www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (4) 29-34 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Ve Partikül Hacim Oranının Poroziteye Etkisinin İncelenmesi Kamil ÖZDİN 1, İbrahim MUTLU 2, Cengiz ÖNER 3 1 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş M.Y.O., Kahramanmaraş 2 Afyon Kocatepe, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 03200, Afyonkarahisar 3 Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 23500, Elazığ Özet Bu çalışmada, Vorteks metodu ile iki farklı boyut ve üç farklı hacim oranlarında SiC partikülleri ile takviye edilmiş 2011Al esaslı Metal Matriksli Kompozitler (MMK) başarılı bir şekilde üretilmiştir. Çalışma neticesinde karıştırıcı kabiliyeti, karıştırıcı devir sayısı, kalıbın ön ısıtma sıcaklığı, partikül katma hızı ve döküm hızının başarılı kompozit üretiminde önemli parametreler arasında yer aldığı belirlenmiştir. Parametrelerin sadece birindeki uyumsuzluğun dahi üretim hatalarına neden olduğu gözlenmiştir. Bu üretimler dışında, Vortex Metodu ile partikül takviyeli MMK üretiminde partikül ebatının ve partikül oranının porozite oluşumuna olan etkisi araştırıldı. Sonuçlar, numunelerin az poroziteye sahip olduğunu ve kompozitlerdeki porozitenin artan partikül oranı ve azalan partikül ebatı ile artığını göstermiştir. Anahtar Kelimeler: MMK, üretim, döküm hataları, porozite 1. Giriş Metal matrisli kompozitler (MMK) matris alaşımının metalik özellikleri ile takviyelerin seramik özelliklerini birleştirerek daha büyük kesme ve basınç gerilimi ve daha yüksek çalışma sıcaklığı yeteneğine sahip olmaktadır [1]. Bu yüzden MMK ler önemli miktarda bilimsel, teknolojik ve ticari öneme sahiptir. Son zamanlarda daha da iyileştirilen özelliklerinden dolayı otomotiv endüstrisi ve uzay sanayii gibi yüksek performans uygulamalarında yoğun bir şekilde kullanılmaktadır [2]. SiC ve Al 2 O 3 takviyeli Al matrisli kompozitlerin otomotiv ve uzay endüstrilerindeki uygulamaları; piston ve silindir başı gibi malzemenin tribolojik özelliklerinin çok önemli olduğu yerlerde kullanımı gittikçe artmaktadır [3-7]. Böylece MMK lerin geliştirilmesi, farklı endüstrilerin taleplerini karşılamasından dolayı önemlidir. Bu sebeple bu malzemenin hatalardan uzak üretilmesi, kendisinden beklenen fonksiyonları yerine getirebilme derecesi bakımından çok önem arz etmektedir. Metal matrisli kompozitlerin üretiminde önemli olan birçok parametre vardır. Bu parametrelerin herhangi birinde veya bir kaçındaki uyumsuzluk mikro veya makro seviyede önemli imalat hatalarına neden olmaktadır. Bu imalat hataları: porozite, oksitlenme ve partikül topaklanması gibi hatalardır. Al alaşımlarının döküm işlemleri esnasında bazı parametreler üzerinde dikkat eksikliği olursa oksit hatalarının oluşması kaçınılmazdır [8]. Sıvı Al-alaşımı hidrojen emmeye ve oksitlenmeye eğilimlidir [8,9]. Oksitlenmenin olması, MMK malzemenin gerilme dayanımının ve sünekliğinin düşmesine neden olmaktadır [10]. Kompozit üretiminde takviye elemanının ilave hızı, karıştırma süresi, karıştırıcı kabiliyeti veya karıştırıcı hızındaki en ufak tutarsızlık da partikül topaklanmasına neden olmaktadır. Bu hata da malzemenin gerilme durumunda ilk çatlama ve kırılma yerleri olarak kendini göstermektedir [11]. MMK üretiminde oluşan porozite miktarı, partikül yüzdesi ve partikül boyutunun bir fonksiyonudur [12]. Bununla beraber bazı takviyeler ile matris arasındaki ıslanabilirlik zayıf olduğundan kompozit üretiminde zorluklar yaşanmaktadır [13,14]. Ancak alınacak bazı tedbirler, imalat öncesi ve sonrasında yapılacak ek işlemler ile bu hata miktarlarını kabul edilebilir bir seviyenin altına indirmek mümkündür.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 29-34 2. Materyal ve Metod Bu çalışmada, matris olarak Al-2011 ve takviye elemanı olarak 63 ve 128 μm boyutlarında yeşil renkli SiC partikülleri kullanılmıştır. Çizelge 1 ve Çizelge 2 de bu çalışmada kullanılan Al-2011 matris malzemesi ve SiC takviye partiküllerinin kimyasal analiz sonuçları verilmiştir. Metal matrisli kompozitlerin üretiminde hacimce %4, %8 ve %12 SiC takviye elemanı kullanılmıştır. Kompozitler vorteks metodu kullanılarak üretilip, daha düşük porozite için döküm işleminden hemen sonra preslenme işlemine tabi tutulmuşlardır [3, 5]. Kompozit 50mm çapında ve 100mm boyunda üretilmiştir. Üretimde oksitlenmeyi engellemek için argon gazı ile korumalı ve devrilebilen fırın tasarlanmıştır (Şekil 1). Şekil 1. Kompozit üretiminde kullanılan fırın Çizelge 1. 2011-Al matris alaşımının spektral analiz sonucu ( % ) Si Fe Cu Pb Al 0,347 0,324 5,02 0,299 93,91 Çizelge 2. Takviye malzemesi silisyum karbürün kimyasal bileşenleri ( % ) SiC SiO 2 Si C Fe 99,8 0,09 0,06 0,036 0,014 Ergitme işlemi alt çapı 75 mm, üst çapı 100mm ve yüksekliği 150 mm olan grafit potada gerçekleştirildi. Ergiyik kompozit karışımında 60 mm çaplı, dört kanatlı ve 15 mm çelik mile monte edilmiş grafit karıştırıcı kullanılmıştır. Bu karıştırıcı bir mandren aracılığı ile değişken devir sayılı motor miline monte edilerek kullanıldı. Takviyenin ilavesi ve sıvı kompozitin karıştırıcı ile karıştırılması esnasında kompozitin açık hava ile irtibatını kesmek amacıyla argon gazı borusu aracılığı ile ergiyik yüzeyi üzerinde argon gazı tabakası elde edildi. Fırının sıcaklığının kontrolünde NR911 termostatı kullanıldı. 2.1. Üretim Başlangıçta yeterli miktardaki Al-2011 alaşımı pota içine yerleştirilip alaşımın ergime sıcaklığının biraz üzeri olan 700 o C hedef sıcaklığa NR911 termostatı ayarlandı. Potadaki alaşım ergime sıcaklığına yaklaşıp jel kıvamına gelince oksitlenmeyi engellemek; ergiyik yüzeyi ile dış hava irtibatını kesmek amacıyla argon tüpü açılarak pota yüzeyinde argon atmosferi elde edildi. Potadaki alaşım ergidikten sonra ön ısıtmaya tabi tutulmuş karıştırıcı 900 dev/dak hızında ergiyik içine uygun bir hızla daldırılıp düzenli olarak SiC partikül takviye elemanı ilave edilmeye başlandı. Takviye elemanı ıslanabilirliğin artması amacıyla daha önce ön ısıtma fırınında 1000 o C de 60 dakika bekletilmiş olup takviye işlemi esnasında yaklaşık 300 o C sıcaklığına sahipti. Takviye partiküllerini içine kolayca kabul etmesi için, ergiyik alaşımın yüzey gerilimini azaltmak amacıyla ergiyik içerisine yaklaşık % 2 oranında Mg 30
Özdin, K., Mutlu, İ., Öner, C. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 29-34 ilave edilmiştir. Takviye işlemi tamamlandıktan sonra, daha iyi homojenliğin ve dökümden hemen sonra presleme işleminin yapılabilmesi için ergiyik sıcaklığı uygun vizkozite sıcaklığı olan 660 C ye ininceye kadar karıştırma işlemine devam edilmiştir. Hedef sıcaklığın Al-2011 alaşımının ergime sıcaklığının (650 o C) biraz üzerine kadar inilmesi, ergiyik alaşımın viskozitesini artırıp alaşım öz kütlesinin biraz üzerinde öz kütleye sahip SiC partiküllerinin çökelmesini engellemek ve homojen bir dağılımı sağlamak içindir. Karıştırma işlemi sonunda, 450 o C civarında ön ısıtmaya tabi tutulmuş kalıp içerisine, ergiyik kompozit fırının çevirme kolu vasıtasıyla yatay pozisyona getirilerek uygun bir hızla döküm işlemi yapıldı. Döküm işleminden hemen sonra, kompozit jel kıvamından biraz daha katı iken hidrolik preste 5 MPa basınç da preslendi. Presleme işleminin jel kıvamının biraz üzerindeyken yapılması uygulanan basınca dayanıp, eriyiğin olması gerekenden fazlasının kalıp mala yüzeyi boşluğundan dışarı fışkırmaması içindir. Döküm sonrası presleme neticesinde daha düşük porozite ve partikül ile matris arasında daha iyi bağ kuvveti elde edilmiştir. 2.2. Porozite Kompozitin gerçek yoğunluğu Arşimet metoduyla hesaplandı. Bu metotta numune önce normal tartıldı. Daha sonra numune ince tele sarılarak önceden tartılmış olan ve içinde saf su bulunan kabın tabanına ve cidarına dokunmaksızın suya daldırılarak tartıldı. Tartı farklarından telin su içine batan kısmının hacmi kadar su kütlesi çıkarılarak numunenin hacmi bulundu. Numunenin önceki tartı miktarı hacmine bölünerek öz kütlesi hesaplandı. Daha sonra partikül katkı oranları Al-2011 in öz kütlesi ve SiC ün öz kütlesi göz önüne alınarak kompozitlerin teorik öz kütleleri hesaplandı (Çizelge 3). Teorik yoğunluk ile gerçek yoğunluk farkından numunelerin porozite oranları d d % porozite = teo den 100 (1) d teo formülü ile hesaplanmıştır [3]. Ayrıca üretilen kompozitlerin % poroziteleri (1) nolu formülden hesaplanmıştır. Çizelge 3. Üretilen malzemelerin teorik ve deneysel yoğunlukları. Takviye Partikül Oranı (%) Teorik Yoğ. (gr/cm 3 ) Deneysel Yoğ. (gr/cm 3 ) Porozite (%) Partikül Ebatı Partikül Ebatı Partikül Ebatı Partikül Ebatı 63 μm 128 μm 63 μm 128 μm %0 SiC 2,748 2,748 2,748 0 0 %4 SiC 2,779 2,7615 2,7668 0,6282 0,4377 %8 SiC 2,811 2,7677 2,7694 1,5413 1,4818 %12SiC 2,842 2,7589 2,7619 2,9241 2,8194 Şekil 2 de de görüldüğü gibi kompozitin SiC partikül oranı arttıkça porozitesi artmaktadır [12]. Aynı zamanda aynı hacim oranına sahip kompozitlerde partikül boyutunun küçük olması porozite yüzdesini artırmıştır. Bütün numunelerin porozite değerleri, kompozitler için kabul edilen % 5 üst değerin altında çıkmıştır. Üretimden sonra kompozitlere presleme yapılarak porozite değerleri düşürülmüştür. Bütün çalışmalara rağmen Al alaşımlı dökümlerde az da olsa porozite bulunmaktadır [9]. Porozite malzemenin kesit alanını küçülttüğünden yorulma, çekme ve basma mukavemetlerini de olumsuz etkilemektedir. Porozitenin malzemenin yorulma ömrüne olan olumsuz etkisi oksitlenmeden daha fazladır [9]. 31
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 29-34 3,5 3 Porozite (%) 2,5 2 1,5 1 0,5 63µm 128µm 2.3. Partikül Kümelenmesi 0 0 4 8 Partikül Oranı (%) Şekil 2. Değişik yüzdelikli farklı partikül ebatlı kompozitlerin porozitesi Metal matrisli kompozitlerin üretiminde partiküllerin kompozit içerisindeki düzenli dağılımı bir kompozitin kalitesini belirlemede baş faktörlerden biridir. Partikül dağılımındaki düzensizlik ve partikül topaklanması daha küçük partiküllü kompozitlerde daha yoğun olarak görülmektedir (Şekil.3.a). 12 a) b) Şekil 3. Hacimce %12 SiC partikül takviyeli kompozitlerin SEM resimleri; a) 63 μm, b) 128 μm Aynı % miktarında partikül ihtiva eden kompozitlerde küçük partiküllü kompozitdeki partikül dağılım bozukluğu ve partikül kümelenmesi büyük partiküllüye göre daha fazla olmaktadır (Şekil.3). Bununla birlikte karıştırıcı kabiliyeti, karıştırıcının devir sayısı, karıştırma süresi ve kompozitin karıştırma sırasındaki sıcaklığı önemli parametreler arasında olarak görülmüştür. Şekil 4. 63 μm ve % 12 SiC Partiküllü kompozitin çekme gerilmesinde hasar oluşum başlangıcı optik resmi. 32
Özdin, K., Mutlu, İ., Öner, C. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 29-34 Basma ve çekme gerilmelerinde hasar oluşumunun başlaması daha ziyade partiküllü bölgelerde olmuştur (Şekil 4). Bu durumun nedeni, partikül yapısı matriks yapısına göre daha az tokluğa sahip olmasından dolayı, bünyesinde belli bir miktarı aşan gerilimi sünme veya kısalma yaparak taşıyamayıp partikül ile matriks arasındaki yüzeyin ayrılmasına neden olarak; hasar oluşumu başlangıcına neden olmaktadır. Hasarın ilerleme yörüngesi de partikül noktalarının yukarıda bahsedilen özelliğinden dolayı partikülden partiküle şeklinde olmuştur (Şekil 4). 2.4. Oksitlenme Sıvı hale gelmiş olan Al alaşımı oksitlenmeye müsaittir. Al alaşımlarının bulunduğu dökümlerde oksitlenme kaçınılmaz olarak gerçekleşmektedir [9]. Sıvı kompozit kalıp içine dökülürken döküm içine oksit kabul eder hale gelen sıvı kompozitin yüzeyinde oksit oluşmaktadır. Basınçlı MMK lerde bu oksit hataları partiküllerle matris ara yüzeylerinde görülmüştür [8]. Hasar sonundaki kırık yüzeylerde sıkça kırılgan yapıdaki alüminyum oksit ve silisyum topaklanmaları görülmüştür [11]. Oksitlenme malzemenin yorulma ömrünü kısaltmaktadır [9]. Malzemenin sünekliğini ve gerilme dayanımını düşürmektedir [10]. Bu olumsuzlukları gidermek için oksitlenmeyi mümkün olduğunca azaltmak gerekmektedir. Bunun için: Kompoziti karıştırma sırasında ergiyik içine bir miktar bizmut ilave edilmelidir [8]. Kompozit ergiyik hale henüz girmeden pota yüzeyinin açık hava ile temasını tamamen kesmek için pota yüzeyi argon gazı atmosferi ile kapatılmalı. Karıştırma işlemi sonuçlandıktan sonra açık havada yapılan döküm işlemi en kısa zamanda yapılmalıdır. 3. Sonuçlar Vorteks metodu ile SiC partikül takviyeli Al-2011 matrisli kompozit üretiminde porozite, partikül kümelenmesi, oksitlenme ve ıslanabilirlik gibi üretim hatalarını en aza indirmek için kullandığımız karıştırıcı, pota hacmi, fırın kapasitesine göre optimum şartlar bu çalışmada araştırılmış. Aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır: 1 Kompozit içindeki SiC partikül oranının artmasıyla porozite artmıştır. Aynı yüzde oranlarındaki kompozitlerde daha küçük ebat partiküllü kompozitin porozitesi daha yüksek olmuştur. Porozite malzemenin mukavemet özelliklerini olumsuz etkilemiştir. Kompozitin dökümünden sonra uygulanan presleme işlemi neticesinde porozitenin çok düşük seviyelere indiği görülmüştür. 2 Partikül dağılımındaki düzensizlik ve partikül topaklanması daha küçük partiküllü kompozitlerde daha yoğun olarak görülmektedir. Aynı oranda partikül ihtiva eden kompozitlerde küçük partiküllü kompozitdeki partikül kümelenmesi büyük partiküllüye göre daha fazla olmaktadır. Basma ve çekme gerilmelerinde hasar oluşumunun başlaması çoğunlukla partiküllü bölgelerde olup partikül topaklanması olursa bu olumsuzluğu daha da tetikleyip hasarın arttığı gözlenmiştir. Karıştırıcının devir sayısı 900 dev/dak ve takviye bitiminden sonraki karıştırma süresi 8 dak ve döküm sıcaklığı 660 C seçildiğinde partikül topaklanmasında önemli bir azalış gözlenmiştir. 3 Sıvı kompozit kalıp içine dökülürken oksit kabul eder hale gelen sıvı kompozitin yüzeyinde oksit oluştuğu gözlenmiştir. Oksitlenme malzemenin yorulma ömrünün kısaltmasına, malzemenin gerilme sünekliğinin ve gerilme dayanımının düşmesine neden olmaktadır. Kompozit ergiyik hale henüz girmeden pota yüzeyinin açık hava ile temasını tamamen kesmek için pota yüzeyi argon gazı atmosferi ile kapatılmalı. Karıştırma işlemi sonuçlandıktan sonra açık havada yapılan döküm işlemi en kısa zamanda yapılmalıdır. Kaynaklar 1. Seo, Y.H., Kang, C.G., The effect of applied pressure on particle-dispersion characteristics and mechanical properties in melt-stirring squeeze-cast SiC/Al composites, J. Mater. Process. Technol. Vol. 55, pp. 370-379, 1995. 2. Sahin, Y., Murphy, S., The effect of fibre orientation of the dry sliding wear of borsic-reinforced 2014 aluminium alloy, J. Mater. Sci. Vol. 34, pp. 5399-5407, 1996. 3. Kök, M., Al 2 O 3 İle Takviyelenmiş Metal Matriksli Kompozit Malzemelerin Üretimi ve Seramik Takımlarla İşlenebilirliğinin Araştırılması, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi F.B.E., 2000. 4. Rohatgi, P.K., Cast aluminium matrix composites for outomotive applications, J. Mat., pp. 10-15, 1991. 33
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 29-34 5. Sahin, Y., Ozdin, K., Production and evaluation the wear behaviour of SiC p reinforced 2011 aluminium alloy composites, 4 th Balkantrib International Conference on Tribology, Erciyes Univesity, Vol. 2, pp. 522-528, Kayseri, 2002. 6. Sahin, Y., Ozdin, K., The Effect of Abrasive Particle Size On The Wear Behaviour of Metal Matrix Composites, AIP Conference Proceeding, Vol. 712, pp. 344-349, 2004. 7. Joshi, S.S., Ramakrishnan, N., Sarathy, D., Ramakrishnan, P., Development of the technology for discontinuously reinforced aluminium composites, The First World Conference on Integrated Design and Process Technology, Austin, Vol. 1, pp. 492-497, 1995. 8. Papworth, A., Fox, P., The disruption of oxide defects within aluminium alloy castings by the addition of bismuth, Materials Letters, Vol. 35, pp. 202-206, 1998. 9. Wang, Q., Apelian, D., Porosity and fatigue performance interactions in aluminium cast alloys, Research Programs, Worcester, MA 01609-2280, 2002. 10. Caceres, C.H., Selling, B.I., Casting defects and the tensile properties of an Al-Si-Mg alloy, Materials Science and Engineering, Vol. 220, pp. 109-116, 1996. 11. Chen, R., Zhang, G., Casting defects and properties of cast A356 aluminium alloy reinforced with SiC particles, Composites Science and Technology, Vol. 47, pp. 51-56, 1993. 12. Paschen, P., Antrekowitsch, H., The effect of particle distribution on damage formation in particulate reinforced metal matrix composites deformed in compression, Mater. Sci. Eng., Vol. 220, pp. 41-56, 1996. 13. Pramila Bai, B.N., Ramasesh, B.S., Surappa, M.K., Dry sliding wear of A356-Al-SiC p composites, Wear, Vol. 157, pp. 295-304, 1992. 14. Ma, Z.Y., Liang, Y.N., Zhang, Y.Z., Lu, X.Y., Bi, J., Dry wear of alumina based composites, Mater. Sci. Technol., Vol. 12, pp. 751-756, 1996 98-103, 2001. 34