Tungsten borür/tungsten karbür kompozit tozlarının tungsten oksit ve yerli bor oksit hammaddelerinden katı hal sentezleme yöntemi ile üretimi
Synthesis of tungsten carbide-tungsten boride composite powders from tungsten oxide and native boron oxide sources via solid state synthesis methods
Yazar: BERK ŞENYURT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NAZLI AKÇAMLI ; DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Tungsten karbür = Tunsten carbide

Özet:
Metal borür ve karbürler, gösterdikleri üstün kimyasal, fiziksel, korozyon, aşınma
özellikleri ve üstün yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle son yıllarda en çok ilgi
çeken malzemeler arasında yer almaktadır. Tungstenin oluşturduğu borür ve karbür
bileşikleri bu özelliklere sahip malzemelerin başında gelmektedir. Tungsten karbürler,
yüksek ergime noktası, yüksek sertlik, mükemmel aşınma dayanımı ve düşük termal
genleşme katsayısı gibi özellikleri sayesinde kesici ve delici takımlar, aşındırıcı
malzemeler, zırh delici mermiler, atmosfer dışı araçlar için korozyon direnci yüksek
kaplamalar, kimyasal katalizör uygulamaları, nükleer sanayinde nötron reflektör
malzemeleri ve çeşitli ileri teknoloji uygulamalarında kullanımları bulur. Tungsten
borürler ise özellikle gösterdikleri yüksek aşınma ve korozyon direnci, yüksek sıcaklık
dayanımı, yüksek sertlik, kimyasallara karşı dayanım gibi özellikleriyle
filaman/elektrot malzemesi ve aşınmaya dirençli kaplama olarak kullanılmaktadır.
Bunun yanında hassas döküm uygulamaları için pota ve ingot kalıp malzemesi
üretiminde de kullanılırlar.
Bu çalışmada, tungsten oksit, yerli bor oksit ve grafitten yola çıkarak magnezyum
yardımıyla in situ olarak tungsten borür-tungsten karbür kompozit tozlarının üretimi
hedeflenmiştir. Bu amaçla, tungsten oksit, bor oksit, grafit ve magnezyum tozları
stokiyometrik oranda kullanılarak 8, 12, 16 ve 24 saat boyunca yüksek enerjili bilyeli
öğütme uygulanarak kompozit yapıda tungsten karbür/tungsten borür tozları
üretilmiştir. Bunun yanında, artan bor oksit ve grafit miktarlarının elde edilen fazlara
etkisini incelemek amacıyla, ağ. %150 B2O3, %150 C, %200 B2O3 ve %200 C olmak
üzere stokiyometrik üstü miktarlar kullanılarak 16 saatlik öğütme işlemleri
gerçekleştirilmiştir. Mekanokimyasal sentez sonrası yan ürün olarak oluşan MgO
fazının yapıdan uzaklaştırılması için HCl liçi ile saflaştırma yapılmıştır.
Karakterizasyon çalışmalarında, sentezlenen tozların faz yapıları, termal davranışları
ve partikül boyutu dağılımları XRD, DTA ve partikül boyutu analizleri ile
incelenmiştir. Ayrıca, tozların detaylı morfolojik incelemeleri ve faz analizleri için
SEM ve TEM analizleri uygulanmıştır.
XRD sonuçlarından, yan ürün olarak oluşan MgO fazının asit liçi ile giderilmesinin
ardından tungsten borür-tungsten karbür kompozit tozlarının insitu olarak başarıyla
üretildiği belirlenmiştir. Buna göre, 8 ve 12 saatlik öğütmeler sonucunda yapıda
ağırlıklı olarak WC ve WB fazları bulunurken, öğütme süresi arttıkça W2B, W2B5 ve
W2C fazlarının da ortaya çıktığı saptanmıştır. Yapılan partikül boyutu analizleri ile,
öğütme süresinin artışı ile partikül boyutunun azaldığı belirlenmiştir.

Abstract:
Metal borides and carbides are highly demanded materials in recent years due to their
excellent mechanical and chemical properties. Tungsten's carbide and boride
compounds are two of the main examples of the materials that have these properties.
Tungsten carbides are used in cutting and drilling tools, abbrasives, armor-piercing
materials, high corrosion resistance coatings of outer space vehicles and chemical
catalytic due to theri low friction coefficient, high hardness and low thermal expansion
coefficient. Tungsten borides are shown high wear and corrosion resistance, high
temperature resistance, high strength and high resistance against chemical. These
properties provides these compounds application areas such as filament and electrode
materials, target materials for the high-wear resistance coatings, as nuclear reflector in
nuclear energy industry and many other high-technolog applications. Moreover, they
are used as crucibles for precision casting and ingot mold materials.
In this study, synthesis of tungsten carbide-tungsten boride composite powders were
synthesized from tungsten oxide, graphite, boron oxide and magnesium powders via
in situ high energy ball milling method. For this purpose, the starting powders were
mixed in stochiometric ratios and high-energy milling process was used by 8, 12, 16
and 24 hours to produce composite powders of WC/WB. Also, the effect of excess
amounts of carbon and boron were observed by using 150% B2O3, 150% C, 200%
B2O3 and 200% C. Following the milling process, acidic leach was applied to
synthesized powders to remove impurities such as MgO.
For the characterization of the composite powders, XRD Analysis was applied to
detect the distribution of phases in the structure. Also, Particle Size Analysis and
Differential Thermal Analysis tests were applied to the powder samples.For the further
phase distribution and microstructural analysis, SEM and TEM tests are applied to the
powder samples. After the milling process, Tungsten boride-tungsten carbide
composite powders are successfully obtained from both as-synthesized and leached
powders. Also, MgO phase is successfully removed from samples via acidic leaching.
Main phases which obtained from 8 and 12 hours are determined as WC and WB. In
the longer milling times (16 and 24 hours), other phases of tungsten boride and carbide
such as W2B, W2B5 and W2C are appeared in the samples. Due to the results of particle
size analysis, particle sizes of powders are decreased with increased milling time.