MgF2 içeren Si3N4 esaslı seramik malzemelerin geliştirilmesi
Development of Si3N4 based ceramic materials containing MgF2
Yazar: FATİH ÇALIŞKAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ZAFER TATLI
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Seramik malzemeler, sert, basma dayanımı yüksek, kayma ve kesme dayanımları zayıf, inert malzemelerdir. Yüksek sıcaklıklara, aşındırıcı veya kimyasallara, erozyon şartlarına dayanıklıdırlar. Silisyum nitrür esaslı seramikler ise mükemmel özellikleri; korozyon direnci, düşük sürtünme katsayısı, yüksek termal şok direnci, oksidasyon direnci, yüksek ayrışma sıcaklığı, yüksek aşınma direnci, yüksek sıcaklık dayanımları sebebiyle mühendislik uygulamaları için öne çıkan ileri teknoloji seramikleridir. ß-Si3N4 ve ß-SiAlON'ların en önemli avantajlardan biri çubuksu taneli mikro yapıları sebebiyle üstün kırılma tokluğuna sahip olmalarıdır. Bu seramikler çok düşük difüziviteye sahip olmaları sebebiyle toz metalürjisindeki gibi katı hal sinterleme yöntemiyle üretimleri mümkün değildir. Bunun yerine yoğunlaşma ancak sıvı faz sinterlemesiyle mümkündür.Bu çalışmanın temel amacı, MgF2 içeren Si3N4 esaslı seramik malzemelerin geliştirilmesidir.Si3N4 esaslı seramiklerin üretiminde geleneksel oksit katkılarla sıvı faz sinterlemesi ve cam sistemine florür ilavesi ile sıvı faz sinterlemesinin yoğunlaşma davranışlarına etkisi karşılaştırılmıştır. Geleneksel oksit ve florür katkı sistemleri sıvı faz sinterlemeyle karşılaştırıldığında, florür sistemlerinde yaklaşık 50-150?C daha düşük ötektik sıcaklığı elde edilmiştir. Buna ek olarak, cam oluşum bölgesi genişlemiş böylece daha düşük sıcaklıklarda daha yüksek bağıl yoğunluk değerleri elde edilmiştir. Sinterleme çalışmaları basınçsız sinterleme yöntemiyle sistematik olarak 1450-1750°C aralığında, 0.5-4 saat süreyle gerçekleştirilmiştir.Üretilen numunelerin karakterizasyon çalışmaları kapsamında nihai malzemelerin yoğunlukları Arşimet yöntemiyle suda ölçülmüş, fazların çözümlenmesi için X-Işınları kırınım analizi yapılmış, mikro yapının karakterize edilmesi için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Elementel analiz için EDS analizleri kullanılmıştır. Sinterlenmiş numunelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için mikro sertlik değerleri ve indentasyon tekniğiyle kırılma tokluğu ölçümleri gerçekleştirilmiştir.Farklı kompozisyonların ß-Si3N4 ve ß-SiAlON seramiklerinin yoğunlaşmasına, ??ß dönüşümü, sertlik, kırılma tokluğu üzerine etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Florür ilavesi, daha düşük ötektik sıcaklığı, daha hızlı ??ß dönüşümü ve daha yüksek ß:? oranı vermiştir.

Abstract:
Ceramic materials have hardness, inertness, high compressive strength, weak sliding and shears strengths and relatively good wear and chemical resistance. Silicon nitride and oxynitride ceramics have attracted interest for high-temperature engineering applications because of their excellent properties, high strength, wear resistance, high decomposition temperature, oxidation resistance, thermal shock resistance, low coefficient of friction, resistance to corrosive environments. One of the most import advantages of ß-Si3N4 and ß-SiAlON ceramics are that they have ß grains with high aspect ratio like fiber which lead to excellent fracture toughness. Due to very low diffusivity of ß grains they can not be densified by using conventional solid-state sintering methods. Instead, densification has been achieved by means of liquid-phase sintering.The main objective of the present study was to improve Si3N4 based ceramic materials containing MgF2.Effect of conventional oxide additives and fluoride addition to glass system on densification behaviour in the production of Si3N4 based ceramics via liquid phase sintering was compared. In comparison of conventional oxide and fluoride additive system with liquid phase sintering, about 50-150?C less eutectic temperature was achieved for fluoride system. In addition to this, glass forming region was enhanced and so, high relative density values was obtained at lower temperatures. Sintering studies were systematically carried out in the range of 1450-1750°C for 0.5-4 hour by pressureless sintering techniques.Characterization of resulting products were carried out by using Archimedes principle to determine densities of sintered samples, X-Ray Diffraction Analysis for phase definition (??ß transformation), Scanning Electron Microscope (SEM) for microstructure analysis and Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS or EDX) for elemental analysis and elemental composition maps. Mechanical properties of resulting ceramics were determined by using micro hardness testing and indentation technique.The effect of fluoride and oxide additives on density, hardness, fracture toughness and ??ß transformation of resulting ß- Si3N4 and ß- SiAlON ceramics were investigated. Fluoride addition to liquid phase gave lower eutectic temperature, faster densification and higher ß:? ratio.