Toz metalurjisi yöntemiyle elde edilen demir esaslı köpüksü metallerin mikroyapısı ve mekanik özellikleri
Microstructural and mechanical properties of iron based foamed metals obtained by powder metallurgy method
Yazar: NURAY BEKÖZ
Danışman: PROF. DR. ENVER OKTAY
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Gözenek = Pore ; Gözeneklilik = Porosity ; Köpük = Foam ; Sinterleme = Sintering ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Bu çalışmada; yüksek oranda gözenek içeren demir esaslı numuneler ticari isimleri Distaloy AB, Astaloy Mo ve Distaloy AE olan ön alaşımlı demir tozlarına farklı oranlarda boşluk yapıcı ilave edilerek toz metalurjisi yöntemiyle üretilmiştir. Başlangıç tozunun, bağlayıcının, boşluk yapıcı miktarının, boşluk yapıcının partikül boyutu ve şeklinin, sinterleme sıcaklığı ve süresinin, karbon katkısının mikroyapı ve mekanik özellikler üzerine etkisi incelenmiştir. Yüksek oranda gözenek içeren demir esaslı malzemeler; dolgu kolonlarında ve dış yüzeyleri yoğun metalle kaplanmış oldukça hafif yapılarda kullanım alanı bulmaktadır. Mo içeren yüksek gözenekli demir esaslı malzemeler, ısı yalıtımı ve soğutma sistemlerinde, yüksek sıcaklığa maruz kalan yanma motorlarının çıkış yerlerinde kullanım alanına sahiptir.Deneysel çalışmada; ön alaşımlı demir tozları bağlayıcı çözeltisiyle karıştırılmış ve hedeflenen gözenekliliği sağlayacak karbamit metal tozuna ilave edilmiştir. Elde edilen karışım 200 MPa basınçta preslenerek farklı partikül boyut ve şeklinde hacimce %50, 60, 70 ve 80 karbamit içeren silindirik ham numuneler elde edilmiştir. Ham numunelerde bulunan karbamitin büyük bölümü oda sıcaklığında su banyosunda çözündürülerek uzaklaştırılmıştır. Bağlayıcı ve kalan karbamit sinterleme çevrimi sırasında termal olarak uzaklaştırılmıştır. Numuneler, hidrojen atmosferi altında 1150 °C ve 1200 °C'de 1 saat ve 1200 °C'de 2 saat sinterlenmiştir. Ayrıca karışıma ağ. %0,3, 0,6 ve 0,8 karbon ilave edilip, karbonun mikroyapı ve mekanik özellikler üzerine etkisi incelenmiştir.Hacimsel değişimler, yoğunluklar, sinterlenmiş numunelerin açık ve kapalı gözenek oranları belirlenmiştir. Sinterlenmiş numunelerin mikroyapısı ve gözenek morfolojileri ışık metal mikroskobu ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Numunelerin mekanik karakterizasyonu basma testi ile gerçekleştirilmiştir.Karakterizasyon çalışmaları sinterlenmiş numunelerde gözenek miktarı, şekli ve boyutunun kullanılan karbamitin miktarı, partikül şekli ve boyutu ile kontrol edilebileceğini göstermiştir. Suda çözündürme; karbamit miktarı, partikül şekli ve boyutuna bağlı olarak ham numunelerde hacimsel büyümeye neden olmuştur. Sinterleme sonrası hacimsel çekme oranı gözenek miktarı, şekli ve boyutuna bağlıdır. Sinterlenmiş numunelerin yoğunlukları 2,25-4,12 g/cm3, toplam gözenek oranları %47,2-71,1 aralığındadır. Basma deneyi sonuçları; sinterlenmiş numunelerin maksimum basma akma mukavemetleri ve elastisite modüllerinin artan gözenek miktarı ile azaldığını ortaya koymuştur. Gözenek duvarlarındaki mikro gözenekler de mukavemet değerlerinde azalmaya neden olmuştur. Sinterlenmiş numunelerin maksimum basma akma mukavemetleri, elastisite modülleri ve yoğunlaşmanın başladığı şekil değişimleri sırasıyla; 15-133 MPa, 0,41-3,43 GPa ve %41,5-88 aralığında bulunmuştur. Küresel şekilli gözenek yapısına sahip yüksek oranda gözenek içeren numuneler, düzensiz şekilli gözenek yapısına sahip numunelerden daha yüksek basma dayanımı göstermiştir. Açık gözenek oranı düzensiz şekilli gözenek yapısına sahip numunelerde daha fazladır. Sinterleme süresinin 1 saat artması numunelerin mukavemeti üzerine az bir etkiye sahipken, sinterleme sıcaklığının 1150 °C'den 1200 °C'ye yükselmesi numunelerin mukavemetini arttırmıştır. Karbon katkısı, sinterlenmiş numunelerin maksimum basma akma mukavemetini artırmıştır. Sinterlenmiş numunelerin mekanik özellikleri üzerine gözeneklerin boyutu, şekli ve dağılımının etkisi olmasına rağmen en önemli etkiyi gözenek miktarı yapmıştır.

Abstract:
In this study highly porous iron based specimens were produced by adding different amounts of space holder to commercially available pre-alloyed iron powders named Distaloy AB, Astaloy Mo and Distaloy AE via powder metallurgy technique. Effects of the starting powder, binder, space holder amount, particle size and shape of the space holder, sintering temperature and time, and carbon addition on the mechanical properties and microstructure were investigated. Highly porous iron based materials can have applications at filling columns and extremely light structures covered with dense metal. Highly porous iron based materials containing Mo can be used as heat insulation and cooling systems at exiting parts of the combustion engines which are imposed to high temperatures.In the experimental study, pre-alloyed iron powders were mixed with a binder solution and carbamide was added to metal powder to obtain a defined porosity. The mixture uniaxially compacted at 200 MPa to produced cylindrical green specimens with 50, 60, 70 and 80 vol.% carbamide having different particle sizes and shapes. Most of the carbamide in green specimens was removed by water leaching at room temperature. The binder and residual carbamide were removed by thermal debinding during the sintering cycle. The specimens were sintered at 1150 °C and 1200 °C for 1 hour and at 1200 °C for 2 hours in hydrogen atmosphere. Additionally, 0.3, 0.6 and 0.8 wt.% carbon was added to the mixture to investigate its effects on the microstructure and mechanical properties.Volumetric changes, densities, open and closed porosities of the sintered specimens were determined. The microstructures and pore morphology of the sintered specimens were characterized using an optical microscope and scanning electron microscope (SEM). Spherical diameter and sphericity distributions of the pores in the sintered specimens were estimated using image analyzer software. Mechanical characterizations of the specimens were carried out with compression test.Characterization studies showed that pore amount, shape and size in the sintered specimens could be controlled by the particle shape, size and amount of carbamide. Water leaching caused volumetric expansion in the green specimens depending on the particle amount, shape and size of carbamide. The extent of volumetric shrinkage after sintering depended on amount, shape and size of the pores. Densities of the sintered specimens varied from 2.25 to 4.12 g/cm3. Total porosity of the sintered specimens was in the range of 47.2 to 71.1%. The compression test results showed that maximum compression yield strength and the modulus of elasticity of the sintered specimens were decreased with increasing porosity. Micro pores in the pore walls of the specimens also caused a decrease in the strength values. Maximum compression yield strengths, the modulus of elasticity and densification strain values of the sintered specimens were observed to vary in the range 15-133 MPa, 0.41-3.43 GPa and 41.5-88%, respectively. Highly porous specimens having spherical-shaped pores showed higher compressive strength than those having irregular-shaped pores. Open porosity fraction was high in the specimens having irregular-shaped pores. Raising the sintering temperature from 1150 °C to 1200 °C improved the strength of the specimens while one hour increase in sintering time had a little effect. Carbon additions increased the maximum compressive yield strength values of the sintered specimens. Pore fraction in the sintered specimens had a profound effect on the mechanical properties although size, shape and distribution of pores were also effective.