Metalik malzemelerin mikro ve iki boyutlu nano partikül ortamlarındaki aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of wear behaviors of metallic materials in micro and two dimensional nano particles environment
Yazar: MUHAMMED SALİH GÜL
Danışman: PROF. DR. REFİK POLAT ; DOÇ. DR. MUHAMMET HÜSEYİN ÇETİN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Çelik, alüminyum ve magnezyum gibi ticari olarak kullanılan metalik malzemeler, otomotiv endüstrisinden inşaata, elektronikten havacılığa kadar geniş bir yelpazede uygulama alanlarına sahiptir. Ancak, bu malzemelerin birçoğu günlük kullanımda sürekli olarak erozif, abrasif ve adhezif aşınmaya maruz kalırlar. Bu tez çalışmasında ise bahsi geçen metalik malzemelerin mikro ve nano partikül ortamlardaki aşınma davranışlarının iki bölümde incelenmesi amaçlanmıştır. Mikro partikül aşınma deneyleri için sulu erozif ortam, nano partikül ortamı aşınma deneyleri için ise nano partikül katkılı motor yağı (MY) ortamı belirlenmiştir. 

Çalışmanın ilk bölümünde, AISI 1015 ve AISI 304 çeliklerinin özel tasarlanmış aşınma düzeneğinde, deney tasarım parametreleri Taguchi kesirli faktöriyel 
yönteminin L9 ortogonal matrisine göre belirlenen, üç seviyeli konsantrasyon oranında (%5, %15, %25), üç seviyeli çarpma hızında (265, 397,5, 530 rpm) ve üç seviyeli çarpma açısında (30°, 60°, 90°) erozif aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerin ardından her bir numunenin aşınma oranları, ağırlık kaybı ve yüzey pürüzlülüğü alınarak değerlendirilirken, deney parametrelerinin aşınma yüzeylerindeki etkileri ise SEM ve 3D topografya analizleri ile incelenmiştir. Bu sonuçlar aynı zamanda sinyal/gürültü (S/N) ve varyans analizi (ANOVA) kullanılarak istatistiki olarak da analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre AISI 304 malzemesinin, yüzey pürüzlülüğü ve ağırlık kaybı sonuçları esas alındığında en iyi aşınma direnci gösterdiği tespit edilmiştir. S/N grafiğine göre ise optimum konsantrasyon, çarpma açısı ve hızı sırasıyla %5, 90° ve 265 rpm olarak bulunmuştur. Yüzey pürüzlülüğü değerini etkileyen temel faktör konsantrasyon parametresi iken, ağırlık kaybını etkileyen temel faktör ise çarpma hızı olarak tespit edilmiştir.

Çalışmanın ikinci bölümünde ise AISI 1015 çeliği, MgZn ve AlSi alaşımlarının saf ve nano partikül katkılı motor yağı (MY) ortamlarındaki aşınma davranışları incelenmiştir. Katkı maddesi olarak 25 mg ve 50 mg olmak üzere ayrı ayrı demir oksit (Fe2O3), MXene (Ti3C2Tx) ve grafitik karbon nitrür (g-C3N4) bileşenleri kullanılmıştır. Aşınma testleri, ileri geri ball-on-flat yöntemi ile 100 m yol, 10 mm stroke mesafesi, 5 Hz frekans ve 20 N yük altında gerçekleştirilmiştir. Her bir testin ardından aşınma izleri 2D profilometre ile ölçülerek aşınma hacim kayıpları belirlenmiş ve aynı zamanda aşınma test cihazından alınan verilere göre sürtünme katsayısı değerleri ölçülmüştür. Aşınma testleri esnasında numunelere termokupl bağlanarak ortam ısısı da ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre bu partiküllerin, çelik ve magnezyum alaşımında aşınma kaybını sırasıyla yaklaşık %30 ve %50 oranında iyileştirdiği, alüminyum alaşımında ise yaklaşık %20 oranında olumsuz etkilediği tespit edilmiştir. Sürtünme katsayısı bakımından ise yine çelik ve magnezyum için %25 ve %20 civarında düşüş gözlenirken, alüminyum numunede ise yaklaşık %10 oranında artış gözlenmiştir. En iyi aşınma sonuçlarının (sürtünme katsayısı, hacimsel kayıp, aşınma izi alanı, sıcaklık artışı) 25 mg katkılı nano partikül ortamlar olduğu belirlenmiştir. Kullanılan nano partiküller arasında aşınma direncini arttıran en iyi nano partikül MXene olarak tespit edilmiştir. Bu partikülün aynı zamanda ortam sıcaklığını da yaklaşık %5 oranında düşürerek önemli bir katkı sağladığı belirlenmiştir. 

Sonuç olarak elde edilen bulgular, nano partiküllerin geometrik şekli, etkileşime girdiği bileşenlerin türü ve kimyasal bileşimi açısından literatürdeki bilgilerle karşılaştırılarak değerlendirilmiştir.

Abstract:
The metallic materials, commercially utilized such as steel, aluminum, and magnesium, have a wide range of applications spanning from the automotive industry to construction, electronics, and aviation. However, many of these materials are constantly subjected to erosive, abrasive and adhesive wear in daily use. In this thesis study, it is aimed to examine the wear behaviour of the mentioned metallic materials in micro and nano particle environments in two sections. Slurry erosive environment for micro particle wear experiments, and nano particle added engine oil (MY) environment was determined for nano particle wear experiments.

In the first part of the study, erosion wear experiments were conducted on AISI 1015 and AISI 304 steels in a specially designed wear pot tester. The experimental design 
parameters were determined according to the Taguchi fractional factorial method's L9 orthogonal matrix, including three levels of concentration ratio (5%, 15%, 25%), three levels of impingement velocity (265, 397.5, 530 rpm), and three levels of impingement angle (30°, 60°, 90°). After the experiments, the wear rates, weight loss, and surface roughness of each sample were evaluated. The effects of experimental parameters on the wear surfaces were examined through SEM and 3D topography analyses. These results were also statistically analyzed using signal-to-noise (S/N) and analysis of variance (ANOVA) methods. According to the results, AISI 304 material exhibited the best wear resistance when considering surface roughness and weight loss results. According to the S/N graph, the optimum concentration, impact angle and impact velocity were found to be 5%, 90° and 265 rpm, respectively. While the main factor affecting the surface roughness value is the concentration parameter, the main factor affecting the weight loss was determined to be the impact velocity.

In the second part of the study, the wear behaviour of AISI 1015 steel, MgZn and AlSi alloys in pure and nano particle added engine oil (MY) environments was examined. As additives, 25 mg and 50 mg of iron oxide (Fe2O3), MXene (Ti3C2Tx) and graphitic carbon nitride (g-C3N4) components were used separately. Wear tests were carried out with the reciprocating ball-on-flat method under 100 m distance, 10 mm stroke distance, 5 Hz frequency, and 20 N load. After each test, wear scars were measured with a 2D profilometer, wear volume losses were determined, and friction coefficient values were measured according to the data received from the wear test device. Ambient temperature during wear tests was measured by attaching thermocouples to the samples. According to the results obtained, it was determined that these particles improved the wear loss in steel and magnesium alloys by approximately 30% and 50%, respectively, while they negatively affected the wear loss in aluminum alloy by approximately 20%. In terms of friction coefficient, a decrease of about 25% and 20% was observed for steel and magnesium, respectively, while an increase of about 10% was observed for aluminum samples. The best wear results (friction coefficient, volume loss, wear scar area, temperature increase) were determined to be in environments with 25 mg nano particle additives. Among the used nano particles, MXene was identified as the best nano particle that increased wear resistance. Additionally, this particle was found to contribute significantly by reducing the ambient temperature by approximately 5%.

The findings obtained as a result were evaluated by comparing them with the information in the literature in terms of the geometric shape of the nano particles, the type of components they interact with and their chemical composition.