METAL MATRİSLİ KOMPOZİT ÜRETİMİ İÇİN SiC İÇERİKLİ ÖN ŞEKİL ÜRETİMİ

Transkript

1 METAL MATRİSLİ KOMPOZİT ÜRETİMİ İÇİN SiC İÇERİKLİ ÖN ŞEKİL ÜRETİMİ Alptekin KISASÖZ a, Güneş TANDOĞAN, Murat Luş a,b, Ahmet KARAASLAN a,b, Nilgün KUŞKONMAZ a,b a Yıldız Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malz. Müh. Böl., İstanbul, b BCACT, İstanbul E-posta: akisasoz@yildiz.edu.tr Özet Metal matrisli kompozit malzemeler sahip oldukları dayanım, sertlik, aşınma dayanımı gibi üstün özellikler ile otomotiv ve havacılık endüstrisinde geniş kullanım alanına sahip olan malzemelerdir. Matris malzemesi olan metal yapıya süneklik kazandırırken, takviye elemanı olarak kullanılan seramik malzemeler yapının dayanımını arttırır. Metal matrisli kompozit malzemelerin üretilmesinde en sık kullanılan yöntemlerden biri sıkıştırmalı döküm yöntemidir. Bu yöntemde, takviye elemanından oluşan ön şekil yapısına, kuvvet yardımıyla metal emdirilmesi sağlanır ve kuvvetli arayüzey bağına sahip kompozit malzeme üretilir. Sıkıştırmalı döküm yönteminde kullanılacak olan ön şekil yapısından hem kompozit üretiminde oluşacak olan yüklere karşı dayanıma sahip olması hem de tam bir metal emdirme işleminin sağlanabilmesi amacıyla belirli bir gözenek miktarına sahip olması istenir. Bu çalışmada, metal matrisli kompozit malzeme üretiminde kullanılacak olan ön şekillerin üretimi gerçekleştirilmiş ve çeşitli bileşenlerin dayanım ve gözenek oranı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Abstract Metal matrix composites have many usage areas in automobile and aeroplane industries with their higher mechanical strength, hardness and wear resistance. The metal, which is a matrix material, brings ductility to composite structure and ceramic material that is a reinforcement material enhance the mechanical strength of the composite structure. Squeeze casting is used frequently to fabricate metal matrix composite materials. In this method, molten metal is infiltrated to preform, which has reincforcement material, by the mean of squeeze forces and composite material that has strong interface bonding is fabricated. Great amaount of porosity and also mechanical strength is desired from preform to provide fully metal infiltration and to prevent reinforcement damages during casting process. In this study, Fabrication of preforms, which are used in metal matrix composite fabrication, was carried out and the effects of various components on mechanical strength and porosity percantage are studied

2 1. GİRİŞ İki veya daha fazla malzemenin, belirgin bir ara yüzey oluşturacak şekilde bir arada kullanılmasıyla elde edilen malzemelere kompozit malzeme denir. Kompozit malzemeyi oluşturan her bir bileşenin, iyi özelliklerinin birleştirilmesiyle elde edilen nihai malzeme, kendisini oluşturan malzemelerden daha üstün özelliklere sahip olur. Böylece; süneklik, sertlik, dayanım, aşınma direnci, yüksek sıcaklıkta mekanik özelliklerin korunması gibi özellikler bir arada elde edilebilir[1, 2]. Metal matrisli kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan yöntemlerden biri infiltrasyon yöntemidir. Bu yöntem iki aşamadan oluşur. İşlemin ilk aşamasında takviye elemanını içeren gözenekli preform (ön şekil) üretilir. Takviye elemanını oluşturan seramik esaslı bileşenler, bağlayıcı olarak kullanılan organik ve anorganik bileşenler ile gözenek oluşumunu sağlayan polimer esaslı bileşenler ön şekillerin üretiminde kullanılan temel elemanlar olarak sıralanabilir. Bileşenler sıvı ya da katı ortamda karıştırıldıktan sonra sinterlenir. Sinterleme işlemi sırasında çıkılan yüksek sıcaklığın etkisiyle uçucu bileşenler yapıdan ayrılır ve gözenekler oluşur. Ayrıca bu aşamada gerçekleşen difüzyon olayları ile ön şekil döküm sırasında oluşacak olan yükler karşısında deformasyona uğramayacak dayanım değerlerine ulaşır[3, 4, 5]. 2.DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Malzemeler Preform (ön şekil) üretimi için 54,48 µm ortalama tane boyutuna sahip SiC tozları kullanılmıştır. Ayrıca, SiC tozlarının şekillendirilmesi ve gözenek oluşumunun sağlanması amacıyla kolloidal silika, dekstrin, nişasta ve polivinil alkol (PVA) kullanılmıştır. Hazırlanan karışımda kullanılan bağlayıcı görevi görmüştür. Polivinil alkol ve dekstrin ise % luk oranlarını içeren çözeltiler hazırlanarak kullanılmış ve bu bileşenlerin farklı oranlarının ön şekil özellikleri üstündeki etkisi incelenmiştir. Tablo 1. SiC tozlarının kimyasal bileşimi Kimyasal Bileşim (%) SiC 99,50 Serbest Karbon 0,15 Si 0,03 SiO2 0,20 Fe2O3 0, Seramik Çamurun Hazırlanması ve Kurutma İşlemleri Deneysel çalışmalarda bağlayıcı olarak kullanılan Polivinil alkol ve dekstrin çözeltileri % ve 20 lik olacak şekilde cam beher içerisinde manyetik karıştırıcı kullanılarak 3 saat süre ile karıştırılmıştır. Daha sonra ise silisyum karbür tozları, koloidal silika, nişasta, polivinil alkol ve dekstrin çözeltileri farklı bileşimlerde olacak şekilde karıştırılmıştır

3 Şekil 1. Ön şekil üretimi ve karakterizasyonu 2.3. Hazırlanan Numunelerin Pişirilmesi İstenen bileşimde hazırlanan numuneler oda sıcaklığında kurutulduktan sonra kademeli kurutma işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra ise pişirme aşamasına geçilmiştir. Hazırlanan silisyum ön şekillerin hem metal matrisli kompozit üretiminde oluşacak olan basınca dayanıklı olması hem de tam bir infiltrasyonun sağlanabilmesi için yeterli gözenek miktarına sahip olması istenir. Bu özellikler, ön şekil hazırlama işleminin son aşaması olan pişirme işlemi ile sağlanır. Değişik bileşimlerde hazırlanan 16 ayrı numunenin tamamına aynı pişirme işlemi uygulanmıştır. Fırına konulan malzemeler, 3 saat sürede 1000 C ye çıkarılmış (~5.5 ºC/dak.) ve bu sıcaklıkta 3 saat bekletilmiştir. Bu işlemin ardından numuneler fırın içerisinde oda sıcaklığına soğutulmuştur

4 3.SONUÇLAR VE TARTIŞMA Mekanik testler ve mikroyapı incelemeleri ile ön şekil numunelerinin özellikleri belirlenmiştir Mikroyapı İncelemeleri Şekil 3 de görülen, % PVA oranının artması ile artan ve ortalama 250 µm çapında oluşan gözeneklerin, ön şekil çamurunun hazırlanmasında kullanılan PVA çözeltisinde çözünmeden kalan PVA lar nedeniyle oluştuğu düşünülmektedir. Şekil 2. Farklı oranlarda PVA içeren 1000 C de 3 saat pişirilmiş ön şekillerin optik mikroskop görüntüsü a) %5 PVA b) %10 PVA c) %15 PVA c) %20 PVA (100X) Şekil 3 te verilmiş olan optik mikroskop görüntüleri incelendiğinde, PVA kullanımı ile oluşan ve ortalama 250 µm çapa sahip olan gözeneklerin, dekstrin kullanıldığında oluşmadığı görülmektedir. Dekstrinin, saf suda çok daha kolay çözelti oluşturması nedeniyle, yapıdaki çözünmeyen bağlayıcı kütlesi miktarı azalmış ve büyük gözeneklerin oluşumu engellemiştir. Şekil 3. Dekstrin içeren ve 1000 C de 3 saat pişirilmiş ön şekillerin optik mikroskop görüntüsü a) %5 Dekstrin b) %10 Dekstrin c) %15 Dekstrin c) %20 Dekstrin (100X) Ön şekil bileşimindeki PVA oranının artması ile birlikte eğme mukavemeti değerlerinde düşme olduğu görülmüştür. Bunun nedeni, PVA miktarının artması ile birlikte porozite oranının da artmasıdır. Dekstrin ise yapıda bağlayıcı etkisi yaratarak mukavemetin artmasını sağlamıştır

5 Şekil 4. PVA ve dekstrin oranının eğme dayanımına etkisi 4.GENEL SONUÇLAR Metal matrisli kompozit malzeme üretiminde kullanılacak olan ön şekillerden istenen temel özellikler gözeneklilik ve mukavemettir. Yapının sahip olduğu gözeneklilik, metal emdirme işlemi sırasında tam bir karışmanın oluşmasını sağlarken, mukavemet ise emdirme sırasında ortaya çıkan gerilmeler karşısnda ön şekilin dağılmadan yapısını korumasını sağlar. Üretilen ön şekil yapılarında artan PVA miktarı ile eğme azaldığı ve yapının sahip olduğu gözenekliliğin arttığı görülmüştür. Dekstrin ise ön şekil yapısında takviye elemanı olarak bulunan SiC tanelerinin birbirine daha güçlü bağlanmasını sağlamıştır. Bu nedenle; artan dekstrin miktarı ile gözeneklilik azalırken, eğme dayanımı artış göstermiştir. KAYNAKLAR [1] Chawla K.K., (1998), Composite Materials, Science and Engineering, USA [2] Şahin Y., (2006), Kompozit Malzemelere Giriş, Seçkin Yayınclık, Ankara [3] Chen J., Hao C., Zhang J., Fabrication pf 3D-SiC network reinforced aluminium-matrix composites by pressureless infiltration, Materials Letters 60, (2006), pp [4] Nicom N., Nomura H., Melt infiltration SiCp reinforced Al matrix composite by newly designed pressure infiltration technique, Materials Science and Engineering, (2006), pp [5] Herzog A., Thünemann M., Vogt U., Beffort O., Novel application of ceramic precursors for the fabrication of composites, Journal of the European Ceramic Society 25, (2005), pp