5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), 13-15 Mayıs 29, Karabük, Türkiye T/M YÖNTEMİYLE ÜRETİLMİŞ AlMgSi-SiC p KOMPOZİTİNDE SİNTERLEME SÜRESİNİN AŞINMA DİRENCİNE ETKİSİ THE EFFECT OF SINTERING PERIOD ON THE WEAR RESISTANCE OF AlMgSi-SiC P COMPOSITES PRODUCED BY POWDER METALLURGY METHOD Uğur ÇALIGÜLÜ a, Halil DİKBAŞ a, * Mustafa TAŞKIN a, Ali Kaya GÜR a Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü 23119 ELAZIĞ/TÜRKİYE, ucaligulu@firat.edu.tr, hdikbas@firat.edu.tr, * mtaskin@firat.edu.tr, akgur@firat.edu.tr Özet Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemiyle üretilmiş, AlMgSi- SiC p takviyeli kompozitlerde, farklı sinterlenme sürelerinin kütle kaybına etkisi incelendi. Kütle kaybı incelenecek malzemeler soğuk presleme yapılarak, ağırlıkça 1 Mg - 3 Si ve 5 / 1 / 2 SiC ile güçlendirilerek üretildi. Üretilen numuneler argon atmosferinde 6 C de 15, 3, 45 ve 6 dk. sürelerde sinterlendi. Numuneler blok-on-ring aşınma aparatında; 2 N luk yük altında, 9 dev./dk. lık dönme hızında 5, 1 ve 15 metrelik yolda aşındırıldı ve kütle kayıpları hesaplandı. Aşınma deneylerinde soğuk preslenmiş numunelerin sinterleme süresi temel alınarak kompozit malzemenin 5, 1 ve 15 m lerdeki kütle kayıpları karşılaştırıldı. Yapılan deneyler sonucunda sinterleme süresinin artmasıyla kütle kaybının azaldığı görüldü. Anahtar Kelimeler: AlMgSi-SiC p, T/M, Sinterleme süresi, Adhesive aşınma. Abstract In this study, the effect of sintering time of Al-Si-Mg- SiC P composites produced by powder metallurgy method was investigated. Composite materials, cold pressing methods were made, reinforced with Si, Mg, SiC p of 1vol. Mg, 3 vol. Si, 5-1-2 vol. SiC p respectively was investigated. Sintering experiments were carried out in argon atmosphere at 6 C and for 15, 3, 45 and 6 minutes. The wear tests were performed in loads of 2N, the rotation speed of 9 rpm, the wear distance of 5, 1 and 15 m by block on ring test apparatus and the mass losses were calculated. The sintering time of samples, which were produced cold pressing methods, were compared with the mass losses of distance 5, 1 and 15 m. As a result of the experiments was observed that the mass loss was increased with decreasing sintering time. Keywords: AlMgSi-SiC p, P/M, Sintering time, Adhesive wear. 1. Giriş Sinterleme; preslenerek elde edilmiş parçaların yüksek sıcaklıklarda pişirilerek mukavemet ve yüksek yoğunluk kazandırılması işlemidir. Sinterleme aşaması T/M üretim süreçlerinde en fazla enerjinin kullanıldığı işlem basamağıdır. Tozların sinter öncesi presleme yoğunlukları sinterleme süresine etki eder. Örneğin sinterleme öncesi presleme ile yüksek yoğunluk verilmiş parçalar daha kısa sürede teorik yoğunluğa erişirler. Sinterleme öncesi yüksek presleme yoğunluğu elde etmek, her zaman ham dayanım ve maliyet açısından pratik ve ekonomik olmayabilir. Çoğu durumda sinterleme karışık şekilli bileşiklerden küresel gereçler üretildiği endüstriyel toz metalurjisi yönteminin son basamağını oluşturur [1-2-3]. Sinterleme süresi; parçacıkların birbirlerine bağlanmasını sağlayarak önemli ölçüde mukavemet artışına ve özelliklerin iyileştirilmesine sebep olan ısıtma işleminin yapıldığı zaman sürecidir [4]. Alüminyum ve alaşımları; düşük yoğunluğa sahip, dış atmosfere karşı dayanıklı, yüksek korozyon direnci ve iyi işleme kabiliyeti olan, ısıl işlemden sonra yüksek çekme mukavemeti, iyi şok direnci, süneklik ve tokluk gibi özellikler gösteren ve piyasada parlak alaşımlar olarak bilinen malzemelerdir. Bu yüzden ticari saflıktaki alüminyum dan daha yüksek mukavemet gerektiren pek çok alanda; özellikle uçak, uzay, otomotiv, gemicilik ve denizcilik sektöründe, kimyasal aparat imalatında, düşük ısı uygulamalarında, basınçlı kaplar ve kaynaklı konstrüksiyonlarda, kara taşıtları ve askeri araçlarda başarıyla kullanılmaktadır. Araştırmacılar yapmış oldukları çalışmalarla, kompozit malzemelerin üretim, mekanik özellikler ve talaşlı imalatla şekillendirilmelerinde karşılaşılan problemleri azaltarak, ekonomik bir malzeme grubunun endüstriyel uygulamalarda kullanımının yaygınlaştırılmasını amaçlamaktadırlar [5-6]. Metal Matrisli Kompozitlerin (MMK ların) aşınma davranışları genellikle mikro yapı özelliklerine, uygulanan yüke ve temas yüzeyine bağlıdır. Aşınma olayı sırasında parçanın üçte bir oranında daha az aşınmasına neden olan MMK ların bünyesinde seramik parçacıkların oluşturduğu kuvvetli bağ, parçacıkların daha az ayrılmasına sebep olmaktadır.[7-8]. Bu çalışmada, soğuk presleme yöntemiyle üretilmiş, AlMgSi-SiC p takviyeli kompozitlerde, farklı sinterlenme sürelerinin adhesive aşınma direncine olan etkisi incelenmiştir. 2. Malzeme ve Metod Bu çalışmada 99 saflıktaki 42 µm tane boyutunda gaz atomizasyon yöntemiyle üretilmiş Al tozu ve 42 µm tane boyutunda ağırlıkça 1 Mg, 3 Si ve 5 1 2 oranlarında α-sic p takviye malzemeleri kullanıldı. Tablo 1 de tozların ağırlık oranları verilmiştir. IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Tablo 1. Numuneler ve Karışım Oranları Numune Al Mg Si SiC N 1-a 96 1 3 - N 2-a 91 1 3 5 N 3-a 86 1 3 1 N 4-a 81 1 3 2 N 1-b 96 1 3 - N 2-b 91 1 3 5 N 3-b 86 1 3 1 N 4-b 81 1 3 2 N 1-c 96 1 3 - N 2-c 91 1 3 5 N 3-c 86 1 3 1 N 4-c 81 1 3 2 N 1-d 96 1 3 - N 2-d 91 1 3 5 N 3-d 86 1 3 1 N 4-d 81 1 3 2 Sinterleme Süresi (dak.) Ağırlıkça 5 1 ve 2 oranında SiC p ihtiva eden karışımlar hazırlanarak oda sıcaklığında 1 dev/dk da 3 dk. süre ile karıştırıldı. Homojen karışımı sağlanan tozların soğuk presleme işlemi tek yönlü olarak 4 MPa lık basınçta yapıldı, sıcak presleme işlemi ise soğuk presleme sonrasında 6 C de 2 MPa basınçla 15 3 45 6 gerçekleştirildi. Aşınma testleri için soğuk presleme yöntemleri kullanılarak 12 mm çapında 2 mm boyunda aşınma test numuneleri hazırlandı. Numuneler 6 C sabit sıcaklıkta, 15 3 45 ve 6 dk. sürelerde sinterlendi. Daha sonra numuneler adhesive aşınma testlerine tabi tutuldu. Deney numunelerinin hazırlanması aşağıdaki sıralama takip edilerek gerçekleştirildi; AlSiMg-SiC p tozlarının hazırlanması, Tozların oda sıcaklığında karıştırılması, Karıştırılan tozların soğuk preslenmesi, Numunelerin farklı sürelerde sinterlenmesi, Aşınma numunelerinin elde edilmesi, Adhesive aşınma testlerinin yapılarak kütle kayıplarının hesaplanması. 3. Deneysel Çalışma Numuneler Şekil.1 de şematik resmi görülen blok-on-ring aşınma aparatında; 2 N luk yük, 9 dev./dk. lık dönme hızında ve 5, 1 ve 15 metrelik yolda aşındırılmış ve kütle kayıpları hesaplanmıştır. Aşındırıcı olarak 38 HV sertliğinde perno kullanılmıştır. Kullanılan pernonun yüzeyi aşınma deneyleri öncesinde 1 µm lik elmas pasta ile parlatılmıştır. Aşınma işlemleri sonunda numunelerin kütle kayıpları 1-4 hassasiyetindeki elektronik tartıda aşınma öncesi ve aşınma sonrası ölçülerek belirlenmiştir. Aşınma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobunda incelenerek yüzeyin SEM-EDS analizleri alınmıştır. Sekil 1. Aşınma Mekanizmasının Şematik Görünümü [7]. 4. Tartışma AlMgSi ve 5-1-2 SiC ilaveli kompozitlerin yüzeyleri parlatılmış ve numuneler Keller (-9 H 2O, -2 HF, -3 HCl, -5 HNO 3) dağlayıcısıyla dağlandıktan sonra yüzeyin SEM resimleri alınmıştır. Şekil 2 N2, N3 ve N4 numunelerinde SiC parçacıklarının tüm numune içinde homojen bir şekilde dağıldığı görülmektedir. Şekil 3 te N3 numunesinden noktasal EDS analizi alınmış ve tespit edilen oranların başlangıçtaki oranlarla aynı olduğu görülmüştür.
N 1 N N 2 2 N 3 N 4 Şekil 2. Aşınma İşlemi Uygulanmış Numunelerin Mikro Yapıları Şekil 3. EDS Analizi Yapılmış 5 SiC li (N2) Numunesi (A Noktası) Şekil 4 de üretilen kompozitlerin aşınma deneyleri sonucunda elde edilen aşınma grafikleri görülmektedir. Grafikler ağırlıkça AlMgSi / AlMgSi + 5SiC / AlMgSi + 1SiC / AlMgSi + 2SiC olacak şekilde sınıflandırılmış ve kendi arasında 15 3 45 6 dakika sinterleme süreleri göz önüne alınarak değerlendirmeler yapılmıştır. Üretilen kompozit malzemelerin kütle kayıpları sinterleme süresinin artmasına karşın azalma göstermiştir. SiC ilaveli N2-N3-N4 numuneleri AlMgSi matrisindeki sert SiC partiküllerin varlığı, malzemelerin mekanik özelliklerini önemli bir oranda etkiler. Buna göre, üretilen kompozit malzemelerde sünek matris ile sert takviye elemanları arasında ısıl genleşme farkından dolayı, matris ile partikül ara yüzeyi arasında yoğun dislokasyon bölgesi oluşarak kompozit malzemelerin sertliğini de artırdığı düşünülmektedir [9]. N2-N3-N4 numunelerin kütle kayıpları, artan SiC içeriğine, sinterleme süresine ve aşınma mesafesine karşın azalma göstermiştir.
AlMgSi AlMgSi+ 5 SiC,2,1,5 5 1 15 Aşınma Mesafesi (mt) 3 dak.,2,1,5 5 1 15 2 3 dak. AlMgSi+1 SiC AlMgSi+2 SiC,2,1,5 5 1 15 2 3 dak.,2,1,5 5 1 15 2 3 dak. Şekil 4. Kompozitlerin Aşınma Grafikleri Genel olarak, AlMgSi metal matrisli kompozitlerin toplam kütle kayıpları, SiC ve sinterlenme süresinin artmasıyla azalmıştır. Ancak, üretilen kompozit malzemelerin kütle kayıp değerleri bazen anlamsız şekilde artış göstermiştir, bu durumun da SiC tanelerinin aşınma işlemi sırasında numune ile aşındırıcı arasında SiC tanelerinin koparak numuneye gömülmesi ile pik vermiş ve bu yığılan SiC tanelerinin bir müddet sonra kopmasıyla çıkan pik tekrar düşme göstermiştir. Şekil 4 te aşınma grafikleri verilen N1-N2-N3-N4 numunelerinden N1 grubu standart olarak alındığında geri kalan numunelerde aşınma eğrileri mesafe/kütle kaybı rahatlıkla görülebilmektedir. Şekil 5 te N3 numunesinin 15-3-45-6 dakika sinterleme süresinde aşınan yüzeylerinden alınan SEM görüntüleri görülmektedir. SEM resimleri üzerinde aşınma yönü debrisleri, AlMgSi kompoziti içine takviye elemanı olarak yerleştirilen SiC partiküllerinin kopması, SiC tanelerinin yığılmasıyla oluşan oyuklar ve kopmalar beyaz renkte görülmektedir. Şekil 5 te 15 /3/45 dakika sinterleme süresindeki numunelerin yüzeyinde oluşan aşınma çizgileri üniform bir dağılım göstermektedir. Fakat 6 dakika sinterleme süresindeki numunede aşınma çizgileri azalmış ve yer yer oyuklar görülmektedir. AlMgSi kompozitinde, düzensiz aşınmaya kompozit malzemelerin aşınma yüzeyinde görülen SiC tanelerinin kopmaları neden olmaktadır. Aşınma SEM resimlerinden; kopmaların sünek olduğu ve aşınma işleminde yüzeyde oluşan çukurların takviye elamanının boyutuna bağlı olarak plastik deformasyona uğradığı görülmektedir.
Çalıgülü, U., Dikbaş, H., Taşkın M., ve Gür, A.K. a b c d Şekil 5. Aşınma Yüzeyleri SEM Görüntüsü (N3/ a=, b=3 dak., c=, d=) 5. Sonuçlar Al-Si-Mg- metal matrisli kompozitler homojen dağılım sağlanarak soğuk presleme yöntemiyle üretildi. AlSi-Mg- numunelerin kütle kayıpları, artan SiC içeriğine, sinterleme süresine ve aşınma mesafesine karşın azalma göstermiştir. Kompozitte sinterleme süresinin artması ve SiC ilavesiyle meydana gelen aşınma oranı arasında ters bir orantı oluşmaktadır. Kompozitte aşındırma işlemi sırasında uygulanan yük ve oluşan muhtemel ısıdan dolayı, çatlak ve kopma olmamıştır. Ancak sert partiküllerin yumuşak zemini yırtarak çıktığı görülmüştür. Kompozitteki max. kütle kaybı oranı N 4-b numunesinde elde edildi. Kaynaklar [1] Kurt, A. O., Toz Metalurjisi Ders Notları, Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, S;25. [2] Somunkıran, İ., Özel, S., Fe Esaslı Toz alaşımında Sinterleme Sıcaklığının Aşınma Direncine Etkisi, 11. Uluslararası Malzeme Sempozyumu, 153-157, 26. [3] Lame O., Bellet D., Michiel M. D., Bouvard D., Bulk observation of metal powder sintering by X-ray synchrotron microtomography, Acta Materialia, Vol 52(4), 977-984, 24. [4] Sarıtaş S, Türker M, Durlu N., Toz Metalurjisi ve Parçacıklı Malzeme İşlemleri, Türk Toz Metalurjisi Derneği Yayınları: 5, 233-276, 27. [5] Ozan, S., Çalıgülü, U., Taşkın, M., Gür, A.K., Dikbaş, H, Çay, V.V., Sıcak presleme yöntemiyle imal edilmiş takviyeli alüminyum esaslı kompozitlerin difüzyon kaynağında sıcaklığın birleşme üzerindeki etkisinin incelenmesi, 11. Uluslararası Denizli Malzeme Sempozyumu, 233-236, Denizli, 26. [6] Sur, G., Şahin, Y., Gökkaya H., Ergimiş Metal Karıştırma ve Basınçlı Döküm Yöntemi ile Alüminyum Esaslı Tanecik Takviyeli Kompozitlerin Üretimi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 2 (2), 233 238 25. [7] Taskin, M., Caligulu, U., Gur, A. K., "Modeling adhesive wear resistance of Al-Si-Mg / PM compacts fabricated by hot pressing process, by means of ANN", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 37; 715 721, 28. [8] Bhansali,K.J. Mehrabian, R., Abrasive Wear of Aluminum-Matrix Composites, J. Metals, 9, 3, 1982. [9] Buytoz,S. ve Eren, H. Effect of Particle Reinforcements on Abrasive Wear Performance of Aluminum Metal Matrix Composites, Science and Eng. J of Fırat Univ, 19 (2), 29-216, 27.