Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 19 (2), 209-216, 2007 19 (2), 209-216, 2007 Al Metal Matris Kompozitlerin Abrasiv Aşınma Performansına Takviye Elemanlarının Etkisi Soner BUYTOZ ve Hülya EREN Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Bölümü, Elazığ sbuytoz@firat.edu.tr (Geliş/Received: 24.11.2005; Kabul/Accepted: 31.10.2006) Özet: Bu çalışmada, bir Al-Si-Mg alaşımına ağırlıkça % 5, 10 ve 15 oranlarında SiC, Al2O3 ve FeCrC partikülleri ilave edilerek üretilen Al metal matrisli kompozit malzemelerin (MMK) abrasiv aşınma davranışları incelenmiştir. Kompozit malzemeler karıştırmalı döküm tekniğiyle üretilmiştir. Abrasiv aşınma deneyleri, bir pin on disk test cihazında 1.89 m/s kayma hızında ve 10-30 N yük altında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, üretilen matris alaşımı ve kompozit malzemelerin optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve EDS çalışmaları yapılmıştır. Test sonuçları incelendiğinde, matris alaşımının aşınma değerinin kompozit malzemelerin aşınma değerlerine göre oldukça yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra, tüm MMK numunelerinde, artan yükle birlikte aşınma miktarının da arttığı, ancak maksimum yükte FeCrC partiküllerinin matrisi plastik olarak deforme ettiği belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Al matrisli kompozit, abrasiv aşınma, tane takviye Effect of Particle Reinforcements on Abrasive Wear Performance of Aluminum Metal Matrix Composites Abstract: In this work, the effect of SiC, Al2O3 and FeCrC particulate reinforcement (5, 10 and 15 w.t. %) on the abrasive wear behaviour of aluminum metal matrix composites (MMCs) have been investigated. The composite materials and Al-Si-Mg matrix alloy have been processed using stir-casting technique. Wear tests have been carried out using a pin-on-disc aparatus at 10-30 N loads and 1.89 m/s sliding speed. Besides, the optical, SEM microscope and EDS studies of both matrix alloy and composite materials have been carried out. According to the test result, it is observed that the wear rate of matrix alloy is higher than the wear rate of the composite materials. However, increasing applied load increased the wear rate in the all MMCs. But, it is observed that FeCrC particles are plastically deformed to the matrix at maximum load. Key Words: Aluminum matrix composite; abrasive wear test; particle reinforcement 1. Giriş Alüminyum ve alaşımları, yoğunluklarının düşük, elektrik ve ısı iletkenliklerinin ise yüksek olması nedeniyle üretim ve imalat sektöründe tercih edilen malzemelerdendir. Ancak Al ve alaşımlarının aşınma dirençlerinin düşük olması, uygulama alanlarını kısıtlanmaktadır [1-3]. Alüminyum ve alaşımlarının mevcut özelliklerini daha iyi yapmak için whisker, fiber veya partikül biçimli sert takviye elemanı karışımıyla alüminyum matrisli kompozit malzemeler üretilmektedir [4]. MMK malzemelerin aşınma performansları ise matris ve takviye elemanının özelliklerine bağlı olarak değişir. Aşınma genellikle, fiziksel veya kimyasal bir yöntemle yüzeyden malzemenin uzaklaştırılması olarak tarif edilir [5]. Bir çok araştırmacı, Al metal matrisli kompozitlerin sürtünme ve aşınma davranışı üzerine çalışmışlardır. Sonuçta, sert tane takviyeli kompozitlerin matris alaşımına göre çok yüksek değerlerde aşınmaya karşı direnç gösterdiğini tespit etmişlerdir [6-25]. Aşınma oranı, kayma hızı [7], partikül boyutu [8,9], sertlik [10], uygulanan yük [11], matris malzemesinin kimyasal bileşimi [12] ve takviye malzemesinin hacim miktarı ile yapı içindeki dağılımından etkilenmektedir [13]. Literatürde, sert fazların miktarının ve tane boyutunun artmasıyla aşınma oranının arttığı bildirilmiştir [14]. Zhang ve Alpas ın [15] yaptıkları çalışmalarda, % 20 Al 2 O 3 -Al6061 a209
S. Buytoz ve H. Eren kompozitinin takviyesiz Al6061 alaşımıyla karşılaştırıldığında kritik yük değerinin yükseldiğini tespit etmişlerdir. Bu çalışmanın amacı, karıştırma ve sonrası basınç altında katılaşması sağlanarak üretilen Al/Al 2 O 3, Al/SiC ve Al/FeCrC partikül takviyeli kompozitlerin abrasiv aşınma performanslarını karşılaştırarak, FeCrC partiküllerinin takviye elemanı olarak kullanılabilirliğini belirlemektir. 2. Deneysel yöntem Matris alaşımı için, kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen Al-Mg-Si alaşımı seçilmiştir. Matris, muffle fırınında grafit bir pota içinde 750 C de ergitilmiştir. Ergiyik haldeki Al alaşımında vorteks oluşturularak, ağırlıkça %5, 10 ve 15 oranlarında ortalama 40 µm tane Tablo 1. Al alaşımının, Al 2 O 3, SiC ve FeCrC tozlarının kimyasal bileşimleri boyutlarındaki Al 2 O 3, FeCrC ve SiC taneleri ilave edilmiştir. Kullanılan tozların kimyasal bileşenleri Tablo 1 de, morfolojileri ise Şekil 1 de verilmiştir. Karışım sonrası 20x100 mm ebatlarındaki kalıba dökümü gerçekleştirilmiştir. Mikroyapı incelemeleri için ingotlardan 8x10 mm ebatlarında mikroyapı numuneleri çıkarılmıştır. Standart metalografik işlemlerden geçirilen numuneler Keller dağlayıcısı ile dağlanmıştır. Kayma sonrası aşınan yüzeyler ve debrisler taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelenmiştir. Hem kompozitin hem de takviyesiz alaşımın sertlik ölçümlerinden önce numuneler benzer metalografik işlemlerden geçirildikten sonra Brinel sertlik değerleri kaydedilmiştir. Kimyasal bileşim (% ağırlık) Al alloy Element Mg Si Mn Fe Zn Al Ağırlık % 0.86 1.14 0.18 0.6 0.25 dengede Al 2 O 3 takviyesi Element Si Ti O Al Ağırlık % 1.31 2.11 47.00 49.58 SiC takviyesi Element C Si Fe O Ağırlık % 14.37 81.28 0.75 2.60 FeCrC takviyesi Element Cr Fe C Si Mn Ağırlık % 69.10 24.32 3.03 2.64 0.52 210
Al Metal Matris Kompozitlerin Abrasiv Aşınma Performansına Takviye Elemanlarının Etkisi düşünülmektedir. Maksimum sertlik, %15 Al 2 O 3 -Al kompozit malzemesinde, 77 BSD olarak kaydedilmiştir. 80 70 Sertlik, BSD 60 50 40 (c) Şekil 1. Takviye elemanlarının morfolojisi: Al 2 O 3, FeCrC ve (c) SiC 10x25 mm ebatlarında hazırlanan aşınma numunelerine, bir pin on disk aparatında 10-30 N yük altında ve 220 meshlik abrasiv aşındırıcıda aşınma testleri uygulanmıştır. Her test sonrası aşındırıcı zımpara diski yenisi ile değiştirilmiştir. Kayma hızı olarak 1.89 m/s ve kayma mesafesi ise 20 m seçilmiştir. Aşınma değerleri; M k / ρ W = s formülü kullanılarak tespit edilmiştir. Burada W: Aşınma oranı (mm 3 /m), M k : Kütle kaybı (g), ρ: Yoğunluk (g/mm 3 ) ve s: Kayma mesafesini (m) göstermektedir. 30 Al+%FeCrC Al+%SiC Al+Al2O3 20 0 5 10 15 20 % partikül orani Şekil 2. Kompozit malzemelerin ve takviyesiz Al alaşımının tane miktarının bir fonksiyonu olarak sertlik değerindeki değişimler Toplam kütle kaybi (g) 1.5 1.25 1 0.75 0.5 Al+%FeCrC Al+%SiC Al+%Al2O3 3. Sonuçlar ve tartışma Vorteks metoduyla üretilen Al matris alaşımıyla kompozit malzemelerin sertlik değerleri Şekil 2 de verilmiştir. Kompozitlerin sertlikleri, takviyesiz matris alaşımına göre çok yüksek değerlerdedir. Matris alaşımının sertlik değeri 48 BSD iken, 55 BSD ile 80 BSD arasında değişmektedir. Bununla birlikte, kompozit malzemelerdeki partikül miktarının artmasıyla sertlik değerleri de artmaktadır. Al matrisindeki sert partiküllerin varlığı, malzemelerin sertlik değerlerini ve gerilme gibi mekanik özelliklerini önemli bir oranda etkiler [16,17]. Buna göre, üretilen kompozit malzemelerde sünek matris ile sert takviye elemanları arasında ısıl genleşme farkından dolayı, matris ile partikül arayüzeyinde yoğun dislokasyon bölgesi oluşarak kompozit malzemelerin sertliğini de artırdığı 0 0 5 10 15 20 Partikül orani (%) Şekil 3. Kompozit malzemelerin takviye elemanlarının miktarına göre toplam kütle kaybı Şekil 3 de takviyesiz alaşım ile metal matrisli kompozitlerin tane miktarının bir fonksiyonu olarak toplam kütle kayıpları verilmiştir. Genel olarak, Al metal matrisli kompozitlerin toplam kütle kayıpları, tane miktarının artmasıyla azalmıştır. Ancak, %15 FeCrC-Al kompozitinde kütle kayıp değeri anlamsız şekilde artış göstermiştir. Genellikle, seramik tanelerin takviyelendirilmesi sırasında bir sıvı metal ile ıslatılabilirliği çok zordur. Bu yüzden eğer üretim zamanı kısa ise, tane ile matris arasında ıslatılabilirlik görülmeyebilir [18]. Bu problemleri ortadan kaldırabilmek veya 211
S. Buytoz ve H. Eren riski minimuma indirebilmek için seramik/metal matrisli kompozitlerin üretiminde uygun metotlar geliştirilmelidir [19]. %15 FeCrC-Al kompozitinde kütle kaybının artmasının nedeni olarak, partikül ile matris arasında oluşabilecek ıslatma özelliğinin tam kazandırılabilmesi için üretim süresinin kısa olduğu düşünülmektedir. Al metal matrisli kompozitlerde toplam kütle kaybı 0.522g ile 0.91g arasında değişirken; takviyesiz matris alaşımında 1.375g kütle kaybına uğramıştır. Bu sonuçlar, sert tane takviyeli kompozitlerin kütle kayıp değerlerinin takviyesiz matris alaşımının toplam kütle kayıp değerlerinden yaklaşık 2-3 kez daha az olduğunu göstermiştir. Şekil 5 de FeCrC partikülleriyle takviyelendirilen kompozit malzemelerin mikroyapıları verilmiştir. Şekil 5a da takviyesiz matris malzemenin mikroyapısı görülmektedir. Takviyesiz matris malzemesi alüminyum dendritler ve dendritler arası bölgelerde ötektik silisyumlar mevcuttur. Şekil 4 de Al alaşımı ve kompozitler için yükün bir fonksiyonu olarak aşınma değerlerindeki değişimler görülebilir. Uygulanan yükün artmasıyla birlikte tüm numunelerde de aşınma değerleri artmıştır. Archard da [17] uygulanan yük değerinin artmasıyla aşınma değerinin arttığını belirtmiştir. Kompozitlerin aşınma değerleri, takviyesiz matris alaşımına kıyasla oldukça düşüktür. Bunun nedeni de, yapıdaki sert partiküllerin bulunmasından ve malzeme yüzeyine gelen yükün takviye elemanlarınca matrise ileterek aşınmayı azalttığı düşünülebilir. 10 N da aşınma oranları daha az üniformdur. Aksine, maksimum takviye durumunda ve daha yüksek yüklerde aşınma oranı sürekli olarak azalmıştır. Diğer bir ifadeyle, en iyi sonuçlar, mikroyapısal özelliklerinden dolayı 15% SiC, 15% FeCrC ve 15% Al 2 O 3 taneli kompozitlerde görülmüştür. Al matrisi ve kompozitler için, kayma hızı, tane boyutu ve normal yük aşınma oranını etkilemektedir [20]. Bununla birlikte, kompozitlerin aşınma davranışları, malzemenin mikroyapısal özelliklerine ve yükleme-temas durumunun türüne bağlıdır [10,11]. Abrasiv aşınma sırasında Al 2 O 3 ve SiC kompozitlerinin aşınma oranlarında Al matrisi ile FeCrC takvileli kompozit malzemelere göre önemli bir azalma mevcuttur (Şekil 3 ve Şekil 4). Şekil 4 de de görüleceği gibi, düşük miktarda FeCrC içeren kompozitlerin aşınma oranları da yüksek değerdedir. Partikül miktarı arttıkça bu oran oldukça yüksek çıkmıştır. Asinma orani (mm 3 /m) Asinma orani (mm 3 /m) 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 Al Al+5% FeCrC Al+10% FeCrC Al+15% FeCrC 0.02 0 10 20 30 40 Yük (N) 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 Al Al+5%Al2O3 Al+10%Al2O3 Al+15%Al2O3 0.005 0 10 20 30 40 Yük (N) (c) Şekil 4. Yük ile aşınma oranının değişimi, Al/SiC kompoziti, Al/FeCrC kompoziti ve (c) Al/Al 2 O 3 kompoziti 212
Al Metal Matris Kompozitlerin Abrasiv Aşınma Performansına Takviye Elemanlarının Etkisi Şekil 5b-Şekil 5d de FeCrC takviyelerinin Al matrisi içerisinde dağılımı görülebilir. FeCrC partikülleri matris içerisinde rastgele dağılmıştır. Yine FeCrC partiküllerinin mikroyapı içerisindeki morfolojilerine bakıldığında, hegzagonal tip olduğu görülmektedir [21]. Yine mikroyapıda ikincil Al 3 Fe ve Al, Fe ve Si içerikli α-al-fe-si fazları mevcuttur [22]. Al 3 Fe intermetalik bileşikleri, ergiyik Al içinde Fe tanelerinin çözünmesi ve yeniden kristalizasyonu ile oluşabilmektedir [23]. (d) Şekil 5. Optik mikroyapılar: Takviyesiz matris alaşımı, Al- % 5 FeCrC kompoziti, (c) Al- % 10 FeCrC kompoziti ve (d) Al- % 15 FeCrC kompoziti (c) Şekil 6 da %5 ve %10 FeCrC takviyeli kompozitlerinden alınan EDX ler verilmiştir. Şekil 6a da görüldüğü gibi, %5 FeCrC takviyeli kompozitte %2.23 Mg, %0.50 Si, %0.31 Cr, %1.92 Fe ve %95.03 Al içerirken, %10 FeCrC kompozitinde ise %3.05 Mg, %0.82 Si, %7.12 Cr, %3.97 Fe ve %85.05 Al tespit edilmiştir (Şekil 6b). Şekil 7 de takviyesiz Al alaşımı ve kompozitler için abrazyon sırasında oluşan aşınma yüzeyindeki yivler görülmektedir. Saf alüminyumda yük, aşırı aşınmaya neden olarak malzemeyi sünek kırılmalara uğratmıştır. Aşındırıcı malzemedeki tanelerin boyutuna bağlı olarak [24], takviyesiz malzeme, aşınma sırasında sürekli bir yırtılma ile plastik deformasyona uğramıştır. Dolayısıyla, alüminyum matrisinin niçin bu kadar çok kütle kaybına uğradığı anlaşılmaktadır. Şekil 7b- Şekil 7d de %10 FeCrC, %10 SiC ve %10 Al 2 O 3 takviyeli kompozitlerin aşınma yüzeylerinin SEM mikroyapıları verilmiştir. Takviyesiz malzemenin aşınma yüzeyine göre, kompozit malzemelerde kesik ve nispeten derinliği daha az yivler meydana gelmiştir. Kompozitler kendi aralarında karşılaştırıldığında ise, FeCrC takviyeli kom-pozitlerin aşınma yüzeyinde daha uzun derin yivler ve gözenekler belirlenmiştir. Gözenekli olması, aşınma sırasında matristen kopan partikülerin veya malzemedeki mikro boşluklardan dolayıdır. Ancak, FeCrC takviyeli kompozitlerde kütle kayıp değerlerinin diğer kompozit malzemelere göre daha fazla olması, kopan partiküllerin bölgeleri olduğunu 213
S. Buytoz ve H. Eren göstermektedir. Bu özellik kaymayla meydana gelen abrasiv aşınma işleminin bir özelliğidir [25]. Şekil 7c ve Şekil 7d de gösterilen kompozit malzemelerin aşınma yüzeyindeki yivler daha üniform ve daha azdır. Yük arttırıldığında, yivlerin boyutu ve genişlikleri önemli derecede artmıştır. Şekil 6. %5 FeCrC-Al kompoziti ile %10 FeCrC-Al kompozitinin EDX analizleri (c) (d) Şekil 7. 10 N yük altında test edilen kompozitlerin aşınmış yüzeyleri. Takviyesiz Al alaşımı, Al- % 10 FeCrC kompoziti, (c) Al- %10 SiC kompoziti ve (d) Al- %10 Al 2 O 3 kompoziti 214
Al Metal Matris Kompozitlerin Abrasiv Aşınma Performansına Takviye Elemanlarının Etkisi 4. Genel Sonuç Partikül takviyeli alüminyum metal matrisli kompozitler karıştırma ve sonrası basınç altında dökümü başarılı bir şekilde üretimi yapılmıştır. Kompozit malzemelerin sertlik değerleri 55 BSD ile 80 BSD arasında değişmiştir. Partikül miktarı arttırıldığında, numunelerin sertlik değerleri de artmıştır. Kompozitlerin abrasiv aşınma sonuçlarına göre, takviye miktarının artmasıyla kompozitlerin kütle kayıplarında düşüş görülmüştür. Ancak %15 FeCrC partikül takviyeli kompozitte kütle kaybı maksimuma çıkmıştır. Bunun nedeni, partikül ile matris arasında ıslatma özelliğinin yeterince kazanılmadığına bağlanabilir. Dolayısıyla bu tür kompozit malzemelerin aşınma direnci, takviye malzemesinin miktarıyla doğrudan ilişkili olduğu söylenebilir. 5. Kaynaklar 1. Bindumadhavan, P.N., Chia, T.K., Chandrasekaran, M., Wah, H.K., Lam, L.N., Prabhakar, O. (2001). Effect of particle-porosity clusters on tribological behavior of cast aluminum alloy A356-SiC p metal matrix composites. Materials Science and Engineering A315, 217-226. 2. Ceschini, L., Bosi, C., Casagrande, A., Garagnani, G.L. (2001). Effect of thermal treatment and recycling on the tribological behaviour of an AlSiMg/SiC p composite. Wear, 251, 1377-1385. 3. Riahi, A.R., Alpas, A.T. (2001). The role of tribo-layers on the sliding wear behavior of graphitic aluminum matrix composites. Wear, 251, 1396-1407. 4. Jun D., Liu, Y.-H., Yu, S.-R., Li, W.-F. (2004). Dry sliding friction and wear properties of Al 2 O 3 and carbon short fibres reinforced Al-12Si alloy hybrid composites. Wear, 257, 930-940. 5. Sawla, S., Das, S. (2004). Combined effect of reinforcement and heat treatment on the two body abrasive wear of aluminum alloy and aluminum particle composites. Wear, 257, 555-561. 6. Candan, E., Ahlatci, H., Cimenoglu, H. (2001). Abrasive wear behaviour of Al-SiC composites produced by pressure infiltration technique. Wear, 247, 133-138. 7. Shorowordi, K.M., Haseeb, A.S.M.A., Celis, J.P. (2004). Velocity effects on the wear, friction and tribochemistry of aluminum MMC sliding against phenolic brake pad. Wear, 256, 1176-1181. 8. Fu, H.-H., Han, K.-S., Song, J.-I. (2004). Wear properties of Saffil/Al, Saffil/Al 2 O 3 /Al and Saffil/SiC/Al hybrid metal matrix composites. Wear, 256, 705-713. 9. Mondal, D.P., Das, S., Jha, A.K., Yegneswaran, A.H. (1998). Abrasive wear of Al alloy-al 2 O 3 particle composite: a study on the combined effect of load and size of abrasive. Wear, 223, 131-138. 10. R. L. Deuis, C. Subramanian and J. M. Yellup, Abrasive wear of aluminium composites-a review, Wear 201 (1996) 132-144. 11. Acilar, M., Gul, F. (2004). Effect of the applied load, sliding distance and oxidation on the dry sliding wear behaviour of Al-10Si/SiC p composites produced by vacuum infiltration technique. Materials and Design, 25, 209-217. 12. Kok, M. (2005). Production and mechanical properties of Al 2 O 3 particle-reinforced 2024 aluminum alloy composites. Journal of Materials Processing Technology, 161, 381-387. 13. Sahin, Y. (2003). Preparation and some properties of SiC particle reinforced aluminum alloy composites. Materials and Design, 24, 671-679. 14. Mandal, D., Dutta, B.K., Panigrahi, S.C. (2004). Wear and friction behavior of stir cast aluminumbase short steel fiber reinforced composites. Wear, 257, 654-664. 15. Zhang, J., Alpas, A.T. (1993). Wear regimes and transitions in Al 2 O 3 particulate-reinforced aluminum alloys. Materials Science and Engineering A161, 273-284. 16. Dutta, I. (1991). The nature and effect of thermal residual stresses in discontinuous fiber reinforced metal matrix composites. Composites Science and Technology, 41, 193-213. 17. Archard, J.F. (1953). Contact and rubbing of flat surfaces. Journal of Applied Physics, 24, 981-988 18. Hashim, J., Looney, L., Hashmi, M.S.J. (2001). The wettability of SiC particles by molten aluminium alloy. Journal of Materials Processing Technology, 119, 324-328. 19. Daniel, B.S.S., Murthy, V.S.R., Murty, G.S. (1997). Metal-ceramic composites via in-situ 215
S. Buytoz ve H. Eren methods. Journal of Materials Processing Technology, 68, 132-155. 20. Yang, J.B., Lin, C.B., Wang, T.C., Chu, H.Y. (2004). The tribological characteristics of A356.2Al alloy/gr (p) composites. Wear, 257, 941-952. 21. Buytoz, S., Yıldırım, M.M., Eren, (2006). H. FeCrC ve FeSiCrC/Al kompozitlerinde tane takviyelerinin aşınma performansına etkileri, 11 th International Materials Symposium, 410-414 Denizli/Türkiye. 22. Buytoz, S., (2006). Effects of FeCrC and FeSiCrC particles on wear behaviour of aluminum metal matrix composite, Materials Science and Technology, 22, 6, 679-686. 23. Sahoo, K.L., Sivararnakrishnan, C.D., Chakrabarti, A.K. (2000) Mat. Sci. Technol. 16, p. 227. 24. Howell, G.J., Ball, A. (1995). Dry sliding wear of particulate-reinforced aluminum alloys against automobile friction materials. Wear, 181-183, 379-390. 25. Lim, S.C., Gupta, M., Ng, W.B. (1997). Friction and wear characteristics of Al-Cu/C composites synthesized using partial liquid phase casting process. Materials and Design, 18, 161-166. 216