PARTİKÜL TAKVİYELİ DEMİR ESASLI FeCu-C MALZEMENİN AŞINMA VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ

PARTİKÜL TAKVİYELİ DEMİR ESASLI FeCu-C MALZEMENİN AŞINMA VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ Bekir Sadık ÜNLÜ 1 Enver ATİK 2 Cem ÇÖLLÜ 3 ÖZET Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemiyle üretilen demir esaslı malzemelerin aşınma ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla demir-bakır-grafit, demir-bakırgrafit-alüminyum oksit ve demir-bakır-grafit-silisyum karbür tozları homojen karışım sağlanacak şekilde karıştırılmıştır. Demir-bakır-grafit tozları sabit tutulurken, alüminyum oksit ve silisyum karbür miktarları % 3 ve % 6 oranında arttırılmıştır. 360 MPa basınçta preslenen malzemeler 1100 o C de azot atmosferinde sinterlenmiştir. Sinterlenmiş numuneler üzerinde optik mikroskop incelemeler, sertlik ölçümleri, çekme, basma, eğme ve aşınma deneyleri uygulanmıştır. Anahtar Kelimeler: Toz Metalurjisi, Demir Malzeme, Aşınma, Mekanik Özellik ABSTRACT In this study, wear and mechanical properties of the ferrous based materials were investigated produced by powder metallurgy method. For this aim, ferrous-coppergraphite, ferrous-copper-graphite aluminum oxide and ferrous-copper-graphite silicon oxide carbide were mixed homogeneously in specific amounts. While ferrous-copper-graphite was set to fixed amount aluminum oxide and silicon carbide were increased by % 3 and % 6, respectively. The materials were pressed at 360 MPa press and sintered for 30 minutes in 1100 o C nitrogen atmosphere. Sintered samples were applied to optic microscope evaluations, hardness measurements and tensile, pressure, bending and wear tests. Keywords: Powder Metalurgy, Ferrous Material, Wear, Mechanical Properties 1.GİRİŞ Toz metalurjisi malzeme üretiminde kullanılan üretim yöntemlerinden birisidir. Yöntemin başlangıç malzemesi en genel tanımıyla tozdur. Söz konusu olan bu toz malzeme metal alaşımı, saf metal karışımı veya seramik tozu olabilir. Metal malzeme 1 Arş. Gör. Dr. Celal Bayar Üniversitesi, Müh. Fak., Mak. Müh. Böl. Muradiye/MANİSA 2 Yrd. Doç. Dr. Celal Bayar Üniversitesi, Müh. Fak., Mak. Müh. Böl. Muradiye/MANİSA 3 Mak. Yük. Müh., Türk Telekom, MANİSA I

yapımında ya ön alaşımlandırılmış toz ya da element toz karışımı kullanılır. Toz metalurijisi metal seramik tozların üretimi ve bu tozların mekanik ve termik etkilerle birleştirilerek parça üretimini amaçlar. Bu yöntem döküm, talaşlı ve talaşsız şekillendirme, kaynak gibi imal yöntemleri arasında döküm yöntemi kadar eski; uygulama açısından ise bu yöntemlerden daha yenidir. Ergime sıcaklığı yüksek olan metaller eskiden olduğu gibi günümüzde toz metalurjisi yöntemi ile şekillendirilir[1] Toz metalurjisi yöntemi dünyanın önemli gelişmiş ülkelerinde kullanılmakta ve mamulleri endüstrinin geniş alanlarında yaygınlaşarak kullanılmaktadır. Toz metalurjisinde özellikle demir esaslı ürünler endüstrinin birçok dalında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bilhassa diğer T/M ürünlerine göre daha üstün özelliklere sahip olması kullanımını arttırmaktadır. Otomotiv parçaları, el aletleri, çiftlik aletleri, büro malzemeleri, havacılık ve askeri alanlarda kullanılan demir esaslı toz metal (T/M) parçalar vazgeçilmez malzemelerdendir. Günümüzde toz metalurjisi ile üretilen ürünler çok değişik alanlarda kullanılmaktadır. En çok kullanıldığı alan % 60 la otomotiv endüstrisidir. Bunu % 16 ile büyük ve küçük el aletleri, % 8 ile tarım aletleri, % 7 ile madeni eşyalar ve % 6 ile büro makineleri takip etmektedir. Demir tozlarının diğer tozlarla birlikte kullanılması (Nikel, Fosfor, Bakır v. b.) bu parçaları daha da stratejik duruma getirmektedir. Otomotiv endüstrisinde kullanılan şaft millerinin bazı aksamları dahi ileri T/M yöntemleri kullanılarak demir esaslı toz karışımlarından üretilebilmektedir [2-5]. Demir esaslı T/M ürünleri genelde üç temel toz karışımından üretilmektedir. Bunlar; demir-grafit toz karışımları, demir-bakır toz karışımları ve demir-bakırgrafit toz karışımlarıdır [6, 7]. Üretim olarak metal tozları kimyasal, elektrokimyasal, mekanik ve atomizasyon yöntemi ile üretilirler [8-14]. Toz metalurjisinde genellikle tek bileşenli sistemlerden çok toz karışımları kullanıldığından tozların presleme işlemine tabi tutulmadan önce etkin bir şekilde karıştırılmaları gerekir. Karıştırma işleminin temel amacı toz karışımlarının homojenliğini sağlamaktır. Değişik boyut, şekil ve yoğunluktaki tozların homojen olarak karışmaları üretilecek olan malzemenin performansını artırır [2]. Karıştırmayı ise tozların fiziksel karakteristikleri, karıştırıcı boyutu, karıştırıcıdaki toz hacmi, karıştırma hızı, karıştırma süresi, nemlilik ve atmosfer koşulları ve dönme hızıdı[15]. Toz taneleri 2

birbirleri üzerinde kayma hareketi yapmalı ve kesinlikle serbest düşme hareketine izin verilmemelidir. Karıştırma sırasında deformasyon sertleşmesi oluşturmayan karıştırma hızları seçilmelidir. Deformasyon sertleşmesi tozun preslenme özelliğini azaltır [16]. Sinterlemede, sinterlenen parçaların sinterleme sıcaklığına (demir esaslı malzemeler için 1100-1200 0 C) çıkış hızları, sinterleme sıcaklığındaki kalma süreleri (30-60 dakika), ve soğuma hızları ürün özelliklerini doğrudan etkiler. Sinterleme, katı hal ve sıvı faz sinterlemesi olarak ikiye ayrılır [17-20]. Bu çalışmada; Al 2 O 3 ve SiC partikül takviyeli demir esaslı T/M yöntemiyle üretilmiş malzemelerin aşınma ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Belirlenen tozlar karıştırıcı ile karıştırılmış ve preslenmiştir. Sinterleme sıcaklığı olarak 1100 ºC, sinterleme süresi olarak 30 dakika ve sinterleme atmosferi olarak ise 0.5 l/dak debili azot gazı seçilmiştir. Daha sonra da sinterlenen numunelerin karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar mikroyapı incelemeleri, sertlik ölçümleri, çekme, basma, eğme ve aşınma deneyleri ile desteklenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada; demir-bakır-grafit, demir-bakır-grafit-alüminyum oksit ve demirbakır-grafit-silisyum karbür ile üretilen parçalarda aşınma ve mekanik özelliklere etki eden parametreler incelenmiştir. Bu amaçla artan miktarda alüminyum oksit ve silisyum karbür ilaveleri yapılmıştır. Deneysel çalışmanın tümünde Högenas firmasının gaz atomizasyon yöntemiyle ürettiği yaklaşık 20 ile 180 µm arası boyutunda ticari saflıktaki ASC 100.29 demir tozu kullanılmıştır. Kullanılan bakır tozu olarak % 99,36 ticari saflıktaki yaklaşık 20 µm boyutunda bakır tozu kullanılmıştır. Kullanılan grafit ve alüminyum oksit tozu % 99,99 ticari saflıktaki 60 µm boyutunda Högenas firmasının atomizasyon yöntemiyle ürettiği tozlardan kullanılmıştır. Yaklaşık 90 µm boyutunda SiC tozları kullanılmıştır. Toz karışımları karıştırıcılar içerisinde homojen karışım elde edilinceye kadar 20 dakika karıştırılmıştır. Numuneler 360 MPa presleme basıncında basılmıştır. Toz karışım oranları Tablo 1 de verilmiştir. 3

Tablo 1. Toz karışım oranları. Numune No Demir (%) Bakır (%) Grafit (%) Al 2 O 3 (%) SiC (%) 1 96 3 1 2 93 3 1 3 _ 3 90 3 1 6 _ 4 93 3 1 _ 3 5 90 3 1 _ 6 Numuneler sinterleme süresince oksitlenmeyi önlemek için azot gazı ortamında 1100 C da 30 dakika süreyle fırında sinterlenmiştir. Mekanik deneyler TSE 138 ve TSE 269 a göre ALŞA marka üniversal çekme cihazında yapılmıştır. Çekme deneyi için, (l=55, l 0 =30, d=10 ve d o =6 mm), basma deneyi için (d=10, h=10 mm) ve eğme deneyi için (55x10x10 mm) boyutlarında numunelerden her bir deney için 3 er adet hazırlanmıştır. Deney sonuçlarında bu üçer numunedeki elde edilen değerlerin ortalaması alınmıştır. Mekanik deneylerden çekme, basma, eğme ve sertlik deneyleri yapılmıştır. Sertlik ölçümleri SADT HARTIP-3000 marka sertlik ölçme cihazında yapılmıştır. Aşınma deneyleri ise, 15 mm uzunluğunda 6 mm çapındaki numuneler ile pim-disk aşınma deney cihazında 10 ar dakika olmak üzere toplam 50 dakika ve 20 N yükte aşındırılarak ağırlık kaybına göre yapılmıştır. Diskin yüzey pürüzlülüğü 0.8 µm dir. Cihaz, 50 d/dak devir ve 0,628 m/s kayma hızında çalışmaktadır. Numunelerin mikroyapıları ise, optik mikroskopta incelenmiştir. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Mekanik deneylerden, sertlik ölçümlerinde demir tozuna partikül ilave edildiğinde malzemenin sertliğinde artış gözlenmiştir. Çekme deneyi ölçümlerinde ise ilave edilen partikül miktarı arttıkça çekme ve basma dayanımının azaldığı görülmüştür. Eğme deneyi ölçümlerinde de ilave edilen partikül miktarı arttıkça eğme dayanımının azaldığı görülmüştür. Bu sonuçlar Tablo 2 de verilmiştir. Aşınma deneylerinde ise, ilave edilen partikül miktarı arttıkça aşınma dayanımının azaldığı görülmüştür. Bu sonuçlar Şekil 1 de verilmiştir. 4

Yapılan optik mikroskop çalışmalarında bütün numunelerin mikroyapıları ayrı ayrı 100 büyütmede incelenmiştir. 10 mm lik büyüklük yaklaşık 100 µm değerini göstermektedir. Toz partikül düzgün dağılımı ve oranları mikroyapılarda açıkça gözlenmektedir. Partikül takviyesiz 1 no lu numunenin mikroyapısında (Şekil 2) grafit taneleri net bir şekilde görülmektedir. Şekil 3-6 arası ise Al 2 O 3 ve SiC takviyeli numunelerin mikroyapısı görülmektedir. Bu mikroyapılardan da görüldüğü gibi Al 2 O 3 ve SiC partkülleri tam olarak matriks malzemesi ile bağlanmamıştır. Sonuçta; diğer önceki çalışmalarımızda [21, 22]. Al esaslı partikül takviyeli metal kompozitlerinde partikül takviyesinin sertliği ve dolayısıyla aşınma ve basma dayanımını artırdığı fakat partiküllerin boşluk etkisi oluşturmasından dolayı diğer mekanik özellikleri azalttığı gözlenmiştir. Burada bu durumdan farklı olarak demir tozuna ilave edilen partiküllerin sadece sertliği arttırdığı, aşınma dayanımını ve çekme, basma, eğme gibi mekanik özellikleri azalttığı görülmüştür. Bu durum partiküllerin hem boşluk etkisi oluşturmasından hem de partiküller ile demir tozlarının tam olarak bağlanamamış olmasından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, demir tozuna ilave edilen partikül takviyeleri malzemenin aşınma ve mekanik özelliklerini arttırmayıp, azaltmaktadır. Bu malzemelere partikül ilavesi yapılması uygun değildir. Bu çalışmanın devamı olarak toz türü ve boyutu, presleme basıncı sinterleme sıcaklığı, sinterleme atmosferi ve sinterleme sonrası yapılan ısıl işlemlerin gelişmesi bu konuda yapılacak çalışmaların ufkunu genişletebilir. Tablo 2. Numunelerin mekanik deney sonuçları. No Çekme Dayanımı (MPa) Basma Dayanımı (MPa) Eğme Dayanımı (MPa) Sertlik (HRB) 1 174 1360 367 50 2 132 1002 274 55 3 94 743 144 60 4 103 620 103 63 5 82 488 77 65 5

Aşınma Kaybı (mg) 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 Süre (dakika) Şekil 1. Numunelerin aşınma kayıplarının süre ile değişimi. Şekil 2. 1 no lu numuneye ait mikroyapı görüntüsü (x100). 6

Şekil 3. 2 no lu numuneye ait mikroyapı görüntüsü (x100). Şekil 4. 3 nolu numuneye ait mikroyapı görüntüsü (x100). 7

Şekil 5. 4 no lu numuneye ait mikroyapı görüntüsü (x100). Şekil 6. 5 no lu numuneye ait mikroyapı görüntüsü (x100). 4. KAYNAKLAR 1. Özsoy, H. Ö., Toz Metalurjisi Süreçleriyle Üretilen Demir Esaslı Yapısal Parçaların Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, 1996, İSTANBUL 2. Yılmaz S. B., Toz Metalurjisi İle Üretilen, Bağlı Grafitli Demir Parçalarda Kullanılan, Farklı Demir Tozu Cinslerinin Parçalardaki Mekanik Özelliklere Etkisi, 1999, İSTANBUL. 3. Kempton, H. R., History of Prowder Metallury Metals Handbook,Volume 7. P:14-20, 1993, U. S. A 4. Morioka, Y., Recent Trends in Ferrous P/M Meaterials Prowder Metallurgy World Coongress 1993, JAPAN 5. Stsuy, A., Microstructures of Ferrous Powder Metallurgy Alloys Atlas of Microstructures of industrial Alloys, 1993, U. S. A. 6. Crawson, A, P/Mferrous Mateials, Metals Handbook,Volume 7.P:623, 1993 8

U. S. A. 7. Capus, J. M., German, R. M., Secondary Operations Quality Standarts, Advances in Prowder Metallurgy & Particulate Materials, 1992, U. S. A. 8. Johnson, D. L., Recent Development in Theoretical Analysis of Solid State Sintering Sintering-Theory and Pratice, 1981, U. S. A. 9. Klar, E., Production of Copper Powder by Atomization, Metals Handbook, Volume 7, P:116-117, 1993 U. S. A. 10. Lenel, V. F., Mechanical Fundamentals of Cosolidation, Metals Handbook, Volume 7, P:287-301, 1993 U. S. A. 11. Thümmler, F., Oberacker, R., Introcduction to Powder Metallurgy, 1993, U. S. A. 12. Kaysser, W. A., Solid State Sintering, Powder Metallurgy on Overview, 1991, U. S. A. 13. German, R. M., A Quantitive Theory for Super Solidus Liquid Phase Sintering, Powder Metallurgy, Volume 34, Number:2, 1991, U. S. A. 14. Courtney, T. H., Densification and Structural Devolopment in Liquid Phase Sintering, Metallurgical Transaction, Volume 15 A, 1984 15. Leone, D. F., P/M Parts for Business Machines metals Handbook Volume 7. P: 667-670, 1993, U. S. A. 16. Çöllü, C., Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretilen Parçaların Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, C. B. Ü., Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2004, Manisa 17. Bradbury, S., Prowder Metallurgy Eguipment Manual, 1986, U. S. A. 18. Klar, E., Production of Copper Prowder by Reduction of Copper Oxide Metals Handbook,Volume 7, P:105-110, 1993, U. S. A. 19. Nayar, S. H., Production Sintering Atmospheres, Metals Handbook, Volume 7., 1993, U. S. A. 20. Demir, A., Toz Metal Bir Çeliğin Mekanik Özellikleri Yüksek Lisans Tezi G. Ü., Fen Bilimleri Enstitüsü, 1992, ANKARA 21. Ünlü, B. S., Şahin, S., Akgün, S., Döküm ve T/M Yöntemiyle Üretilmiş Al 2 O 3 SiC Takviyeli Al Kompozitlerinin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, 10. Denizli Malzeme Sempozyumu, Nisan-2004 22. Ünlü, B. S., Şahin, S., Akgün, S., T/M Yöntemi ile Üretilmiş Al 2 O 3 SiC Takviyeli Al Kompozitlerinin Aşınma Özelliklerinin İncelenmesi, 4. Uluslar arası Toz Metalurjisi Konferansı, Mayıs 2005, Sakarya 9

YÜKSEK ALÜMİNALI REFRAKTERLERİN ÇALIŞMA ORTAMINI TERMAL ŞOK PARAMETRELERİYLE BELİRLEMEK ÖZET N. Sinan KÖKSAL 4 Refrakter tuğlaların ömrünü artırmak için, çalışma koşullarını bilmek ve bu koşullara uygun malzeme seçmek önemlidir. Çalışmamızda, (%) ağırlıkça 50, 60 ve 70 alümina (Al 2 O 3 ) içeren refrakter tuğlalar kullanıldı. Örnekler; 300, 600 ve 900 C sıcaklık farkları oluşacak şekilde ortam sıcaklığındaki su ortamında 1, 3 ve 5 defa soğutularak termal şok deneyleri uygulandı. Bu örneklerin eğilme dayanımı, elastisite modülü değişimleri üç nokta eğme deneyleri yardımıyla hesaplandı. Malzemelerin özelliklerini belirleyen çatlak oluşumuna direnç (R) ve çatlak ilerlemesine direnç (R ) değişkenleri hesaplanarak değişimleri grafiklerde verilmiştir. Malzemelerde oluşan değişimler için yüzey resimleri alınmıştır. Bu parametreler kullanılarak refrakter malzemelerin çalışma ortamındaki davranışları belirlenebilir. Anahtar Kelimeler: Termal şok, eğilme dayanımı, R ve R parametreleri DETERMINATION BY THERMAL SHOCK PARAMETERS OF THE WORKING CONDITIONS IN HIGH ALUMINA REFRACTORIES ABSTRACT In order to increase the usage life of refractory bricks it is important to understand their material properties in suitable working conditions. In our study 50, 60 and 70 % by weight of alumina (Al 2 O 3 ) content refractory bricks were used. Thermal shock tests were applied by quenching in water at temperature differences of 300, 600, and 900 C. Bending strength and elastic modulus changes were examined by three point bending test. Thermal shock parameters such as resistance to crack initiation (R) and resistance to crack propagation (R ) were calculated and their changes were shown in graphs. Surface photographs were taken for changes occurred in materials. Behaviours of refractory materials in working conditions can be determined by using these parameters. Key Words: Thermal shock, bending strength, R and R parameters 1. GİRİŞ Yüksek alüminalı tuğlalar, Al 2 O 3 içeriği % 45 den büyük olan Al 2 O 3 -SiO 2 bileşen grubudur. Refrakterlik özellikleri iyi, aşınmaya karşı dayanıklı, soğukta ve sıcakta yüksek basınca dayanıklı, asit esaslı cüruflara karşı düşük, bazik esaslı cüruflara karşı yüksek 4 Öğr. Gör. Dr. Celal Bayar Ü. Müh. Fak. Makine Böl. 45140 - MANİSA

direnç gösterirler. Elektrik ark ocağı kapağı ve duvarları, çimento ve cam ergitme fırınları alümina refrakterlerin kullanım alanlarıdır. Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda tercih edilen seramik malzemeler, ani sıcaklık değişimiyle oluşan termal gerilmelere karşı ise hassastır. Mekanik yüklerle birleşen termal gerilmelerin büyüklüğü malzemelerin taşıyabileceği gerilmeleri kabul edilemez düzeylere ulaştırabilir (Husovic 1999, Collin 2000). Refrakterlerin kullanımında en fazla termal şok hasarı ile karşılaşılır. Ani ısı değişimlerine karşı malzemenin hasara uğramadan ve ağırlık kaybına neden olmadan dayanmasına o malzemenin termal şok direnci adı verilir. Gevrek seramik malzemelerin termal şok direnç faktörlerini tanımlamak için birçok çalışma yapılmıştır (Nakayama and Ishizuka 1967, Bradt 1987). Bunlar: Termal şok kırılma direnç faktörü ve termal şok hasar direnç faktörünün belirlenmesi olarak iki grupta toplanabilir. Termal şok kırılma direnç faktörü çalışmalarında, hasarın oluşumunun başlangıç nedeni, malzeme özelliklerinden kaynaklandığını gösteren birçok çalışma vardır. Termal şok hasar direnç faktörleri ise, Hasselman ın çalışmalarında termal şok ile başlayan çatlakların yayılmasının derecesini gösterir (Hasselman, 1969, Shevchenko, 2000, Wang 1992). Refrakter malzemelerde termal şok durumunda eğilme dayanımı değerinde %30 azalmaya veya %60 a kadar ağırlık kaybına izin verilmektedir. Bu değerlerden sonra ise malzeme artık kullanılmaz olmaktadır (TSE 1985, ASTM 1991). Üretimde refrakter malzeme bileşenlerinin termal genleşme katsayılarının farklı olması nedeniyle oluşan termal gerilmeler, özellikle tanelerin etrafında çekme gerilmeleri ve içyapıda mikroçatlakları oluşturur. Malzemenin dayanım ve elastisite modülü değerlerinin de azalmasına neden olur (Köksal 2003). Refrakter malzemeler için, Hasselman değişkenlerinden olan, R (termal gerilmelerden dolayı çatlakların başlamasına karşı direnç) ve R (yüksek sıcaklık farklarından dolayı oluşan termal şoklar nedeniyle çatlakların ilerlemesine direnç) refrakterlerin termal şoka dayanımının bir ölçüsüdür. Refrakter malzemelerin çatlak oluşumuna direnci az (R düşük), çatlak yayılmasına ise dirençli (R yüksek) olduğu bilinmektedir. Refrakter tuğlalar işletmenin verimli ve sürekli çalışması için; kullanım yerine ve çalışma şartlarına uygun olması gerekmektedir. Çalışma ortamına uygun tuğla kullanılmaması durumunda, işletmelerde beklenmedik hasarlar, üretim ve işgücü kaybı ortaya çıkacaktır. Bu çalışmada, ağırlıkça % 50, 60 ve 70 alümina içeren refrakter tuğlaların verimli ve uzun süreli çalışma ortamını belirlemek için, 300, 600 ve 900 C sıcaklık farklarında, su ortamında soğutularak termal şok deneyi uygulanmıştır. Örneklerin mekanik özellikleri ve malzeme yapılarında oluşan değişimler incelenmiştir. Bunlara bağlı termal şok parametreleri hesaplanmıştır. Bu parametreler kullanılarak refrakter malzemelerin kırılma durumları belirlenebilmektedir. 2. MALZEME VE YÖNTEM Yüksek alüminalı (Al 2 O 3 ) ticari ürün tuğlalardan alümina oranı esas alınarak üç farklı örnek seçilmiştir. Deneylerde kullanılan örneklerin bileşimleri ve bazı fiziksel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir.

Tablo 1. Örneklerin kimyasal bileşimleri (% ağırlık ) ve bazı fiziksel özellikleri. Örnek Al 2 O 3 SiO 2 TiO 2 Fe 2 O 3 CaO MgO Hacim Ağırlık Görünür Porozite (Mgr/m 3 ) (%) A 50 40 1,6 1,8 0,5 0,5 2,35 19 B 60 30 2,9 2,1 0,5 0,3 2,45 20 C 70 20 3,1 2,0 0,5 0,3 2,62 20 Deney örnekleri, 230x114x64 mm boyutlarındaki ticari ürün refrakter tuğlalardan 20x20x150 mm boyutlarında üç nokta eğme deneyi standartlarına uygun olarak hazırlanmıştır. Termal çevrim uygulanacak işlem sıcaklık farkları 300, 600, ve 900 C seçilmiş ve her bir sıcaklık aralığı için beş adet örnek hazırlanmıştır. Termal şok çevrimi için belirlenen sıcaklıklarda 30 dakika fırında bekletilen örnekler, fırından çıkarılıp hemen ortam sıcaklığındaki suya atılarak soğutulmuştur. Su içerisinde 3 dakika bekleyerek tamamen soğuyan örnekler daha sonra 110 C de fırında 10 dakika bekletilerek tamamen kuruması sağlanmıştır. Böylece belirtilen sıcaklık farkında bir çevrim yapılmış olur. Örneklere sıcaklık farkları 300, 600, ve 900 C için 1, 3 ve 5 defa termal çevrim uygulanmıştır. Malzemelerin sıcaklık farkı ve çevrim sayılarına bağlı eğilme dayanımı değerlerini ve bu değerlerdeki değişimi saptamak için üç nokta eğme deneyi yapılmıştır. Herhangi bir termal işlem yapılmadan belirtilen boyutlardaki örneklere üç nokta eğme deneyi uygulanmıştır. Belirtilen sıcaklıklarda termal çevrimler yapılarak hazırlanan örneklerin üç nokta eğme deneyi, Shimadzu AG 100 kn cihazında destekler arası açıklık (L) = 120 mm ve makine basma hızı 2 mm/dakika ile yapılmıştır. Örneklerin kırılma kuvveti değeri (F) elde edilmiştir. Buradan da örneklerin eğilme dayanımı (σ) değerleri; σ = 1.5 F L / b h 2 (1) σ F L b h = Eğilme dayanımı (veya kırılma modülü) (MPa) = Kırılma anında numuneye uygulanan kuvvet (N) = Mesnet merkezleri arası açıklık (mm) = Numune genişliği (mm) = Numune kalınlığı (mm) formülü ile hesaplanmıştır. E=L 3 m / (4bh 3 ) (2) üç nokta eğme deneyinden elde edilen, yük-uzama (F- x) eğrilerinden, m=eğrinin başlangıç bölgesi eğim değeri, b=genişlik, h=kalınlık olmak üzere, basma cihazının makine hassasiyeti de dikkate alınarak hesaplanmıştır (Anonim 1985, ASTM 1991).

3. DENEY SONUÇLARI Değişik sıcaklık farklarına bağlı olarak termal şok uygulanmış örneklerde, oda sıcaklığında yapılan üç nokta eğme deneyinden hesaplanan eğilme dayanımı değerleri, sıcaklık farklarına bağlı değişimi Şekil 1-3 de grafiklerle verilmiştir. Eğilme Dayanımı (MPa) 8 7 6 5 4 3 2 1 1 Çevrimli 3 Çevrimli 5 Çevrimli 0 300 600 900 Sıcaklık Farkı ( C) Şekil 1. Örnek A için çevrim sayıları ve sıcaklık farkına bağlı eğilme dayanımının değişimi. Eğilme Dayanımı (MPa) 6 5 4 3 2 1 Çevrimli 3 Çevrimli 5 Çevrimli 1 0 300 600 900 Sıcaklık Farkı ( C) Şekil 2. Örnek B için çevrim sayıları ve sıcaklık farkına bağlı eğilme dayanımı.

Eğilme Dayanımı (MPa) 8 7 6 5 4 3 1 Çevrimli 3 Çevrimli 5 Çevrimli 2 0 300 600 900 Sıcaklık Farkı ( C) Şekil 3. Örnek C için çevrim sayıları ve sıcaklık farkına bağlı eğilme dayanımı. Örneklerin (A, B ve C) üretim sonrası herhangi bir termal işlem görmemiş durumda üç nokta eğme deneyi ile hesaplanan eğilme dayanımı değerleri Şekil 4 de, elastisite modülü değerlerinin sıcaklık farkına bağlı değişimi Şekil 5 de verilmiştir. Eğilme Dayanımı (MPa) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 A B C Örnekler Şekil 4. Örneklerin işlem görmemiş durumda eğilme dayanımı değerleri.

E (GPa) 25 20 15 10 Örnek A Örnek B Örnek C 5 0 0 300 600 900 Sıcaklık Farkı ( C) Şekil 5. Örneklerin elastisite modülünün (E) sıcaklık farkına bağlı değişimi. Örneklerin deneylerden bulunan, eğilme dayanımı (σ), elastisite modülü (E) ve literatürden alınan ısıl genleşme katsayısı (α), poisson oranı (ν) gibi değerler yardımıyla Hasselman kriterlerinde tanımlanan R değeri; R= σ (1-ν) / E α (3) R =Termal şok parametrelerinden çatlak oluşumuna direnç ( C) ile hesaplanmıştır. Örneklerde alümina için α= 8.8 10-6 (1/ C) değerleri literatürden alınmıştır. Alümina esaslı refrakter malzemeler için ν=0.26 dır. (Morell R., 1985). Termal şok dirençlerinden R değerleri çatlak ilerlemesine karşı direnci gösterdiği için refrakter malzemelerde öncelikli olarak değerlendirilen parametrelerdendir. R = E / σ 2 (1-ν) (4) R = Refrakter malzemelerin çatlak ilerlemesine karşı direnç değeri (1/MPa) Örnekler için R değerleri hesaplanmış ve sıcaklık farkına bağlı olarak değişimleri Şekil 6 da, R değerlerinin sıcaklık farkına bağlı olarak değişimleri ise Şekil 7 de gösterilmiştir.

30 25 R ( C) 20 15 10 Örnek A Örnek B Örnek C 5 0 0 300 600 900 Sıcaklık Farkı ( C) Şekil 6. Örneklerin R değerinin sıcaklık farkına bağlı olarak değişimi. 1400 1200 R''' (1/MPa) 1000 800 600 400 Örnek A Örnek B Örnek C 200 0 0 300 600 900 Sıcaklık Farkı ( C) Şekil 7. Örneklerin R değerinin sıcaklık farkına bağlı olarak değişimi. Termal şok işlemi uygulanan örneklerde tane dökülmesi, yüzeylerde veya iç bölgelerde çatlak oluşumu gibi etkileri görmek için her çevrim sonrası yüzey resimleri alınmıştır. Termal şok sıcaklık farkı 900 C olan çevrimler için, işlem yapıldıktan sonraki yüzey görüntüleri Şekil 8-10 da gösterilmiştir:

Şekil 8. A örneğin 900 C de 1, 3 ve5 termal çevrimden sonraki görüntüsü. Şekil 9. B örneğin 900 C de 1, 3 ve5 termal çevrimden sonraki görüntüsü. Şekil 10. C örneğin 900 C de 1, 3 ve5 termal çevrimden sonraki görüntüsü. Refrakter malzemelerin termal işlemler sonrası yüzeyleri incelendiğinde, yapıdaki tane kaybı ile oluşan boşluklarda, örnek kenarlarında ve/veya tanelerin etrafında çatlakların oluştuğu görülmektedir. Tekrarlanan çevrimlere bağlı olarak termal şoklar sonucunda bu çatlakların, örneklerin iç kısımlarına doğru ilerlediği ve zamanla kırılmaya yol açtığı görülmüştür.

4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 1. Termal şok uygulanan % 50, 60 ve 70 alümina içeren refrakter malzemelerin eğilme dayanımı değerlerinde, işlem görmemiş örneklere göre çevrim sıcaklık farkı ve çevrim sayısı arttıkça azalmalar elde edilmiştir. 2. Her çevrim sonrası alınan yüzey resimlerinde tane dökülmesi ve çatlak oluşumu şeklinde hasarlar oluştuğu gözlenmiştir. Dökülen tane miktarı ve yüzeylerde görülen çatlak sayısı, uygulanan sıcaklık farkı ve çevrim sayısı artışı ile daha fazla olmuştur. Kırılma başlangıcı olan çatlaklar çoğunlukla yüzeyde ve kenarlardan oluşmasına rağmen yapı içerisinde de oluşabilmekte ve mevcut çatlaklar birleşerek hasara neden olmaktadır. Üretimden kaynaklanan özellikle de taneler civarında oluşan mikro çatlaklar işlem yapılmamış malzemelerde de görülmektedir. Ancak bu çatlaklar bazen de termal çevrimlerle oluşan çatlakların ilerlemesini engelleyici etki etmektedir. 3. Malzemelerin R değeri çatlamaya karşı direnci ifade ettiğine göre, % 70 alüminalı malzeme üretim sonrası termal işlemsiz örneklerde daha büyüktür. Termal çevrimlerle bu değer artış göstermiştir. Ancak termal işlem gördükçe R değerinde artış olduğu yani çatlak başlamasına karşı daha dirençli bir yapı görülmektedir. Burada oluşmuş çatlakların bünyedeki yeni çatlakların oluşumuna engel olduğu söylenebilir. 4. Malzemelerdeki farklı oranlardaki bileşimler ve bunlar arasındaki üretimden veya ısıl işlemlerle oluşan boşluklar nedeniyle oluşmuş çatlakların ilerlemesine karşı direnç yani R değerleri kimyasal yapıyla doğrusal bir bağıntısı yoktur. Sıcaklık farklarına artışlarına bağlı olarak genelde çok fazla olmasa da azalma göstermektedir. Çatlakların sayısının artması ve/veya birleşmeleri bu düşüşte etkili olmaktadır. 5. Ancak % 60 alüminalı refrakterlerin çatlak oluşumuna dirençli olmasa da (R değeri en küçük) çatlak yayılmasına karşı dirençli olduğu (R en büyük) grafiklerden görülmektedir. Bu özellik kimyasal yapıya bağlı parametrelerin değişiminde doğrusal ilişkinin olmadığını göstermektedir. 5. KAYNAKLAR 1. ASTM C1161-90, 1991. Standart Test Methods for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature, Annual Book of ASTM Standarts, Vol. 15.01, 327 2. Bradt R.C., 1987. Fracture Testing of Refractories, Past, Present and Future, In Proc. 2nd International Conf. On Refractories 87 Tokyo Volume 1, 61-68, 3. Collin M, D Rowcliffed 2000. Analysis and Prediction of Thermal Shock in Brittle Materials, Acta Material Vol. 48, 1655-1665, 4. Hasselman DPH, 1969. Unified Theory of Thermal Shock Fracture Initiation and Crack Propagation in Brittle Ceramics J. American Soc. Vol. 52 Issue 11, 600-604 5. Husovic T, Jancic R, Cvetkovic M, Mitrakovic M, and Popovic Z. 1999. Thermal Shock Behavior of Based Refractories: Fracture Resistance Parameters and Water Quench Test. Materials Letters Vol. 38 372-378,

6. Köksal N.S., Aksoy T., Magnezya ve Magnezya-Krom Refrakterler Malzemelerde Çatlak Oluşumu ve Yayılması 6. Uluslararası Kırılma Konferansı, Konya, 10-12 Eylül 2003, S. 477-483, 2003. 7. Morell R. 1985 Handbook of Properties of Technical and Engineering Ceramics, HMSO London 8. Nakayama J, Ishizuka M. 1966. Experimental Evidence for Thermal Shock Damage Resistance Ceramic Bulletin Vol. 45, No: 7, 666-669. 9. Shevchenko A.V., Ruban K. and. Dudnik V 2000, Highly-workable Aluminabase Ceramics, Refractories and Industrial Ceramics. Vol. 41, No: 9 10 10. TS 4401 Refrakter Tuğlaların Suda Soğutma Metodu ile Termal Şoka Dayanımının Tayini Ankara 1985. 11. Wang J.,. Zheng X. H, and. Stevens R, 1992. Fabrication and Microstructure- Mechanical Property Relationships in Ce TZP, J. Mater. Sci. Lett., 27(19), 5348-5356. 12. Wang,L J,. Shı L, Chen H.R,. Hua Z, Yen T. 2001. Effect of Size of the Starting Powders on the Thermal Shock Resistance of Alumina Ceramics J. Mater. Sci. Lett., 20. 341-342

AÇIKOCAK MADENCİLİĞİNDE PATLATMA Doç. Dr. Deniz MAMUREKLİ 5 Fırat TEKİN 6 Erkan HAFIZOĞLU ÖZET Açıkocak ve taşocaklarında, yeraltındaki cevherin işletilmesi örtü tabakasını oluşturan kayaçların çoğunlukla uygun patlatma işlemleri kullanılarak gevşetilmesi yapılır. Arzu edilen patlatma sonuçlarına erişimin, bu işlemi takip eden süreçleri de doğrudan etkilemesi beklenir. Bu nedenle, çoğu zaman kolay kontrol edilebilen ve bölgeye özel patlatma programı gereklidir. Bu süreçler sırasında giderek artan patlayıcı tüketimi patlatma-kaynaklı çevresel etkilerin kontrolünü önemli hale getirmektedir. Oluşan rahatsızlıklar nedeni ile yapılan şikayetler, patlatma bölgesi çevresindeki yerleşimlerin artmasına paralel olarak, fazlalaşarak sorumluları bu yan etkiler üzerinde daha sıkı tedbirler almaya zorlamaktadır. Bu şikayetler ani patlatma şoku, toz ve çoğunlukla yer sarsıntıları nedeni ile gelmektedir. Bu makalede, patlayıcılar hakkında özet bilgi, patlatma teorisi hakkında bilgi verilmektedir. Bunun yansıra, patlatma tasarımı üzerinde etkili, güncel teorik ve pratik eşitliklerle ilgili, birçok faktör verilmektedir. Patlatmanın sonuç etkileri olarak, gürültü, toz ve titreşim problemleri ve bu problemlerin kontrolünde alınması gerekli tedbirler özetlenmektedir. Anahtar kelimeler: Açıkocak, patlatma teorisi, patlatma tasarımı. ABSTRACT In open-pit mines and quarries, mining of ore beneath overlying burden is mostly performed by the help of appropriate blasting processes in easing of the excavation of adjacent rock. Reaching to required blast outcomes is expected to affect the succeeding processes, directly. Therefore an easy control and site specific blast program is necessary, most of the time. The control of blast-induced impacts on environment becomes important with ever-increasing consumption of explosives during these processes. The complaints against the disturbances increase with the same rate of urbanisation around the blast sites enforcing the responsible executives to take more stringent actions on these side-effects. These complaints come from instantaneous blast shock, dust and mostly subsequent ground vibration impacts. In this article, brief information on explosives, blasting theory and blast-induced impacts on environment are described. Besides, many effective factors on blast design related with theoretical and/or practical equations up to date are also given. As aftermaths of blasting, noise, dust and vibration problems and precautions to control these problems are summarized. Keywords: openpit, blast theory, blast design. 5 Doç. Dr. Celal Bayar Üniversitesi, SMYO, Soma, 45500 Manisa 6 Öğr. Grv.Celal Bayar Üniversitesi, SMYO, Soma, 45500 Manisa