Vermikülitten üretilen cam-seramik malzemelerin karakterizasyonu ve işlenebilirlik özellikleri
Characterization and machinability properties of glass-ceramic materials produced from vermiculite
Yazar: UMUT ÖNEN
Danışman: PROF. DR. ŞENOL YILMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
İşlenebilir cam-seramik malzemeler; ergitme ve döküm sonrası şekillendirmeyle elde edilen camlara kontrollü kristalizasyon ısıl işlemi uygulanması ile üretilirler. Geleneksel metal işleme aletleriyle karmaşık şekillere ve hassas parçalara hızlı ve ekonomik bir şekilde işlenebilirler. 

Bu çalışmada, vermikülit cevherinden cam ve işlenebilir cam-seramik malzemelerin üretim imkanları araştırılmıştır. SİVAS/Yıldızeli bölgesi vermiküliti 1050 ℃'de kalsine edilmiş, daha sonra SiO2, Al2O3, K2O, MgF2 ve B2O3 katılarak işlenebilir cam-seramik bileşimleri hazırlanmıştır. Hazırlanan bileşimler alümina bilyeli değirmende 1 saat süre boyunca öğütme ve karıştırma işlemine tabi tutulmuştur. Homojen karıştırılan tozlar alümina potada 1500 ℃'de 1 saat bekleme süresi sonrasında ergitilmiş ve grafit kalıba dökülerek cam üretimi gerçekleştirilmiştir. Döküm sonrasında cam yapıda oluşan iç gerilmelerin giderilmesi amacıyla 600 ℃'de 1 saat tavlama ısıl işlemi yapılmıştır. Üretilen camların XRD analizleri sonucunda amorf yapıda oldukları tespit edilmiştir. Amorf cam tozlara DTA/DSC yapılarak camsı geçiş ve kristalizasyon ısıl işlem sıcaklıkları belirlenmiştir. Belirlenen sıcaklıklarda kademeli ve direkt ısıl işlem uygulanarak cam-seramik dönüşümü gerçekleştirilmiştir. Cam-seramik malzemelerde XRD ile faz analizi, SEM ile mikro yapı karakterizasyonu, termal analiz ile kristalizasyon kinetiği hesaplamaları yapılmıştır. Cam ve cam-seramiklerin mekanik özelliklerin belirlenmesi amacıyla sertlik, kırılma tokluğu ölçümleri ile işlenebilirlik testi uygulanmıştır.  Ayrıca Arşimed prensibine göre cam ve cam-seramiklerin yoğunlukları hesaplanmıştır. 

Çalışmalar sonucunda kademeli ısıl işlem gören B0 bileşimli cam-seramiğin, direkt ısıl işlemlerde ise B10 bileşimli cam-seramiğin (1100 ℃ 10 saat) en iyi işlenebilirliğe sahip olduğu ölçülmüştür. Bu iki cam-seramik işlenebilirlik uygulamaları için tavsiye edilebilir.

Abstract:
Machinable glass-ceramic materials are produced by controlled crystallization heat treatment performing to the glasses obtained by melting and casting processes. They can be processed into complex shapes and precision parts with conventional metalworking tools quickly and economically. 

In this study, production possibilities of glass and machinable glass-ceramic materials from vermiculite ore were investigated. The vermiculite from SİVAS/Yıldızeli region was calcined at 1050 ℃, then SiO2, Al2O3, K2O, MgF2 and B2O3 were added to prepare machinable glass-ceramic compositions. The prepared compositions were milled and mixed in the alumina ball mill for 1 hour. Homogeneously mixed powders were melted in alumina crucible at 1500 ℃ for 1 hour and cast into graphite mold and glass production was realized. In order to eliminate the internal stresses in the glass structure after casting, annealing was performed for 1 hour at 600 ℃. As a result of XRD analysis, the produced glasses were found to be amorphous. The glass transition and crystallization heat treatment temperatures were determined by DTA / DSC. The glass-ceramic transformation was realized by stepped and direct heat treatment at the determined temperatures. In the glass-ceramic materials, phase analysis with XRD, microstructure characterization with SEM, crystallization kinetics calculations with thermal analysis were performed. In order to determine the mechanical properties of glass and glass-ceramics, hardness, fracture toughness measurements and machinability tests were applied. In addition, the density of glass and glass-ceramics were calculated by using Archimedes principle.

As a conclusion of the studies, it has been determined the glass-ceramic coded B0 exposed to stepped heat treated and the glass-ceramic coded B10 in direct heat treatment (1100 ℃ 10 hours) having the best machinability performance. These glass-ceramics can be recommended for machinability applications.