TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN Al-SiCp

5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN Al-SiCp KOMPOZİTLERİN
DİFÜZYON KAYNAK KABİLİYETLERİNİN İNCELENMESİ
THE INVESTIGATION OF THE DIFFUSION WELDING CAPABILITY OF
THE Al-SiCp COMPOSITES PRODUCED THROUGH POWDER
METALLURGY METHOD
a
a, *
b
b
b
Hamza KÜÇÜKKARA , Mustafa ACARER , Hayrettin AHLATCI ve Yunus TÜREN
Karabük Anadolu Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi, Karabük, Türkiye, E-posta: [email protected]
b
Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye
Özet
daha fazla sayıda makro bileşenin kombinasyonundan
oluşan malzemeler şeklinde tanımlanabilir [1].
Bu çalışmada, toz metalurjisi (TM) yöntemiyle üretilen AlSiCp kompozitinin 6063 Al alaşımı ile difüzyon kaynak
kabiliyeti incelenmiştir. Farklı oranlarda SiC içeren Al-SiCp
kompoziti 6063 Al çiftinin difüzyon kaynağı, 600 oC’de 3,5
saat ve 2 MPa basınç uygulanarak gerçekleştirilmiştir.
Üretilen birleşmelerin mikroyapı, korozyon ve mekanik
özellikleri incelenmiştir. İncelemeler sonucunda, genel
olarak, kompozitin homojen bir karışıma sahip olduğu,
SiCp artışıyla sertliğin arttığı ve SiCp artışıyla kesmemakaslama
mukavemetinin
azaldığı
görülmüştür.
Korozyon testi sonuçları ise SiCp artışıyla korozyon
direncinin arttığı görülmüştür.
Anahtar kelimeler: Toz metalurjisi, difüzyon kaynağı,
metal matrisli kompozit
Abstract
In this study, Al-SiCp composites were produced through
powder metallurgy (PM) method and the samples
produced were combined through diffusion welding
method with 6063 al composite. Diffusion welding of 6063
Al-Al-SiCp composites contain different percentage, was
achieved at 600oC, in 3,5 hours and under 2,5 MPa.
Microstructure, mechanical and corrosion properties of
fabricated composites were investigated. the experiment
results showed that the composite had a homogeneous
mixture; the hardness increased through the increase in
SiCp and the cutting-shearing strength decreased through
the increase in SiCp. The results of the corrosion test
showed that the corrosion resistance increased through
increase in SiCp.
Keywords: Powder metallurgy,
composite with metal matrix
diffusion
welding,
1. Giriş
Malzeme bilimi teknolojik gelişmeler doğrultusunda hızla
gelişmektedir. Teknolojinin hammaddesi olan malzeme
üretimi konusunda malzeme bilimciler çalışmaktadır. Bu
kapsamda üstün özelliklere sahip ve ekonomik malzeme
üretimi konusunda yapılan çalışmalar sonucunda kompozit
malzemeler üretilmiştir.
Kompozit malzemeler, şekil ve kimyasal bileşimleri farklı
ve birbiri içerisinde pratik olarak çözünemeyen iki veya
© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Elektronik uygulamalarında ısı dağıtım levha ve
hücrelerinin ısıl iletkenlik, ısıl genleşme ve rijitlikle uyumlu
kombinasyonuna sahip olması istenmektedir. Alüminyum
silisyum karbür (Al-SiCp) kompozitinden yapılan ısı
değiştiriciler, termal genleşme katsayısı değeri ve yüksek
ısıl iletkenlik özelliklerinden dolayı oldukça rağbet
görmektedir. Ayrıca, taşınabilir aygıtlar, uçak, uzay ve
diğer ağırlık hassasiyetinin önemli olduğu uygulamalarda
Al-SiCp’den yapılmış ısı dağıtıcıları oldukça cazip bir
malzemedir [2].
Bu çalışmada, TM yöntemiyle farklı oranlarda SiCp içeren
Al-SiCp metal matrisli kompozit üretilmiştir. Üretilen
numuneler katı hal birleştirme yöntemlerinden difüzyon
kaynağı ile birleştirilmiştir. Elde edilen kaynaklı
birleştirmenin mikroyapı mekanik özellikleri ve korozyon
davranışları incelenerek sonuçların değerlendirilmesi
çalışmanın amacını oluşturmaktadır.
2. Deneysel Çalışmalar
Deneylerde, ağırlıkça %5 ve %10 oranlarında ve tane
büyüklüğü ortalama 23±3 µm olan SiCp partikül içeren
tane büyüklüğü ortalama 45±5 µm olan alüminyum matrisli
kompozit malzemeden TM yöntemiyle elde edilmiş
numuneler kullanılmıştır.
Farklı oranlarda Al-SiCp toz karışımı, hidrolik pres ile 370
MPa basınç altında 30 sn tutularak basılmıştır. Üretilen
numunelerin sinterleme işlemi Alcatel marka ACT 200
model fırında argon atmosferi ortamında yapılmıştır.
Numuneler 6 oC / dk ısıtma hızında 645 oC ’ye kadar
ısıtılmış ve bu sıcaklıkta 3 saat bekletilmiştir. Soğutma
işlemi ise yine kontrollü olarak 10 oC/dk soğuma hızında
yapılmıştır.
TM ile üretilen AL-SiCp kompoziti ile 6063 Al alaşımının
difüzyon kaynak işlemi argon atmosferi altında TR 2002
02710 Y patentli cihaz ile yapılmıştır. Numunelere
sırasıyla 1, 2, 3 MPa basınç ve 550, 580, 600 ve 610 oC
sıcaklıklarda pilot çalışmalar yapılmıştır. Kaynak
işleminden sonra 300–400 oC sıcaklığa kadar fırın
içerisinde bekletilen numuneler fırın açılarak serbest
soğumaya bırakılmıştır. Yapılan pilot çalışmalar sonunda 2
MPa basınç ve 600oC sıcaklık altında ve 3,5 saat süre ile
bekletilen numunelerde en az deformasyon ile birleşmenin
Küçükkara,H.,Acarer, M., Ahlatcı, H. ve Türen, Y.
sağlandığı tespit edilmiştir. Deney çalışmaları elde edilen
bu değerler dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir.
Difüzyon kaynağıyla birleştirilmiş ve birleştirme ara
yüzeyine dik olarak kesilmiş numunelerin mikroyapı
görüntüleri Nikon Epiphot 200 model optik mikroskop
kullanılarak çekilmiştir. Ayrıca difüzyon kaynak yöntemi ile
elde edilen bağlantıların taramalı elektron mikroskobu
(SEM) görüntüleri JEOL 6060 LV marka taramalı elektron
mikroskobunda (SEM) yapılmıştır. Metalografik olarak
hazırlanan numune yüzeylerinden ve kesitlerinden yapılan
mikrosertlik ölçümleri, Shimadzu marka HMV–2 model
mikro sertlik cihazında Vickers ucu kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Bunun için 1000 gr yük uygulanmıştır.
Difüzyon kaynağı ile birleştirilen parçalar 10 tonluk
SHIMADZU marka çekme cihazında kesme-makaslama
testine tabi tutulmuştur. Test esnasında kesme hızı 0.5
mm/dk ve kesme mesafesi 40 mm olarak seçilmiştir.
Korozyon deneyleri, DC105 korozyon analiz yazılımına
sahip bilgisayar kontrollü Gamry marka PC4/300mA
potansiyostat/galvanostat kullanılmıştır. Deniz suyu
içerisinde veya tuzlu su içeren ortamlarda çalışacak AlMMK malzemelerin korozyon davranışlarının incelenmesi
amaçlandığından deneyde kullanılacak korozif ortam
olarak % 3,5 NaCl çözeltisi olarak seçilmiştir.
Matris
X20
(b)
50 µm
Şekil 2. %10 SiCp içeren Al-SiCp MMK parçaların
mikroyapısı.
Şekil 3’de de %5 SiCp içeren kaynaklı bağlantının optik
mikroskop görüntüsü verilmiştir. Mikroyapı görüntüsü
incelendiğinde kaynaklı bağlantının ara yüzeyinde koyu
renkte görülen yerde, yeterli birleşmenin sağlandığı
görülmektedir.
AlSiCp
3. Deney Sonuçları ve Tartışma
SiCp
Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen %5, ve 10 SiCp içeren
Al-SiCp MMK parçaların mikroyapıları sırasıyla Şekil 1 ve
2’de gösterilmiştir.
Mikroyapı fotoğraflarından da anlaşılacağı üzere ana
matris Al olup SiCp tanecikleri yapı içerisinde homojen
olarak dağılmıştır. Fotoğraflar incelendiğinde takviye
oranının artmasıyla gözenek miktarının ve matris-parçacık
ara yüzey boşluk oranının arttığı görülmektedir. SiCp
miktarındaki artışla gözenek oranının artması literatürle
uyum göstermektedir [3].
Al 6063
Kaynak
Arayüzeyi
X20
50µm
Şekil 3. %5 SiCp içeren kaynaklı bağlantının optik
mikroskop fotoğrafı
%5 SiCp
Matris
SiC
Sertlik (HV)
55
50
45
6063 Al
Al-SiCp
40
35
30
-150
X20
(a)
-100
-50
0
50
Mesafe (mikron)
100
150
50µm
Şekil 1. %5 SiCp içeren Al-SiCp MMK parçaların
mikroyapısı.
Şekil 4. %5 SiCp içeren kaynaklı bağlantının mikro sertlik
test sonuçları.
Küçükkara,H.,Acarer, M., Ahlatcı, H. ve Türen, Y.
Toz metalurjisiyle üretilen parçaların, Şekil 4ve 5’de
verilen mikro sertlik ölçüm sonuçlarına göre, takviyesiz
haldeki Al’nin sertliği 30 Hv iken %5 ve %10 SiCp içeren
kompozitin sertliği sırasıyla 38 ve 44 HV olmuştur. Akoral
[3], Şahin [4] yaptıkları çalışmada SiCp oranındaki artışa
bağlı olarak sertliğin arttığını rapor etmişlerdir.
Yapılan kesme makaslama testi sonucuna göre
SiCp miktarı artışı ile dayanımın azaldığı
gözlemlenmiştir.
Korozyon testi sonuçları SiCp oranı artışıyla
korozyon direncinin arttığını göstermiştir.
Kaynaklar
%10 SiCp
Sertlik (HV)
55
50
45
6063 Al
Al-SiCp
40
35
30
-150
-100
-50
0
50
Mesafe (mikron)
100
150
Şekil 5. %10 SiCp içeren kaynaklı bağlantının mikro sertlik
test sonuçları
%5 ve %10 SiCp oranları kullanılarak yapılan
birleştirmelerden elde edilen kesme-makaslama test
sonuçlarına göre, kesme mukavemeti %5 SiCp içeren
numunelerin 78 MPa ve %10 SiCp içeren numunelerin 62
MPa olarak bulunmuştur. SiCp oranındaki artışla kesme
makaslama mukavemetinin azaldığı görülmektedir. Zhang
et al. [5] yaptıkları çalışmada SiCp oranındaki artışla
kesme mukavemetinin azaldığını rapor etmişlerdir.
%3,5 NaCl+1 HCl çözeltisi içerisindeki numunelerin
zamana karşı korozyon potansiyelleri karşılaştırıldığında,
bütün numunelerin hepsinde de denge potansiyeline
ulaşıncaya kadar dalgalanmalar gözlenmiştir. Orijinal 6063
Al alaşımının denge potansiyeli (-206mV) iken saf Al’un (213mV) olarak ölçülmüştür. Bununla birlikte %5 ve 10
SiCp içeren Al-SiCp kompozitlerin denge potansiyelleri
sırasıyla (-216.7mV) ve (-212.7mV)’dur. Görüldüğü gibi
denge potansiyelleri SiCp oranının artışıyla birlikte bir
düşme sergilemektedir. Bunun nedeni soy takviye elemanı
ile daha aktif matris malzemesi arasındaki galvanik çift
etkisi gösterilmiştir. Galvanik eşleşmede matris malzemesi
olan Al anot olarak davranmakta ve daha kısa sürede
korozyona uğramaktadır. SiCp artışıyla yüzey alandaki Al
miktarındaki azalma korozyon hızının düşmesine neden
olmaktadır. Görener [6] ’in yaptığı çalışmada bu konuda
paralellik göstermektedir.
4. Sonuçlar
Toz metalurjisi ile üretilen metal matrisli kompozit (Al-SiCp)
ile 6063 Al numunenin difüzyon kaynak yöntemi ile
birleştirilebilirliğinin araştırıldığı bu çalışmada;
Ağırlıkça % 5 – 10 SiCp takviye elemanı içeren Al
matrisli MMK üretimi gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen Al-SiCp MMK malzemeler yapılan ön
çalışmalar sonunda kaynak parametreleri olarak
600oC sıcaklık, 2 Mp basınç ve 3,5 saat süre
tespit edilmiş ve en iyi bağlantının bu şartlarda
oluştuğu görülmüştür.
[1] Aydın, M. AL-SiC Malzemelerin Difüzyon Kaynağı ile
Birleştirilebileceği ve Arayüzeyin İncelenmesi, Kaynak
Teknolojisi V:Ulusal Kongresi, 99–107, Kocaeli, 2005.
[2] Adams, R., Fennessy, K., Occhionero and M., Rossi,
M. United States Patent, 6.668.912, December 30,
2003.
[3] Akoral, E., Toz Metalurjisi Yöntemi ile Al-SiC Kompozit
Malzeme Üretimi ve İşlenebilirliğinin İncelenmesi,
Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,
Doktora Tezi, MANİSA, 188 s., 2003.
[4] Şahin, Y., Kompozit Malzemelere Giriş, Gazi Kitabevi,
Ankara, 2000.
[5] Zhang, X. P., Ye, L., Mai, Y. W., Quan G F. and Wei,
W., Investigation on Diffusion Bonding Charecteristics
of SiC Particulate Reinforced Aluminium Metal Matrix
Composites
(Al/SiCp-MMC),
Composites
Part
A:Applied Science and Manufacturing Part A 30,
1415–1421, 1999.
[6] Görener, A., Al-Si Matrisli Kompozit Malzemelerin
Korozyon Davranışlarının İncelenmesi, Yüksek Lisans
Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, İSTANBUL, 125 s., 2007.