Alüminyum-silisyum karbür kompozitlerin mekanik özelliklerine ve aşınma davranışına takviye boyutunun ve matris bileşiminin etkisi
The effect of reinfocing particle size and matrix composition on the mechanical properties and vear behavior of aluminium-silicon carbide composite
Yazar: HAYRETTİN AHLATCI
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU ; DOÇ. DR. ERCAN CANDAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, % 60 SiC partikül takviyeli Al matrisli kompozit malzemelerin mekanik özelliklerine ve aşınma direncine takviye boyutu ve matris bileşiminin etkisi incelenmiştir. 13 um, 23 um ve 37 um SiC partikül takviyeli saf Al, 23 um SiC partikül takviyeli Al-Mg (max. % 8 Mg) ve Al-Si (max. % 8 Si) alaşım matrisli kompozit malzemelerin mikroskobik incelemeleri, mekanik deneyleri ve aşınma deneyleri yapılmıştır. İncelenen kompozit malzemeler, SiC partiküllerinden oluşan 7 mm çapındaki preform içerisine sıvı Al veya Al alaşımının basınçlı infiltrasyonu ile üretilmiştir. İnfiltrasyon prosesi, 750 °C'de 13 um SiC preform için 1050 kPa, 23 um SiC preform için 765 kPa ve 37 um SiC preform için 550 kPa basınç altında yapılmıştır. Mikroyapısal karakterizasyon, optik ışık ve taramalı elektron mikroskobu ve x-ışını difraksiyonu analizleri ile belirlenmiştir. Oda sıcaklığı mekanik özellikler, basma, eğme ve darbe deneyleri ile belirlenmiştir. Kompozit malzemelerin aşınma davranışı, metal-metal ve metal-abrasif aşınma deney cihazı ile incelenmiştir. Deneyler, 28 N normal yük altında yapılmıştır. Deney sonuçlan ağırlık kaybına göre değerlendirilmiştir. Metal-metal aşınma deneyleri, M2 kalite takım çeliğinden yapılmış disk üzerinde kuru sürtünme koşullarında gerçekleştirilmiştir. Metal-abrasif aşınma deneyleri, oda sıcaklığı ile 500 °C arasındaki çeşitli sıcaklıklarda ve 85-250 um aralığında boyutlara sahip abrasif AI2O3 taneleri üzerinde yapılmıştır. İncelenen kompozit malzemelerin mikroyapısal incelemeleri, SiC takviye partiküllerin uçlarına yakm konumda bir miktar porozitenin mevcut olduğunu ortaya çıkarmıştır. Takviye SiC partikül boyutunun artması ve matrisin alaşımlandınlması porozite hacim oranım düşürmüştür. Porozite hacim oranının azaltılmasında Mg alaşımı daha faydalıdır. Mikroskobik incelemeler sırasında incelenen kompozit malzemelerin matrisinde ötektik Si, AI4C3 ve Mg2Si gibi intermetalikler gözlenmiştir. Mg2Si intermetalikleri sadece Al-Mg alaşım matrisli kompozit malzemelerin mikroyapısında bulunmuştur. Saf Al, Al-Mg ve Al-Si alaşım kompozitler, matrislerinde ötektik Si fazına sahiptirler. AI4C3 intermetaliği Saf Al ve Al-Mg alaşım matrisli kompozit malzemelerin matrislerinde gözlenmiştir. İncelenen kompozit malzemelerin mukavemeti, matriste bulunan takviye boyutunun azalması ve Mg içeriğinin artması ile artmıştır. Bununla birlikte Si ilealaşımlandıraıa mukavemeti belirgin olarak arttırmamıştır. Saf Al matrisli kompozit malzemelerde takviye boyutunun artması ile tokluk düşerken süneklik artmıştır. Matrisin alaşımlandınlması süneklik ve tokluğu azaltmıştır. Kompozit malzemelerin metal-metal aşınma direnci, takviye boyutunun artması ve matrisin alaşımlandınlması ile artmıştır. Metal-abrasif aşınma direnci, takviye boyutuna ve abrasif AI2O3 tane boyutuna bağlı olarak farklılık göstermiştir. İncelenen kompozit malzemelerin abrasif aşınma direnci ince abrasif taneler ( <150 um) üzerinde takviye boyutunun artması ile kaba abrasif taneler ( >150 um) üzerinde azalmıştır. Matrisin Mg ile alaşımlandınlması abrasif aşınma direncini arttınrken Si ile alaşımlandınlması aşınma direncini düşürmüştür. Kompozit malzemelerin abrasif aşınma direnci 200 °C'ye kadar hemen hemen sabit kalmıştır. 200 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda incelenen kompozit malzemelerin abrazyon direnci önemli bir şekilde azalmıştır.

Abstract:
In this thesis, the effect of the reinforcing particle size and the composition of the matrix on the mechanical properties and wear resistance of 60 vol % SiC reinforced Al matrix composites were investigated. Pure Al matrix reinforced with 13 um, 23 um and 37 um SiC particles, Al-Mg (max. 8 % Mg) and Al-Si (max. 8 % Si) alloy matrix composites reinforced with 23 um SiC particles were subjected to microscopic examinations, mechanical tests and wear tests. Investigated composites were fabricated by pressure infiltration of Al melt into the SiC performs having 7 mm diameter. The infiltration process was carried out at 750 °C under a pressures of 1050 kPa for 13 urn SiC preform, 765 kPa for 23 um SiC preform and 550 kPa for 37 urn SiC preform. Microstructural characterizations were made by light optical and scanning electron microscopic examinations and x-ray diffraction analysis. Room temperature mechanical properties of the composites were determined by compression, bending and impact tests. The wear behaviour of the composites were examined by metal-metal and metal- abrasive wear tests. Tests were carried out by applying a normal load of 28 N to the samples. Results of the wear tests were evaluated according to the weight loss of the samples. The metal-metal wear tests were performed on an unlubricated M2 quality tool steel disc (65 HRC). The metal-abrasive wear tests were conducted at various temperatures (20-500 °C) by rubbing the samples on abrasive AI2O3 grains having sizes in the range of 85-250 urn. Microstructural examination revealed presence of porosities located near the intersecting points of the SiC particles. The volume fraction of the porosity decreased with increasing the size of SiC particles and alloying of the matrix. As an alloying element Mg is more efficient than Si in decreasing the amount of porosity. During microscopic examinations, in the matrixes of the examined composites some intermetalics such as eutectic Si, AI4C3 and Mg2Si were observed. Mg2Si precipitates were present only in the Al-Mg alloy matrix composites. Pure Al, Al-Mg and Al-Si alloy composites have eutectic Si in their matrixes. AI4C3 intermetalics were found in the matrixes of pure Al and Al-Mg composites. The strength of the investigated composites increased with decreasing SiC particle size and increasing the amount of the Mg in the matrix. However alloying of thematrix with Si did not improve the strength significantly. In pure Al matrix composites toughness decreased and ductility increased with increasing the size of SiC particles. Alloying of the matrix decreased both ductility and toughness. Metal-metal wear resistance of the investigated composites increased with increasing the size of SiC particles and alloying of the matrix. Metal-abrasive wear resistance exhibited complex variation depending on the reinforcing SiC particle size and abrasive AI2O3 grain size. Abrasion resistance of the composites increased on fine abrasive grains (<50 ^m) with increasing the size of SiC particles, whilst decreased on coarse abrasive grains (>i50(am). Alloying of the matrix with Mg improved the abrasion resistance. However Si addition has detrimental effect on abrasion resistance. Abrasion resistance of the composites maintained almost constant up to 200°C. At temperature higher than 200°C abrasion resistance of the investigated composites decreased significantly.