Al/SiCp kompozitlerin ekstrüzyonunda kalıp sürtünme-aşınma özelliklerinin incelenmesi ve değerlendirilmesi
Examination and evaluation of friction and wear behaviour of die during the Al/SiCp composite extrusion
Yazar: FEHMİ NAİR
Danışman: PROF.DR. BAKİ KARAMIŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
m AL/SİCP KOMPOZİTLERİN EKSTRÜZYONUNDA KALIP SÜRTÜNME AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ ÖZET Metal matriksli kompozitlerin (MMK) ekstrüzyonla üretimi döküm yöntemine göre daha üstün malzeme özelliklerinin elde edilmesini sağlar. Ekstrüzyon bir ikincil işlem olarak döküm yöntemiyle yada diğer tekniklerle üretilmiş yan mamul kompozit takozlara nihai şeklini verir. MMK' lerin ekstrüzyonunda kalıp aşınması hem ürün maliyetini arttıran hemde ürün yüzey özelliklerini olumsuz etkileyen önemli bir problem olarak karşımıza çıkar. Klasik ekstrüzyon kalıp malzemelerinin sürtünme- aşınma özelliklerinin çeşitli yüzey sertleştirme yöntemleriyle daha da geliştirilerek MMK'lerin ekstrüzyonun da da kullanılabilir hale getirilmesi kalıp maliyeti açısından önemli bir avantaj sağlayacaktır Bu çalışmada; Al esaslı (AIMgSi o.s), SiCp takviyeli MMK' lerin ekstrüze edildiği kalıpların sürtünme-aşınma özellikleri ve bu özelliklerdeki değişimlerin ekstrüzyon sonucunda elde edilen ürün yüzey özelliklerine etkisinin, ekstrüzyon parametrelerine ve kalıp yüzey özelliklerine bağlı olarak incelenmesi ve kalıp yüzey özelliklerini iyileştirmesi düşünülen farklı ısıl işlemlerin bu alandaki performansının test edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla farklı tane boyutunda SiCp ile takviyelendirilmiş MMK takozların üretimi kanştırmalı döküm tekniği ile gerçekleştirilerek bu çalışma için özel olarak tasarlanmış bir ekstrüzyon tesisatında yine özel olarak tasarlanmış ve farklı ısıl işlemlere tabi tutulmuş ekstrüzyon kalıplarıyla laboratuar ortamında ekstrüze edilmiştir. Takviye elemanı tane boyutundaki değişimin kalıp sürtünme-aşınma özelliklerine etkisi sabit hacım oranında (%10) ve farklı tane boyutunda ( 0, 53, 167, 478 um ) SiCp ile takviyelenerek üretilmiş yan mamul MMK takozların aynı özelliklere sahip (R: 1 :25 / Sertleştirilmiş) kalıplarla ekstrüze edilmesiyle belirlenmiştir. Ekstrüzyon oranının kalıp tribolojisine etkisi 50:1, 25:1, 12.5:1 ekstrüzyon oranlarında imal edilen kalıplarla aynı cins takozların (Al / % 10 SiCp(478nm) ) ekstrüze edilmesiyle belirlenmiştir. Kalıp kesitinin tribolojik özelliklere etkisi ise aynı kalıp üzerine farklı kesitte (dairesel, dikdörtgen) iki kanal açılarak bu kanalların yüzey özelliklerindeki değişim mukayese edilerek belirlenmiştir. Kalıp yüzey işlemlerinin kalıp tribolojisine etkisi, sertleştirilmişIV nitrürlenmiş, horlanmış ve borlanmış/nitrürlenmiş farklı kalıplarla aynı özelliklere sahip MMK takozların ekstrüze edilmesiyle belirlenmiştir. Kalıplara uygulanılan ısıl işlemlerin kanal yüzeylerine sağladığı özellik değişimleri mikrosertlik taramaları, metallorafik muayeneler (SEM, OM), ve kimyasal analizlerle (EDX, WDX) belirlenmiştir. Kalıp kanal yüzeylerinin ekstrüzyon öncesi ve sonrası özellik değişimleri ve ürün yüzeyinin özellikleri, yüzey pürüzlülük taramaları, SEM, OM, incelemeleri,EDX, WDX analizleri ile belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda; kalıp sürtünme-aşınma ve ürün yüzey özelliklerinin üretim parametrelerine ve kalıp yüzey özelliklerine yakından bağlı olduğu görülmüştür. Takviye elemanı tane boyutundaki artışa bağlı olarak kalıp kanalı sürtünme-aşınma özelliklerinin kötüleştiği ancak bu ilişkinin doğrusal değişmediği, görülmüştür. Tane boyutunun; 5 3 um den 167 um ye artmasıyla kanal yüzeyinin pürüzlülük değeri artarken 167um' den 478 um' ye artmasıyla pürüzlülük değeri beklenildiği gibi artmamış azalmıştır. Ekstrüzyon oranındaki artışa bağlı olarak kalıp aşınması artmaktadır. Kalıp kanal yüzeyine uygulanılan nitrürleme ve borlama işlemleri sonucunda elde edilen yüksek sertlikli yüzey tabakaları SiCp 'larının abrazif etkisine dayanabilmesine rağmen ekstrüzyonun başlangıcında büyük oranda yüzeyden kavlayarak dökülmüşler ve bu nedenle sadece sertleştirilmiş yüzeyinkine yalan bir aşınma performansı sergilemişlerdir. Borlanmış/nitrürlenmiş yüzeylerde ise hem tabaka kavlaması hem de düşük abrasif aşınma direnci elde edilmesi bu işlemin bir fayda sağlamadığım ortaya koymuştur. Bu sonuçlardan yola çıkarak ince sert yüzey tabakalarının abrasif aşınmaya dayanıklı olmakla birlikte, yüksek yüzey yükleri altında kolayca kavlayarak dökülmeleri ve takviye elemanlarının bu kavlamayı kolaylaştırması MMK' lerin ekstrüzyonunda kullanılacak kalıplar için uygun olmadığı anlaşılmıştır. Ürün yüzey özelliklerinin hem kalıbın sürtünme-aşınma özelliklerine hem de takozun deformasyon özelliklerine bağlı olarak değiştiği, ekstrüzyon sırasında ürün-kalıp ara yüzeyindeki SiCp' larının davranışının ürün yüzey özelliklerini önemli ölçüde etkilediği görülmüştür Anahtar Sözcükler: Metal matriksli kompozitler (MMK), Karıştırman döküm, Ekstrüzyon, Kalıp aşınması, Yüzey sertleştirme işlemleri,

Abstract:
V EXAMINATION AND EVALUATION OF FRICTION AND WEAR BEHAVIOUR OF DIE DURING THE AL/SiCP COMPOSITE EXTRUSION ABSTRACT The manufacture of metal matrix composites (MMCs) by extrusion imparts better mechanical properties compared to casting. Extrusion as a secondary process gives the last shape to the composite semi - products manufactured by casting or other similar processes. The die wear is an important problem causing the surface of the product to roughen and the product cost to increase during the extrusion of MMCs. Improving the friction-wear properties of traditional die materials by some surface heat treatments and enabling them to be employed in the extrusion of MMCs supplies is an important advantage in terms of die cost. In this thesis, the friction and wear properties of dies used in the extrusion of Al matrix (AlMgSio.5) composites reinforced with silicon carbide particulates (SiCp). Additionally, the effects of different surface heat treatments on the friction and wear behaviour of the dies were investigated as a function of extrusion parameters. The SiCp reinforced composite billets were produced by stirring casting. Then these billets were extruded specially designed and heat-treated extrusion dies on a special extrusion press under laboratory conditions. The effects of reinforcement size on the friction-wear behaviour of dies were determined by the extrusion of the composite billets at a constant volume fraction (10 %). Three different sizes of SiCp (0, 53, 167, 478 urn) were used in the extrusion of billets on only hardened dies with an extrusion ratio of 1 :25. The effects of extrusion ratio on the friction- wear behaviour of the dies were also observed by using billets with the same properties (Al/10%SiCp (478nm)) extruded with extrusion ratios of 50.1, 25:1 and 12.5:1. The effects of die profiles on the friction-wear behaviour of dies were determined by comparing the surface properties of dies with circular and rectangular profiles. The effect of heat treatment on the surface properties of dies were examined by extruding composite billets with the same properties on only hardened, nitrided, borided and borided/nitrided dies. Die surface properties were investigated by micro hardness scanning, metallographic examinations (SEM, OM) and chemical analyses (EDX, WDX, X-Ray) following after heat treatments. The changes on the die surfaceVI properties after extrusion were observed by metallographic examination and the die surface roughness. The surfaces roughness of products was also recorded with the same methods. It was observed in this research that the friction-wear behaviour of die surface and surface properties of the extruded products were strongly dependent on extrusion parameters and on surface characteristics of dies. The friction-wear resistance of dies surfaces was reduced as non-linearly with the increase of reinforcement size. The surface roughness of die surfaces increased for the reinforcement sizes between 53- 167um. The surface roughness was rapidly reduced with higher particulate sizes ( >167um). This was an unexpected result. As the reinforcement size increased from 167 to 478um, the weight loss of the die also increased with extrusion ratio. Although die surface layers were resistive to the abrasive effects of SiCp, the hardened layers were scraped off from the surface of the die in large quantities at the beginning of extrusion. As a result, the overall wear resistance of nitrided and borided dies were similar to those of only hardened dies. The borided/nitrided (duplex heat treated die surface) surfaces both scrapped off and showed lower abrasive wear resistance. Surprisingly, the hardening of the dies did not improve the wear resistance in MMCs extrusion. From this study it was concluded that, although thin hard layers on the die surface obtained by heat treatment methods resisted to abrasive wear, they were not suitable for the extrusion of MMCs since the removal of hard layers from the surface is easy through the abrasive effect of reinforcements under heavy extrusion load. The surface characteristics of extruded products were changed to observe both the friction-wear characteristics of die surface and deformation properties of the MMC billets. The friction behaviour of the reinforcements between die and product surfaces affected the composite product surface characteristics such as surface roughness. Keywords: Metal Matrix Composites (MMCs), Stirred casting, Extrusion, Die wear, Surface heat treatments