Otomotiv sanayisinde kullanılan kaynak pimleri için hidrotermal yöntemle ıtriyum tetragonal zirkonya polikristal toz sentezi
The synthesis of yttria tetragonal zirconia polycrystal powder by hydrothermal method for welding pins used in automotive industry
Yazar: ARİFE YURDAKUL
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖÇMEZ
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında, öncelikle hidrotermal yöntemle beyaz ve mavi renkli Y-TZP tozlarının nano boyutta sentezi gerçekleştirilmiştir. Sonrasında nihai ürün olarak, otomotiv sektöründe somun kaynağında kullanılan beyaz ve mavi renkli seramik kaynak pimlerinin yüksek tokluk ve sertlik değerlerinde üretilebilirliği incelenmiştir. Yapılan geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analiz sonuçlarına göre, beyaz renkli Y-TZP kristalleri 5-10 nm tane boyut aralığında üretilmiştir. Sentezlenen tozlardan yığınsal numuneler hazırlanarak fiziksel ve mekanik testler uygulanmıştır. Buna göre, sinterleme sonrasında en yüksek %94,7 yoğunluk değerine ulaşılmıştır. Daha yüksek yoğunluk değerlerinde ZrO2 bünyeler üretmek amacıyla, mekaniksel ve çözeltiden ZnO katkılı olarak yeni bileşimler hazırlanmıştır. ZnO ilavesiyle bünyelerin yoğunluk değeri artarken, sinterleme esnasında oluşan tane büyümesi nedeniyle ZrO2 seramiklerinin mekanik özelliklerinin kötüleştiği görülmüştür. Bu nedenle, ZnO katkısı olmaksızın geliştirilen Y-TZP tozları kullanılarak, alternatif yüksek yoğunluklu yığınsal numune hazırlama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda, granül tozun aglomerasyonunu önlemek için uygun dispersant ve katkı malzemelerinin seçimi yapılmıştır. Böylece, beyaz renkli ZrO2 numunelerinde %99,10 sinterleme yoğunluk değerine ulaşılmıştır. Burada, 4Zrn-1 ve 4Zrn-8 kodlu numunelerin en iyi mekanik özellikleri sergilediği görülmüştür. Daha açıklayıcı olarak, 4Zrn-1 numunesi için kırılma tokluğu ve sertlik değerleri sırasıyla 15,17 MPa.m1/2 ve 8,99 GPa olarak hesaplanırken, 4Zrn-8 numunesinde 12,24 MPa.m1/2 kırılma tokluğu ve 10,04 GPa sertlik değerleri elde edilmiştir. ZrO2-Y2O3-Al2O3-CoO sisteminden hidrotermal yöntem ile tek kademede mavi renkli ve 5 nm tane boyutunda Y-TZP tozlarının üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. ZCA-4 kodlu bileşimden kırılma tokluğu 16,85 MPa.m1/2 ve sertlik değeri 9,79 GPa olan mavi renkli ZrO2 seramikleri %98,20 sinterleme yoğunluğu ile üretilmiştir. Ayrıca, nihai ürün olarak ZCA-4 kodlu bileşimden ZrO2 seramik kaynak pimlerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Daha ötesinde, bu tez çalışması kapsamında geliştirilen ZrO2 kaynak pimlerinin endüstriyel uygulaması otomotiv sektöründe faaliyet gösteren bir firmanın üretim hattında yapılmıştır. ZCA-4 kodlu bileşimden üretilen ZrO2 seramik kaynak piminin oldukça yüksek performansta somun kaynağı yaptığı görülmüştür. Bu tez çalışmasında hidrotermal yöntemle nano boyutta üretilen Y-TZP tozlarının yüksek aşınma direnci ve mekanik özellik gerektiren birçok uygulama alanı için başarıyla kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, nano-scale of white and blue-colored Y-TZP powders was synthesized by hydrothermal method. Furthermore, as final product, the manufacturability of white and blue-colored zirconia based welding pins used in nut welding process in automotive industry with high fracture toughness and hardness values was investigated. According to transmission electron microscopy (TEM) results, the white-colored Y-TZP crystals were produced in 5-10 nm grain size range. The bulk samples were prepared from the synthesized powders, and physical and mechanical tests were applied. The highest density value with 94.7% after sintering was reached. With the purpose of production of ZrO2 bodies in higher density, new compositions were prepared by mechanical addition and direct usage from the solution of ZnO. While the density value of bodies was increased by addition of ZnO, it was seen to deteriorate the mechanical properties of ZrO2 ceramics due to grain growth which was formed during the sintering. Therefore, using Y-TZP powders developed without ZnO addition, the alternative high-density bulk sample preparation studies were carried out. For this purpose, the selection of suitable dispersant and additive materials was conducted to prevent the agglomeration of granule powder. Thus, 99.10 % sintered density values were obtained in white-colored ZrO2 samples. At this point, it was seen that 4Zrn-1 and 4Zrn-8 coded samples exhibited the best mechanical properties. Indeed, while the fracture toughness and hardness values for 4Zrn-1 sample were respectively calculated as 15.17 MPa.m1/2 and 8.99 GPa, the 12.24 MPa.m1/2 fracture toughness and 10.04 GPa hardness values were obtained in 4Zrn-8 sample. The production of Y-TZP powders with blue-colored and 5 nm grain size was successfully achieved from ZrO2-Y2O3-Al2O3-CoO system by hydrothermal method in one-step. The blue-colored ZrO2 ceramics with 16.85 MPa.m1/2 fracture toughness and 9.79 GPa hardness values from ZCA-4 coded composition were produced in 98.20% sintering density. Also, the production of ZrO2 ceramic welding pins from ZCA-4 coded composition was performed as final product. Moreover, the industrial application of ZrO2 welding pins, which were developed in the scope of this thesis, were conducted in the production line of a firm operating in automotive industry. It was observed that ZrO2 ceramic welding pin produced from the ZCA-4 coded composition made the nut welding with quite high performance. It was also determined that Y-TZP powders synthesized at nano size via hydrothermal method in this thesis were able to successfully use for many application area that required high wear resistance and mechanical property.