Bor nitrür (BN) katkılı zirkonya (ZrO2) seramiklerin tribolojik davranışı
The tribological behavior of boron nitride (BN) doped zirconia (ZrO2) ceramics
Yazar: OĞUZ EMRE ÇAYDAN
Danışman: PROF. DR. BÜLENT AKTAŞ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, %3 mol Y2O3 ile stabilize edilmiş zirkonya (3Y-ZrO2) seramiklerin sinterlenebilirliği, mikroyapısı, mekanik ve tribolojik özelliklerine farklı oranlarda hekzagonal bor nitrür (BN) ilavesinin etkisi taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışınları kırınımı (XRD), mikro vickers sertlik testi, ball- on-disk tipi aşınma cihazı ve profilmetre kullanılarak incelenmiştir. 1250°C'de 2 saatlik sinterleme sonrasında, %0.25 BN katkısıyla 3Y-ZrO2 örneklerinin yoğunluğu 5.16 g/cm³'ten 5.52 g/cm³'e yükselmiş ve sinterlenebilirliklerinde bir iyileşme gözlemlenmiştir. BN katkısıyla ve katkı miktarının artışıyla 3Y-ZrO2'nin tane boyutunda artış meydana gelmiş; %1 BN katkısıyla ortalama tane boyutu 0,12 µm'den 0,42 µm'ye yükselmiştir. %0.25 BN katkısıyla 3Y-ZrO2 örneklerinin sertliği 714 Hv'den 978 Hv'ye yükselirken, bu orandan sonra sertlikte bir azalma olmuştur. BN katkılı 3Y-ZrO2 örneklerinin aşınma testleri, ticari olarak temin edilen WC seramik bilye kullanılarak kuru kayma şartlarında 5 ve 10 N yük altında oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. BN ilavesi ve katkı miktarının artmasıyla 3Y-ZrO2'nin sürtünme katsayısı ve aşınma hacmi önemli ölçüde azalmıştır. Katkısız 3Y- ZrO2'nin 10 N yükte ortalama sürtünme katsayısı ve aşınma hacmi sırasıyla 0,2 ve 1,6 mm³ iken, %1 BN katkılı 3Y-ZrO2'de ise sırasıyla 0,1 ve 0,32 mm³ değerine düşmüştür. Bu azalma, BN'nin kendinden katı yağlayıcı özelliğinden kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, BN ilavesi, 3Y-ZrO2'nin aşınma direncinde belirgin bir artış sağlamıştır. Bu sonuçlar, düşük miktarda BN ilaveli 3Y-ZrO2 seramiklerin özellikle dental implantlar ve diğer biyomedikal uygulamalarda potansiyel bir malzeme olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this study, the impact of hexagonal boron nitride (BN) addition at various ratios on the sinterability, microstructure, mechanical, and tribological properties of zirconia (3Y-ZrO2) ceramics stabilized with 3 mol% Y2O3 was investigated using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), micro vickers hardness testing, a ball-on-disk type wear device, and a profilometer. After sintering at 1250°C for 2 hours, the density of 3Y-ZrO2 samples with a 0.25% BN addition increased from 5.16 g/cm³ to 5.52 g/cm³, improving their sinterability. With the addition of BN and an increase in the amount of additive, an increase in the grain size of 3Y-ZrO2 occurred; the average grain size rose from 0.12 µm to 0.42 µm with a 1% BN addition. While the hardness of 3Y-ZrO2 samples with a 0.25% BN addition increased from 714 Hv to 978 Hv, a decrease in hardness was observed beyond this proportion. Wear tests of BN-added 3Y-ZrO2 samples were conducted under dry sliding conditions at room temperature with 5 and 10 N loads using commercially obtained WC ceramic balls. With the addition of BN and an increase in the amount of additive, the coefficient of friction and wear volume of 3Y-ZrO2 have significantly decreased. The average coefficient of friction and wear volume of pure 3Y-ZrO2 under a 10 N load were 0.2 and 1.6 mm³, respectively, whereas these values decreased to 0.1 and 0.32 mm³, respectively, in 3Y-ZrO2 with 1% BN addition. This reduction is attributed to BN's inherent solid lubricating property. Consequently, the addition of BN has resulted in a significant increase in the wear resistance of 3Y-ZrO2. These results show that 3Y-ZrO2 ceramics with low amounts of BN can be used as a potential material, especially in dental implants and other biomedical applications.