Mekanik alaşımlama yönteminin sızdırma tekniğiyle üretilen WC-Cu sisteminin yoğunlaşma davranışına etkileri
The effects of mechanical alloying method on densification of the WC-Cu system which is produced by infiltration technique
Yazar: AYDIN ŞELTE
Danışman: DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bakır = Copper ; Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Mekanik alaşımlama = Mechanical alloying ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Tungsten karbür = Tunsten carbide

Özet:
Refrakter metaller ve oluşturdukları karbürler yüksek ergime ve kaynama sıcaklığı ve yüksek sertlik gibi özel avantajlar sunmaktadırlar. Diğer taraftan bunların elektrik ve ısıl iletkenlikleri oldukça düşüktür ve oksidasyon potansiyelleri yüksektir. İdeal bir kompozit malzeme bu bahsedilen çekinceleri karşılayabilmelidir. Bu amaçla bakır (Cu) ve gümüş (Ag), refrakter metallere ve bunların karbür bileşiklerine ilave edilirler. Bu tip kompozit uygulamalarından bir tanesi diğer kontakt malzemelerinden daha fazla arklanmaya ve yüksek akıma maruz kalan elektrik kontaktörlerdir.Refrakter metaller veya karbürlerine genellikle % 10 ile % 90 arasında Cu veya Ag ilave edilmektedir. Bu tip malzemelerin üretimi, ilave edilen Cu veya Ag ile alaşım yapamadıklarından dolayı ancak toz metalurjisi (T/M) yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Ag'nin Cu'ya kıyasla mükemmel ısıl ve elektrik iletkenliği yanı sıra yüksek oksitlenme direncine sahip olmasına rağmen, Cu'nun maliyetinin daha düşük olması önemli bir avantaj olup mühendislik anlamda gereksinimlerin karşılanması koşuluyla birçok uygulamada Ag'nin yerini alabilmektedir. Bileşime bağlı olarak nihai ürün presleme veya presleme ? sinterleme ? sızdırma yöntemleri ile yapılabilmektedir.Temelde sıvı faz sinterleme sırasında çözünme yeniden çökelme kontrollü yoğunlaşma, WC ve Cu gibi birbiri içerisinde çözünmeyen sistemlerde gerçekleşmemektedir ve bunun yanında katı hal kontrollü sinterleme Cu ergiyene kadar baskın bir proses değildir. Bu yüzden yeniden düzenlenme kontrollü yoğunlaşma veya sıvı bakırı gözenekli WC iskeletinin üzerine sızdırmak özellikle yüksek yoğunlukları gerektiren uygulamalar için mümkün çözümlerdir. Gerçekten de, refrakter oranı % 60'dan % 80'e değişen aralıktaki malzemeler genellikle sızdırma metodu ile üretilirler.Mekanik alaşımlamanın, birçok sorundan dolayı üretimlerinde sıkıntı olan sistemlere alternatif denge dışı çözümler sağladığı bilinmektedir. Buna örnek olarak, normal koşullarda birbiri içerisinde çözünürlük göstermeyen sistemlerin çözünürlüğünün mekanik alaşımlama yoluyla artırılması ve takviye edilen sert takviye fazının sünek matris içinde ince ve homojen dağılımının sağlanması verilebilir.Bu çalışmada, mekanik alaşımlamanın sızdırma yöntemi ile WC-Cu kompozit malzeme hazırlama sürecine olan etkileri, elde edilen nihai ürünlerdeki mekanik, fiziksel ve kimyasal değişimler bazında incelenmiştir. WC-Cu ikili sistemi hem katı ve hem de sıvı halde karşılıklı çözünürlüğün ihmal edilebilir düzeyde olduğu bir sistemdir. Mekanik alaşımlama ile katı halde denge dışı proseslerde birbiri içerisinde çözülemeyen sistemlerden olumlu sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Makro boyutta gerçekleştirilen ve sızdırma tekniği kullanılarak mekanik alaşımlandırma yapılan çalışmalardan hareketle, nano boyutta WC-Cu alaşımları üretmek, bakır matrisli volfram karbür nanokompozitlerin sızdırma tekniği ile mekanik alaşımlama yapılarak sistemin yoğunlaşma davranışlarını incelemek bu çalışmanın amacını teşkil etmektedir.Çalışmanın ilk ayağında WC tozları öğütülmüş ve parçacık boyut ve dağılımı, XRD teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Çalışmanın ikinci ayağında, WC/Cu tozları mekanik alaşımlanmış ve WC iskelete sızdırılmıştır. Çalışmanın üçüncü ayağında yüksek enerjili öğütülen WC tozları ve başlangıç Cu tozları ile karıştırılıp WC iskelete sızdırılmıştır. 1150oC'de sızdırma işlemi gerçekleştirilmiş ve nihai ürün olan ağırlıkça % 70 WC - % 30 Cu bileşimi elde edilmeye çalışılmıştır.Tozların ve sinter sonrası elde edilen numunelerin karakterizasyon işlemleri yapılmıştır. Altlık malzemenin, mekanik alaşımlanmış kompozit tozların ve karıştırılarak elde edilmiş kompozit tozların parçacık boyut ve dağılımları laser parçacık analiz cihazı ile ölçülmüştür. X ışını kırınımı (XRD) teknikleri kullanılarak faz analizi yapılmış ve kristal boyutları ve deformasyonleri hesaplanmıştır. Görünür ve ham yoğunlukları bulunmuş ve sinter öncesi teorik yoğunluklar elde edilmiştir.Öğütme işlemi, volfram karbürün öğütme sırasındaki davranışları, sızdırma tekniği ile mekanik alaşımlamanın etkileri, yoğunlaşma davranışları mikro yapı ve kafes sistemleri göz önünde bulundurularak incelenmiştir.Sinter sonrası elde edilen numunelerin elektrik iletkenlikleri, Vickers mikrosertlik cihazında mikro sertlik değerleri, Arşimet prensibinden yararlanarak yoğunlukları ölçülmüştür. Faz analizleri ve mikroyapı incelemeleri X ışını kırınımı (XRD), ışık mikroskop (OM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Refractory metals and their carbides offer unique advantages based on their high melting and boiling points and high hardness. On the other hand they have poor electrical and thermal conductivities and they do not show resistance against oxidation. An ideal composite material can compansate these drawbacks mentioned above and for this purpose Cu or Ag are added to refractory metals and their carbides. One of the application of this composite is electrical contacts in where this composite can withstand high currents more arcing than other usual contact materials.The usual content of refractory metal or their carbides can vary from 10 to 90 %. Since Cu or Ag do not alloy with refractory metals and their carbides, P/M processes are required for fabrication. Although Ag has excellent thermal and electrical conductivities and high oxidation resistance compare to Cu, Cu costs less. Therefore in most applications Cu is prepared as filler phase as long as other desired properties are also met. Depending on the composition final products may be fabricated either by pressing and sintering or pressing-sintering-infiltrating methods.Based on the lack of solubility between WC and Cu solution recipitation controlled densification is hindered and solid state controlled densification is not a dominant process until Cu melts. Therefore rearrangement controlled densification and infiltration of liquid Cu into porous WC skeleton are the only viable approaches if full densities are required. Indeed, materials having 60 to 80 % refractory fraction generally fabricated via infiltration method.It is known that mechanical alloying can be applied to different systems having difficulties. In addition to reach increased solid solubilities in solid state which is not possible during normal processing, it is possible to attain fine distribution of dispersoids in the ductile matrix.The aim of this study is to investigate effects of mechanical alloying on WC ? Cu composite materials produced via infiltration technique. For this purpose different mechanical, physical and chemical analyses have been perfomed after infiltration for comparison.During experimental studies, two different sets have been prepared. After characterizing initial WC powders, as-blended WC powders were milled for 1, 2, 4, 8, 16, 32 and 64 hours to understand the high energy milling behavior of hard WC powders and then basic powder stage characterization was conducted. Using initial and milled WC powders porous skeleton for infiltration and infiltrant WC/Cu material prepared with further mechanical alloying.As the first set of the experiments, WC / Cu powders were mechanical alloyed by the percentage of wt. 75 % Cu and wt. 25 % WC. The durations of mechanical alloying were 1, 2, 4 and 8 hours, the ball-to-powder ratio was 10: 1. The mechanical alloyed powders were pressed under 150 MPa and then infiltrated into the WC skeleton. The final product, which has the percentage of wt. 70 % WC and wt. 30 % Cu, was the target composition.As the second set of the experiments, the mixture of WC/Cu powders, which has the percentage of wt. 75 % Cu and wt. 25 % WC, were prepared. 8, 16, 32 and 64 hours milled WC powders were used for mixturing. The powder mixtures were pressed under 150 MPa and then infiltrated into the WC skeleton. The final product, which has the percentage of wt. 70 % WC and wt. 30 % Cu, was again target composition.The sintering was performed at 1150oC for 1 hour under the Ar atmosphere. H2 was given to the furnace between the 900 oC ? 1050oC to prevent the oxidation.The investigations of the milling process, behaviours of WC during milling, the effects of infiltration and mechanical alloying, densification behaviors were investigated.The characterization process were carried out for both sets. For this purpose both powder state and sintered parts are investigated. In where WC powders were used as skeleton and, mechanical alloyed composite powders were used as infiltrant material experimental set is abrreviated as ?A? . On the other hand in where mixture of Cu and milled WC powders are used as infiltrant in comparison to mechanical allyed counter set, this experimental set is abbreviated with ?B?.Determination of particle size and their distrubitons were performed by Laser particle size analysis. By using X-ray diffraction (XRD) technique, phase detection were performed and the crystal structures, sizes and stresses were measured for milled powders using modified Scherer equation.Before sintering, the theoretical densities of powders were calculated. The apparent densities were measured by Arnold technique and green densities were calculated by from their mass over volume measurements.After sintering, two series which are called AnS and BnS were obtained. AnS set contains 4 samples that are called A1S, A2S, A4S and A8S. BnS set also contains 4 samples that are called B8S, B16S, B32S and B64S. For A samples, the numbers between the letters indicate the duration of mechanical alloying. For B samples, the numbers between the letters indicate the duration of milling of WC powders.Electrical conductivites of the infiltrated samples were determined according to Eddy current method. For this purpose measurements were taken from both side of the samples. Five different values were taken at five different points from each side and then average values were calculated.The densities were measured by using the Archimedes technique. The measurement was made for five times and the mean values were found.Micro hardnesses were acquired at the Vickers microhardness machine. The values were taken from front side of the samples and the profiles of the samples. The measurement was made for twenty five times at five diffrent points and the mean values were found.In addition to phase analyses performed by using X-ray diffraction (XRD), optical microscopy (OM) and scanning elektron microscopy (SEM) techniques were applied to observe microstructures.After metallographically preparing samples, the front and back sides and profiles of the samples were examined through the infiltration direction by using OM. The front sides and the profiles were also investigated by scanning electron microscopy (SEM) technique to observe the microstructure under higher magnifications.