Bazaltlardan işlenebilir cam-seramik malzeme üretim imkanlarının araştırılması
Investigation of production possibilities of machinable glass-ceramic materials from basalts
Yazar: BİLGEHAN GÜVEN
Danışman: PROF. DR. ŞENOL YILMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alkali bazalt = Alkali basalt ; Cam seramikler = Glass ceramics

Özet:
ÖZET


Anahtar kelimeler: Doğal kayaç, bazalt, cam, ergitme, sinter, cam-seramik, işlenebilir cam-seramik,  


İşlenebilir cam-seramiklerin üretilmesi, diğer tüm cam-seramik malzemelerde olduğu gibi, ergitme ve döküm sonrasında elde edilen cama kontrollü çekirdeklenme ve kristalizasyon ısıl işlemleri uygulanması ile olur. İşlenebilir cam-seramikleri diğer cam-seramik malzemelerden farklı kılan, uygun çekirdeklendirme ve kristalizasyon ısıl işlemleri sonucunda, malzemenin mekanik şekillendirmeye imkân sağlayan uygun mikro yapı ve mikro sertlik değerine sahip olmasındır. İşlenebilir cam-seramikler; mekanik şekillendirmeye ilave olarak iyi elektriksel ve mekanik özelliklere de sahiptirler. 

Bu çalışmanın amacı doğal ve atık malzemelerden  işlenebilir cam-seramik üretim imkanlarının araştırılmasıdır. Bu amaçla, doğal volkanik kayaç olan bazalta işlenebilirlik özelliklerini kazandırmak amacıyla MgF2 ve K2O ilavesi yapılarak üç farklı bileşim hazırlanmıştır. Hazırlanan karışımlar alümina bilyeli değirmende 1 saat öğütme ve karıştırma işlemine tabi tutulduktan sonra hem ergitme yöntemiyle hem de ekonomik olması için direk tozların sinterlenmesi yöntemiyle cam-seramik malzemeler üretilmiştir. Öğütme işlemi tamamlandıktan sonra hazırlanan karışımın bir kısmı alümina potada 1500°C 'de 1 saat bekletilerek ergitilmiş ve grafit kalıba dökülmüştür. Döküm sırasında camda oluşan iç gerilimlerinin giderilmesi için dökülen cam numuneler 600°C'de 1 saat tavlanmıştır. Tavlanan camın DTA analizi yapılarak cam-seramik elde etmek için gerekli olan ısıl işlem sıcaklıkları belirlenmiş ve bu sıcaklıklarda camlara kristalizasyon ısıl işlemleri uygulanarak cam-seramik dönüşümü gerçekleştirilmiştir. Cam ve cam-seramik malzemelerde taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikro yapı karakterizasyonu, x-ışınları difraksiyon (XRD) analizi ile faz analizi yapılmış, sertlikleri ve kırılma toklukları ölçülmüş, ayrıca işlenebilirlik testleri de uygulanmıştır. 

Sinterleme yöntemiyle işlenebilir cam-seramiklerin üretiminde değirmende öğütme sonrası karışım 75μm elekten geçirilmiş ve elek altları kullanılmıştır. Karışımlardan 100 MPa basınçla 20 mm çapında silindirik numuneler preslenmiştir. Preslenen numuneler 900,1000 ve 1100 °C de ısıl işleme tabi tutularak cam-seramiğe dönüştürülmüştür. Üretilen sinter cam-seramik numunelerde SEM ve XRD analizleri; yoğunluk,  sertlik,  kırılma tokluğu, su emme, porozite ve işlenebilirlik testleri gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmalarının sonucunda, tüm bileşimlerde, hem ergitme hem de sinter numunelerde işlenebilirliği sağlayan demirli flogopit  [K(Mg,Fe+2)3]AlSi3O10(F,OH)2] fazının kristallendiği belirlenmiştir

Abstract:
INVESTIGATION OF PRODUCTION POSSIBILITIES OF MACHINABLE GLASS-CERAMIC MATERIALS FROM BASALTS

SUMMARY


Keywords: Natural rock, basalt, glass, melting, sintering, Glass-ceramic, machinable glass-ceramic,

Production of machinable glass-ceramics is provided by heat treatment of glass which obtained after melting and casting process, with controlled nucleation and crystallization. Having proper microstructure and micro hardness value that allows machinability after a suitable nucleation and crystallization heat treatments differs machinable glass-ceramics from other all glass-ceramics. In addition to machinability, machinable glass ceramics also have good mechanical and electrical properties. The aim of this study is that researching possibilities of production of machinable glass-ceramics from natural rocks. To achieve this, three different compositions are prepared by adding MgF2 and K2O to basalt being a volcanic rock to obtain machinability properties. By using this compound, machinable glass-ceramics are produced by melting and sintering methods. These compounds are grinded and mixed for1 hour in ball mill. After grinding process, some of this compound is melted by keeping at 1500°C in Alumina pot for one hour, and then molded into graphite mould. To relieve internal strain occurred during the melting process, casted glass samples are annealed at 600°C for 1 hour. 

Heat treatment temperatures required to obtain glass-ceramics are determined by analyzing of DTA, and glasses are transformed to glass-ceramics by heating at these temperature. Scanning electron microscope (SEM) is used in order to make micro-structural characterization and XRD is used to analyze phases, micro-hardness test for determining hardness values of the specimens and machinability tests are also applied. In economically production of glass-ceramics from raw materials by sintering methods, compound is sieved from 75 μm sifter and undersize grain is used in production. 200 mm in diameter cylindrical samples are compressed with 100 MPa pressure by using these compounds. Pressed samples is heat treated at 900, 1000 and 1100 ○C to supply transition from glass to glass-ceramics. SEM and XRD analyzes, density, hardness, fracture toughness, water absorption, porosity and machinability tests were performed on the sintered glass-ceramic samples produced. At the end of characterization studies, that is determined Ferroan-phlgopite [K(Mg,Fe+2)3]AlSi3O10(F,OH)2] which provides machinability is crystallized in all melted and sintered samples