Ni-Cr-B-W METALİK CAM SİSTEMİNİN CAMLAŞMA KABİLİYETİNİN VE MİKROSERTLİĞİNİN TUNGSTEN İÇERİĞİNE BAĞLI DEĞİŞİMİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 Ni-Cr-B-W METALİK CAM SİSTEMİNİN CAMLAŞMA KABİLİYETİNİN VE MİKROSERTLİĞİNİN TUNGSTEN İÇERİĞİNE BAĞLI DEĞİŞİMİNİN İNCELENMESİ Pelin Öztürk 1, Aytekin Hitit 2, Hakan Şahin 3, A.Malik Aşgin 4 1 Afyon Kocatepe Universitesi,Mühendislik Fakültesi,03200, Afyonkarahisar, pelinsuozturk@gmail.com 2 Afyon Kocatepe Universitesi, Mühendislik Fakültesi,03200, Afyonkarahisar, hitit@aku.edu.tr 3 Afyon Kocatepe Universitesi, Mühendislik Fakültesi,03200, Afyonkarahisar, hakansahin@aku.edu.tr 4 Afyon Kocatepe Universitesi, Mühendislik Fakültesi,03200, Afyonkarahisar, a.malikasgin@gmail.com ÖZET Tungsten katkısının Ni-Cr-B-W metalik cam sisteminin kristalizasyon sıcaklığına, camlaşma kabiliyetine ve mikrosertliğine olan etkisi incelenmiştir. (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x (x:15,20,25,30,35,40) alaşımları vakum ark ocağı kullanılarak sentezlenmiştir. Her bir alaşım piston örs yöntemi ile 20 m kalınlığında folyo halinde dökülmüştür. Ayrıca %15 W ve %40 W içeren alaşımlar yine piston örs yöntemi ile 100 m kalınlığında folyolar halinde elde edilmiştir. Dökülen numunelerin termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile ve yapısal özellikleri de X-ışınları kırınımı (XRD) analizleri ile incelenmiştir. Ayrıca her bir alaşımın mikrosertlik değeri belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Tungsten esaslı alaşımlar, Metalik camlar, Camlaşma kabiliyeti, Termal analiz, Sertlik. 1. GİRİŞ Son yirmi yıldır, eşsiz fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri saysesinde iri hacimli metalik camlar oldukça dikkat çekmektedir. Sonuç olarak Zr-[1], La[4-5], Pd[6-8], Mg[6-9], Ni[ ], Fe[15-18] ve Co [18-20] esaslı sistemler gibi bir çok metalik cam sistemi başarıyla sentezlenmiştir. İri hacimli metalik camların kullanım potansiyellerini sınırlayan en temel faktör, kristalizasyon sıcaklıklarıdır. Metalik camların kristalizasyon sıcaklılarının üzerinde kullanılmaları onların üstün özelliklerini kaybetmesine neden olur. Eğer bir metalik cam alaşımı yüksek ergime sıcaklığına sahip bir element içeriyorsa o metalik cam alaşım sisteminin yüksek kristalizasyon sıcaklığına sahip olması beklenir. Bu yüzden sayısız metalik cam alaşım sistemi yüksek miktarda tungsten, rutenyum, renyum, iridium, tantalyum, niyobyum gibi refrakter metalleri içermektedirler. Buradaki amaç yüksek kristalizasyon sıcaklığına sahip metalik cam sistemleri geliştirmektir [21-29]. Sonuç olarak kristalizasyon sıcaklığı K den yüksek metalik cam sistemleri geliştirilmiştir. Aslında kristalizasyon sıcaklığı 1456 K olan Ta esaslı metalik cam sistemi üretilmiştir [21]. Dahası refrakter esaslı metalik camların mikrosertlik değerleri Hv arasında belirlenmiştir. Bu mikrosertlik değerleri refrakter olmayan metal esaslı metalik cam sistemlerinden oldukça yüksektir. Bunlara ek olarak refrakter metal esaslı metalik cam sistemlerinin kompozisyonlarının araştırmaları bu alaşımların çoğunun yüksek miktarda bor ve refrakter metal içerdiğini göstermektedir. Bu alaşımlar cezbedici mekanik ve termal özelliklerini refrakter metal ve bor arasındaki güçlü bağlara borçludur.refrakter metal esaslı metalik camlar mekanik ve termal kararlılık özellikleri açısından diğer metalik camlardan üstün olmasına rağmen kritik döküm kalınlıkları oldukça düşüktür (<50 m). Böylesine düşük kritik döküm kalınlığı değerleri bu metalik cam sistemlerinin endüstriyel anlamda kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bunun sebebi bu metalik cam alaşım kompozisyonlarının refrakter metal içermesinden dolayı likidüs sıcaklıklarının artmasından kaynaklanmaktadır. Bilindiği gibi sabit bir cam geçiş sıcaklığına sahip bir alaşımın likidüs sıcaklığının artması kristalizasyon olmadan cam oluşması için soğutma hızının artmasını gerektirmektedir. Sonuç olarak kritik döküm kalınlığı düşer. Refrakter metal esaslı metalik cam sistemleri öylesine yüksek likidüs sıcaklıklarına sahiptirler ki çoğunun likidus sıcaklıkları termal analiz cihazları ile ölçülememektedir. Sonuç olarak; kritik döküm kalınlığı yüksek refrakter metal esaslı metalik camların üretilmesi Proceedings of IMSP

2 için alaşım kompozisyonlarının yeterince düşük likidüs sıcaklıklarına sahip olması gerekmektedir. Malesef literatürde RM-B-X (X:diğer elementler) ile ilgili çok sınırlı bilgi verilmiştir. Bilgi sahibi olunan sınırlı sayıdaki sistemlerden birisi de Ni-Cr-B sistemidir. Ni-Cr-B faz diyagramı incelendiğinde, alaşımın ötektik kompozisyonlarından birisinin %49.7Ni-%14.7Cr-%35.6B olduğu ve bu kompozisyonun ötektik sıcaklığının da 1369 K olduğu görülmektedir[30]. Oldukça yüksek bor içeriği ve son derece düşük likidus sıcaklığı kombinasyonuna sahip olan bu komposizyon, tungsten katkısı ile modifiye edilerek (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x alaşımları sentezlenmiştir. Tungsten katkısının alaşımın kristallenme sıcaklığına,camlaşma kabiliyetine ve mikrosertliğine olan etkisi incelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOD Ni-Cr-B-W alaşım sistemine (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x (x:15,20,25,30,35,40) olacak şekilde tungsten oranı sistematik olarak artırılarak eklenmiş ve hazırlanan toz karışımları ağırlıkça Ni(%99.9), W(%99.9), Cr(%99.9), B(%98) saflıkta olup argon atmosferinde ark ergitme cihazında ergitilerek ana alaşımlar hazırlanmıştır. Homojenliğin sağlanması açısından numuneler üç kez ergitilmiştir. Alaşımların kompozisyonları nominal atomik yüzdeleri temsil eder. Alaşımlar ark ergitme cihazına adapte edilmiş piston örs yöntemiyle ince folyolar halinde dökülmüştür. Her bir alaşımdan uygun miktarlarda numuneler kırılarak ergitilmiş, pnömatik pistonların ucuna monte edilmiş iki bakır plaka arasında sıkıştırılarak ince folyolar üretilmiştir. Her bir pistonun hızı 400mm/sn dir. Folyoların kalınlıkları optik mikroskopta ~20 m olarak belirlenmiştir. Ayrıca camlaşma kabiliyetlerinin belirlenmesi amacıyla %15 ve %40 W içeren alaşımlar piston örs yöntemiyle piston hızı 50mm/sn olacak şekilde ayarlanarak 100 m kalınlığında dökülmüşlerdir. Bütün numuneler döküldükleri gibi X- ışınları difraktometresiyle Vantech-1 dedektörü kullanılarak (XRD) (Bruker D8 Advance) analiz edilmiştir. Cam geçiş sıcaklıkları (T g), kristalizasyon sıcaklıkları (T x), ergime sıcaklıkları (T m) ve likidüs sıcaklıkları (T l) ısıtma hızı 0.33 K/sn olan diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) (Netzsch STA 449 F3) cihazı ile belirlenmiştir. Numunelerin mikrosertlikleri 100gr (0.98N) yük altında (Shimadzu HMV 2L) mikro sertlik cihazı ile ölçülmüştür. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 20 m kalınlığındaki numunelerin XRD paternleri Resim 1. de verilmiştir. Tüm folyoların XRD paternlerinden amorf yapıda oldukları görülmektedir. Ama 100 m kalınlığındaki numunelerin XRD paternlerinden de tamamen amorf yapıda olmadığı, kristal fazların mecvcut olduğu görülmektedir. Resim 2. de 100 m kalınlığında dökülen numunelerde W 2B, Cr 2B, Ni 2B, W 2B 5, Ni, Cr 5B 3 ve Cr 2B 3 fazlarının oluştuğu görülmektedir. Buradan da görüldüğü gibi 100 m kalınlığındaki numunelerin XRD paternlerinde kristal piklerinin görüldüğü ancak tamamen kristal yapıya sahip olmamakla beraber, amorf yapının da mevcut olduğu ortadadır. Resim 3. te DSC grafiklerinde görüldüğü gibi ekzotermik pik kristalizasyon sıcaklığını göstermektedir. Ancak alaşımların cam geçiş sıcaklıkları net bir şekilde belirlenememiştir. Sadece tahmini olarak Ni 42.2Cr 12.5B 30.3W 15, Ni 30Cr 9B 21W 40 alaşımlarının cam geçiş sıcaklıkları sırasıyla 1007 K ve 1060 K olarak belirlenmiştir. Aynı zamanda kristalizasyon sıcaklıkları da Ni 42.2Cr 12.5B 30.3W 15, Ni 30Cr 9B 21W 40 alaşımlarının sırasıyla 1065 K, 1112 K olarak belirlenmiştir. Ancak alaşımların likidüs sıcaklıkları belirlenememiştir. Alaşımların termal özellikleri Tablo 1. de verilmiştir. Ayrıca Ni 42.2Cr 12.5B 30.3W 15, Ni 30Cr 9B 21W 40 alaşımlarının sertlik değerleri de sırasıyla 1235 ve 1400 Hv olarak Tablo 1. de verilmiştir. Proceedings of IMSP

3 Resim 1. (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x alaşımlarının XRD paternleri Resim 2. Yaklaşık 100μm kalınlığında dökülen (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x alaşımlarının XRD paternleri Ni-Cr-B alaşımına (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x şeklinde sistematik olarak eklenen tungsten katkılı metalik cam alaşımlarının 20 m kalınlığındaki folyolarının XRD analizlerinden de görüldüğü gibi bütün alaşımlar amorf olarak elde edilmişlerdir. Bu metalik cam alaşımları içinden en düşük W oranına sahip (%15) olanla, en yüksek W oranına sahip (%40) olan iki alaşım sisteminin yine piston-örs mekanizması kullanılarak 100 m kalınlığında dökümleri gerçekleştirilmiştir. 20 m kalınlığındaki metalik camların döküm kalınlıkları 100 m kalınlığına arttırıldığında amorf +kristal yapının gözlemlendiği XRD paternlerinden de görülmektedir. Proceedings of IMSP

4 Resim 3. (Ni 49.7Cr 14.7B 35.6) 100-xW x alaşımlarının düşük sıcaklık DSC grafikleri. Alaşımların cam geçiş sıcaklıkları ve kristalizasyon sıcaklıkları değişimleri incelendiğinde %15 W katkılı sistemle %40 W katkılı sistemi karşılaştırdığımızda W oranı arttıkça krsitalizasyon sıcaklıklarında ve cam geçiş sıcaklıklarında artış olduğu metalik cam folyoların DSC analizleri sonuçlarından görülmektedir. Tablo 1. Ni 42.2Cr 12.5B 30.3W 15 ve Ni 30Cr 9B 21W 40 alaşımlarının termal özellikleri ve sertlik değerleri. Alaşımlar T g T x T m T l H v(0.1) Ni 42.2Cr 12.5B 30.3W Ni 30Cr 9B 21W %15 W katkılı alaşım sisteminin T g ve T x değerleri sırasıyla 1007 K ve 1065 K dir. %40 W katkılı alaşım sisteminin T g ve T x değerleri sırasıyla 1060 K ve 1112 K dir. Tungsten oranı %15 ten % 40 a arttırıldığında T g değeri 1007 K den 1060 K ne, T x değeri ise 1065 K den 1112 K e çıktığı görülmektedir. Kristalizasyon sıcaklığının artması metalik cam folyoların potansiyel kullanım sıcaklığının artmasını sağlamaktadır. Artan tungsten katkısı, potansiyel kullanım sıcaklığı açısından olumlu bir sonuç vermiştir. Ancak artan tungsten oranı ile birlikte W-B bağlarının sayısı da artacağından metalik cam alaşımlarının likidüs sıcaklıkları da artacaktır. Son olarak 20 m kalınlığında dökülen metalik cam alaşımlarının sertlik değerleri incelenmiştir. Mikrosertlik ölçümü en düşük tungsten katkılı (%15) sistemle, en yüksek tungsten katkılı (%40) sisteme uygulanmıştır. %15 W içeren ve %40 W içeren metalik cam folyoların sertlik değerleri sırasıyla 1235 H v ve 1400 H v tir. Buradan da görüldüğü gibi tungsten katkısının %15 ten %40 artışı sertlik değerini 165 H v yükselterek olumlu bir sonuç vermiştir. Her ne kadar alaşımların kritik döküm kalınlıkları düşük olsa da her biri potansiyel olarak umut vaat etmektedir. Tungsten katkısının tek başına metalik cam sistemlerinin cam oluşturma kabiliyetlerine etkisinin yetersiz olduğu 100 m döküm kalınlığına sahip alaşımların amorf yapılarını tamamen koruyamadıklarından anlaşılmaktadır. Bu durumda tungsten katkısının yanı sıra faz diyagramları incelenerek uygun katkıların seçilip yeni kompozisyonların hazırlanmasıyla camlaşma kabiliyetlerinin arttırılabilineceği düşünülmektedir. Bunun için alaşımların likidüs sıcaklıklarını düşürecek etki yapan ve amorf yapının korunması için diğer alaşım elementleriyle bileşik oluşturmaya müsait olmayan katkı elementlerinin kullanılması uygun düşmektedir. Proceedings of IMSP

5 4. KAYNAKLAR 1. Inoue, A., Zhang, T., Masumoto, T., Al-La-Ni Amorphous Alloys with a Wide Supercooled Liquid Region, Mater Trans JIM, 30, , Peker, A., Johnson, W.L., A highly processable metallic glass: Zr 41.2Ti 13.8Cu 12.5Ni 10.0Be 22.5, Applied Physics Letters, 63, 2342, Inoue, A., Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys, Acta Mater, 48, , Jiang, Q.K., Zhang, G.Q., Chen, L.Y., Zeng, Q.S., Jiang, J.Z., Centimeter-sized (La0.5Ce0.5)- based bulk metallic glasses, J. Alloys Comp, 424, , Liu, W.Y., Zhang, H.F., Wang, A.M., Lia, H., Hua, Z.Q., New criteria of glass forming ability, thermal stability and characteristic temperatures for various bulk metallic glass systems, Mater Sci Eng A, 459, , Chen, Q.J., Shen, J., Zhang, D.L., Fan, H.B., Sun, J.F., McCartney, D.G., A new criterion for evaluating for glass-forming ability of bulk metallic glasses, Mater Sci Eng A, 433, , Liu, L., Zhao, X., Ma, C., Pang, S., Zhang, T., Formation and thermal stability of Pd-based bulk metallic glasses, J Non-Cryst Solids, 352, , Liu, W.Y., Zhang, H.F., Wang, A.M., Lia, H., Hua, Z.Q., New criteria of glass forming ability, thermal stability and characteristic temperatures for various bulk metallic glass systems, Mater Sci Eng A, 459, , Park, E.S., Kyeong, J.S., Kim, D.H., Enhanced glass forming ability and plasticity in Mg-based bulk metallic glasses, Mater Sci Eng A, , , Inoue, A., Zhang, W., Zhang, T., Kurosaka, K., High-Strength Cu-based bulk glassy alloys in Cu Zr Ti and Cu Hf Ti ternary systems, Acta Mater, 49, , Liang, W.Z., Shen, J., Sun, J.F., Effect of Si addition on the glass-forming ability of a NiTiZrAlCu alloy, J. Alloys Comp., 420, 94-97, Chang, H.J., Park, E.S.,.Jung, Y.S, Kim, M.K., Kim D.H., The effect of Zr addition in glass forming ability of Ni Nb alloy system, J. Alloys Comp., , , Kim, Y.C., Lee, J.C., Cha, P.R., Ahn, J.P., Fleury, E., Enhanced glass forming ability and mechanical properties of new Cu-based bulk metallic glasses, Mater Sci Eng A, 437, , Fan, J.T., Zhang, Z.F., Jiang, F., Sun, J., Mao, S.X., Ductile to brittle transition of Cu 47Zr 46Al 7 bulk metallic glass composites, Mater Sci Eng A., 487, , Song, D.S., Kim, J.H., Fleury, E., Kim, W.T., Kim, D.H., Synthesis of ferromagnetic Fe-based bulk glassy alloys in the Fe Nb B Y system, J Alloys Comp, 389, , Li, H.X., Yi, S., Fabrication of bulk metallic glasses in the alloy system Fe C Si B P Cr Mo Al using hot metal and industrial ferro-alloys, Mater. Sci. Eng. A., , , Inoue, A., Shen, B.L., Chang, C.T., Super-high strength of over 4000 MPa for Fe-based bulk glassy alloys in [(Fe1xCox)0:75B0:2Si0:05]96Nb4 system, Acta Mater, 52, , Inoue, A., Shen, B.L., Chang, C.T., Fe- and Co-based bulk glassy alloys with ultrahigh strength of over 4000MPa, Intermetallics, 14, , Inoue, A., Shen, B.L., Koshiba, H., Kato, H., Yavari, A.R., Ultra-high strength above 5000MPa and soft magnetic properties of Co-Fe-Ta-B bulk glassy alloys, Acta Mater, 52, , Men, H.,Pan, S.J., Zhang, T., Effect of Er doping on glass-forming ability ofco 50Cr 15Mo 14C 15B 6 alloy, J. Mater. Res, 21, , Yoshitake, T., Kubo, Y., Igarashi, H., Preparation of refractory transition metal-metalloid amorphous alloys and their thermal stability, Mater. Sci. Eng., 97, , Inoue, A., Sakai, S., Kimura, H., Masumoto, T., Crystallization temperature and hardness of new chromium-based amorphous alloys, Trans. JIM, 20, , Koch, C. C., Kroeger, D. M., Scarbrough, J. O., Giessen, B. C., Superconductivity in amorphous T5T9 transition -metal alloys (T5=Nb,Ta; T9=Rh,Ir), Phys. Rev., 22, 5213, Masumoto, T., Inoue, A., Sakai, S., Kimura, H., Hoshi, A., Super conductivity of ductile Nb-based amorphous alloys, Trans. JIM, 21, , Inoue, A., Sakai, S., Kimura, H., Masumoto, K., Hoshi, A., Superconductivity of Mo-Si-B and W-Si- B amorphous alloys obtained by liquid quenching, Scr. Metall., 14, , Mahan, M. K., Jha, B. L., Relaxation time and molar free energy of activation for some rare-earth complexes of kaolinite, J. Mater. Sci. Lett., 15, , 1980 Proceedings of IMSP

6 27. Mehra, M., Schultz, R., Johnson, W. L., Structural studies and relaxation behaviour of (Mo 0.6Ru 0.4) 100- xb xmetallic glasses, J. Non-Cryst. Solids, 61-62, , Yoshimoto, R., Nogi, Y., Tamura, R., Takeuchi, S., Fabrication of refractory metal based metallic glasses, Mater. Sci.Eng. A., , , Suoa, Z.Y., Songb, Y.L.,Yuc, B., Qiud, K.Q., Fabrication of tungsten-based metallic glasses by low purity industrial raw materials, Mater. Sci. Eng.A., 528, , Villars, P., Prince, A., Okamoto, H., Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams, Vol 5, Published by ASM International,October 1995 BİYOGRAFİLER Pelin Öztürk 1986 yılında Ankara da doğdu. Orta okulu Ankara da Abay İlköğretim Okulu nda, lise öğrenimini Batıkent (YDA) Lisesi nde tamamladıktan sonra 2005 yılında Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nde lisans eğitimine başladı yılında Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ABD da yüksek lisans eğitimini bitirdikten sonra yine aynı ABD da doktora eğitimine başladı. Aytekin Hitit 1970 yılında Yusufeli de doğdu. Orta ve lise öğrenimini Bolu Atatürk Lisesi nde tamamladıktan sonra, 1987 yılında Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü nde lisans eğitimine başladı yılında lisan eğitimini tamamladı yılında yüksek lisans, 2002 yılında da doktora eğitimini Amerika Birleşik Devletleri nde Carnegie Mellon Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nde tamamladı yılından bu yana Afyon Kocatepe Üniversitesi Mühendislik Fakültesi nde görev yapmaktadır. Hakan Şahin 1984 yılında Bozüyük te doğdu. Orta ve lise öğrenimini Şehit Zafer İpek Lisesi nde tamamladıktan sonar, 2003 yılında Afyon Kocatepe Üninersitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümün de lisans eğitimine başladı yılında aynı bölümde yüksek lisans eğitimini bitirdi yılından bu yana Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi nde Uzman olarak görev yapmaktadır. Ahmet Malik Aşgin 1990 yılında Yozgat da doğdu. Orta okulu Aydın Gazi Paşa Atatürk İlköğtretim Okulu nda, lise öğrenimini Aydın Cumhuriyet Lisesi nde tamamladıktan sonra 2012 yılında Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu yılında Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü ABD de yüksek lisans eğitimine başladı. Proceedings of IMSP