Alüminyum matrisli B4C partikül takviyeli aşınma direnci yüksek kompozit malzeme üretimi
Production of high wear resistant B4C particle reinforced aluminium matrix composites
Yazar: FATİH TOPTAN
Danışman: DOÇ. DR. LUÍS A. ROCHA ; YRD. DOÇ. DR. IŞIL KERTİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Arayüzler = Interfaces ; Bor karbür = Boron carbide ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Korozyon = Corrosion ; Kuru sürtünme = Dry friction ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Triboloji = Tribology ; Tribolojik özellikler = Tribological properties

Özet:
Bu çalışmada, Al-B4C kompozitleri sıvı faz üretim yöntemleri ile üretilmiş, üretilen kompozitlerin kuru kayma, korozyon ve tribokorozyon davranışları incelenmiştir.Kompozit üretim çalışmaları iki aşamada yürütülmüştür. İlk aşamada, farklı partikül yüzey modifikasyonlarının matris/takviye arayüzeyine etkilerinin mikroyapısal olarak araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda üretim öncesinde takviye partiküllerine kontrollü oksidasyon, akımsız nikel kaplama ve K2TiF6 ile karıştırma gibi ön işlemler uygulanmıştır. Ön işlemlere tabi tutulan takviye partikülleri, vorteks ile ergiyik ticari saf alüminyuma ilave edilerek kompozitler üretilmiş ve üretilen kompozitlerin matris/takviye arayüzeyleri mikroyapısal olarak incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda en iyi arayüzey özelliklerinin K2TiF6 ilavesi ile üretilen kompozitlerde elde edildiği belirlenmiştir. K2TiF6 ilavesi ile matris/takviye arayüzeyinde titanyumca zengin ince (80-180 nm) ve sürekli bir reaksiyon tabakası oluşturulmuş ve bu sayede ıslatılabilirlik artırılmıştır.Kompozit üretim çalışmalarının ikinci aşamasında matris malzemesi olarak bir döküm alaşımı olan AlSi9Cu3Mg alaşımı kullanılmıştır. İlk aşamada elde edilen sonuçlara istinaden bu aşamada kompozitler K2TiF6 ilavesi ile üretilmiştir. Islatılabilirliğin artmasına bağlı olarak kompozitler yüksek hacim oranlarında (%15 ve %19) ve yüksek partikül ilave verimleri ile (sırası ile %91,54 ve %87,02) üretilmiştir. Ergitme ve partikül ilave proseslerinin vakum altında uygulanması ve dökümün sıkıştırma döküm yöntemi ile basınç altında gerçekleştirilmesi sayesinde kompozitler düşük porozite miktarları (sırasıyla %0,33 ve %1,22) ile üretilmiştir.AlSi9Cu3Mg-B4C kompozitlerinin kuru kayma aşınma davranışları, AISI 4140 pin karşısında, ileri-geri hareketli pin-on-plate testleri ile incelenmiştir. Hacim oranı, kayma hızı, yük ve kayma mesafesi faktörlerinin aşınma davranışına etkileri tam faktöriyel deneysel tasarım yöntemi ile araştırılmış, faktör ve etkileşimlerin sürtünme katsayısı ve aşınma hızına etkileri incelenmiştir. Sonuçların istatistiksel analizine göre, hacim oranı parametresinin sürtünme katsayısı değerleri için en etkili faktör olduğu; yük parametresinin ise aşınma hızı değerleri için en etkili faktör olduğu belirlenmiştir. Aşınma yüzeylerinin mikroyapısal karakterizasyonu sonucunda aşınma mekanizmasının adhesiv, abrasiv ve tabakalı aşınmanın bir kombinasyonu olduğu belirlenmiştir.AlSi9Cu3Mg-B4C kompozitlerinin korozyon davranışları, 0,05 M NaCl çözeltisi içerisinde AlSi9Cu3Mg alaşımı ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Elektrokimyasal ölçümlerin sonucunda partikül ilavesinin AlSi9Cu3Mg alaşımının korozyon eğilimine önemli bir etkide bulunmadığı belirlenmiştir.AlSi9Cu3Mg-B4C kompozitlerinin tribokorozyon davranışları, yine 0,05 M NaCl çözeltisi içerisinde AlSi9Cu3Mg alaşımı ile karşılaştırmalı olarak, alümina bilye karşısında, ileri-geri hareketli ball-on-plate aşınma cihazı kullanılarak incelenmiştir. Kayma sırasında yükün temel olarak B4C partikülleri tarafından taşınması ve kısmi olarak oksitlenen aşınma kırıntılarının takviye partikülleri arasında sıkışarak metal yüzeyinde koruyucu bir tabaka oluşturmaları sebebiyle tribokorozyon ortamında kompozit numunelerin korozyon eğiliminin ve korozyon hızının azaldığı görülmüştür.

Abstract:
In the present work, Al-B4C composites were produced by liquid metallurgical routes. Dry sliding wear, corrosion and tribocorrosion behaviour of the composites were investigated.Composite production studies were conducted in two stages. The aim of the first stage was to investigate microstructural effects of different particle surface modifications on the matrix/particle interface. For this aim, partial oxidation, electroless nickel coating and mixing with K2TiF6 flux pre-processing techniques were applied on the reinforcing particles. After pre-processing, particles were added into the molten commercially pure aluminium by vortex. Matrix/reinforcement interfaces were investigated on as-cast composites. After microstructural investigations, it was seen that the most effective interface properties were obtained in K2TiF6 added composites. It was found from the microstructural observations that with K2TiF6 addition, wetting was improved by the formation of a thin (80-180 nm) and continuous Ti-rich reaction layer.AlSi9Cu3Mg cast alloy was used as a matrix material in the second stage of composite production studies. Based on the results of the first stage, composites were produced with addition of K2TiF6 in this stage. Due to improved wettability, composites were produced with relatively higher volume fractions (15 and 19%) and relatively higher particle addition yields (91.54 and 87.02%, respectively). Furthermore, by processing melting and particle addition under vacuum atmosphere, composites were produced with fairly low porosity contents (0,33 and 1.22%, respectively).Dry sliding wear behaviour of AlSi9Cu3Mg-B4C composites were investigated against AISI 4140 counter material using reciprocating pin-on-plate tribometer. Effects of B4C volume fraction, sliding velocity, applied load and sliding distance on coefficient of friction and wear rate was studied using general full factorial experimental design. Based on statistical analysis, it was deduced that volume fraction is the most important factor for coefficient of friction and load for the wear rate responses. Based on microstructural investigations, a wear mechanism has been suggested as a combination of adhesive, abrasive and delamination wear.Corrosion behaviour of AlSi9Cu3Mg alloy and its composites with B4C particulates were investigated in 0.05 M NaCl solution. After electrochemical measurements, it has found that the particle addition did not have an important effect on the tendency of corrosion of AlSi9Cu3Mg alloy.Tribocorrosion behaviour of AlSi9Cu3Mg alloy and its composites with B4C particulates were also investigated in 0.05 M NaCl solution. The tests were carried out against alumina ball using reciprocating ball-on-plate tribometer. After electrochemical, tribological and microstructural studies, it was found that the tendency of corrosion and the corrosion rate decreased in AlSi9Cu3Mg-B4C composites during the sliding mainly due to load carrying effect of B4C particles and protecting the metal surfaces by partially oxidised wear debris.