Krom, silisyum ve niyobyum katkılı kobalt-demir esaslı iri hacimli metalik camların sentezlenmesi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of chromium, silicon and niobium containing cobalt-iron based bulk metallic glasses
Yazar: RIZA KARA
Danışman: DOÇ. DR. ŞÜKRÜ TALAŞ ; YRD. DOÇ. DR. AYTEKİN HİTİT
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Teknik Eğitim Bölümü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Metalik cam = Metallic glass

Özet:
Günümüzde teknoloji durmaksızın gelişme göstermektedir. Teknolojinin gelişmesinde en büyük basamak yeni malzeme üretimi ve bunun mühendislik açıdan teknolojiye uygulanmasıdır. Bu alanda geliştirilen malzemelerden birisi de metalik camlardır. Geleneksel metalik camlar üzerindeki gelişmeler ile ortaya çıkan iri hacimli metalik camlar, teknolojik anlamda daha geniş uygulama alanı bulmaktadır. Metalik camların doğası gereği geleneksel kristal yapılı malzemelerden farklıdır. Metalik cam üretimin keşfedildiği ilk aşamalarda hızlı soğuma 104?106 K/s gerekmekteydi. Günümüzde iki ve daha fazla sayıda element karışımından oluşan iri hacimli metalik camlar (İHMC) üretilebilmektedir. Günümüzde üretim yöntemlerine ve alaşım sistemi kompozisyonlarına bağlı olarak İHMC için kritik soğutma hızları 0,1-100 K/s gibi düşük hızlardadır. İri hacimli metalik camlar üstün mekanik özellikleri ve korozyon dirençleri açısından ön plana çıkmaktadır. Ayrıca iri hacimli metalik camlarda kompozisyona bağlı olarak dayanım/ağırlık oranının yüksek olması ile tasarımda ağırlık faktörünü önemli derecede azaltmaktadır.Literatürde iri hacimli metalik cam sistemleri içerisindeki en yüksek dayanıma sahip A. Inoue tarafından rapor edilen Co-Fe-Ta-B alaşım sistemidir. Bu çalışmada, Co-Fe-Ta-B alaşım sistemi krom, silisyum ve niyobyum elementleriyle sentezlenmiştir. Sentezlenen alaşımlar için cam geçiş sıcaklığının yüksek sıcaklıklara ötelenmesi, camlaşma kabiliyetinin ve üretilebilir kesit kalınlığının arttırılması, mukavemet ve tokluk özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmalar sonucunda sentezlenen metalik cam numuneleri karakterizasyon özelliklerinin belirlenmesi için farklı yöntemler kullanılmıştır. Cam geçiş sıcaklığının belirlenmesi için DSC, amorf yapının oluştuğunun belirlenmesinde XRD, kritik cam kalınlığının belirlenmesi için SEM ve polarize özellikte optik mikroskop ve mikrosertlik çalışmaları gerçekleştirilmiştir.İnduksiyon fırınında kritik döküm kalınlığının tespit edilmesi amacıyla kama şekilli döküm gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen döküm çalışmaları döküm sıcaklığının alaşımın camlaşma kabiliyetinde önemli etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, indüksiyon fırını çalışmalarında elde edilen master alaşım kompozisyonunda istenilen değerlerden sapmalar gözlemlenmiştir. Bu sapmalar genellikle bor kaybı nedeniyle gerçekleşmiştir. İndüksiyon fırını çalışmalarında döküm sıcaklığının artmasıyla birlikte, alaşımın camlaşma kabiliyeti artmıştır. Vakum ark ocağı döküm çalışmalarında daha iyi bir vakum elde edilmesi, yüksek saflıkta argon gazı kullanımı ve ayrıca sistem içerisinde havanın olumsuz etkisinden numuneyi koruma amacıyla titanyum ergitilmesi master alaşımın istenilen komozisyon sınırları içerisinde elde edilmesini sağlamıştır. Düşük orandaki krom katkısının (%2) baz alaşımın amorflaşmasında olumlu etkiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Buna ek olarak, silisyum katkısı Co43Fe20Ta5,5B31,5-xSix (x=5) baz alaşımın ergime sıcaklığını düşürürken, camlaşma kabiliyetini arttırmıştır. Krom, silisyum ve niyobyum katkılı Co41Cr2Fe20Ta2,75Nb2.75B26,5Si5 alaşımının kritik döküm çapı ~4 mm' dir. Literaturde Co43Fe20Ta5,5B31,5 alaşımının mikro sertlik değeri 1455 HV olarak rapor edilmiştir. Bu çalışmada üretilen krom, silisyum ve/veya niyobyum katkılı kompozisyonlar daha yuksek camlaşma kabiliyeti sergilemesine rağmen, mikro sertlik değerlerinin ~1200 HV olduğu tespit edilmiştir. Bu değerlerin literatürde rapor edilen değerden düşük olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
With the advancement in metallic glasses, bulk metallic glasses have found larger use in technological field. Metallic glasses do not possess definitive crystalline structures and said to have short range atomic order and require higher cooling rates in order to form their amorphous structures. Although early metallic glasses required higher cooling rates in the range 10-4-10-6 K/s, today, bulk metallic glasses can be obtained at lower cooling rates (0,1-100 K/s) due to their production methods and high number of alloying additions. Bulk metallic glasses have the advantages of superior corrosion and mechanical behaviour. In addition, bulk metallic glasses gives higher weight/strength ratio and therefore offer an advantage of lower weight factor in design depending on their compositional variation.In this study, it is the aim of this work that Co-Fe-Ta-B based metallic glasses, which shows superior mechanical strength, developed by A. Inoue, were attempted to produce with alloying elements (Cr, Si and Nb), higher its glass transition temperature, improve its glass forming ability and manufacturing property with the thicker cross section following the synthesis of bulk metallic glasses were attempted.In order to define bulk metallic glasses obtained through the route suggested above various analytical techniques were used to analyse its properties. Glass transition temperatures are characterized by DSC (Differential Scanning Calorimetry) and XRD technique were used to check its amorphous content and SEM (Scanning Electron Microscopy) and Optical microscope were used to characterize its microstructure and amorphous layer.As a result, induction melting and casting experiments indicate that casting temperature has a large influence on the glass forming ability of the alloys. With the increase of casting temperature, glass forming ability of the alloy is enhanced. On the other hand, it was determined that minor Cr additions (at. 2%) have favorable effect on the amorphization of the base alloy. In addition, 5% silicon addition reduced melting temperature as well as enhancing the critical casting diameter of base alloy up to one and half times. When Cr and Si were added together to the base composition, critical casting thickness of the alloy increased aproximately two times, which Co41Cr2Fe20Ta2,75Nb2,75B26,5Si5 alloy is about 4 mm. As a result, new bulk metallic glass compositions with high critical casting thickness about 4 mm were determined. Also, hardness of Co43Fe20Ta5,5B31,5 alloy reported in theliterature was 1455 HV. Although modified compositions had higher glass forming ability, their hardness values (~1200 HV) were lower than than the base alloy.