Magnezyum alaşımlarının mekanik özellikleri ve elektro erezyon ile işleme performanslarının hibrit takviyelerle geliştirilebilirliğinin incelenmesi
Investigation of the improvement the mechanical properties and the electro erosion machining performances of magnesium alloys with hybrid reinforcements
Yazar: MUSTAFA MUŞTU
Danışman: PROF. DR. BİLGE DEMİR ; DOÇ. DR. FATİH AYDIN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, matris olarak AZ61 ve ZK60 olmak üzere 2 farklı magnezyum alaşımı, mikron TiB2 (%15) ve nano Grafen (GNP) (%0,5) takviye kullanılarak, T/M sıcak presleme ile üretilmiştir. Üretilen Magnezyum matrisli metal kompozitlerin mekanik, aşınma ve elektro erezyon işlemesi (EEİ) ile işleme özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, ANOVA, Taguchi, regresyon analizleri ile işleme parametreleri ve deneysel sonuçlara ait veriler analiz edilerek işleme etkilerini tahmin etmek için kullanılabilirliği araştırılmıştır. T/M metal (AZ61, ZK60)  ve kompozit numunelerin (ZK60-AZ61+TiB2 (%15 ağ.) ve ZK60-AZ61+TiB2 (%15 ağ.) +GNP (%0,5 ağ.) imalatında mekanik alaşımlama, atmosfer kontrollü sıcak presleme ve sinterleme sistematiği takip edilmiştir. Üretilen bu T/M numuneler malzeme karakterizasyon işlemleri (Yoğunluk ölçümü, mikroyapı incelemesi (SEM-EDS)) ile tanımlanmıştır. Ayrıca aşınma, basma  
ve sertlik ölçüm testlerine tabi tutulmuştur. Aşınma testleri 10N, 20N, 40N yük ve 200 m yol şartları altında yapılmıştır. Basma testleri ZK60 alaşımlı numuneler için oda sıcaklığında, AZ61 alaşımlı numuneler için ise oda sıcaklığına ilave olarak 100 ve 200oC'de de uygulanmıştır. Numunelerin aşınma ve basma davranışları; aşınma, basma-kırılma yüzeyi, kesitlerin görüntü ve kimyasal analizleri SEM-EDS, XRD ile gerçekleştirilmiştir.
Sonuçlar, TiB2 partiküllerinin AZ61 ve ZK60 matrislerinde homojen olarak dağıldığını, bununla birlikte GNP'lerin topaklanmalarının tamamen çözülmediğini, takviye ile yoğunluk ve mekanik özelliklerin önemli ölçüde değiştiğini göstermiştir. Her iki grup alaşım için bağıl yoğunluklar büyükten küçüğe sırasıyla A1-K1, A3-K3 ve A2-K2 şeklindedir. Genel olarak takviyelerin, bağıl yoğunluğun düşmesine sebep olduğu anlaşılmaktadır. Her iki grup için en iyi sertlik, aşınma ve basma sonuçları sırasıyla (ağırlıkça) %15 TiB2, %15 TiB2 + 0,5 GNP ve en düşük katkısız alaşım numunelerinde elde edilmiştir. Aşınma testlerinde genel olarak düşük yüklerde abrasif aşınma ve yüksek yüklerde delaminasyon aşınma davranışları gözlenmiştir. AZ61 matrisli numuneler arasında, oda ve yüksek sıcaklıklar için basma dayanım değerleri en yüksekten düşüğe sırasıyla; A2, A3 ve A1 numunelerinde elde edilmiştir. ZK60 matrisli numuneler arasında ise, oda sıcaklığında basma dayanım değerleri en yüksekten düşüğe sırasıyla; K2, K3 ve K1 numunelerinde elde edilmiştir. Kırılma yüzey incelemeleri, mekanizmanın ayrılma kırılması olduğunu ve yüzeyde çatlak oluşumlarının mevcut olduğunu göstermiştir.
T/M numunelerin TKEEİ işlem parametreleri, yüzey kalitesi ve MRR (Malzeme işleme hızı) ölçüm verileri değerlendirilerek, TKEEİ ile işlenebilme performansı araştırılmıştır. Artan TKEEİ akım ve vurum süresi değerleri, yüzey beyaz tabaka kalınlığını, Yüzey Pürüzlülüğü'nü (YP) ve MRR'yi etkilemiştir. İşlenmiş yüzey tabakasının (beyaz tabaka) kimyasal bileşimi, işleme ile bir miktar değişmektedir. Sonuçlar, TKEEİ'nin yüzeyde işleme parametreleriyle doğru orantılı olarak bir erime ve katılaşma tabakası, yani beyaz tabaka (BT) ve geçiş bölgesi ürettiğini göstermiştir. BT ve geçiş bölgesinin ana metal ile bütünlüğü mevcuttur. İşlenmiş yüzey ve kesit incelemelerinde volkanik kraterler, delikler, çatlaklar, ergimiş metalle kaplı kalıntılar ve takviye elemanları gözlenmiştir. Kerosen ile üretilen ısı arasındaki etkileşim sonucunda, işlenmiş yüzeyde TKEEİ parametrelerinin miktarı ile orantılı olarak değişen yüksek miktarda oksijen tespit edilmiştir. Ayrıca, ANOVA sonuçlarında, AZ61 matrisli malzemelerde YP'ye %65.46 ile vurum süresi en yüksek katkıyı sağlarken, ZK60 matrisli malzemelerde YP'ye %87,58 ile yine vurum süresi en yüksek katkıyı sağlamıştır. MRR'ye AZ61 matrisli malzemelerde %45,79 ile en yüksek katkıyı malzeme çeşidinin yaptığı tespit edilirken, ZK60 matrisli malzemelerde %21.85 ile vurum süresi en yüksek katkıyı yapmıştır. Regresyon modellerinde, YP ve MRR'nin tahmini için belirleme (güvenilirlik) katsayısı sırasıyla AZ61 için 0,98-0,85 iken, ZK60 için 0.92-0,83 olarak belirlenmiştir.
Sonuçlar, TKEEİ deneysel ve optimizasyon (ANOVA, Taguchi ve regresyon analizleri) verilerinin uyumluluğunu göstermiştir. Genellikle artan TKEEİ akımı ve vurum süresi, beyaz tabaka kalınlığını, YP'yi ve MRR'yi arttırmıştır.

Abstract:
In this study, 2 different magnesium alloys, AZ61 and ZK60 were produced by P/M hot pressing using micron TiB2 (15%wt.) and nano Graphene (GNP) (0.5%wt.) reinforcement. The mechanical and wear performances of the produced magnesium matrix metal composites and the processing properties by electro discharge machining (EDM) were investigated. In addition, ANOVA, Taguchi, regression analyzes and processing parameters and data of experimental results were analyzed and its usability was investigated to predict processing effects. Mechanical alloying in the manufacture of P/M metal (AZ61, ZK60) and composite samples (ZK60-AZ61+TiB2 (15% wt.) and ZK60-AZ61 + TiB2 (15wt.) + GNP (0.5% wt.), atmosphere-controlled hot pressing and sintering systematics were followed. These P/M samples produced were  
defined by material characterization processes (density measurement, microstructure examination (SEM-EDS)). In addition, they were subjected to abrasion, compression and hardness measurement tests. Abrasion tests were carried out under 10N, 20N, 40N loads and 200 m road conditions. Compression tests were performed at room temperature for ZK60 based samples, in addition to the room temperature for AZ61 based samples also at 100oC and 200oC. Wear and compression behavior of samples; wear, compression-fracture surface, image and chemical analyzes of the sections were performed with SEM-EDS, XRD.
The results showed that TiB2 particles were homogeneously dispersed in AZ61 and ZK60 matrices, however, the aggregation of GNPs was not completely dissolved, and density and mechanical properties changed significantly with reinforcement. The relative densities for both groups of samples are A1-K1, A3-K3 and A2-K2 respectively, from highest to lowest. It is generally understood that supplements cause a decrease in relative density. The best hardness, wear and compression results for both groups were obtained with 15%(wt.) TiB2 and 15%(wt.) TiB2 + 0.5(wt.) GNP and the lowest undoped alloy samples, respectively. In the wear tests, abrasive wear behavior at low loads and delamination wear behavior at high loads were observed. Among the AZ61 matrix samples, the compressive strength values for room and high temperatures are from highest to lowest, respectively; Obtained in A2, A3 and A1 samples. Among the ZK60 matrix samples, the compressive strength values at room temperature are from the highest to the lowest, respectively; It was obtained in K2, K3 and K1 samples. Fracture surface investigations showed that the mechanism was cleavage fracture and the presence of crack formations on the surface.
The processing performance of P/M samples with PMEDM was investigated by evaluating the measurement data of PMEDM process parameters, surface quality and MRR (material removal rate). Increasing PMEDM current and pulse on time values affected the surface white layer thickness, surface roughness and material removal rate. The chemical composition of the treated surface layer (white layer) changes somewhat with processing.Results showed that PMEDM produced a melting, white layer and transition zone direct proportionally to the processing parameters. The white layer did not differ from the metal integrity of the transition zone. Additionally, volcanic craters, holes, cracks, debris covered with molten metal, and reinforcement particles were observed at the machined surface and cross-section. A high amount of oxygen was detected on the machined surface as a result of the interaction between kerosene and generated heat changing proportionally to the amount of the EDM parameters. In addition, in the ANOVA results, the pulse on time made the highest contribution to the surface roughness with 65.46% in the AZ61 matrix materials, also the pulse on time provided the highest contribution to the surface roughness with 87.58% in the ZK60 matrix materials. While it was determined that the material type made the highest contribution to MRR with %45.79 in AZ61 matrix materials, the highest contribution was made by the pulse on time with 21.85% in ZK60 matrix materials. For regression models, the determination coefficient (R2) for the prediction of SR and MRR were determined as 0.98-0.85 for AZ61, 0.92 and 0.83 for ZK60, respectively.
As a result, PMEDM experimental and optimization (ANOVA, Taguchi and regression analyzes) data are compatible. Generally, increasing PMEDM current and pulse on time increased the white layer thickness, surface roughness and material removal rate.