu, K.S.Liu, J.W.Yeh, An in situ composite of Al (graphite, Al4C3) produced by reciprocating extrusion, Materials Science and Engineering A, 277, 2000, [14] J.Llorca, Void Formation in Metal Matrix Composites, Comprehensive Composite Materials, vol.3, 2000,