Silisyum nitrür takviyeli magnezyum esaslı kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of silicon nitride reinforced magnesium based composites
Yazar: ASLI OĞUZHAN
Danışman: PROF. DR. NURCAN ÇALIŞ AÇIKBAŞ ; DOÇ. DR. HÜSEYİN ŞEVİK
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Magnezyum (Mg) alaşımları sahip olduğu düşük yoğunluğu ve iyi mukavemet/ağırlık oranı ile yeni nesil hafif ileri teknoloji malzemelerdendir. Magnezyum alaşımlarının düşük yoğunluğuna rağmen araçların yüksek sıcaklık mukavemeti istenen bileşenlerinde (örneğin 150-200°C sıcaklıklara ve 50-70 MPa seviyesindeki gerilimlere maruz kalan motor bloğu, motor kapağı, vites kutusu, diferansiyel kutusu gibi güç aktarma organları) alaşımlama yeterli olmamaktadır. Bunun sonucu olarak son yıllarda çalışmalar yüksek elastik modül, yüksek sıcaklık mukavemeti, aşınma, sürünme dayanımı gibi üstün termo-mekanik özelliklere ulaşılabilecek magnezyum esaslı kompozitlerin geliştirilmesine yönelmiştir. Bu amaçla Mg alaşımları seramik takviye elemanları ile güçlendirilmektedir. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda Mg esaslı kompozitler çalışılmış olmasına rağmen, Si3N4 takviyeli Mg matrisli kompozitler üzerine oldukça sınırlı sayıda çalışma vardır. 
Bu nedenle gerçekleştirilen çalışmada otomotiv sektöründe kullanılan hafif AZ91 Mg-alaşımının yüksek sıcaklık mukavemetini iyileştirmek için ağ. %0,5, 1 ve 2 oranlarında β-Si3N4 partikül ilavesi yapılmıştır. Alaşım ve kompozitleri hazırlama işlemi indüksiyon ergitme fırınında SiC pota içerisinde SF6 ve CO2 gazı kullanılarak kontrollü atmosfer altında gerçekleştirilmiştir. Daha sonra 100 tonluk soğuk kamaralı basınçlı döküm cihazı (HPDC) kullanılarak kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitlerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı karakterizasyonu ve enerji dağılım X-ışını spektrometresi (SEM-EDS) ile elementel analizi, X-ışını saçınımı (XRD) ile faz analizi yapılmış, Brinell sertlik, çekme dayanımı, yüksek sıcaklık mukavemeti testleri gerçekleştirilmiştir.
Sonuç olarak, uygulanan üretim tekniği ile neredeyse %100 yoğun β-Si3N4 takviyeli AZ91 alaşım matrisli kompozitlerin üretiminin yapılabildiği görülmüştür. XRD analizleri sonrası α-Mg, 
β-Mg17Al12, Al6Mn ve β-Si3N4 fazları tespit edilmiştir. Mikroyapı incelemeleri ile AZ91 alaşımında 
β-Mg17Al12 intermetaliği ağsı yapı şeklinde katılaşırken, β-Si3N4 ilavesi ile ağsı yapı yerine küçük adacıklar halinde oluştuğu gözlenmiştir. İlave edilen β-Si3N4 miktarıyla orantılı olarak sertlik değerleri, akma ve çekme mukavemeti ve süneklilikte artış gözlenmiştir.β-Si3N4 takviye elemanı Mg alaşımının tokluğunun artışına katkı sağlamıştır. β-Si3N4 ilavesi ile AZ91 alaşımının yüksek sıcaklık mukavemetinde artış gözlenmiştir. β-Si3N4 takviyeli AZ91 matrisli kompozit malzemelerin, yüksek basınçlı soğuk kamara döküm yöntemi ile endüstriyel üretime uygun olarak üretilebildiği ve otomotiv sektöründe 150 °C sıcaklıkların üzerinde kullanılan güç aktarma organları uygulamalarında kullanım için potansiyel malzeme olabileceği değerlendirilmiştir.

Abstract:
Magnesium (Mg) alloys are among the new generation lightweight high-tech materials with their low density and good strength/weight ratio. Despite the low density of magnesium alloys, alloying is not sufficient for components of vehicles where high temperature strength is required (for example, powertrains such as engine block, engine cover, gearbox, differential box, which are exposed to temperatures of 150-200°C and stresses of 50-70 MPa). As a result, in recent years, studies have been focused on the development of magnesium-based composites that can achieve superior thermo-mechanical properties such as high elastic modulus, high temperature strength, wear and creep resistance. For this purpose, Mg alloys are strengthened with ceramic reinforcements. Although Mg-based composites have been studied so far, there are limited studies on Si3N4 reinforced Mg based composites.
For this reason, in this study, composites were produced by adding β-Si3N4 particles in different amounts (0.5, 1, 2 wt%) to improve high temperature resistance of light AZ91 Mg alloy used in the automotive industry. The process of preparing alloys and composites was carried out under a controlled atmosphere using SF6 and CO2 gas in the induction melting furnace using a SiC crucible. Then, composites were produced using a 100-ton high pressure die casting device (HPDC). Microstructure characterization of the produced composites was carried out with scanning electron microscopy (SEM), elemental analysis by energy dispersion X-ray spectrometry (SEM-EDS), phase analysis by X-ray scattering (XRD), and also Brinell hardness, tensile strength and high temperature strength tests were carried out. 
As a result, with the applied production technique, it has been observed that almost 100% dense Si3N4 reinforced AZ91 alloy matrix composites can be produced. After XRD analysis 
α-Mg,β-Mg17Al12, Al6Mn and β-Si3N4 phases have been detected. With microstructure studies β-Mg17Al12 intermetallic phase solidifies in the form of a continuous structure in AZ91 alloy, with the addition of β-Si3N4 it was observed that instead of the structure it formed as small islands. With the addition of β-Si3N4, the hardness values, yield and tensile strength and ductility was increased linearly. β-Si3N4 reinforcement contributed to the increase in the toughness of the alloys. With the addition of β-Si3N4 it was observed an increase in high temperature strength of AZ91 alloy. It was evaluated that β-Si3N4 reinforced AZ91 matrix composites, can be produced suitable for industrial production by high pressure die casting method and it could be a potential material for powertrain applications used above 150 °C in the automotive industry.