Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen Ti-B-SiC takviyeli Cu metal matrisli kompozitlerin mekanik ve işlenebilirlik özelliklerinin araştırılması
Investigation of the mechanical and machinability properties of Ti-B-SiC reinforced Cu metal matrix composites manufactured by powder metallurgy method
Yazar: SERHAT ŞAP
Danışman: PROF. DR. AYDIN TURGUT ; DOÇ. DR. MAHİR UZUN
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Makromekanik teknolojisi = Macromechanic technology ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Metal işleme = Metal processing ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Toz karakterizasyonu = Powder characterization ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; İşlenebilirlik = Machinability

Özet:
Bakır matrisli kompozitler çok iyi termal ve elektrik iletkenliği sayesinde elektrik uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Yapısal uygulamalarda çok sık kullanılan çeliğe nazaran daha zayıf özellikler sergilemesi nedeniyle bakır alaşımlarının kullanımı sınırlı kalmaktadır. Toz metalürjisi metodu; farklı tasarımlara olanak sağlaması, karmaşık ve hassas parçaların üretilebilmesi ve atık malzeme kaybının az olması gibi sebeplerden dolayı tercih edilen bir imalat yöntemidir.
Bu çalışmada yüksek saflık oranlarına sahip toz partikülleri kullanılarak toz metalürjisi yöntemiyle, ağırlıkça farklı oranlarda ve farklı sinterleme sıcaklıklarında bakır matrisli kompozit malzemeler üretilmiştir. Kompozit malzeme üretiminde ana matris olarak kullanılan bakırın ortalama partikül boyutu 44 µm'dur. Takviye elemanı olarak kullanılan tozların ortalama partikül boyutları ise Ti; <44, B; <1,8 ve SiC; 45-75 µm olarak temin edilmiştir. Ağırlıkça %0-2-4-6-8 oranlarında güçlendirilen toz partikülleri 600 MPa basınç altında şekillendirilip, optimum sinterleme sıcaklığının belirlenmesi amacıyla 950-1000-1050 °C sıcaklıklarda sinterlenerek bakır matrisli kompozit numuneler üretilmiştir. Üretilen kompozit numunelere mikroyapı (SEM, EDS, X-RD), mekanik (yoğunluk, sertlik, aşınma, çekme, üç nokta eğilme) ve işlenebilirlik (yüzey pürüzlülüğü, sıcaklık, takım aşınması, talaş morfolojisi) deneyleri uygulandı. Sertlik ve aşınma deneyleri sonucunda optimum sinterleme sıcaklığı 1050 °C olarak belirlendi. Maksimum sertlik değeri, ağırlıkça %6 takviye oranına sahip numunede 77,74 HB olarak tespit edildi. Sertlikte ağırlıkça %6 takviye oranından sonra düşüş gözlemlenmiştir. Aşınma deneyi neticesinde artan takviye oranı ile birlikte aşınma direncinin de arttığı belirlenmiştir. Çekme ve üç nokta eğilme deneylerinde ise maksimum mukavemet değerlerine (112,96 MPa, 37,76 MPa) ağırlıkça %4 takviye oranına sahip numunelerde rastlanmıştır. İşlenebilirlik deneyleri sonucunda kompozit malzeme içerisinde bulunan takviye toz oranlarının artması; yüzey pürüzlülüğünün azalmasına, takımın yan ve yüzey aşınma miktarlarının artmasına sebep olmuştur. Ayrıca artan takviye oranlarına paralel olarak talaş tiplerinde de değişiklikler tespit edilmiştir.

Abstract:
Copper matrix composites are frequently used in electrical applications due to their very good thermal and electrical conductivity. The use of copper alloys is limited due to weaker properties compared to steel, which is frequently used in structural applications. Powder metallurgy method; It is a preferred manufacturing method for reasons such as enabling different designs, producing complex and sensitive parts, and less waste material loss.
In this study, copper matrix composite materials were produced at different weight ratios and at different sintering temperatures by powder metallurgy method using powder particles with high purity ratios. The average particle size of copper, which is used as the main matrix in the production of composite materials, is 44 µm. The average particle sizes of the powders used as reinforcements are Ti; <44, B; <1.8 and SiC; supplied as 45-75 µm. Copper matrix composite samples were produced by sintering at 950-1000-1050 °C in order to determine the optimum sintering temperature, by shaping the powder particles strengthened at 0-2-4-6-8 wt% under pressure of 600 MPa. Microstructure (SEM, EDS, X-RD), mechanical (density, hardness, abrasion, tensile, three-point bending) and machinability (surface roughness, temperature, tool wear, chip morphology) tests were applied to the produced composite samples. As a result of hardness and wear tests, the optimum sintering temperature was determined as 1050 °C. The maximum hardness value was determined as 77.74 HB in the sample with a reinforcement ratio of 6 wt%. A decrease in hardness was observed after the reinforcement ratio of 6 wt%. As a result of the wear test, it was determined that the wear resistance increased with the increasing reinforcement ratio. In the tensile and three-point bending tests, the maximum strength values (112.96 MPa, 37.76 MPa) were found in the samples with a reinforcement ratio of 4 wt%. As a result of the machinability tests, the increase in the reinforcing powder ratios in the composite material; It caused a decrease in surface roughness and an increase in the amount of side and surface wear of the tool. In addition, in parallel with the increasing reinforcement rates, changes in chip types were also detected.