SiC ve h-BN parçacık takviyeli Cu-Sn-Zn alaşımı kaymalı yatakların toz metalurjisi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of SiC and h-BN particle reinforced Cu-Sn-Zn alloy plain bearings by powder metallurgy
Yazar: AHMET OKTAY DEVECİLİ
Danışman: PROF. DR. ADEM BAKKALOĞLU ; PROF. DR. YÜCEL GENÇER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Mekanik alaşımlama tekniği = Mechanical alloying technique

Özet:
Bu tezin amacı, endüstri ve mobilite sektöründe yoğun olarak kullanılan kaymalı yatak alaşımlarından beklenen düşük sürtünme ve yüksek aşınma direncine sahip modifiye edilmiş toz metalurjisi ile üretilmiş yatak alaşımı geliştirmektir. Bu kapsamda yatak alaşımı olarak kullanılan CuSn10, CuZn30 metalik alaşımları, Sn ve Zn metalik tozlarının yanında takviye malzemeleri olarak farklı oranlarda h-BN ve SiC ilave edilerek yatak alaşımları hazırlanmıştır. Hazırlanan alaşım tozları yüksek enerjili mekanik alaşımlama ünitesi de kullanılarak 1000 devir/dk hızla 3 saat süreyle homojen bir karışım sağlanmıştır. Sonrasında hidrolik silindir yardımıyla hazırlanan kalıpta preslenerek kalıplanmış ve atmosfer kontrollü fırında sinterlenmiştir. Hazırlanan farklı bileşimlere sahip numunelerin tamamı aşınma ve sürtünme testlerine tabi tutulmuş ve sonuçları karakterize edilmiştir. Sinterleme sıcaklığı 820 0C'de 2 saat süreyle gerçekleştirilmiş olup yapılan DSC analizinde bu sıcaklıkta numunelerin metalik matris kompozisyonlarında sıvı faz sinterlemenin olmadığı tespit edilmiştir. Takviye malzemesi olarak kullanılan h-BN ve SiC'ün sinterleme sonrası numunelerin boyutlarında tespit edilen çekme miktarını azalttığı, bunun yanında mekanik özellikleri de genel olarak h-BN'ün azalttığı, SiC'ün artırdığı tespit edilmiştir. Sinterleme sonrası yapılan XRD analizlerinde alaşım olarak kullanılan CuSn10 ve CuZn30 tozlarının yanında katı katı reaksiyonları sonunda Cu5Zn6, Cu6Sn5, Cu5Zn8, Cu41Sn11 gibi bileşimlerin de oluştuğu tespit edilmiştir. Bunun yanında takviye malzemesi olarak kullanılan h-BN ve SiC'ün matris içerisinde yer alan metalik tozlar ile reaksiyona girmediği tespit edilmiştir. Hazırlanan numunelerin teorik yoğunlukları ile gerçek yoğunlukları hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Buna göre takviye malzeme miktarı arttıkça öncesinde azalan gözenek miktarı ve teorik yoğunluk ile gerçek yoğunluk miktarındaki fark, takviye miktarındaki artışa paralel olarak artmıştır. Sinterleme sonrası yapılan optik mikroskop ve SEM incelemeleri sonrasında metalik matrisin homojen bir yapıya sahip olduğu, bunun yanında h-BN'ün yapı içerisinde ilave miktarına bağlı olarak kısmen toplandığı, ayrıca takviye malzemesi olarak ilave edilen SiC'ün mekanik alaşımlamanın etkisiyle mikron altı tane boyutlarına inerek matris içerisinde kısmen dağıldığı tespit edilmiştir. Aşınma ve sürtünme testleri sonunda sürtünme katsayısını (COF) düşürmek amacıyla ilave edilen h-BN'ün ilave miktarıyla öncesinde sürtünme katsayısını düşürdüğü, ilave miktarındaki artışla aşınma mekanizmasındaki değişim ve artışla birlikte sürtünme katsayısını artırdığı tespit edilmiştir. Bunun yanında aşınma direncini artırmak amacıyla ilave edilen SiC'ün ilave miktarındaki artışa bağlı olarak aşınma direncini artırdığı, bunun yanında sürtünme katsayısında da artışa neden olduğu bulunmuştur.

Abstract:
The aim of this thesis is to develop a bearing alloy produced by modified powder metallurgy with the low friction and high wear resistance expected from plain bearing alloys that are widely used in the industry and mobility sector. In this context, bearing alloys were prepared by adding different amounts of h-BN and SiC as reinforcement materials, as well as CuSn10, CuZn30 metallic alloys, Sn and  Zn metallic powders used as bearing alloys. A homogeneous mixture of the prepared alloy powders was achieved by using a high-energy mechanical alloying machine at a speed of 1000 rpm for 3 hours. Then, it was pressed and molded in the mold prepared with the help of a hydraulic cylinder and sintered in an atmosphere-controlled furnace. All prepared samples with different compositions were subjected to wear and friction tests and the results were characterized. The sintering temperature was carried out at 820 0C for 2 hours, and in the DSC analysis, it was determined that there was no liquid phase sintering in the metallic matrix compositions of the samples at this temperature. It has been determined that h-BN and SiC used as reinforcement materials reduce the shrinkage change detected in the dimensions of the samples after sintering, while h-BN generally reduces the mechanical properties and SiC increases them. In the XRD analyzes performed after sintering, it was determined that in addition to the CuSn10 and CuZn30 powders used as alloys, compounds such as Cu5Zn6, Cu6Sn5, Cu5Zn8, Cu41Sn11 were also formed as a result of solid-solid reactions. In addition, it was determined that h-BN and SiC used as reinforcement materials did not react with the metallic powders in the matrix. The theoretical densities of the prepared samples were calculated and compared with their actual densities. Accordingly, as the amount of reinforcement material increased, the amount of porosity decreased before and the difference between the  theoretical density and the actual density increased in parallel with the increase in the amount of reinforcement. According to the optical microscope and SEM examinations made after sintering, the metallic matrix has a homogeneous structure, h-BN is partially collected in the structure depending on the amount of addition, and the SiC added as a reinforcement material decreases to submicron grain sizes with the effect of mechanical alloying. It was determined that it was partially dispersed in the matrix. At the end of the wear and friction tests, it was determined that the h-BN added to reduce the coefficient of friction (COF) decreased the friction coefficient with the additional amount, and increased the friction coefficient with the change and increase in the wear mechanism with the increase in the amount of addition. In addition, it was found that SiC added to increase wear resistance increased wear resistance depending on the increase in the amount of addition, and also caused an increase in the coefficient of friction.