6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 211, Elazığ, Turkey Nano ve Mikro Boyuttaki %5 ve %1 Al 2 O 3 Partikül Takviyeli 316L Paslanmaz Çelik Malzemelerin Mekanik ve Mikroyapı Özellikleri S.S. Pazarlıoğlu 1, H.Ö. Gülsoy 1,2, S. Salman 1, M. Koz 1 1 Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, 34722, Göztepe-ĠSTANBUL 2 TUBĠTAK, Marmara AraĢtırma Merkezi, Malzeme Enst, 4147, Gebze-KOCAELĠ Microstructural and mechanical properties of nano and micro %5 and %1 alumına reinforced 316L stainless steels. Abstract Stainless steel parts were produced by Powder Metallurgy process is important in PM parts. These parts have good corrosion resistance and mechanical properties. Properties of these parts can be change with different secondary operations and additions powder. In this study, austenitic grade 316L stainless steel powder was used. Different particle sized Al 2 O 3 powder was used as reinforcement. Stainless steel powders contain 5 wt% and 1 wt % nano and micron sized Al 2 O 3 powders. All powders were mixed and then they were molded in single forced mold at 6 MPa, as standards tensile tests shapes. Preformed samples were sintered at135 C for 1 hour under high purity hydrogen atmosphere. Density of the sintered samples was measured via Archimedes principles. Hardness and tensile testing were performed each specimens as standards and their mechanical properties were determined. Microstructural evolution of samples was determined by optic microcopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). All extracted data from experiments were compared and discussed with literatures. Keywords Sintering, Stainless Steel, Alumina particles. I. GĠRĠġ Toz Metalurjisi karmaģık Ģekilli parçaların seri olarak üretildiği bir üretim metodudur. TM ile farklı kimyasal kompozisyondaki parçaların üretilmesi mümkündür. TM ürünü parçalar içerisinde paslanmaz çelik parçalar önemli bir yere sahiptir. BaĢta tıp uygulamaları olmak üzere birçok alanda uygulama imkânı bulan bu parçalar korozyon dirençlerinin üstünlükleri ile ön plana çıkarlar. Korozyon dirençlerinin yanı sıra mekanik özelliklerinin de orta düzeyde oluģu bu tip parçaların uygulama alanını arttırır [1-3]. TM ürünü paslanmaz çelikler içerisine farklı metal, ametal veya seramik ilaveler yaparak sinterleme davranıģları değiģtirilebilir. Yapılan bu ilaveler baģta sinterleme davranıģları olmak üzere bir çok mühendislik özellikleri değiģtirir. Bu ilavelerin baģında farklı miktarlardaki seramik tozlar gelmektedir [4-6]. BaĢlangıç tozları içerisine katılan ilave seramik tozlar doğrudan sinterlenebildikleri gibi mekanik alaģımlama gibi teknikler kullanılarak toz özellikleri değiģtirilebilir. Kullanılan seramik tozlar sinterleme sırasında partiküller arası temas noktalarında çökelti oluģturarak elektrokimyasal ve mekanik özellikleri etkiler [7,1,2]. TM ürünü paslanmaz çelikler içerisine katılan farklı seramik ilavelerin ürün özellikleri üzerine etkisi birçok araģtırmacı tarafından çalıģılmıģtır. Bu çalıģmalarda Al 2 O 3, ZrO 2, MgO, TiO, Y 2 O 3 ve TiC gibi farklı tozlar kullanılmıģ ve bu ilavelerin korozyon dayanımı ve aģınma dayanımı olmak üzere mekanik özellikleri arttırdığı gözlemlenmiģtir [1,2,4,6-1]. Bu seramik ilaveler içerisinde korozyon dayanımı ve mekanik özellikler bakımından en baģarılı sonuçlar oksit formundaki seramiklerde elde edilmiģtir [1-3]. Oksit formundaki seramikler sinterleme esnasında partikül temas noktalarında çökelti oluģtururlar ve kompozisyondaki karbon miktarını arttırmazlar. Ayrıca, tane içlerinde ve tane sınırlarında yer alan oksit tipi seramik partiküller sertlik değerlerini arttırarak aģınma mukavemetini geliģtirirler. Partikül ilavelerinin sertlik değerlerini artırmasının aksine, yoğunluk değerleri bir miktar düģüģ gösterebilir. Yapı içerisindeki oksit tipi partikül ilaveleri özellikle korozif ortamlarda oldukça kararlı davranarak bozunmaz ve bu sayede korozyon dayanımını arttırırlar. Tüm bunlardan dolayı bu tip paslanmaz çeliklerin korozyon davranıģları iyileģir [3,7-9]. Son yapılan çalıģmalarda 316L paslanmaz çelik ürünler toz enjeksiyon kalıplama metodu ile üretilmiģ ve bu malzemeler içerisine farklı oksit tipi seramik ilaveleri yapılarak, korozyon ve aģınma dayanımları arttırılmıģtır [11,12]. Bu tip kompozit yapılı malzemelerin ısıl özelliklerinin geliģtiğide bilinmektedir [13]. Hazırlanan bu çalıģmada, geleneksel TM metotları ile üretilen 316L tipi paslanmaz çelikler içerisine nano ve mikro boyuttaki Al 2 O 3 partikül ilaveleri yapılarak, final ürünün mikroyapısal ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiģtir. II. MATERYAL VE METOD Deneylerde kullanılan 316L paslanmaz çelik numuneler geleneksel TM metotları ile üretilmiģtir. BaĢlangıç malzemesi 164
Yoğunluk, g/cm 3 S.S.Pazarlıoğlu, H.Ö.Gülsoy, S.Salman, M.Koz olarak seçilen 316L paslanmaz çelik tozları (Fe-17Cr-12Ni- 2.5Mo-1Si-2Mn-.3C-.45P-.3S) Hoeganaes (U.S.A) firmasından temin edilmiģtir. Bu tozlar su atomizasyonu metodu ile üretilen düzensiz Ģekle sahip olup, ortalama tane boyutu (D 5 ) 75 µm dur. Takviyelendirici olarak iki farklı ortalama tane boyutlarına (1 nm ve 2,8 µm ) sahip Al 2 O 3 tozu (Degussa AG., Almanya) ağırlıça %5 ve %1 oranlarında kullanılmıģtır. KarıĢım tozlar içerisine ağırlıkça %,5 oranında Lonza (Kanada) firmasından temin edilen Arcawax-C yağlayıcı ilavesi yapılmıģtır. Deneysel çalıģmalarda kullanılan numune kodları ve bunlara ait içerikler Tablo 1. de verilmiģtir. Deneysel çalıģmalarda kullanılan 316L tozuna ait SEM görüntüsü ġekil 1. de verilmiģtir. 316L paslanmaz çelik tozlarının düzensiz Ģekilli oldukları görülmektedir. Tüm tozlar Turbula karıģtırıcı içerisinde 85 dev./dak. hızlarında 3 dak. karıģtırılmıģtır. Hazırlanan toz karıģımları standart çekme deneyi numuneleri Ģeklinde, tekyönlü sıkıģtırma uygulanarak 6 MPa basınç altında kalıplanmıģtır. KalıplanmıĢ numuneler, 1 C/dak. ısıtma hızında, 135 C sıcaklığında 1 saat, yüksek saflıktaki hidrojen atmosferinde sinterlenmiģ ve soğutma iģlemi rejimde gerçekleģtirilmiģtir. SinterlenmiĢ numunelerin yoğunlukları ArĢimet prensibine bağlı kalınarak ölçülmüģtür. Numuneler üzerinde Devotrans marka üniversal çekme cihazı kullanılarak çekme testleri gerçekleģtirilmiģtir. Deney esnasında çekme hızı olarak 25,4 mm/dak. seçilmiģtir. Numunelerin sertlik değerleri Instron-Wolpert Dia Testor 7551 üniversal sertlik ölçme cihazı kullanılarak HRA skalasında ölçülmüģtür. Numuneler metalografik kurallar dahilinde hazırlanmıģ ve optik mikroskopta mikroyapı görüntüleri alınmıģtır. Çekme deneyi sonrasında numune kırık yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM- JEOL- JSM6335F) kullanılarak analiz edilmiģtir. Deneysel sonuçların güvenilirliği açısından, her tip numune için en az 5 deney gerçekleģtirilmiģtir. Tablo 1. Numune kodları ve içerikleri Numune Kod % nano Al 2 O 3 % mikro Al 2 O 3 % Arcawax-C 316L -- --,5 A 5 --,5 B 1 --,5 C -- 5,5 D -- 1,5 ġekil 1. Deneysel malzemelere ait SEM fotoğrafları, (a) 316L paslanmaz çelik, (b) nano boyutlu Al 2 O 3, (c) mikro boyutlu Al 2 O 3 III. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIġMA Farklı boyut ve oranda Al 2 O 3 katkılı ve katkısız 316L paslanmaz çeliklerin 135 ºC de 1 saat sinterlenmesi sonrasında elde edilen yoğunluk değerleri ġekil 2 de grafik halinde verilmiģtir. Grafikten de görüleceği gibi, Al 2 O 3 katkısı içermeyen 316L numunelerinin yoğunluk değerleri en yüksek çıkmıģtır. Artan miktardaki Al 2 O 3 katkılarına bağlı olarak yoğunluk değerleri hızla düģmektedir. Sinterleme sıcaklıkları yüksek tutulmasına rağmen yapı içerisine katılan Al 2 O 3 katkıları sinterleme davranıģlarını olumsuz yönde etkilemiģtir. Ġki farklı boyutta Al 2 O 3 katkısı kullanılmasına rağmen, katkı tane boyutlarının yoğunluk üzerine etkisi önemli derecede olmamıģtır. 7,5 7,3 7,1 6,9 6,7 6,5 ġekil 2. 316L paslanmaz çeliklerde, farklı oranlarda ve boyutlardaki Al 2 O 3 ilavelerine bağlı olarak yoğunluk değerlerinin değiģimi 165
Nano ve Mikro Boyuttaki %5 ve %1 Al 2 O 3 Partikül Takviyeli 316L ġekil 3. de 135 ºC de 1 saat sinterlenmiģ, Al 2 O 3 katkılı ve katkısız 316L numunelerine ait mikroyapı fotoğrafları verilmiģtir. ġekil 3a da verilen mikroyapı fotoğrafında yapı içerisindeki gözeneklerin tane sınırlarında ve kısmen de olsa tane içlerinde oluģtuğu görülmektedir. Bu sıcaklıklarda yapılan sinterleme iģlemlerinde yapı içerisinde sıvı faz oluģmamakta, bu ise yoğunluk değerlerinin artıģını engellemektedir. 316L tipi tozların sinterlenmesi 14 ºC nin üzerindeki sıcaklıklarda yapılması durumunda, kısmi sıvı faz oluģumu meydana gelmekte ve yoğunluk değerleri uygun sinterleme sürelerinin seçilmesi ile oldukça arttırılabilmektedir [1,7,8,14]. ġekil 3b ve 3c de %5 ve %1 nano boyutlu Al 2 O 3 katkılı 316L tipi numunelerde alınan mikroyapı fotoğrafı görülmektedir. Mikroyapı fotoğraflarından da görüleceği gibi, Al 2 O 3 ilaveleri sinterleme davranıģlarını olumsuz yönde etkilemiģ, partikül temas noktalarında bol miktarda gözeneğin mevcut olduğu gözlemlenmiģtir. ġekil 3d ve 3e de ise %5 ve %1 oranlarında ilave edilen mikro boyutlu Al 2 O 3 ilavelerinin mikroyapıya etkisi görülmektedir. Artan Al 2 O 3 boyutuna bağlı olarak özellikle sinterlenmenin olumsuz yönde etkilendiği görülmektedir. ġekil 3b-c ve ġekil 3d-e içerik miktarları esas alınarak karģılaģtırıldığında artan Al 2 O 3 tane boyutuna bağlı olarak, paslanmaz çelik partiküllerin birbirleri ile sürekli değil sadece gruplar halinde sinterlendiği görülmektedir. Ayrıca artan Al 2 O 3 partikül boyutuna bağlı olarak özellikle mikro boyutlu Al 2 O 3 ilavelerinin kullanıldığı numunelerde genel mikroyapı tane boyutunun daha iri olduğu görülmektedir. Takviyelendirici olarak kullanılan Al 2 O 3 ilavelerinin ortalama tane boyutlarının nano boyutlardan mikro boyutlara çıkması ile mikroyapısal geliģim olumsuz olarak etkilenmektedir [14]. (a) (b) (c) (d) (e) ġekil 3. 316L paslanmaz çeliklerde, farklı oranlarda ve boyutlardaki Al 2 O 3 ilavelerine bağlı olarak elde edilen mikroyapı fotoğrafları, (a) 316L, (b) A tipi, (c) B tipi, (d) C tipi, (e) D tipi numuneler Farklı boyut ve oranda Al 2 O 3 katkılı ve katkısız 316L paslanmaz çeliklerin 135 ºC de 1 saat sinterlenmesi sonrasında elde edilen çekme mukavemeti, %uzama ve sertlik değerleri ġekil 4. de grafik halinde verilmiģtir. Artan Al 2 O 3 oranı ve tane boyutuna göre çekme mukavemeti değerleri sürekli olarak düģüģ göstermiģtir. Özellikle Al 2 O 3 tane boyutu baz alınarak bir karģılaģtırma yapıldığında, nano boyutlu Al 2 O 3 ilavelerinin çekme mukavemeti değerlerini çok fazla düģürmediği görülmektedir. Diğer taraftan, artan Al 2 O 3 oranlarına bağlı olarak çekme mukavemeti değerleri sürekli düģüģ göstermektedir. Benzer Ģekilde bir düģüģ % uzama değerlerinde de görülmektedir. Her iki mekanik özelliğin, yapı içerisindeki Al 2 O 3 nın sinterlemeyi olumsuz yönde etkilemesinden dolayı oluģturduğu düģünülmektedir [1,2]. Sinterleme sonrasında artan Al 2 O 3 miktarına bağlı olarak sertlik değerleri sürekli olarak artmaktadır. Bu artıģ Al 2 O 3 tane boyutunun artması ile daha üst seviyelere ulaģmaktadır. Al 2 O 3 formundaki seramik partiküller yüksek sertliklerde olmasından dolayı genel sertlik değerlerini arttırmıģlardır. ġekil 5. de 135 ºC de 1 saat sinterlenmiģ, Al 2 O 3 ilaveli ve ilavesiz 316L numunelerine ait çekme deneyi sonrasında kırık yüzeylerden alınmıģ SEM fotoğrafları verilmiģtir. ġekil 5a da ilavesiz 316L numunelerinin kırık yüzeylerinin lifi ve gözenekli oldukları görülmektedir. Lifi kırık yüzeyi sünekliğin yüksek olmasının destekleyicisidir, fakat yapıdaki gözenek miktarı ise süneklik artıģının önündeki en önemli bariyerdir [1,3,8,12,14]. Artan oranlardaki Al 2 O 3 ilaveleri ve artan partikül boyutları ise sinterlemeyi olumsuz yönde etkilediklerinden dolayı adeta kristalin bir kırık yüzeyi görüntüsü vermektedir. Özellikle Al 2 O 3 ilavelerinin bulunduğu bölgelerde sinterlemenin tam olarak 166
Sertlik, HRA Uzama, % Çekme Mukavemeti, MPa S.S.Pazarlıoğlu, H.Ö.Gülsoy, S.Salman, M.Koz gerçekleģmediği ve bu bölgelerde kısmi tutunma ve kopmaların olduğu görülmektedir. ġekil 5b-c ile ġekil 5d-e Al 2 O 3 tane boyutları baz alınarak bir karģılaģtırma yapıldığında özellikle mikro boyutlardaki Al 2 O 3 nın kullanıldığı Ģekil 5d-e nin bir miktar daha fazla gözenek içerdiği görülmektedir. 4 35 (a) 3 25 2 15 1 5 4 (b) 3 2 1 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 (c) ġekil 4. 316L paslanmaz çeliklerde, farklı oranlarda ve boyutlardaki Al 2 O 3 ilavelerine bağlı olarak mekanik özelliklerin değiģimi, (a) çekme mukavemeti, (b) % uzama, (c) sertlik 167
Nano ve Mikro Boyuttaki %5 ve %1 Al 2 O 3 Partikül Takviyeli 316L ġekil 5. 316L paslanmaz çeliklerde, farklı oranlarda ve boyutlardaki Al 2 O 3 ilavelerine bağlı olarak elde edilen kırık yüzeyi fotoğrafları, (a) 316L, (b) A tipi, (c) B tipi, (d) C tipi, (e) D tipi numuneler IV.SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRMELER Bu çalıģmada elde edilen sonuçlar aģağıda sıralanmıģtır; 1. Nano ve mikro boyutlardaki Al 2 O 3 takviyeli 316L paslanmaz çeliklerin sinterlenmesinde artan Al 2 O 3 ilavelerine bağlı olarak yoğunluk değerleri düģüģ göstermiģtir. 2. Takviyelendirici olarak kullanılan farklı boyutlardaki Al 2 O 3 ilavelerine bağlı olarak, nano boyuttaki Al 2 O 3 ilavelerinde yoğunluk değerlerinin mikro boyuttaki Al 2 O 3 ilavelerine göre azda olsa yüksek elde edildiği gözlemlenmiģtir. Yoğunluk değerleri arasındaki bu fark önemsenmiyecek düzeydedir. 3. Artan Al 2 O 3 miktarına ve boyutlarına bağlı olarak, çekme mukavemeti ve süneklik değerleri önemli ölçüde azalmıģ, sertlik değerleri ise artıģ göstermiģtir. 4. Nano boyutlu ve mikro boyutlu Al 2 O 3 ilaveleri arasında kıyas yapıldığında, nano boyutlu Al 2 O 3 nın çekme mukavemeti, % uzama ve sertlik değerleri mikro boyutlu Al 2 O 3 ilavelerinden daha yüksektir. [6] J.Abenojar, F.Velasco, J.M.Torralba, J.A.Bas, J.A.Calero, R.Marce, Reinforcing 316L stainless steel with intermetallic and carbide particles, Mater. Sci. Eng. A vol 335, 22. [7] J.Shankar, A.Upadhyaya, A.V.R.Kumar, Electrochemical behaviour of sintered yttria reinforced ferritic stainless steels, Powder Metall. 46(2), 23 [8] J.Shankar, A.Upadhyaya, A.Balasubramaniam., Electrochemical behavior of sintered oxide dispersion strengthened stainless steels, Corrosion Science, 46, 24. [9] Akhtar Farid, Shiju Guo, Feng-e Cui, Peizhong Feng, Tao Lin TiB 2 and TiC stainless steel matrix composites, Materials Letters, 61, 27. [1] E. Pagounis, V.K. Lindroos, Processing and properties of particulate reinforced steel matrix composites, Materials Science and Engineering A 246, 1998. 11] S. Balaji, A. Upadhyaya, Mechanical, corrosion, and sliding wear behavior of intermetallics reinforced austenitic stainless steel composites, J. Mater. Sci. 44, 29. [12] M.F. Imbaby, K. Jiang, Fabrication of free standing 316-L stainless steel Al 2O 3 composite micro machine parts by soft moulding, Acta Materialia 57, 29, [13] R.A.Abas, S. Seetharaman, Thermal Diffusivity of Sintered Stainless Steel-Alumina Composites, Metallurgıcal and Materıals Transactıons B Vol. 37B, 26. [14] H.O. Gülsoy, T. Baykara, S. Ozbek, Injection Molding of 316L Stainless Steels Reinforced with Nano Size Alumina Particles, Powder Metallurgy, (DOI: 1.1179/325891X1274974839558) TEġEKKÜR Bu çalıģma Marmara Üniversitesi, Bilimsel AraĢtırma fonu tarafından, FEN-E-431-38 nolu proje kapsamında desteklenmiģtir. KAYNAKLAR [1] S.K.Mukherje, G.S.Upadhyaya, Effect Of Milling Variables on Powder Character and Sintering Behavior of 434L Ferritic Stainless Steel-Al 2O 3 Composites Inter. J of Pow. Metall. 19(4), 1983. [2] S.Lal, G.S.Upadhyaya, Modern development in powder metall. Vol 18, 1988. [3] J.Jain, A.M. Kar and A. Upadhyaya, Effect of YAG addition on sintering of P/M 316L and 434L stainless steels, Mater. Lett., 58, 24 [4] F.Velasco, W.M.Lima, N.Anton, J.Abenojar, J.M.Torralba, Effect of intermetallic particles on wear behaviour of stainless steel matrix composites, Tribology Int. 36, 23. [5] S.N.Patankar, M.J.Tan, Role of reinforcement in sintering of SiC/316L stainless steel composite, Powder Metal. 43(4), 2. 168