Çinko stearat katkılı fonksiyonel derecelendirilmiş toz metal 316L paslanmaz çeliğin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of zinc stearate added functional graded powder metal 316L stainless steel
Yazar: MAHMUD ESAD TEKİN
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKİF ERDEN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials

Özet:
Toz metalürjisi, döküm ve talaşlı imalata göre daha karmaşık ve küçük parçaların üretimi için daha uygun bir üretim yöntemidir. Toz metalürjisi, çeşitli boyutlardaki metal tozlarının preslenmesi ve yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi ile yüksek performanslı ve mukavemetli parça üretme yöntemdir. Toz metalürjisi, ekonomikliği, homojenliği, üretim hızı, düşük maliyet, düşük malzeme kaybı ve ikincil işlem gerektirmemesi gibi özelliklere sahiptir. Bu özellikler sayesinde, toz metalürjisi birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyomalzeme olarak kullanılan çeliklerin birçoğu bu yöntemle üretilir. Paslanmaz çelikler, biyomalzeme üretiminde yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Bu, krom içeriği sayesinde korozyona karşı dirençli olmasından kaynaklanmaktadır. 316L paslanmaz çelik, diğer paslanmaz çeliklere göre daha yüksek korozyon direncine ve manyetik olmama özelliğine sahiptir. Bu özellikleri sayesinde vücutta uzun ömürlü olması nedeniyle yaygın kullanılan metalik biyomalzemedir. Geleneksel malzemeler, tek bir malzemeden oluşmaları sebebiyle homojen bir yapıya sahiptirler. Bu durum, parçanın her noktasında aynı mekanik, termal, elektriksel ve optik özellikleri sergilemesine neden olur. Fakat bu homojenlik, parçanın farklı bölgelerinde farklı özelliklere ihtiyaç duyulduğunda sınırlayıcı olabilir. Farklı işlevler ve özellikler gerektiren parçalar için katmanlı malzemeler, tek bir yapı içinde birden fazla malzeme kullanarak çözüm sunar. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler mekanik sağlamlık, ısı iletkenliği, elektrik akışı ve ışık geçirgenliği gibi özelliklerini kesit boyunca değiştirebilme özelliği ile öne çıkan devrimci bir malzemedir. Bu yenilikçi teknoloji, uzay ve havacılıktan tıbbi implantlara, otomotivden makine bileşenlerine ve enerji sistemlerine kadar geniş bir yelpazede kullanım alanı bulmaktadır. Toz metal üretiminde yağlayıcılar, ürün kalitesini etkilemektedir. Yağlayıcılar, metal tozlarının sıkıştırılmasını kolaylaştırarak daha yoğun ve sağlam parçaların üretilmesini sağlar, tozların akışkanlığını artırarak presleme sırasında boşlukları doldurarak yoğunluğu yükseltir ve sinterleme sırasında tane büyümesini kontrol eder. Toz metalurjisinde çinko stearat diğer yağlayıcılara kıyasla daha çok tercih edilmektedir. Bunun nedeni yüksek sıcaklık dayanımı, tozlar arasında sürtünmeyi azaltması ve maliyetinin az olmasıdır. Yağlayıcılar genellikle %0,5-1 oranında toza eklenir. Yağlayıcılar akıcılığı artırsa da fazla kullanıldığı taktirde mukavemeti düşürür. Bu çalışmada, farklı oranlarda çinko stearat ilave edilmiş tekli ve çok katmanlı 316L paslanmaz çelik numuneler TM yöntemi ile üretilmiştir. Numuneler, ASTM E8M standartlarına uygun kalıplar içerisinde 700 MPa basınç altında tek yönlü preslenerek 1200°C'de 1 saat argon gaz atmosferli gaz ortamında ve 1250°C'de 2 saat %95 Azot-%Hidrojen karşımı gaz atmosferli gaz ortamında sinterlenmiştir. Üretilen numunelerin mekanik ve mikroyapısal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Powder metallurgy (PM) is a production method that is more suitable for the production of more complex and smaller parts than casting and machining. Powder metallurgy is a method of producing high-performance and durable parts by pressing metal powders of various sizes and sintering them at high temperatures. Powder metallurgy has features such as economy, homogeneity, production speed, low cost, low material loss and not requiring secondary processing. Thanks to these properties, powder metallurgy is widely used in many industries. Most of the steels used as biomaterials are produced by this method. Stainless steels are a commonly used material in biomaterial production. This is due to their corrosion resistance thanks to their chromium content. 316L stainless steel has higher corrosion resistance and non-magnetic properties compared to other stainless steels. Thanks to these properties, it is a widely used metallic biomaterial due to its long life in the body. Conventional materials have a homogeneous structure due to being made of a single material. This results in the same mechanical, thermal, electrical, and optical properties being exhibited at every point of the part. However, this homogeneity can be limiting when different properties are required in different regions of the part. For parts that require different functions and properties, functional graded materials offer a solution by using multiple materials within a single structure. Layered materials are a revolutionary material that stands out with their ability to change their properties such as mechanical strength, thermal conductivity, electric current flow, and light transmittance along the cross-section. This innovative technology finds application in a wide range from space and aviation to medical implants, from automotive to machine components and energy systems. Lubricants affect product quality in powder metal production. Lubricants facilitate the compaction of metal powders, enabling the production of denser and stronger parts, increase the flowability of powders, fill voids during pressing to increase density, and control grain growth during sintering. Zinc stearate is preferred over other lubricants in powder metallurgy. This is due to its high temperature resistance, reducing friction between powders, and low cost. Lubricants are generally added to the powder in a ratio of 0.5-1%. While lubricants increase flowability, excessive use reduces strength. In this study, single and multilayer 316L stainless steel samples with varying proportions of zinc stearate were produced using the powder metallurgy (PM) method. The samples were unidirectionally pressed at 700 MPa pressure in molds compliant with ASTM E8M standards and sintered at 1200°C for 1 hour in an argon gas atmosphere and at 1250°C for 2 hours in a 95% nitrogen-5% hydrogen gas atmosphere. The mechanical and microstructural characterizations of the produced samples were conducted.