Aa2024 matrisli B4C parçacık takviyeli kompozitlerin vorteks yöntemiyle üretimi ve özelliklerinin incelenmesi
Manufacturing of Aa2024 matrix-B4C particle reinforced composites by vortex method and investigation of their properties
Yazar: AYKUT ÇANAKÇI
Danışman: PROF.DR. FAZLI ARSLAN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı AA2024 alaşımı matrisli ve B4C parçacık takviyelikompozitlerin karıştırmalı döküm yöntemiyle üretimi ve üretilen kompozitlerde mekaniközelliklerin ve abrazif aşınma davranışının parçacık boyutu ve parçacık oranı iledeğişiminin incelenmesidir. Bu çalışmada B4C parçacıkların ıslatılmasını iyileştiren yenibir yüzey işlemi geliştirilmiştir. Bu işlemde, katma öncesi B4C parçacıkları asitkarışımında 2 veya 3 dakika bekletildikten sonra etil alkolle yıkanıp kurutularak kanatcıklıkarıştırıcıyla karıştırılan 700oC'daki sıvı metale katılmıştır. Mikroskobik incelemelergeliştirilen yüzey işlemi uygulanarak katılan parçacıkların matris içinde kalarak homojenbir şekilde dağıldıklarını göstermiştir.Karşılaştırma yapma amacıyla iki farklı boyut aralığında (90-53Âµm B grubu ve 49-16,5Âµm K grubu) parçacık kullanılarak kompozit üretimi yapılmıştır. Her gruptan vorteksyöntemiyle karıştırılıp kokil kalıba dökülerek parçacık hacim oranı %3, %4, %6 ve %7olan kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitler sertlik, çekme deneyleriyle ve üçelemanlı abrazif aşınma deneylerine tabi tutulmuştur. Numunelerin mikro yapısı, kırılmave aşınma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir.Parçacık katılma verimi artan parçacık oranı ile azalmış, gözenek oranı ise artmıştır.Nispeten iri parçacıklarla üretilen kompozitlerde parçacık dağılımı daha homojen olup inceparçacıklarla üretilen kompozitlerde ise artan parçacık oranı ile artan parçacık-parçacık veparçacık-gözenek topaklanmalarının arttığı gözlenmiştir.SEM, energy-dispersif X-ışınları spektrometresi (EDS) ve X-ışınları kırınımı (XRD)ile yapılan incelemelerde düşük katma sıcaklığı ve kısa bekletme süresi nedeniyleparçacık-matris ara yüzey reaksiyonu ile oluşan yeni bir faza rastlanmamıştır.Üretilen kompozitlerde parçacık hacim oranı arttıkça nispeten küçük boyutlukompozitlerde daha belirgin olmak üzere makro sertlik artmıştır. Ayrıca parçacık hacimoranı arttıkça çekme, akma mukavemeti ve kopma uzaması azalırken elastiklik modülüartmıştır.Kırılma yüzeyi görüntüleri incelendiğinde sünek kırılmayı gösteren çukurcuklarınazlığı kompozit içindeki B4C parçacıklarının matrisin serbestce plastik şekil değiştirmesiniengellemesiyle ile açıklanmıştır. Nispeten küçük parçacıklı olan K grubu kompozitlerdekırılmanın; yerel gerilme yığılmasının oluştuğu parçacık-matris ve parçacık-parçacıktopaklanma ara yüzeyinde ayrılma ile oluştuğu, B grubu kompozitlerde ise parçacıkkırılması ve matris deformasyonu ile oluştuğu gözlenmiştir.SiC+yağ süspansiyonunun kullanıldığı üç elemanlı abrazif aşınma deneylerininsonuçları; hacimsel aşınma miktarının ve özgül aşınma oranının, artan parçacık oranı veparçacık boyutu ile azaldığını göstermiştir.

Abstract:
The objective of the present study was to investigate the production of AA2024matrix B4C particle reinforced composite using stir casting method and to examine therelationship of the particle ratio and particle size with mechanical properties and abrasivewear properties of produced composites. A new surface treatment method was developedfor the enhancement of wettability of B4C particles by the liquid AA2024 alloy. In thistreatment, the B4C particles which were etched in an acid mixture for 2 or 3 minutes,washed with ethanol and then dried, were added into the stirred molten alloy at 700 oC.The results of microscopic examinations of the produced composites showed that thesurface treated particles were homogeneously dispersed in the metal matrix.In order to make comparison, two different size of particles, ranged in 90-53Âµm(group B) and 49-16,5Âµm (group K) were used. For each group of composites, containing3%, 4%, 6%, and 7% of B4C particles in volume, were manucfactured by using vortexmethod and permanent mold casting techniques. Tensile, hardness and three body abrasivewear test were conducted for composites at room temperature. The microstructure, fracturesurface and wear surface of the specimens were characterized using scanning electronmicroscopy.Particle recovery rate was deacresed and the porosity content was increased with theincreasing particle ratios. Dispersion of the larger size particles was more uniform whilefiner particles showed particle-particle and particle-porosity clustering which wasincreased with increasing particle ratio.SEM, energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD) studiesshowed that no interfacial reaction product was formed due to low casting temperature andthe short time period that liquid alloy and B4C are interacted.When the particle volume fraction was increased, the macro hardness of both groupsof composites was increased. But this increase was significant for finer particles. The yield,the tensile strength and the elongations of the composites were decreased while the Youngmodulus increased with increasing particle volume fraction.The lack of formation of ductile dimples, as the dominant fracture mode, isessentially attributed to the presence of discontinuous B4Cp reinforcement that avoids theplastic flow in the composite matrix. The fracture surface of composites containing smallersize of B4C particles exhibits interfacial decohesion at the clustered regions due to intenselocal stress concentration at these large deffects. On the other hand, the fracture mode ofcomposites, containing larger particles, includes ductile failure of the matrix and localbrittle fracture of B4C particles.The results of three body abrasive wear tests show that increasing volume fractionand particle size gave lower volume loss and specific wear rates.