Toz metalurjisi yöntemiyle elde edilen gözenekli martensitik paslanmaz çeliğin mikroyapısı ve mekanik özellikleri
Microstructural and mechanical properties of porous martensitic stainless steel obtained by powder metallurgy method
Yazar: İLVEN MUTLU
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
Dizin: Gözeneklilik = Porosity ; Paslanmaz çelik = Stainless steel ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Bu çalışmada, yüksek oranda gözenek içeren 17-4 PH martensitik paslanmaz çelik numuneler, toz metalurjisi esaslı boşluk yapıcı-sinterleme yöntemiyle üretilip boşluk yapıcı miktarı ve partikül boyutu, sinterleme sıcaklığı ve süresi, bor katkısı ve yaşlandırma ısıl işleminin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi incelenmiştir. 17-4 PH paslanmaz çelik alaşımı yüksek korozyon direncine ve mukavemete sahip olup tıp, havacılık ve otomotiv alanlarında; gözenekli 17-4 PH paslanmaz çeliği ise biyomalzeme olarak implant uygulamalarında kullanılmaktadır. Yüksek oranda gözenekli yapı vücut dokusunun gözenekler içerisinde büyüyebilmesini ve birbirine bağlı gözeneklerden vücut sıvısının iletimini sağlayabilmektedir. Gözenekli 17-4 PH paslanmaz çeliğin avantajı biyomedikal implant olarak en yaygın kullanılan malzemeler olan AISI 316L paslanmaz çeliği, Ti alaşımları ve Co-Cr alaşımlarına göre daha mukavemetli olmasıdır.Deneysel çalışmada, 17-4 PH çelik tozları bağlayıcı çözeltisiyle (parafin, polivinilalkol veya polimetilmetakrilat) karıştırılmış ve hedeflenen gözenekliliği sağlayacak karbamit metal tozuna ilave edilmiştir. Elde edilen karışım 180 MPa basınçta preslenerek hacimce % 40, 50, 60, 70 ve 80 karbamit içeren silindirik ham numuneler elde edilmiştir. Ham numunelerdeki karbamit oda sıcaklığındaki suda çözündürülerek uzaklaştırılmıştır. Bağlayıcının uzaklaştırılması termal bağlayıcı giderme işlemiyle, sinterleme çevrimi sırasında gerçekleştirilmiştir. Ham numuneler 1200-1360 °C arasında 20-120 dakika arası sürelerde H2 atmosferinde sinterlenmiştir. Ayrıca karışıma ağırlıkça % 0.2-0.8 arasında değişen faklı oranlarda bor ilave edilip, borun mikrogözeneklere ve mekanik özelliklere olan etkisi araştırılmıştır. Mekanik özellikleri daha da arttırmak için sinterlenmiş numunelere çökelme sertleşmesi (yaşlandırma) ısıl işlemi uygulanmıştır. Bunun için numuneler 1050 °C de vakum ortamında östenitlenmiş ve ardından su verilmiştir. Su verilmiş numuneler 450-570 °C arasında farklı sürelerde hidrojen atmosferinde yaşlandırılmıştır.Sinterlenmiş numunelerin gözenek morfolojileri ve mikroyapıları optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskop (SEM) yardımıyla incelenmiştir. Basma ve mikrosertlik deneyleri ile numunelerin mekanik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Gözenekli 17-4 PH paslanmaz çeliğin biyouyumluluğu in vitro sitotoksisite testleriyle belirlenmiştir. Sitotoksisite denemeleri tetrazolyum (XTT) ve metil tetrazolyum (MTT) olmak üzere iki farklı yöntemle gerçekleştirilmiştir. Ayrıca gözenekli 17-4 PH paslanmaz çelik numunelerinin hızlandırılmış yaşlandırma testi ve yüzey pürüzlülüğü testleri de gerçekleştirilmiştir.Karakterizasyon çalışmaları sinterlenmiş numunelerde gözenek miktarı, şekli ve boyutunun, kullanılan karbamit miktarı, şekli ve boyutu ile kontrol edilebileceğini göstermiştir. Basma deneyi sonuçları, sinterlenmiş numunelerin elastisite modülü ve basma akma mukavemetlerinin artan gözenek miktarı ile azaldığını ortaya koymuştur. Bor ilavesi sinterleme sıcaklığı ve süresini düşürmüş, mekanik özellikleri ise iyileştirmiştir. Optimum mekanik özellikler ağırlıkça % 0.5 bor ilave edildiğinde ve 1260 °C sıcaklıkta 40 dakika süreyle sinterleme sonucunda elde edilmiştir. Çökelme sertleşmesi işlemiyle mekanik özellikler daha da arttırılmıştır. En yüksek basma akma mukavemeti ve elastisite modülü değerleri 480 oC sıcaklıkta 4 saat yaşlandırılmış numunelerde elde edilmiştir. MTT ve XTT yöntemleriyle gerçekleştirilen in vitro sitotoksisite testlerine göre 17-4 PH paslanmaz çeliğin yeterli derecede biyouyumluluğa sahip olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, highly porous 17-4 PH martensitic stainless steel specimens were produced using space holder-sintering method in powder metallurgy and effects of space holder amount and particle size, sintering time and temperature, boron addition and aging heat treatment on the microstructure and mechanical properties were investigated. 17-4 PH stainless steel alloy has high corrosion resistance and strength and used in automotive, medical and aviation applications. Porous 17-4 PH stainless steel can be used as biomaterial in medical implant applications. Highly porous structure allows body tissue to grow inside the pores and to transport the body fluids. In addition porous structure is light. The advantage of the porous 17-4 PH stainless steel is based on its higher strength compared to AISI 316L stainless steel, Ti alloys and Co-Cr alloys which are mostly used materials in biomedical implant applications.In the experimental study the 17-4 PH steel powders were mixed with binder (paraffin, polyvinylalcohol or polymethylmethacrylate) solution and carbamide was added to metal powder to obtain defined porosities. The mixture compacted at 180 MPa and cylindrical green specimens having 40, 50, 60, 70 and 80 % carbamide were obtained. Space holder in green compacts was removed by water leaching at room temperature. Binder was removed by thermal debinding during the sintering cycle. The green compacts were sintered at temperatures between 1200-1360 °C for times between 20-120 minutes in H2 atmosphere. Additionally, 0.2-0.8 wt.% boron was added to the mixture to investigate the effects of boron on microporosity and mechanical properties. Precipitation hardening (aging) heat treatment was carried out after the sintering to further enhance the mechanical properties. The quenched specimens were austenitized at 1050 °C in vacuum and subsequently quenched. The specimens were aged at temperatures between 480-550 °C for different times in H2 atmosphere.The microstructures and pore morphology of the sintered specimens were characterized using an optical microscope and scanning electron microscopy (SEM). Mechanical characterizations of the specimens were carried out with compression and microhardness tests. Biocompatibility of the porous 17-4 PH stainless steel was determined by in vitro cytotoxicity assays. In vitro cytotoxicity assays were carried out by both tetrazolium (XTT) and metil tetrazolium (MTT) methods. In addition, accelerated aging test and surface roughness tests of 17-4 PH stainless steel specimens were carried out.Characterization studies on the sintered samples showed that pore fraction, shape and size in the sintered specimens could be controlled by the particle shape, size and amount of carbamide. Compression test results showed that modulus of elasticity and compressive yield strength of the sintered samples were decreased with increasing porosity. Boron addition decreased the sintering temperature and time, and enhanced the mechanical properties. Optimum mechanical properties were obtained with 0.5 wt.% boron additions and sintering at 1260 °C for 40 minutes. Mechanical properties were also increased by precipitation hardening. Highest compressive yield strength and elasticity modulus values were obtained for the specimens aged at 480 oC for 4 hours. 17-4 PH stainless steel foams showed sufficient biocompatibility according to in vitro cytotoxicity assays carried out by MTT and XTT methods.