Bu çalışmada iki farklı bileşimdeki WC-Co toz karışımı Sıcak Pres ve Spark Plazma Sinterleme yöntemleri uygulanarak 3 farklı sıcaklıkta ve 50 MPa sabit basınç altında sinterlenmiş ve elde edilen malzemelerin yoğunluk, sertlik, eğme mukavemeti ve elastisite modülü değerleri belirlenmiştir. Ayrıca malzemelerin mikroyapıları SEM ve EPMA cihazları kullanılarak incelenmiştir. Yapılan çalışma ile ulaşılan sonuçlar şunlardır;
1. Sinterleme süresi SPS için 2 dk Sıcak Pres içinse 30 dk olarak seçilmiştir. SPS sisteminde sinterleme işleminin tamamı 27 dakika gibi çok kısa bir sürede gerçekleşirken Sıcak Pres’de yavaş ısıtma ve soğutma sürelerine bağlı olarak sinterleme işlemi yaklaşık 160 dakikada tamamlanmıştır. SPS sistemi Sıcak Pres sistemine kıyasla çok daha hızlı bir sistemdir ve bu sistemde enerji tasarrufu yüksektir.
2. SPS sistemi ile sinterlenen numunelerin tamamında teorik yoğunluğa yakın yoğunluklar elde edilirken, Sıcak Pres numunelerinde belirlenen sinterleme parametreleri ile yüksek yoğunluklar elde etmek mümkün olmamıştır. Sıcak Pres deneylerine ait numunelerde sinterleme sıcaklığı arttıkça ve kobalt miktarı azaldıkça yoğunluk değerleri artmaktadır. 12,264 g/cm3 olan en yüksek yoğunluk değerine 1425°C sinterleme sıcaklığında ve % 5 Co içeriğinde ulaşılmıştır. SPS deneyi için belirlenen sinterleme sıcaklıklarındaki artış her ne kadar yoğunluk değerlerini olumlu yönde etkilese de numunelerin yoğunluklarında önemli bir artış belirlenmemiştir. % 5 Co içeren 1375°C’de sinterlenen numunede en yüksek yoğunluk değeri 15,09 g/cm3 elde edilmiştir.
3. Sıcak Pres numunelerinde eğme mukavemetinin artan sinterleme sıcaklığı ve kobalt miktarı ile arttığı tespit edilmiştir. En yüksek eğme mukavemeti değerine 1425°C’de sinterlenen ve % 10 Co içeren Sıcak Pres numunesinde 467 MPa ile ulaşılmıştır. En düşük değer ise 1350°C’de sinterlenen % 5 Co içeren numunede 311 MPa olarak ölçülmüştür. SPS sisteminde en yüksek mukavemet 1300°C’de % 10 Co içeriğinde 1560 MPa olarak ölçülürken en düşük mukavemet 1375°C’de % 5 Co içeriğinde 1100 MPa olarak tespit edilmiştir. Her iki sistemde de Co miktarındaki artış numunelerin eğme mukavemetlerini arttırırken, sinterleme sıcaklıklarındaki artış Sıcak Preste basılmış numunelerin mukavemetini arttırmış SPS numunelerininkini azaltmıştır. Sinterleme sıcaklıklarındaki artış ile malzemelerin
sertliklerinde artış meydana gelmektedir ve dolayısıyla numunelerin gevreklikleri de artmaktadır. Gevreklikte meydana gelen bu artış malzemenin tokluğunu düşürmekte ve buna bağlı olarak malzemedeki eğme dayanımı azaltmaktadır. Sıcak Pres numunelerinin sıcaklık artışı ile eğme mukavemetlerinde meydana gelen artışın sebebi numunelerin yoğunlukları arasındaki farktır. Yüksek sıcaklıkta sinterlenen numuneler daha fazla rölatif yoğunluk değerlerine sahip olduklarından daha yüksek eğme dayanımı sonuçları vermişlerdir. Buna karşın yüksek miktarda porozite içeren diğer Sıcak Pres numuneleri daha düşük eğme yüklerinde kırılmışladır. SPS numunelerinin yoğunlukları arasında ise bu denli ciddi bir fark yoktur. Numunelerin tamamında % 99 ve üzerinde rölatif yoğunluk değerleri elde edilmiştir.
4. Sıcak Pres deneylerine ait numunelerde sinterleme sıcaklığı arttıkça ve kobalt miktarı azaldıkça sertlik değerleri artmaktadır. En yüksek sertlik değerine 1425°C’de sinterlenen % 5 Co içeriğine sahip yapıda 1329 HV değeriyle ulaşılmıştır. % 10 Co içeriğinde 1350°C’de sinterlenen numunede ise 906 HV sertlik değeri bulunmuştur. SPS deneyi için belirlenen sinterleme sıcaklıklarındaki artış numunelerin sertliklerini az da olsa arttırmıştır. Sinterleme sıcaklığının sertlik üzerine olan etkisi Sıcak Pres numunelerindeki etki kadar belirgin değildir. SPS sisteminde en yüksek sertlik değeri 1375°C’de sinterlenen % 5 Co içeren numunede 2087 HV olarak, en düşük sertlik değeri ise 1300°C’de % 10 Co içeren numunede 1732 HV olarak ölçülmüştür.
5. Sıcak Pres numunelerinde sinterleme sıcaklığının etkisiyle sertlikte meydana gelen artış genel itibari ile aşınma dayanamında da gözlenmiştir. % 5 Co içeren numuneler 1400°C ve 1425°C sinterleme sıcaklıları için % 10 Co içeren numunelere kıyasla daha az aşınmışlardır. En düşük aşınma hacmi miktarı 0,0039 mm3 ile 1400°C’de % 5 Co içeren numunede, en yüksek aşınma hacmi miktarı da 0,0239 mm3 ile 1350°C’de % 5 Co içeren numunede oluşmuştur. Aynı aşınma koşullarında SPS numunelerinde belirgin aşınma izleri oluşturulamamıştır, dolayısıyla SPS numunelerinin daha iyi aşınma dayanımına sahip oldukları tespit edilmiştir.
6. Hem SPS hem de Sıcak Pres numuneleri için sinterleme sıcaklığındaki artış E modülünü çok fazla değiştirmez iken Co miktarındaki artışa bağlı olarak ölçülen E modüllerinde bir azalma tespit edilmiştir. Sıcak Pres deneylerine ait numunelerde, en yüksek E modülü değerine 335 GPa ile 1425°C’de sinterlenen ve % 5 Co içeren numunede ulaşılırken, en düşük değere 272 GPa ile 1350°C’de sinterlenen ve % 10 Co içeren numunede ulaşılmıştır. SPS sisteminde en yüksek E modülü değeri 1375°C’de sinterlenen % 5 Co içeren numunede 625 GPa olarak, en düşük E modülü değeri ise 1300°C’de % 10 Co içeren numunede 545 GPa olarak ölçülmüştür.
KAYNAKLAR
[1] Brookes, K.J.A., 1996. World Directory and Handbook of Hard Metals and
Hard materials, Sixth Edition, International Carbide Data, UK.
[2] Upadhyaya, G. S., 1998. Cemented Tungsten Carbide; Production,
Properties, and Testing, Noyes Publications, New Jersey.
[3] Upadhyaya, G. S., 2000. Sintered Metallic and Ceramic Materials,
Preparation, Properties and Applications, John Wiley and Sons, Inc., New York
[4] Jain, M., Sadangi, R. K., Cannon, W.R., and Kear B.H., 2000. Processing
of Functionally Graded WC-Co/diamond Nanocomposites, Scripta
Materialia, 44, 2099-2103.
[5] Masao Tokita, 2003. Large Size WC/Co Functionally Graded Materials
Fabricated by Spark Plasma Sintering (SPS) Method, R&D Center for
New Materials & Processing Systems Division, Sumitomo Coal Mining
Company, Ltd., Onaimon Daini Bidg, 16-12, 6-Chome, Shimbashi, Minato-ku, Tokyo, Japan.
[6] German, R. M., 1996 Sintering Theory and Practice, John Wiley and Sons,
Inc., New York.
[7] Favrot, N., Besson, J., Colin, C. And Delanny, F., 1999. Cold Compaction
and Solid State Sintering of WC-Co Based Structures: Experiments and Modeling, Journal of American Ceramic Society, 82, (5), 1153-1161. [8] Haglund, S., Agren, J. And Lindskog, P., 1998. Solid State Sintering of
Cemented Carbides; an Experimental Study, Zeitschrift fur
Metallkunde, 89, (5), 316-322.
[9] Laptev, A. V., Ponomarev, S. S. and Ochkas, L. F., 2000. Structural
Features and Properties of Alloy % 84 WC - % 16 Co, obtained by Hot Pressing in the Solid and Liquid Phases I. Effect of the Temperature at Which the Specimen are Prepared on their Density and Structure,
Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 39, (11-12), 607-617.
[10] Laptev, A. V., Ponomarev, S. S. and Ochkas, L. F., 2000. Structural Features and Properties of Alloy % 84 WC - % 16 Co, obtained by
solid-phase and liquid-phases hot pressing II. Influence of the Temperature at Which the Specimen are Made on their Physicomechanical Properties, Powder Metallurgy and Metal
Ceramics, 40, (1-2), 77-83.
[11] Caroll, D. F., 1999. Sintering and Microstructural Development in WC/Co Based Alloys Made With Superfine WC Powder, Int. J. Of Refractory
Metals and Hard Materials, 17, 123-132.
[12] S.G. Huang, K. Vanmeensel, L. Li, O. Van der Biest, J. Vleugels, 2007. Influence of Starting Powder on the Microstructure of WC-Co Hard Metals Obtained by Spark Plasma Sintering, Material Science and Engineering A, China.
[13] K. Jia, T.E Fischer and B. Gallois, 1998. Microstructure, Hardness and Toughness of Nano Structured and Conventional WC-Co Composites,
Department of Material Science and Engineering Stevens Institute of Technology, Haboken, NJ07030.
[14] Upadhyaya, A. And German, R. M., 2001. Gravitational Effects During Liquid Phase Sintering, Materials Chemistry and Physics, 67, 25-31 [15] Wen, G., Li, S. B., Zhang, B. S. And Guo, Z. X., 2000. Processing of in
Situ Toughened B-W-C Composites by Reaction Hot Pressing of B4C and WC, Scripta Materialia, 43, 853-857.
[16] Seung I. Cha, Soon H. Hong , Byung K. Kim, 2002. Spark Plasma Sintering Behavior of Nanocrystalline WC-10Co Cemented Carbide Powders, Department of Materials Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 373-1 Kusung-dong, Yusung-gu, Taejon, 305-701, South Korea.
[17] Cheng-Chang Jia, Hua Tang, Xue-Zhen Mei, Fa-Zhang Yin, Xuan-Hui
Qu, 2005. Spark Plasma Sintering on Nanometer Scale WC–Co
Powder, School of Materials Science and Engineering, University of
Science and Technology, Beijing 100083, PR China.
[18] Brian J. Reardon, 2003. Optimizing the Hot Isostatic Pressing Process, Materials and Manufacturing Processes, Engineering Science and
[19] Chengchang Jia, Lan Sun, Hua Tang, Xuanhui Qu, 2005. Hot Pressing of Nanometer WC–Co Powder, School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology, Beijing 100083, PR China.
[20] A. Upadhyaya, D. Sarathy, G. Wagner, 2000. Advances in Alloy Design Aspects of Cemented Carbides, Bangalore 560073, India.
[21] Hiroyuki Saito, Akira Iwabuchi, Tomoharu Shimizu, 2005. Effects of Co Content and WC Grain Size on Wear of WC Cemented Carbide, Iwate
Industrial Research Institute, 35-2 Daisanchiwari, Iiokashinden,
Morioka 020-0852, Japan.
[22] Seung I. Cha, Soon H. Hong, 2003. Microstructures of Binderless Tungsten Carbides Sintered by Spark Plasma Sintering Process, Department of Material Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science
and Technology, 373-1 Kusong-dong, Yusong-gu, Taejon 305-701,
South Korea.
[23] H.R. de Macedo, A.G.P. da Silva, D.M.A. de Melo, 2002. The Spreading of
Cobalt, Nickel and İron on Tungsten Carbide and the First Stage of Hard Metal Sintering, Departamento de Quı´mica, UFRN, Campus
Universitario, 59072-970, Natal, RN, Brazil.
[24] ASTM E 399-90, 1997. Standart Test methods for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials.
[25] http://itia.org.uk/Default.asp?Page=53 Temmuz 2007’ de web adresine erişim sağlandı.
[26] http://www.hardmaterials.sandvik.com Ağustos 2007’ de web adresine erişim sağlandı.
[27] http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1203 Ağustos 2007’ de web adresine erişim sağlandı.
[28] http://www.dr-fritsch.de Mart 2007’ de web adresine erişim sağlandı. [29] Kirchner, R., 2007. Kişisel görüşme.
[30] Y. Torres, M. Anglada, L. Llanes, 2001. Fatigue Mechanics of WC-Co Cemented Carbides, Departament de Ciencia dels Materialsi Enginyeria Metal-lurgica, ETSEIB, Universitat Politecnica de Catalunya, 08028 Barcelona, Spain.
[31] G. Östberg, M.U. Farooq, M. Christensen, H.-O. Andre’n, U. Klement,