Silisyum karbür (SiC) ve bor karbür (B4C) takviyeli ZK60 alaşım kompozitlerinin mekanik özelliklerinin ve delme işlenebilirliğinin araştırılması
Investigation of the mechanical properties and drilling machinability of silicon carbide (SiC) and boron carbide (B4C) reinforced ZK60 alloy composites
Yazar: HAYREDDİN BOZTAŞ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL ESEN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, ZK60 alaşımı ve ZK60 alaşımından üretilen kompozitlerin delme işlenebilirliği araştırılmıştır. ZK60 alaşımı, SiC ve B4C partikül takviyeleri ile güçlendirilerek ZK60+%5SiC, ZK60+%10SiC, ZK60+%5B4C, ZK60+%10B4C ve ZK60+%5SiC+%5B4C kompozitleri üretilmiştir. Üretimde, karıştırmalı döküm işlemi tercih edilmiştir ve takviye malzemelerinin erimiş ZK60 matrisi içerisine homojen dağılımını sağlamak için yarı katı sıcaklıkta karıştırma yöntemi kullanılmıştır. Üretilen ZK60 alaşımı ve ZK60 kompozitlerine sırasıyla homojenleştirme ve ekstrüzyon işlemleri uygulanmıştır. Üretimi tamamlanan ZK60 alaşımının ve ZK60 kompozitlerine delik delme işlenebilirliklerinin yanı sıra yoğunluk ölçümü, mikro yapı karakterizasyon analizleri, korozyon testi, mekanik testler ve delik delme sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Mikro yapı karakterizasyon sonuçlarına göre, MgZn2 ve Zn2Zr intermetaliklerinin tüm kompozitlerde mevcut olduğu belirlenmiştir. ZK60 alaşımına SiC takviyesi sonucunda matriste Mg2Si intermetaliği oluşurken B4C takviyesi sonucunda MgB2 intermetaliğinin oluştuğu gözlemlenmiştir. Tane boyutu ölçümleri sonuçlarına göre, en düşük tane boyutu ZK60+%5B4C ve ZK60+%10B4C kompozitlerinde 3 μm olarak ölçülüştür. ZK60 alaşımı ile karşılaştırıldığında, korozyon hızı ZK60+%5SiC kompozitinde 2,16 kat azalırken, ZK60+%10B4C kompozitinde 4,06 kat artmıştır. Sertlik testlerine göre, ekstrüze ZK60 alaşımının sertlik değeri %10 B4C takviyesi ile %69,9 artış göstermiştir. Ekstrüze ZK60 alaşımının maksimum basma mukavemeti %10 SiC takviyesi ile %31,6 artarak 287,23 MPa değerinden 378,00 MPa değerine yükselmiştir. Aşınma testlerinin sonucuna göre ise en düşük aşınma oranı ZK60+%10B4C kompozitinde 1,71 x10-5 g/m değerindedir. ZK60 alaşımının aşınma yüzeyinde yoğun abrasif aşınma mekanizmaları bulunurken, üretilen ZK60 kompozitlerinin aşınma yüzeylerinde yoğun adhezif aşınma mekanizmalarının bulunduğu gözlemlenmiştir. Delik delme testleri ve sonlu elemanlar analizlerinin (SEA) sonuçlarına göre, ekstrüze ZK60 alaşımının SEA itme kuvveti değeri, deneysel itme kuvvetinin yaklaşık 4 katı çıkmıştır. ZK60+%5SiC ve ZK60+%10SiC kompozitlerinde SEA itme kuvvetleri ile deneysel itme kuvvetleri arasında yaklaşık 3 kat fark varken delme momenti değeri neredeyse aynıdır. ZK60+%5B4C kompozitinin deneysel itme kuvveti ile SEA itme kuvveti ortalama değerleri arasındaki fark %2,5'tir. Buna karşı deneysel delme momenti, SEA delme momentinden 1,5 kat yüksek değerde çıkmıştır. ZK60+%10B4C kompozitinin deneysel itme kuvveti değeri SEA itme kuvveti değerinden 2,5 kat; deneysel delme momenti değeri SEA delme momenti değerinden 2,6 kat yüksek değerde çıkmıştır. ZK60+%5SiC+%5B4C kompozitinin deneysel itme kuvveti değeri SEA itme kuvveti değerinden 3,2 kat daha düşüktür. Ayrıca SEA delme momenti değeri deneysel delme momenti değerinden 1,42 kat daha yüksektir. Delik delme çalışmaları sonucunda, ZK60 alaşımının delme işlenebilirliği SiC takviyesi ile artarken B4C takviyesi ile azalmıştır. Bu çalışmadaki testlerin sonuçlarına göre SiC ve B4C takviyeleri ZK60 alaşımına birlikte eklenmeleri durumunda birbirlerinin olumsuz etkilerini iyileştirdiği ve yapısal özellikleri geliştirdiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In this study, ZK60 alloy and composites produced from ZK60 alloy investigated the hole drilling machinability. ZK60 alloy was strengthened with SiC and B4C particle reinforcements to produce ZK60+5%SiC, ZK60+10%SiC, ZK60+5%B4C, ZK60+10%B4C and ZK60+5%SiC+5%B4C composites. In the production, the stirred casting process was preferred, and the semi-solid temperature stirring method was used to provide the homogeneous distribution of the reinforcement materials into the molten ZK60 matrix. Homogenization and extrusion processes were applied to the produced ZK60 alloy and ZK60 composites, respectively. In addition, the produced ZK60 alloy and ZK60 composites underwent hole-drilling machinability, density measurement, microstructure characterization analysis, corrosion test, mechanical tests and holedrilling finite element analyses. According to the microstructure characterization results, it was determined that MgZn2 and Zn2Zr intermetallics were present in all composites. According to the microstructure characterization results, it was determined that MgZn2 and Zn2Zr intermetallics were present in all composites. It was observed that Mg2Si intermetallic was formed in the matrix due to SiC reinforcement to ZK60 alloy, while MgB2 intermetallic was formed due to B4C reinforcement. According to the results of grain size measurements, the smallest grain size was measured as 3 μm in ZK60+5%B4C and ZK60+10%B4C composites. Compared to ZK60 alloy, the corrosion rate decreased by 2,16 times in the ZK60+5%SiC composite and increased by 4,06 times in the ZK60+10%B4C composite. According to the hardness tests, the hardness value of the extruded ZK60 alloy increased by 69,9% with 10% B4C reinforcement. The maximum compressive strength of the extruded ZK60 alloy increased by 31.6% from 287,23 MPa to 378,00 MPa with 10% SiC reinforcement. According to the results of the wear tests, the lowest wear rate is 1,71 x10-5 g/m in the ZK60+10%B4C composite. While there are intense abrasive wear mechanisms on the wear surface of the ZK60 alloy, it has been observed that there are intense adhesive wear mechanisms on the wear surfaces of the produced ZK60 composites. According to the results of hole drilling tests and finite element analysis (SEA), the SEA thrust force of the extruded ZK60 alloy was approximately four times the experimental thrust force. In ZK60+5%SiC and ZK60+10%SiC composites, there is a 3 times difference between SEA thrust force and experimental thrust force, while the drilling moment value is almost the same. The difference between the experimental thrust force of the ZK60+5%B4C composite and the thrust force of the SEA is 2,5%. On the other hand, the experimental drilling moment was 1,5 times higher than the SEA drilling moment. The experimental thrust force of the ZK60+10%B4C composite is 2,5 times the SEA thrust force; the experimental drilling moment value was 2,6 times higher than the SEA drilling moment value. The experimental thrust force value of the ZK60+5%SiC+5%B4C composite is 3,2 times lower than the SEA thrust force value. In addition, the SEA drilling moment value is 1,42 times higher than the experimental drilling moment value. As a result of drilling studies, the drilling machinability of ZK60 alloy increased with SiC reinforcement and decreased with B4C reinforcement. According to the results of the tests in this study, it was concluded that when SiC and B4C reinforcements are added together to the ZK60 alloy, they improve the negative effects of each other and the structural properties.