Titanyum-Nikel alaşımlı malzeme üretimi ve aşınma davranışlarının incelenmesi
Production of Titanium-Nickel alloy metarial and investigation of their wear behavior
Yazar: FATİH YASİN ŞAHİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NİHAT GEMAİLMAYAN ; PROF. DR. YUSUF ŞAHİN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aşındırma = Abrasion ; Aşınma = Wear ; Aşınma davranışı = Wear behavior ; Aşınma dayanımı = Wear resistance ; Nikel = Nickel ; Sürtünme katsayısı = Friction coefficient ; Sürükleme katsayısı = Drag coefficient ; Titanyum = Titanium ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys

Özet:
Şekil bellekli alaşımlar (ŞBA) birçok mühendislik ve tıp alanında fonksiyonel malzemeler olarak başarı ile kullanılmaktadır. Şekil bellekli alaşımların teknolojik önemi, şekil bellek özelliği ve süperelastik özellik göstermelerinden kaynaklanmaktadır. Bu özellikler sıcaklık ve gerilmeye bağlı olarak martenzit ve ostenit fazlarında alaşımda kristal yapı değişimi ile oluşur. Bu yüzden bu alaşımlara intermetalik kompozit malzemeler de denilmektedir.Bu çalışma üç aşamadan oluşmakta olup birinci aşamada klasik pim-on disk türü standart bir deney düzeneği yük hücresi kullanılmak suretiyle sürtünme kuvvetinin ölçülebilmesi amacıyla bilgisayar destekli hale getirilmiştir. İkinci aşamada saf Ti ve NiTi alaşımı malzemeler Toz Metalürjisi (TM ) metoduyla üretilmiş, sertlik ve yoğunluk değerleri ölçülmüş ve mikroyapıları incelenmiştir. Son aşamada üretilen bu intermetalik malzemelerin farklı deney şartlarında kuru aşınma davranışları ve abrasiv aşınma davranışları incelenmiştir.İlk aşamada sürtünme katsayısının ölçülebilmesi için aşınma davranışların incelenmesinde kullanılan pim-on disk aşınma deney düzeneği revize edilmiş ve aşınma deneydüzeneğine yük hücresi düzeneği tasarlanmış ve bilgisayar destekli hale getirilmiştir. Aşınma deney düzeneğinde sürtünme katsayısının doğru olarak hesaplanabilmesi amacıyla sürtünme katsayısı bilinen PTFE ve MS70 malzemeler üzerinde aşınma deneyleri gerçekleştirilmiş ve sürtünme kuvveti deneyler esnasında sürekli ölçülmüştür. Bu çalışmanın ikinci aşamasında, nikel-titanyum şekil bellekli alaşım üretmek maksadıyla, ticari saflıkta nikel ve titanyum tozları kullanılarak Ti100 ve Ni52Ti48, Ni52Ti48alaşımları Toz Metalürjisi ( TM ) yöntemiyle imal edilmiştir. Alaşımlar, elementel toz karıştırma metoduyla homojen bir şekilde karıştırıp 650 MPa tek etkili sıkıştırma basıncı ile çelik kalıp içerisinde sıkıştırılmış ve argon koruyucu gaz ortamına sahip tüp fırında, 1100 oC? de beş saat süreyle sinterlenerek üretilmiştir. Üretilen numunelerin optik mikroskop aracılığı ile mikroyapı incelemeleri yanında sertlik değerleri, yoğunluk ve porosite ölçümü de yapılmıştır. Son aşamada revizyon işlemi tamamlanan pin-on disk türü aşınma deney düzeneğinde TM ile üretimi yapılan numunelerin farklı deney şartlarında kuru aşınma davranışları incelenmiş ve sürtünme katsayıları ölçülmüştür. Ayrıca numunelerin abrasiv aşınma davranışları incelenmiştir.Deneysel çalışmalar sonucunda; aşınma deney düzeneğinde tasarlanan yük hücresi sistemi araçlığıyla sürtünme kuvvetinin ve sürtünme katsayısının doğru bir şekilde ölçüldüğü gözlemlenmiştir. Saf titanyuma nikel ilavesi ile sertlik miktarında artışlar meydana gelmiş olup Rockwell B sertlik değeri 59 HRB ölçülmüşken NiTi alaşımlarının sertlik değeri yaklaşık olarak 83 HRB olarak ölçülmüştür. Optik mikroskopla yapılan mikro yapı incelemeleri sonucunda daha küçük gözenek fakat daha fazla gözenek oluşumu saf Ti?da gözlemlenmiştir. Buna ilaveten, aşınma deneyleri sonucunda üretilen NiTi alaşımlarının matris malzemesi olan Saf Ti?ye göre daha az aşındığı gözlemlenmiştir. Adhesiv aşınma deneyleri sonucunda yükün artmasıyla birlikte hacimsel aşınma oranının da arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, saf Ti` nin sürtünme katsayısı yaklaşık olarak 0,37 iken NiTi alaşımlarının sürtünme katsayısı ise yaklaşık olarak 0,40 civarında ölçülmüştür. Bunun ötesinde, abrasiv aşınma deneyleri sonucunda ise uygulanan kuvvetin/yükün artması ve elek boyutunun küçülmesiyle hacimsel aşınma miktarı artmıştır. Abrasive aşınma direnci bakımından da; saf Ti? nin NiTi alaşımlarına oranla daha fazla aşındığı gözlemlenmiştir. Fakat Ni48Ti52 ve Ni52Ti48 alaşımının aşınma dirençleri bakımından birbirine çok yakın olduğu gözlemlenmiştirAnahtar Kelimeler : ŞBA, aşınma, sürtünme katsayısı, Ni-Ti, toz metalürjisi,..soğuk presleme

Abstract:
Shape memory alloys (SMA) are successfully used for their potential use as functional material in many engineering and medical applications. The technological importance of shape memory alloys is coming from their shape memory effect (SME) and superelastic (SE) capability. SME and SE capability are due to martensitic phase transformation, that is occurred by changing temperature and applied stress, so these alloys are called as intermetallic materials. This study is consists of three phases. In the first stage, classical pin-on-disc type of a standard experimental setup using a load cell units has been made a computer-aided testing machine in order to measure the friction force for testing of any type of materails. In the second stage, pure Ti and NiTi alloy materials were produced by powder metallurgy (PM) method. Microstructures were examined by optical microscope. Hardness, density and porosity measurement were made. In the last stage, dry wear and abrasive wear behavior of these intermetallic materials were investigated under different experimental conditions.In the first stage, to measure the friction coefficient of the wear behavior of the produced alloys, pin-on-disc wear test rig has been revised using a load cell unite and assembled with table type of computer. Thus, friction force would be able to be measured continuously during the experiments. In order to calculate the coefficient of friction correctly, wear tests were carried out on known coefficient friction of PTFE and MS70 materials. The second phase; Ti100, Ni52Ti48 and Ni52Ti48 SMAs were produced by PM method using commercialpurity nickel and titanium powders. The mixture of pre-alloyed and alloyed powders were uniaxially cold compacted using a cylindrical die of 6.5 mm diameter and 20 mm height at a pressure of 650 MPa using a single action press.The compacts were then sintered in a rapid heating pipe type of furnace under a control of Ar gas. By adjusting the auto-controlled power of the induction heat system, the mixed powders were sintered at 1100 oC for 5 hours. The heating rate was about 100 oC/h. Hardness, density, porosity and microstructure by means of optical microscopy were investigated. At the last stage, wear behavior and friction coefficients were measured through the modified pin-on-disc type wear testing machine, which is coupled with table computer. In addition, abrasive wear behavior of the pure Ti and SMAs were studied at various testing conditions.The experimental results showed that the friction force measurements were able to be made correctly due to load cell unite and coupled with computer on the wear experimental set up when wear tests were carried out at any conditions. For example, friction coefficient of pure Ti was measured about 0.37 while riction coefficient was approximately 0.40 for the NiTi alloys, respectively. Optical microscope examination revealed that porosity distribution seemed to be more in pure Ti than that of NiTi alloy, but porosity size was slighly larger for NiTi alloy. It was found that hardness increased with adding Ni content to pure Ti matrix. Hardness of pure Ti and NiTi alloys were measured as 59 HRB and 83 HRB,respectively. The density also increased with Ni content for the base material. Moreover, the experimental results showed that volumetric wear rate of pure Ti and NiTi alloys increased with increasing load, but there was big differences between the matrix and SMAs because of microstructure and hardness values under dry conditions. As for the case of abrasive wear when tested against SiC abrasive paper, wear behaviour of NiTi alloys was found to be much better than pure Ti in spite of the fact that hardness of Ni48Ti52 and Ni52Ti48 alloys was very close to each other. Furthermore, the volumetric wear rate increased with increasing the load, abrasive grain size and time. Among the parametres,abrasive size exerted a great effect on the wear, followed by the load, but the least effect was indicated by the abrasive time.Key Words : SMA, wear, friction coefficient, Ni-Ti, powder metalurgy, .. cold pressing