Bi ve Co Ġlavesinin Az91 AlaĢımının Abrasif AĢınma DavranıĢı Üzerine Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 1618 May 11, Elazığ, Turkey Bi ve Co Ġlavesinin Az91 AlaĢımının Abrasif AĢınma DavranıĢı Üzerine Etkisi M. Durum 1, F. Gül 1, M. Ünal 2, Y. Türen 2, Ġ. Erdem 2 1 Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Döküm Eğitimi ABD fgul@gazi.edu.tr, mustafa_durum86@hotmail.com 2 Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü unal62@hotmail.com, yturen@hotmail.com, ibrahimerdem55@gmail.com Influence of Bi and Co Additions to Az91 Alloy on Abrasıve Wear Behavıours Abstract In this study, effect of %0.5 Bi and Co additions by weight to alloy on their abrasive wear behavior has been investigated. Pinondisk type equipment has been used for the abrasive wear testing. Abrasive wear test performed on 180, 2 and 400 mesh A abrasive belt under, loads for m with a 0,2 m/s sliding velocity. It was observed that both Bi and Co additions at lower levels (0.5 wt.%) increased the hardness of alloy. Abrasive wear test results show that under and N loads, abrasive wear resistance was reduced by additions of Bi and Co. Keywords alloy, abrasive wear, hardness, alloying elements I. GĠRĠġ Günümüzde enerji kaynaklarının ve ekolojik dengenin korunması otomotiv sektörünü yakıt tüketiminde zorunlu kısıtlamalara götürmektedir.bu amaçla araç lastiklerinde sürtünmenin azaltılması, ağırlıkta azalma, motor ve transmisyon verimliliğinin artıtılması, araç ön alanının küçültülmesi ve aerodinamik tasarım gibi yaklaģımlar üzerine çalıģılmaktadır[1]. Örneğin araç ağırlığında yaklaģık 0 kg lık bir azalma ile 0 km de 0.5 lt bir yakıt tasarrufu sağlanmaktadır[2]. Ağırlıkta 40 kg lık azalma, atmosfere verilen egsoz gazlarında da azalma sağlamaktadır[2]. Yakıt tüketimini azaltmak için, otomotiv endüstrisinin mutlaka hafif aynı zamanda da güvenilir malzeme kullanması zorunludur. Bu kapsamda özellikle otomobil üretiminde ağırlıktan azalma üretici firmaların en önemli hedefi haline gelmiģtir[3]. Otomotiv endüstrisinin magnezyum (Mg) kullanımındaki artıģ geçen yıl içerisinde her yıl %15 olarak gerçekleģmiģtir. Bu artıģın önümüzdeki yıl içerisinde %12 lik oranla artmaya devam edeceği beklenmektedir[4,5]. Mg esaslı alasımlarda Al, Mg un katı çökelti dayanımını,ergiyin dökülebilirligini gelistirir ve döküm alasımlarının mikro gözeneklerini azaltır. Al katkısı alasımın sertligini, dayanımını ve katılasma zamanını artırmakta, fakat sünekligini azaltmaktadır. Mg alasımlarında Mg 17 Al 12 intermetaliğinin düsük sıcaklıklarda ( 1 0 C) olusarak alasımın dayanımını gelistirir. Bununla birlikte, fazla miktarda Al içeren alasımlar mikro gözeneklere karsı egilimlidirler [5,6,,11]. Zn, çökelti sertlesmesi sayesinde ortam sıcaklıklarında dayanımı ve aynı zamanda ergiyigin akıcılıgını artırmakla birlikte, tane sınırlarına çökelmesi ile sıcak yırtılma olusturdugu için %2 ile sınırlıdır [5, 6]. Si un Mg alasımlarının dökülebilirligini ve akıcılıgını düsürdügü açıklanmaktadır [6,12,13] Si atomları, oda sıcaklıgında katı halde Mg 2 Si intermetalik olusturur [14]. ile birçok çalıģma yapılmıģtır fakat beklenilen sonuçlara tam anlamıyla ulaģılamamıģtır. Bununla birlikte alaģımlarının aģınma özellikleride incelenmektedir. Bu çalıģmada da e Bi veya Co (ağ.%0.5) ilave edilerek aģınma özellikleri incelenecektir. II. DENEYSEL ÇALIġMALAR ÇalıĢmalar için ticari saflıktaki (% 99.9) Mg, Al, Zn ile birlikte ilave elementi olarak % 0,5 Bi veya Co kullanılmıģtır. Mg alaģımlarının ergitilmesinde ve dökümünde atmosfer kontrollü elektrikli direnç ocağı kullanılmıģtır. AlaĢımların ergitilmesi 2 kg Mg ergitme kapasiteli çelik potada yapılmıģtır. Ergitme koruyucu gaz altında gerçekleģtirilmiģtir. Bu çalıģmada alaģımların oranları % ağırlık olarak verilirken,, +%0.5 Bi, +%0.5 Co alaģımları sırasıyla 334

2 Bi ve Co İlavesinin Az91 Alaşımının Abrasif Aşınma Davranışı Üzerine Etkisi 0.5Bi, 0.5Co olarak kodlanmıģtır. Üretilen farklı alaģımların kimyasal bileģimleri Tablo 1'de verilmiģtir. Tablo 1: Deneylerde kullanılan numunelerin kimyasal bileģimleri. Bileşim(%) 0.5Bi 0.5Co µm Mg Al Zn Bi Co Diğer 89,80 9,27 0,79 0,14 89,35 9,24 0,75 0,53 0,13 89,31 9,25 0, ,16 Mg 3Bi 2 0,5Bi (a) MgCo 2 0,5Co Mikroyapı incelemeleri standart zımparalama ve parlatma iģlemleri yapılmıģ numune yüzeyleri üzerinde gerçekleģtirilmiģtir. Sertlik testleri mesh zımpara kullanılarak hazırlanan yüzeyler üzerinden FV0 model futuretechcoop marka dijital vickers sertlik ölçme cihazı ile gerçekleģtirilmiģtir. Abrasif aģınma testleri, 6 mm çapında hazırlanan numuneler kullanılarak disk üzerinde pim abrasif aģınma cihazında yapılmıģtır. Abrasif aģınma testlerinde 180, 2 ve 400 Mesh Al zımpara ile ve N yükler altında, 0,2 m/s kayma hızında ve kayma yüzeyine dik hareketi sağlayan mekanizma ile numunenin sürekli yeni zımpara yüzeyine gelmesi sağlanacak Ģekilde gerçekleģtirilmiģtir. III. DENEYSEL SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRME A. Mikroyapı mikroyapısı incelendiginde yapının genelde αmg ana matrisi içerisinde tane sınırları boyunca uzanan ötektik ve intermetalik fazlarından meydana geldigi görülmektedir. Bu fazların MgAl ötektigi ile Mg 17 Al 12 intermetaliğidir [15]. mikro yapısı tipik αmg ve tane sınırlan boyunca oluģmuģ intermetalik fazlardan oluģmaktadır. Ġntermetalik fazların morfolojik yapısı literatür [6] ile benzerlik taģımaktadır ve söz konusu fazların βmgı 7 Alı 2 fazları olduğu rapor edilmiģtir, β fazı morfolojisi αmg + β ötektiği yada tek baģına β olarak görülmektedir. Bu çalıģmada yapılan e ilave edilmiģ Bi ve Co numunelerinin mikroyapı görüntüleri ġekil I'de verilmiģtir. alaģımlarında Bi ilavesi Mg 3 Bi 2 Ģeklinde intermetalik faz olarak görülebilmektedir. Fakat EDX olmaksızın sem ile belirlemek oldukça güçtür. Çok ince nano partüküller Ģeklinde yapı içerisinde dağıldığı varsayılmaktadır [16,17]. MgZn alaģımlarında Co ilavesi MgCo 2 Ģeklinde bir faz olarak görülmektedir. Ancak TEM ile görülebilmektedir. Mg içerisinde Co nun çözünebilirliği yok denecek kadar az seviyededir[18]. (b) (c) ġekil 1: Döküm alaģımının mikro yapı görüntüleri; a), b) 0.5Bi, c) 0.5Co B. Sertlik alaģımına farklı oranlarda Bi ve Co ilavelerine bağlı olarak edilen sertlik ölçüm sonuçları Tablo 2 ve ġekil 2 de verilmiģtir. e ilave edilen Bi ve Co (ağ.%0,5) elementlerinin sertliği artırdığı gözlenmiģtir. Tablo 2: ve ilave element miktarına bağlı sertlik değiģimi. AlaĢım 0.5Bi 0.5Co µm Sertlik µm ġekil 2: e ilave edilen Bi ve Co miktarına bağlı sertlik değiģimi. 335

3 Ağırlık kaybı (mg) Ağırlık kaybı (mg) Ağırlık kaybı (mg) M. Durum, F. Gül, M. Ünal, Y. Türen, İ. Erdem C. Aşınma e Bi ve Co (ağ.%0,5) ilavesi ile 180, 2 ve 400 mesh boyutlarındaki A aģındırıcı ve ve N yükler uygulanarak yapılan abrasif aģınma testleri neticesinde elde edilen sonuçlar ġekil 3, 4 ve 5'te verilmiģtir. ġekil 3, 4 ve 5'de uygulanan yük miktarındaki artıģ ile ağırlık kaybı paralel olarak artmaktadır ve literatür ile uyumluluk göstermektedir [7]. Sonuçlar, 180 mesh aģındırıcı kullanımı durumunda malzeme en yüksek aģınma miktarına sahip iken, % 0,5 Bi veya % 0,5 Co ilavesi ile aģınma miktarının önemli derecede düģtüğü, diğer taraftan 2 Mesh aģındırıcı kullanımı durumunda alaģımı N yük altında en düģük aģınma miktarına sahip iken, N yük altında, ve %0,5 Bi alaģımı eģit aģınma miktarı sergilerken, %0,5 Co içeren alaģım yaklaģık % daha yüksek aģınma sergilemektedir. 400 mesh aģındırıcı kullanımı ve N yük altında en yüksek aģınma sergilerken, % 0,5 Bi veya % 0,5 Co ilavesinin % 15 aģınma miktarında azalma meydana getirdiği gözlenmiģtir. Öte yandan N yük altında en yüksek aģınma miktarına sahip iken % 0,5 Bi ilavesi ile aģınma miktarında % 3, % 0,5 Co ilavesi ile yaklaģık % 8 aģınma miktarında azalma gözlenmiģtir. AĢınma testlerinde sonuçlar genellikle sertlik ile iliģki kurularak yorumlanmaktadır [8,9]. Bu çalıģmada da sertlik artarken aģınma miktarında azalma görülmüģtür. Genel olarak iri aģındırıcı boyutunda alaģımına % 0,5 Bi veya % 0,5 Co aģınma direncinde önemli geliģme sağlamasını temin etmiģtir. AĢınma mekanizması mikro kesme ve çatlak oluģumları Ģeklinde meydana gelmektedir (ġekil 6). 0.5Bi veya 0.5Co numunelerinde numunesine nazaran β fazının etkisiyle aģınma sırasında fazların kesilmesi yada çatlak oluģumu zorlaģmaktadır. yüzeyinde aģınma miktarı 7.6 mg mm2 iken, lazer ile Ni alaģımlama yapılarak aģınma miktarının 3.8 mg mm2 ye düģtüğü bulunmuģtur. Yüzeyi lazer ile Ni alaģımlanmıģ in geliģmiģ aģınma direnci özelliği amg matrikste Mg2Ni fazının dağılımı nedeniyle yüzeyin sertleģtirilmesine dayandırılmaktadır [19]. Öte yandan Srinavatsan ve arkadaģlarının yapmıģ olduğu çalıģmada, geleneksel alaģıma göre geri kazanılmıģ basınçlı döküm alaģımının daha düģük sürtünme katsayısı ve daha düģük aģınma hızı gösterdiği tespit edilmiģtir. Bu geliģmiģ aģınma direncinin, daha yüksek sertlik ve nispeten daha yüksek βfazı hacim oranı ve daha yoğun bir Ģekilde yüzeye yakın olarak dağılmıģ olmasına dayandırılmaktadır []. Shanthi ve arkadaģlarının talaģının ballmill mekanik alaģımlama tekniği ile 1 saat karıģtırma sonucu 11.4 um, saat karıģtırma ile 0.6 um tane boyutu elde edilmiģ, bu numuneler mekanik alaģımlamadan sonra kompakt iģlemi yapılmıģ daha sonra sinterlenmiģ ve sıcak ekstrüze edilmiģtir. DökülmüĢ haldeki malzemenin sıcak ekstrüzyondan sonraki tane boyutu ise 28.9 um elde edilmiģtir. Bu malzemelerin adhesif aģınma testinde N yük altında, artan kayma hızıyla birlikte hacimsel aģınma oranının azaldığı tespit edilmiģ, her bir malzemenin tane boyutunun farklı olmasına rağmen aģınma performanslarının pek fazla değiģmediği ve tarama elektron mikroskobu incelemelerinden düģük hızlı kayma Ģartları altında baskın mekanizmanın abrasif aģınmanın, artan kayma hızıyla birlikte ise mekanik olarak karıģmıģ katmanın (mechanical mixed layer) meydana geldiği tespit edilmiģtir [21] ġekil 3: e Bi veya Co ilavesine bağlı aģınma miktarı değiģimi. (AĢındırıcı:180 mesh) ġekil 4: e Bi veya Co ilavesine bağlı aģınma miktarı değiģimi. (AĢındırıcı:2 mesh) ġekil 5: e Bi veya Co ilavesine bağlı aģınma miktarı değiģimi. (AĢındırıcı:400 mesh) 336

4 Bi ve Co İlavesinin Az91 Alaşımının Abrasif Aşınma Davranışı Üzerine Etkisi IV. SONUÇLAR alaģımına Bi veya Co ilavesi Mg 17 Al 12 intermetalik fazının oluģumunu azaltmıģtır. Mikroyapıda Bi veya Co ilavesi ile ötektik fazında kayda değer bir değiģim göstermediği gözlemlenmiģtir. Bi veya Co ilavesi alaģımının sertliğinnde artıģa neden olmuģtur. AĢınma miktarı e Bi veya Co ilavesiyle uygulanan yüke ve aģındırıcı boyutuna bağlı olarak değiģiklik olduğu yapılan deneyler sonucu gözlenmiģtir. e göre Bi veya Co ilavesinin 180 (mesh) ve 400 (mesh) aģındırıcılarda gözle görülür bir düģüģ meydana geldiği görülmüģtür.2 (mesh) aģındırıcıda ise yük altında Co ilavesinin bir miktar artıģ gösterdiği görülsede genel olarak bir değiģim söz konusu değildir. Alaşım 0.5Bi 0.5Co X500 ġekil 6: e ilave edilen Bi ve Co miktarına ve uygulanan yüke bağlı aģınma yüzey görüntüleri (SEM) (400 mesh) KAYNAKLAR [1] Vecchiarelli M.A (1992), Sand Cast Magnesium Prototypes For Automotive Die Casters, SAE Technical Report Paper Series, [2] Dobrzanski L.A, Tanski T, Cizek L, Brytan, Z (07) Structure and properties of magnesium cast alloys, Journal of Materials Processing Technology, : [3] Durrani S, (1993) Optimizing Convertible Automobile Design Trough the Use of Magnesium, SAE Tecnical Report Papier Series, 9411 [4] Luo A.A (00) Materials Comparison And Potential Applications Of Magnesium In Automobiles, Magnesium Technology 00, Nashville, [5] Barber L.P (04) Characterization of the Solidification Behavior and Resultant Microstructures of MagnesiumAluminum Alloys, Yüksek Lisans Tezi, Worcester Polytechnic Institute, Worcester. [6] Zhang Z., "Development of MagnesiumBased Alloys for Elevated Temperature Applications", Doctor of These, Faculte Des Sciences Et De Genie Üniversite, Quebec Canada, 275, 00. [7] Acılar.M, Gül.F, "Basınçlı infiltrasyon Yöntemi ile Üretilen Yöntemi ile Üretilen AlSiCp Kompozitlerde Partikül Boyutunun Abrasiv AĢınma DavranıĢına Etkisi", Gazi Üniv. Müh. Mim. Der.. 22, , 07 [8] Hasırcı, H. ve Gül, F.,"Yerçekimine Ters Döküm AllOSi AlaĢımlarının Abrasif AĢınma DavranıĢı", 1. Uluslararası Mesleki ve Teknik Eğitim Teknolojileri Kongresi 57 Eylül. Ġstanbul TÜRKĠYE, 05 [9] Yılmaz, O. And Buytoz, S, "Abrasive wear of A remforced aluminum based MMCs", Composites Science and Technology, 61: , 01. [] Johansson, S., Magnesium Alloys, Summary of chapter 1 7 in Light alloys by I.J.Polmear, Engineering Materials, 5: 17, 02. [11] Schwam, D., Wallace, J.F., Zhu, Y., Viswanathan, S.,Iskander, S., Enhancements in Magnesium Die Casting Impact Properties, Final Report, Case Western Reserve University DOEFC0798ID13611, Ohio, 522, 00. [12] Kazdal, H.K., Magnezyum Alasımları : Otomotiv Endüstrisinde Uygulaması ve Gelecegi, Tubitak, Marmara Arastırma Merkezi, Kocaeli, 339, [13] Vogel, M., Mikrostruktur und Kriechverhalten von MagnesiumDruckgusslegierungen im System MgZnAl Ca, Doktors, MaxPlanckInstitut für Metallforschung, Stutgart, 6, 02. [14] Aizawa, T., Song, R., Mechanically induced reaction for solidstate synthesis of Mg2Si and Mg2Sn, Intermetallics, 14: , 06. [15] Ünal, M., Magnezyum Alasımlarının Döküm Özelliklerinin incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 08. [16] Wei Zhou, Naing Aung, Yangshan Sun Effect of antimony, bismuth and calcium addition on corrosion and electrochemical behaviour of magnesium alloy, Corrosion Science, 09; [17] Yuan Guangyin Zhang Weiming Sun Yangshan Effect of Bismuth Addition on the Mechanical Properties of MgAl Based Alloys ) [18] J. Geng, X. Gao, X.Y. Fang and J.F. Nie Enhanced agehardening response of MgZn alloys via Co additions, Scripta Materialia 64 (11)

5 M. Durum, F. Gül, M. Ünal, Y. Türen, İ. Erdem [19] J. Dutta Majumdar and I. Manna Mechanical properties of a lasersurfacealloyed magnesiumbased alloy () with nickel, Scripta Materialia 62 () [] P. Bala Srinivasan, C. Blawert, W. Dietzel Dry sliding wear behaviour of a conventional and recycled high pressure die cast magnesium alloys Materials characterization 60(09) [21] M. Shanthi, C.Y.H. Lim_, L. Lu Effects of grain size on the wear of recycled Mg, Tribology International 40 (07)