Karma takviyeli alüminyum matriksli kompozitlerin üretimi, mekanik özellikler ve işlenebilirliklerinin incelenmesi
Production of hybrid reinforced aluminium based composites and investigation of their mechanical properties and machinability
Yazar: GÖKHAN SUR
Danışman: PROF. DR. MAHMUT GÜLESİN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Bu araştırmada, ergimiş metal karıştırma-basınçlı döküm yöntemiyle tek ve karma takviyeli, metal matrisli kompozit (MMK) malzemeler üretilmiştir. Kompozitlerin üretimlerinde matris malzemesi olarak ikincil metalurji işlemler (yaşlandırma) ile dayanım özellikleri geliştirilebilen AA-6xxx serisi, AA-6082 alaşımı kullanılmıştır. Takviye elemanı olarak ortalama 42 µm boyutlarında alüminyum oksit (?-Al2O3) ve ortalama 127 µm boyutlarında nikel kaplı grafit [Ni(K)Gr] parçacıklar kullanılmıştır. Takviye elemanı yüzde hacim oranı olarak tek takviyeli kompozitlerde hacimce % 8 Al2O3 ve % 8 Ni(K)Gr, karma takviyeli kompozitte ise hacimce % 4 Al2O3 + % 4 Ni(K)Gr değerleri kullanılmıştır. Üretilen MMK malzemelerin mikroyapı ve bazı mekanik özellikleri incelenmiştir. Mikroyapı incelemeleri parçacık dağılımının tüm kompozitlerde nispeten homojen olduğunu ve ana faz-takviye elemanı ara yüzey bağının yeterince oluştuğunu göstermiştir. Sertlik ölçümleri sonucunda en yüksek sertlik değeri tek % 8 Al2O3 takviyeli kompozitlerde 105 BHN değerinde ölçülmüştür. Yoğunluk değerleri ölçüm sonuçları Al2O3 parçacıklarının yüzde hacim oranının artmasıyla MMK'nın yoğunluk değerinin de arttığını göstermiştir. Üretilen malzemelerin gözenek miktarları oldukça düşüktür.MMK malzemeler, kaplamalı ve kaplamasız sementit karbür (SK) ve kübik bor nitrür (KBN) kesici takımlar ile işlenebilirlik deneylerine tabi tutulmuştur. İşlenebilirlik deneyleri, bilgisayar sayısal denetimli (BSD) torna tezgahında, soğutma sıvısı kullanılmadan yapılmış ve işlenebilirlik kıstaslarından, takım ömrü, kesme kuvvetleri, talaş kökü morfolojisi ve iş parçası yüzey pürüzlülüğü incelenmiştir. Deneyler farklı kesme hızları, sabit kesme derinliği (1 mm) ve sabit ilerleme hızında (0,15 mm/dev) gerçekleştirilmiştir. Tüm işleme deneylerinde yığıntı talaş (YT) oluşumu gözlenmiştir. Bu durum tarama elektron mikroskobu görüntüleri ve talaş kökü incelemelerinde kanıtlanmıştır. SK kesici takımlarla hacimce % 8 Al2O3 parçacıklarla takviyeli kompozitin işleme deneylerinde kesicinin burun ve yanak yüzeyinde abrasiv ve adhesiv aşınma mekanizmaları etkisiyle aşınmalar tespit edilmiştir. Ayrıca bu kompozitte tüm işleme deneylerinde kesme kuvveti bileşenlerinin diğer MMK'lere kıyasla daha yüksek değerlerde oluştuğu tespit edilmiştir. En az esas kesme kuvveti değeri, hacimce % 8 Ni(K)Gr parçacıklarla takviyeli kompozitin, çok katlı kaplamalı UE6005 kodlu SK kesici takımla 100 m/min kesme hızında işlenmesi esnasında 125,08 N olarak ölçülmüştür. Tüm işleme deneylerinde en iyi aşınma direncini KBN kesici takımlar sergilemiştir.Anahtar Kelimeler:Metal matrisli kompozit (MMK), ergimiş metal karıştırma-basınçlı döküm yöntemi, işlenebilirlik, kesici takım aşınması, kesme kuvvetleri

Abstract:
In this study, single and hybrid particulate reinforced metal matrix composites (MMCs) were successfully produced by a molten metal stirring-squeeze casting method. AA-6xxx series aluminum alloy, AA-6082, whose mechanical properties can be improved by secondary metallurgical process (age hardening) was used as matrix material for production of MMCs. Alumina (?-Al2O3) particles of 42 µm mean particle sizes and nickel coated graphite [Ni(C)Gr] particles of 127 µm were used as reinforcement materials. The reinforcement materials were chosen as 8 vol. % Al2O3 and Ni(C)Gr at single particle reinforced composites while 4 vol. % of Al2O3 and 4 vol. % Ni(C)Gr at hybrid particle reinforced composites. Microstructural and some mechanical properties of these composites were examined. Microstructural observations showed that the distribution of particles was relatively homogenous and sufficiently good bonding interface between the reinforcement particles and matrix material was affected for all the composites. The maximum hardness value was measured as 105 HBN only for 8 vol. % Al2O3 reinforced composites. Measurement results of density showed that density of MMCs increased with increasing volume fraction of Al2O3 particles. Porosity of the produced MMCs was found to be relatively lower.Machinability tests of the MMCs materials were performed through single point continuous turning operation using uncoated and coated sementit carbide (WC) and cubic boron nitride (CBN) cutting tools. The machinability tests were performed dry on a computer numerically controlled (CNC) lathe and tool life, cutting forces, chip root morphology and surface roughness criteria were investigated. The tests were carried out at various cutting speeds at a fixed depth of cut (1 mm) and feed rate (0,15 mm/rev). The build-up-edge (BUE) formation was observed on all the machining tests. It was proved by scanning electron microscopy (SEM) and chip root examination. The nose and flank wear formations were determined by abrasive and adhesive wear mechanisms at the machining tests of 8 vol. % particles of Al2O3 reinforced composite with cemented carbide cutting tools. The cutting forces for the machining tests of 8 vol. % particles of Al2O3 reinforced composite were observed to be higher than those in the other MMCs. The lowest cutting force was measured as 125,08 N during machining of 8 vol. % Ni(C)Gr particles reinforced composite at 100 m/min cutting speed with multiple coated (UE6005) cemented carbide cutting tools. Cubic boron nitride cutting tools exhibited the highest wear resistance.Key words:Metal matrix composite (MMC), melt metal stirring-squeeze casting method, machinability, cutting tool wear, cutting forces