TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (4) 8-13 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Al Matrisli B 4 C Takviyeli Kompozitlerin Sıcak Presleme Yöntemiyle Üretimi Ayhan ORHAN, Ali Kaya GÜR, Uğur ÇALIGÜLÜ Fırat Üniversitesi, Metal Eğitimi Bölümü, 23119, Elazığ-TÜRKĐYE Özet Bu çalışmada; gaz atomizasyon yöntemiyle üretilmiş %99 saflıktaki Al tozunu matris, %99 saflığa sahip B 4 C tozunu ise takviye elemanı olarak kullanıp, ağırlıkça farklı oranlara sahip metal matrisli kompozit malzemeler üretilmiştir. Takviye elemanı olan B 4 C tozu ağırlıkça %10, 20 ve 30 oranındadır. Kompozitlerin üretimi farklı ve basit bir üretim yöntemi olan toz metalurjisi yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Kompozitler soğuk izostatik preslemeden sonra sıcak presleme yöntemiyle porozite minimuma indirgendi. Sıcak presleme işlemi esnasında çalışma sıcaklığı olarak 500 ve 550 0 C seçildi. Üretilen kompozitlerin metalografik incelemeleri SEM de yapıldı. Ayrıca üretilen kompozitlerin mikrosertlik sonuçları alınıp değerlendirildi. Bu çalışma sonucunda; Al matrisli B 4 C takviyeli kompozitin homojen bir dağılım göstererek üretilebildiği ve ağırlık oranlarına paralel olarak mikrosertliklerde değişim olduğu izlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Al, B 4 C, MMK, Sıcak Presleme. 1. Giriş Son yıllarda teknoloji ve endüstride meydana gelen hızlı gelişmeye ve pahalanan enerjiye bağlı olarak daha üstün özelliklere sahip malzemelere olan gereksinim gün geçtikçe artmaktadır. Bu gereksinime paralel olarak bilimadamları yeni ve üstün özellikli malzeme üretimi için çeşitli çalışmalar yapmaktadırlar. Bu çalışmalar doğrultusunda üstün özelliklere sahip kompozit malzemeler üretilmektedir. Bu üstün özellikleri yüksek elastik modülü, yüksek mukavemet ve düşük ısıl genleşmeden dolayı oldukça caziptirler [1]. Metal Matrisli kompozitler, hem toz metalürjisi hem de metal sıvı infiltrasyonu yöntemleri ile oldukça başarılı bir şekilde üretilmektedirler. Kompozitler için en uygun matris malzemesi hafif metaller ve bunların alaşımlarıdır. Genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu ve Zn matris malzemesi olarak kullanılır. Ancak Al ve alaşımları, Ti ve Mg a göre daha yaygın olarak kullanılmaktadır [2]. Metal matrisli kompozitler; aralarında karıştırmalı döküm, basınçlı döküm, toz metalürjisi (TM), basınçlı sıvı metal süzdürme tekniği, derin çekme, haddeleme, sıcak extrüzyon gibi sıcak ve soğuk şekillendirme tekniklerinin bulunduğu oldukça geniş olan geleneksel ve ileri şekillendirme teknikleri ile şekillendirilirler. Bu şekillendirme teknikleri katı fazda şekillendirme, sıvı fazda şekillendirme, katı-sıvı fazda şekillendirme olarak sınıflandırılabilir. Diğer taraftan metal matrisli kompozitlerin talaşlı imalatla şekillendirilmesi takviye elemanının hasarına yol açacağından ve sert takviye parçacıklarının işlenmesinin yüksek maliyeti nedeniyle kullanım alanları sınırlıdır [3,4]. Hızla gelişen farklı malzeme ihtiyacı ve bu malzemelerin değişik uygulama alanları araştırmacıları farklı üretim yöntemi geliştirmeye yönlendirmiştir. Bu farklı özellikteki malzemelerin bir kısmı da Toz Metalürjisi (TM) yöntemi ile üretilen malzemelerdir. Son zamanlarda TM ile malzeme üretimi en hızlı gelişen imalat yöntemlerinden birisi olmuştur. TM ile üretim yöntemi, karıştırılmış metal tozlarının, oda sıcaklığında veya yüksek sıcaklıklarda, üretilecek parça şekli ve boyutlarına sahip kalıp içinde preslenerek şekillendirme ve ardından belirli bir sıcaklıkta sinterleme ile gerçekleştirilen bir imalat yöntemidir [5]. Toz metal parçalar haddeleme, döküm gibi geleneksel imalat yöntemleri ile üretilen malzemelere göre bazı değişik ve avantajlı özelliklere sahiptir. Bu avantajlar, üretimi zor olan alaşımları

Orhan, A., Gür, A.K., Çalıgülü, U. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 8-13 daha kolay üretme, karmaşık şekilli parçaların imalat kolaylığı, yoğunluk kontrolü ve ekonomiklik gibi özelliklerdir [6]. Alüminyum ve alaşımları, bazı korozif ortamlarda bozulmaya karşı iyi mekanik özellik direnci ile düşük yoğunluklarından dolayı kimya, otomotiv, gıda, havacılık ve denizcilik endüstrisindeki birçok uygulamada istenen ve kullanılan malzemelerdir [7]. Al matrisli partikül takviyeli kompozitlerin, ticari Al alaşımları ile kıyaslandığında artan sertlik, yüksek aşınma direnci, mukavemetinin uygunluğu, titreşim azaltıcı ve düşük ısıl yayınım katsayısı gibi malzemelerde istenilen üstün özellikleri bir arada bulundurması nedeniyle bu malzemeler daha da önemli olmuştur [8]. Kompozit malzemelerin üretiminde karşılaşılan temel problem, matris ile takviye malzemeleri arasında etkili bir bağlanmanın elde edilememesidir. Nispeten düşük sıcaklıklarda yapılan TM üretim yöntemi, teorik olarak arayüzey kinetiğinin daha iyi kontrol edilmesini sağlar [9]. Al 2 O 3, SiC, TiC ve B 4 C gibi seramik malzemeler fiziksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı mühendislik alanında oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak seramik malzemelerin makine parçalarında kullanımı düşük kırılma tokluğu ve dayanımına neden olduğundan kullanım alanları sınırlandırılmıştır. Ancak bunun yanı sıra partikülün sertliği ana yapının sertlik değerlerini de arttırdığı gözlenmiştir [10]. Seramik visker, fiber ve parçacık takviyeli alüminyum kompozitler genellikle sürtünme ve aşınmaya dayanıklı malzemeler olarak kullanılır [11]. Takviye elamanı ve matriks oranlarının istenen miktarda ayarlanabilmesi ve şartlara en uygun malzemenin üretimi için malzeme üretilmeden önce tasarlanabilmesi kompozitlerin en önemli avantajı olarak sayılabilir [12]. B 4 C, etkili bir takviye malzemesinden beklenen birçok üstün özelliğe sahiptir. Bu özellikler; yüksek rijitlik ve sertlik, yüksek darbe ve aşınma direnci, yüksek ergime noktasına sahip olmak ve yüksek kimyasal direnç gibi üstün mekanik ve fiziksel özellikleri ile alüminyum için oldukça cazip bir takviye malzemesidir. Bunların yanı sıra düşük olan yoğunluğu (2510 kg/m -3 ) nedeniyle B 4 C alüminyum için en uygun takviye elemanlarından birisidir [13, 14]. Ancak, B 4 C tozlarının maliyetinin, SiC veya Al 2 O 3 gibi takviye elemanlarına göre daha yüksek olması nedeniyle, B 4 C takviyeli alüminyum matrisli kompozitler üzerine yapılan araştırmaların kısmen sınırlı kalmasına yol açmaktadır [15]. Yüksek sertlik, yüksek ergime sıcaklığı, düşük yoğunluk, yüksek elastik modül, yüksek aşınma direnci ve yüksek nötron absorblama gibi üstün özelliklere sahip B 4 C seramikleri, su jeti kesicilerinin ve kumlama makinelerinin nozülleri, nükleer kontrol çubukları, radyasyondan koruyucu kalkanlar, balistik zırh uygulamaları, metal buharlaştırma kayıkçıkları gibi geniş bir kullanım alanına sahiptir [16]. Ancak B 4 C seramiklerinin bu üstün özellikleri, maksimum yoğunlaştırılmış parçalarda elde edilebilmektedir. Düşük yayınma katsayısı nedeniyle, B 4 C seramiklerini, teorik yoğunluklarının %80 nin üzerinde sinterlemek oldukça güçtür. B 4 C seramiklerini yüksek sıcaklılarda sinterleme işlemi, oldukça yüksek basınç uygulaması olan sıcak presleme işlemini gerektirir [17]. Bu çalışmada, toz metalürjisi yöntemi ile sıcak presleme yapılarak, alüminyum matrisli farklı oranlarda B 4 C takviyeli kompozitin üretimi ve üretilen kompozitin mikroyapı özellikleri incelenmiştir. 2. Materyal Ve Metot Deneysel çalışmalarda üretimi yapılacak olan kompozitte kullanılacak metal tozlarının kimyasal analizi ve boyutları Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Üretilecek Kompozit Đçin Kullanılan Tozlar Kompozit Matris Takviye Al 99,7 - B 4 C - 99,6 Diğer 0,3 0,4 Boyut (µm) 64 46 Yoğunluk 2,70 2,51 9

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 8-13 Al Matrisli B 4C Takviyeli Kompozitlerin Sıcak Presleme Yöntemiyle Üretimi Üretilecek olan Alüminyum matrisli B 4 C takviyeli kompozitin karışım kombinasyonu Tablo 2 de verilmiştir. Bu karışım Şekil 1 deki 1200 devir/dakika lık karıştırıcı yardımıyla 1,5 saat boyunca karıştırıldı. Kompozitlerin hacimce oranı aşağıdaki formülle belirlendi [18]. Tablo 2. Presleme Öncesi ve Sonrası Kompozit Boyutları Al/B 4 C Ağırlıkça (%) Al/B 4 C Hacimce (%) Al Miktarı (gr) 10 11 90 10 20 23 80 20 30 35 70 30 B 4 C Miktarı (gr) Şekil 1. Metal Toz Karıştırıcı Karışımı yapılan Al ve B 4 C metal tozları Şekil 2 deki toz presleme kalıbı yardımıyla, ŞAHĐNLER marka 50 tonluk hidrolik preste 550 MPa basınç altında izostatik olarak sıkıştırıldı. Literatürde, Al/B 4 C kompozitlerinin TM yöntemiyle üretiminde 200 700 MPa arasında değişen basınçlar uygulandığı görülmüştür [15, 19]. Şekil 2. Toz Presleme Kalıbı Soğuk presleme sonunda malzemeler daha sonra presleme kalıbından çıkarılmadan atmosfer kontrollü fırında, kompozitin porozite oranını minimuma indirmek ve takviye elemanı B 4 C nin homojen bir dağılımını sağlamak için 600 C de 2 saat süreyle sinterlendi. Sinterlenen kompozitler sıcak kalıp içerisinde 300 MPa basınçla sıcak presleme işlemine tabi tutuldu. Üretilen Al matrisli B 4 C takviyeli kompozitlerin boyutları Tablo 3 te verilmiştir. 10

Orhan, A., Gür, A.K., Çalıgülü, U. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 8-13 Al/B 4 C Ağırlı kça (%) Tablo 3. Üretilen Kompozit Boyutları Presleme Öncesi Kalıptaki Toplam Toz Boyu Soğuk Presleme Sonrası Kompozi t Boyu (mm) (mm) 10 80 36 30 20 80 45 38 30 80 47 42 Sıcak Presleme Sonrası Kompozi t Boyu (mm) Üretilen Al esaslı B 4 C takviyeli kompozit metalografik incelemeleri yapılmak üzere numuneler sırayla 320, 500, 800, 1000 ve 1200 meshlik SiC partiküllü zımpalardan geçirilip mekanik olarak yüzeyleri parlatıldı. Daha sonra 1µm lik elmas pasta yardımı ile çuhada parlatma işlemi tamamlandı. Parlatılan numuneler hazırlanan KELLER dağlayıcısı ile dağlama işlemine tabi tutuldu [20]. Kompozit numunelerden bir eksen boyunca 50 µm lik aralarla mikrosertlik ölçümleri yapıldı. Mikrosertlik ölçümleri, INSTRON WOLPERT TESTOR 2100 marka mikrosertlik ölçme cihazında 100 gr lık yük uygulanarak Hv cinsinden yapıldı. Al/B 4 C kompozit malzemelerin içyapı görüntüleri için JEOL 5600 marka Scanning Electron Microscope (SEM) kullanıldı. 3. Bulgular ve Tartışma Yapılan deneylerin sonunda SEM görüntüleri MAP dağılımı ve mikrosertlik değerlerine göre deney sonuçları tespit edildi. Şekil 3, 4 ve 5 te görüldüğü gibi Al matris içinde takviye durumundaki B 4 C oldukça homojen bir şekilde dağılım gösterdiği izlenmiştir. Bu durumu Şekil 6 daki MAP resminde de açıkça görülmektedir. B 4 C bileşiğini EDS analizlerinde sadece B (Bor) olarak okunması nedeniyle yeşil renkli olarak görülen element aslında B 4 C dir. Kırmızı renkli element olarak Al gösterilmektedir. Al- B 4 C haritası (MAP) incelendiğinde homojen dağılım daha net görülmektedir. Bu homojen dağılıma sıcak preslemenin etkisi oldukça fazladır. Ayrıca kompozitin matris ve takviye bölgesinden alınan EDS analizleri Şekil 7 de gösterilmiştir. Matris ve takviye üzerinden farklı noktalardan alınan EDS analizlerine baktığımızda; 1 numaralı analizin alındığı takviye elemanına sıvanmış durumda yaklaşık %3 lük bir Al elementi görülmektedir. Mikrosertlik değerlerinin değerlendirmesi genel olarak Şekil 8 de gösterilmiştir. Bu grafik incelendiğinde artan takviye oranına bağlı olarak mikrosertlikte bir artış olduğu görülmektedir. Takviye elemanı B 4 C nin matris içindeki oranının fazlalığı kompozitin mikrosertliği ile doğru orantılı olduğu gözlenmektedir. Şekil 3. Al Matrisli Ağırlıkça %10 B 4 C Takviyeli Kompozit Şekil 4. Al Matrisli Ağırlıkça %20 B 4 C Takviyeli Kompozit 11

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 8-13 Al Matrisli B 4C Takviyeli Kompozitlerin Sıcak Presleme Yöntemiyle Üretimi Şekil 5. Al Matrisli Ağırlıkça %30 B 4 C Takviyeli Kompozit Şekil 6. Al Matrisli Ağırlıkça %30 B 4 C Takviyeli Kompozitin Al-B Haritası Şekil 7. Kompozitin EDS Analizi Alınan Bölgeler ve Sonuçları Şekil 8. Al/B 4 C Kompozit Numunelerin Mikrosertlik Grafiği 4. Sonuçlar Al matrisli ve ağırlıkça %10, 20 ve 30 B 4 C takviye katkılı kompozitin yapılacağı, SEM incelemelerinde tüm numunelerde matris içindeki takviye dağılımının homojen olduğu, Mikroyapılar incelendiğinde birbiri arasında fazla bir değişiklik görülmediği 12

Orhan, A., Gür, A.K., Çalıgülü, U. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 8-13 Mikrosertlik değerleri incelendiğinde ise, %30 luk kompozitin ortalama sertliği diğer kompozitlere oranla daha fazla olduğu, Takviye oranının artması ile mikrosertlik artışı arasında bir doğru orantı olduğu, Farklı presleme koşullarının mikroyapı ve özelliklere olan etkisi, 550 0 C de gerçekleştirilen sıcak presleme sonucu artan takviye miktarına bağlı olarak numunelerin yoğunluklarının azaldığı, görülmüştür. 5. Kaynaklar 1. Ray, Y., Kannikeswaran K., 1989, Intel-facial Reaction Kinetics of Al/SiC Composite During Casting, Interfaces in Metal-Ceramic Composites, The Minerals, Metals & Materials Society, pp:153-164. 2. Taya, M., Arsenault R.J., 1987, A Comparison Between a Shear Lag Type Model and an Eshelby Type Model in Predicting the Mechanical Properties of a Short Fiber Composite, Scripta Metallurgica, Volume:21, Issue:3, Pages:349-354. 3. Poudens, A., Bacroix, B., Bretheau, T., 1995, Influence of Microstructures and Particle Concentrations on the Development of Extrusion Textures in Metal Matrix Composites, Materials Science and Engineering A, Volume:196, Issues:1-2, Pages:219-228. 4. Jiang, J., Collado, C., Keeley, D., Dodd B., 1995, Room Temperature Formability of Particle- Reinforced Metal Matrix Composites: Forging, Extrusion and Deep Drawing Composites, Volume:26, Issue:11, Pages:785-789. 5. Ekşi, A.K., Bircan, D.A., 2006, Mechanical Properties of Cold and Warm Compacted Aluminum Alloys (Al7XXX) Proceedings of 11 th International Materials Symposium, Denizli/Turkiye. 6. Sonsino, C.M., Schlieper, G., Huppmann, W.J., 1984, Influence of Homogeneity on The Fatigue Properties of Sintered Steels, Int. Journal Powder Metallurgy, Vol:20, No:1, pp:45-50. 7. Akgün, S., Şahin, S., 2006, Influence of age Hardening on Mechanical Properties at SiC/AA7075 Composites Produced by P/M Proceedings of 11 th International Materials Symposium, Denizli/Turkiye 8. Mindiva, H., Baydogan, M., Kayalı, E.S., Cimenoglu, H., 2005, Wear Behaviour of 7039 Aluminum Alloy, Materials Characterization, Vol:54, pp:263 269. 9. Harrigan, W.C., 1998, Commercial Processing of Metal Matrix Composites, Materials Science and Engineering, Vol:244, pp:75-79. 10. Furukawa, M., Nakano, O., Tasashima, Y., 1988, Fracture Toughness of Al 2 O 3 -TiC Ceramics, International Journal of Refractory & Hard Metals, Vol:7(1), pp:37-40. 11. Bedir, F., Varol, R., 2006, Production of Al-Cu/TiC Composites and Their Wear Characteristics Proceedings of 11 th International Materials Symposium, Denizli/Turkiye. 12. Altınkök, N., Demir, A., Özsert, I., Fındık, F., Soy, U., 2006, The Investigation of Mechanical Behaviour and Produced Al 2 O 3 /SiC p Reinforced Al Metal Matrix Composites Proceedings of 11 th International Materials Symposium, Denizli/Turkiye. 13. Kennedy, A.R., Brampton, B., 2001, The Reactive Wetting and Incorporation of B 4 C Particles into Molten Aluminium, Scripta Material, Vol:44, pp:1077-1082. 14. Lee, B.S., Kang, S., 2001, Low-Temperature Processing of B 4 C-Al Composites Via Infiltration Technique, Materials Chemistry and Physics, Vol:67, pp:249-255. 15. Zhang, H., Ramesh, K.T.E., Chin, S.C., 2004, High Strain Rate Response of Aluminium 6092/B 4 C Composites, Materials Science and Engineering A, Vol:384, pp:26-34. 16. Thevenot, F., 1990, Boron Carbide-A Comprehensive Review, Journal of the European Ceramic Society, Vol.:6, pp:205-225. 17. Kumdalı, F., Toptan, F., Kerti, I., 2006, Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretilen Al-B 4 c Kompozitlerinde Presleme ve Sinterleme Koşullarının Mikroyapı ve Özelliklere Etkisi 13 th International Metallurgy & Materials Congress, Ankara/Turkiye. 18. Seo, Y.H., Kang, C.G., 1999, Effects of Hot Extrusion Through a Curved die on the Mechanical Properties of SiC p /Al Composites Fabricated by Melt-Stirring, Composites Science and Technology, Volume:59, Issue:5, Pages:643-654. 19. Cambronero, L.E.G. Sánchez, E. Ruiz-Roman, J.M. Ruiz-Prieto, J.M. 2003, Mechanical Characterisation of AA7015 Aluminium Alloy Reinforced with Ceramics, Journal of Materials Processing Technology, Volumes:143-144, Pages:378-383. 20. Geçginli, E., 1989, Metalografi, ĐTÜ Yayınları, Đstanbul. 13