Seramik partikül takviyeli pirinç matris kompozitlerin spark plazma sinterleme (SPS) yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of ceramic particle reinforced brass matrix composites with spark plasma sintering (SPS) method
Yazar: PELİN ÇAĞIM TOKAT BİRGİN
Danışman: PROF. DR. VELİ UZ ; PROF. DR. REMZİ GÖREN
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Pirinç alaşımları uygun maliyetli olması, yüksek mukavement, iyi aşınma ve korozyon dayanımı gibi özelliklerinden dolayı günlük hayatta yaygın kullanım alanına sahiptir.  Bununla beraber metal matris kompozit malzemelerin de, üstün mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri sayesinde kullanım alanları son zamanlarda hızla artmaktadır. Metal matris kompozitler arasında önemli bir yeri olan bakır matris kompozitler iyi termal ve mekanik özellikler sayesinde ön plana çıkmaktadır. Bakır alaşımlarından olan pirincin hem mukavemeti hem de sünekliği, bakırınkinden daha yüksektir. Pirincin yüksek mukavemeti ve sünekliği nedeniyle, matris olarak bakır yerine kullanılması farklı kullanım alanları yaratacaktır. Ayrıca, literatürde pirinç matris kompozit malzeme üretimi mevcut olsa da yapılan çalışmaların sayısı yok denecek kadar azdır. Üretilen pirinç numunelerinin kurşun içermemesi, ülkemiz ve dünyamız adına son derece önemlidir. Tez çalışmasında, üstün mekanik, fiziksel, kimyasal özelliklere sahip kurşun içermeyen seramik takviyeli pirinç matris kompozit üretmek amaçlanmıştır.
Klasik fırın, ergitme fırını, farklı atmosferlerde tüplü fırında pirinç matris kompozitler üretilmiş, fakat çinko oksitlenmesi, matris-takviye yoğunluk farkından dolayı homojen dağılım sağlanamaması gibi nedenlerle fiziksel, kimyasal ve mekaniksel özelliği açısından en iyi üretim yönteminin SPS (Spark Plazma Sinterleme) olduğu belirlenmiştir. 
SPS üretim yöntemi için sinterleme parametreleri belirlenirken, 780 °C ve 850 °C olmak üzere 2 ayrı sıcaklıkta ve 10 ve 30 dakika 2 ayrı bekleme süreleri ile pirinç numuneleri üretilmiştir. Üretilen numuneler için en iyi sinterleme parametreleri 780 °C, 10 dakika bekleme süresi ve 40 MPa olarak belirlenmiştir. SiC, Al2O3, Al2O3/TiO2, ZrO2, MgO, grafit takviyeleri literatürdeki bakır matris kompozit çalışmalarından seçilmiş ve ilaveten CuO ve Li2CO3 seramik takviyeler pirinç içerisine ilave edilerek seramik takviyeli pirinç matris kompozit üretimi yapılmıştır.
Ham pirinç ve seramik takviyelerin X ışını floresans (XRF) elementel analiz ve tane boyutu analizi yapılmıştır. Üretilen seramik katkılı pirinç numunelerin yoğunluk ölçümü, sertlik testleri, elastisite modülü ölçümü, X-Işını Difraksiyon (XRD) analizi, Rietveld analizi, Optik Mikroskop (OM) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron Microscope-SEM) ile mikroyapı analizi ve aşınma testleri yapılmıştır.
SPS yöntemiyle üretilen katkısız numunelerin ortalama relatif yoğunlukları %99 bulunurken, seramik katkılı numunelerin ortalama relatif yoğunlukları %98 elde edilmiştir. Katkısız numunelerin sertlik değerlerinin artan sıcaklık ve sinterleme süresiyle azaldığı, SiC, Al2O3, Al2O3/TiO2, ZrO2, MgO, CuO ve Li2CO3 ilavelerinin pirincin sertliğini arttırdığı tespit edilmiştir. Katkılı / katkısız numuneler için ana fazların α-pirinç ve β-pirinç fazları olduğu, katkısız numuneler için artan sıcaklıkla β-pirinç fazının artarken, artan sinterleme süresiyle α-pirinç fazının arttığı belirlenmiştir. Katkılı numuneler için ise α-pirinç ve β-pirinç fazlarının oranlarının takviyelerin ergime sıcaklıklarından etkilendiği tespit edilmiştir. 
Yapılan mikroyapı incelemelerinde katkısız numuneler için artan sıcaklık ve süreyle tane boyutunun arttığı belirlenmiştir. SiC, CuO ve Li2CO3 tane sınırlarını tercih ederken; Al2O3, Al2O3-TiO2, ZrO2, MgO ve grafit ise tane içine yerleşmiştir. Bakır oksit ilavesinin α-pirinç fazının oranını arttırdığı, α/β-pirinç tanelerinin tane sınırlarını belirgin hale getirdiği ve tane-tane etkileşimini arttırdığı belirlenmiştir. 
Üretilen örneklerin aşınma testlerinde, SPS ile 780 °C, 10 dakika bekleme süresinde üretilen katkısız numunenin aşınma direnci ticari CW602 kodlu numuneye oranla 4,6 kat artmıştır.  Katkısız numuneye oranla, SiC,  MgO ve Al2O3 katkılı numunelerin aşınma dirençleri sırasıyla, 204, 114 ve 86 kat artarken,  ticari CW602 kodlu numuneye oranla ise 938, 524 ve 396 kat artış göstermiştir. SPS üretim yöntemiyle üretilen pirinçlerin seramik takviyeler katılmasıyla %97'nin üzerinde relatif yoğunluğa ve  iyi sertlik ve aşınma direncine sahip olduğu tespit edilmiştir. Pirinç alaşımlarına SiC ilavesiyle üretilen numune, diğer seramik katkılara oranla en iyi sertlik ve aşınma direnci özellikleri sayesinde farklı alanlarda kullanılabilir. Ancak, diğer seramik katkılarla üretilen pirinç matris kompozitlerin de yüksek sertlik ve yüksek aşınma direnci sayesinde bir çok alanda kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Brass alloys are widely used in daily life due to their low cost, high strength, good wear and corrosion resistance. At the same time, the usage areas of metal matrix composite materials have been increasing rapidly as well, thanks to their superior mechanical, physical and chemical properties. Copper matrix composites, which is an important field of metal matrix composites, stand out thanks to their good thermal and mechanical characteristics. Both the strength and ductility of brass, which is one of the copper alloys, is higher than that of copper. Due to the high strength and ductility of brass, its use as a matrix instead of copper will create different areas of use. In addition, although there is brass matrix composite material production in the literature, the number of studies is almost negligible. It is extremely important for our country and our world that the produced brass samples do not contain lead. In the thesis, it was aimed to produce a lead-free ceramic reinforced brass matrix composite with superior mechanical, physical and chemical properties.
Brass matrix composites Brass alloys are widely used in daily life due to their low cost, high strength, good wear and corrosion resistance. At the same time, the usage areas of metal matrix composite materials have been increasing rapidly as well, thanks to their superior mechanical, physical and chemical properties. Copper matrix composites, which is an important field of metal matrix composites, stand out thanks to their good thermal and mechanical characteristics. Both the strength and ductility of brass, which is one of the copper alloys, is higher than that of copper. Due to the high strength and ductility of brass, its use as a matrix instead of copper will create different areas of use. In addition, although there is brass matrix composite material production in the literature, the number of studies is almost negligible. It is extremely important for our country and our world that the produced brass samples do not contain lead. In the thesis, it was aimed to produce a lead-free ceramic reinforced brass matrix composite with superior mechanical, physical and chemical properties.
were produced in classical furnace, melting furnace, tube furnace in different atmospheres, but it was determined that SPS (Spark Plasma Sintering) was the best production method in terms of physical, chemical and mechanical properties due to reasons such as zinc oxidation, lack of homogeneous distribution due to matrix-reinforcement density difference.
While determining the sintering parameters for the SPS production method, brass samples were produced at 2 different temperatures, 780 ° C and 850 ° C, and with 2 different holding times of 10 and 30 minutes. The best sintering parameters for the produced samples were determined as 780 ° C, 10 minutes holding time and 40 MPa. SiC, Al2O3, Al2O3/TiO2, ZrO2, MgO, graphite reinforcements were selected from the copper matrix composite studies in the literature, and additionally, ceramic reinforced brass matrix composite was produced by adding CuO and Li2CO3 ceramic reinforcements into brass.
X-ray fluorescence (XRF) elemental analysis and grain size analysis of raw brass and ceramic reinforcements were performed. Density measurement, hardness tests, elasticity modulus measurement, X-Ray Diffraction (XRD) analysis, Rietveld analysis were performed and also microstructure analysis and abrasion tests were performed with Optical Microscope (OM) and Scanning Electron Microscope of produced ceramic reinforced brass samples.
While the average relative densities of the pure samples produced by the SPS method were found to be 99%, the average relative densities of the ceramic-added samples were found to be 98%. It has been determined that the hardness values of the samples without additives decrease with increasing temperature and sintering time, and the additions of SiC, Al2O3, Al2O3/TiO2, ZrO2, MgO, CuO and Li2CO3 increase the hardness of brass. It was determined that the main phases for the samples with / without additives were α-brass and β-brass phases, while the β-brass phase increased with increasing temperature for the samples without additives, the α-brass phase increased with increasing sintering time. For the samples with additives, it was determined that the proportions of α-brass and β-brass phases were affected by the melting temperatures of the reinforcements.
In the microstructure studies, it was determined that the grain size increased for the pure samples with increasing temperature and time. While SiC, CuO and Li2CO3 prefer grain boundaries; Al2O3, Al2O3/TiO2, ZrO2, MgO and graphite are embedded in the grain. It was determined that the addition of copper oxide increased the ratio of α-brass phase, α / β-brass grains made the grain boundaries clear and the grain-grain interaction increased.
In the abrasion tests of the samples produced, the abrasion resistance of the pure sample produced with SPS at 780 ° C, 10 minutes holding time increased 4.6 times compared to the commercial CW602 coded sample. Compared to the non-additive sample, the wear resistance of the SiC, MgO and Al2O3 added samples increased 204, 114 and 86 times, respectively, while it increased 938, 524 and 396 times compared to the commercial CW602 coded sample. It has been determined that the brass produced by the SPS production method has a relative density of over 97% and good hardness and wear resistance with the addition of ceramic reinforcements. The sample produced by adding SiC to brass alloys can be used in different areas thanks to its best hardness and wear resistance properties compared to other ceramic additives. On the other hand, it has been determined that brass matrix composites produced with other ceramic additives can be used in many areas thanks to their high hardness and high wear resistance.