E. D. YALCINa, A. CANAKCIb*, S.ÖZKAYA, F. ERDEMIR
a Abdullah Kanca Meslek Yüksek Okulu, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, Türkiye bMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, Türkiye,
aykut@ktu.edu.tr
Bu çalışmada Zn-Al matris kompozitleri grafen ve B4C parçacıkları ile güçlendirilerek toz
metalürjisi yöntemiyle üretildi. Bu tozlardan 63 µm elek altı tozları alındı. Ortalama boyutu 40µm olan ZA27 matris malzemesine, nano boyuttaki grafit(50 nm) ve bor karbür (55 nm) tozları katılarak nanokompozitler üretildi. Grafen parçacık takviyeleri ağırlıkça %0- % 0,5-%1- %3-%5oranlarında; B4C parçacık takviyeleri ise ağırlıkça %1 oranında katılarak kompozit toz
karışımları hazırlandı. Bu karışımlar sabit bir öğütme süresinde(15dk) gezegen tipi yüksek enerjili bilyeli öğütücüde öğütüldü. Öğütülen tozlardan 435 °C’ de 500 MPa basınç altında, sıcak presleme yöntemi ile nanokompozitler üretilmiştir. Üretilen nano kompozitlerin içyapı, fiziksel ve mekanik özellikleri araştırıldı. Grafen ve B4C parçacıkları ile güçlendirilmiş ZA27
kompozitin aşınma davranışları ball on disk tekniği ile araştırıldı. Aşınma testleri, kuru sürtünme altında pin on disk aşınma cihazı ile 1 ve 5N yükler kullanılarak yağsız ortamda gerçekleştirilmiştir. Grafen ve B4C oranlarının artmasıyla aşınma miktarlarında düşüş
göstermiş olup özellikle grafen etkisi sonuçları tartışılmıştır. Artan yüklerde %5 grafen takviyesi ile en iyi aşınma direnci görülmüştür. Ağırlıkça artan grafen ve B4C parçacıklarının
kompozit malzemenin aşınma direncini ne mekanik özelliklerini iyileştirdiği açıkça görülmüştür.
Abstract
In this study, the Zn27 matrix composites reinforced by graphene nanosheet and B4C
nanoparticle were fabricated by powder metallurgy technique. The initial mixtures were milled at a constant ball milling time (15 minute) in a high-energy planetary type ball mill. Microstructure, physical and mechanical properties of these nanocomposites was investigated. The wear behaviour of ZA27 with reinforced B4C and graphenenanoparticlewas studied using
the pin-on-disc technique. Results of the wear tests revealed that the wear rate decreased with an increase in the graghene and B4C content. The results indicated that the increase in weight
% of Gr nanosheet particles improves wear resistance and mechanical properties.
Keywords: Nanocomposites, ball milling, wear, graphene
1. GİRİŞ
Metal matrisli kompozitler metallerden daha az termal genleşme katsayısına, daha iyi yüksek sıcaklıklara dayanımı, spesifik mukavemeti gibi özelliklere sahiptirler. Bu özelliklerinden dolayı bu kompozitler, roketlerde, uzay araçları, türbinler, ısı dönüştürücüleri, yapı malzemeleri gibi çok geniş kullanım sahasında yer almıştır. Metal matrisli kompozitler matris malzemesi ile
karşılaştırıldığında daha yüksek aşınma dayanımına, çekme mukavemetine ve elastik modülüne sahip olması bu malzemelerin kritik uygulamalarda kullanılması ön plana çıkmaktadır. Aynı zamanda düşük ağırlığa, çok iyi rijitliğe ve yüksek sıcaklıklarda mukavemeti koruyabilmesi gibi özelliklerinden dolayı dizaynırlar tarafından tercih edilmektedir. Günümüzde otomobil motorlarında metal matrisli kompozit kullanımı artmaktadır.[1]Çinko alaşımları dökme demir, alüminyum ve pirinç ile karşılaştığında daha düşük ergime sıcaklığına ve düşük maliyete sahip olup aynı zamanda çok iyi tribolojik özellikler göstermektedirler. Çinko alüminyum alaşımları son zamanlarda bronzun yerini almaya başlamıştır. [2] Çinko döküm alaşımları: ZA8, ZA12, ve ZA27 olarak sıralanabilir. Bu alaşımlar alüminyum esaslı alaşımlarla karşılaştırıldığında yüksek mukavemet, iyi işlenebilme ve yüksek aşınma dayanımı gibi özelliklere sahiptir. ZA27 alaşımları, rulman uygulamalarında bronz rulmanların yerini almıştır. [3]. ZA27 alaşımları çok iyi aşınma dayanımı ve sönümleme kapasitesinden dolayı pek çok sanayide tercih edilmektedir[4]. Zn esalı metal matrisli kompozitlerin tribolojik özellikleri araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Zn-Al esaslı kompozitler üzerine çalışmalar yapan araştırmacılara göre takviye elemanlarının aşınma dayanımını iyileştirdiği gözlemlenmiştir. [5,6] Zn Al esaslı kompozitler genellikle SiC, Al2O3 gibi sert seramik partikülleri ile takviye edilerek aşınma
dayanımlarında artış gözlenmiştir. [7-9]
Bu çalışmada Zn-Al esaslı kompozitler; Gr ve B4C ile takviye edilmiş ve bu kompozitlerin,
mikro yapı, yoğunluk, sertlik ve aşınma davranışları incelenmiştir.
2. DENEYSEL ÇALIŞMA
ZA27, nano Gr ve B4C tozları başlangıç malzemesi olarakta kullanılmıştır. ZA27 alaşımının
kimyasal kompozisyonu % 27.2Al, %2.01 Cu, %0.02 Mg, kalanı Zn. Takviye malzemeleri ile ZA27 tozları (Retsch PM 100) gezegen tipi bilyalı öğütücüde 15 dk süre ile argon atmosferinde karıştırılmıştır. Hazırlanan toz karışımları ilk olarak çelik kalıp içerisine yerleştirilip 500 MPa ve 430 °C de 3 saat sıcak preslenmeye tabi tutulmuştur. Çinko strearad kalıp yağlayıcısı olaraktan kullanılmıştır. Mikro yapı incelemesi için kalıba alınan kompozit numunelerin yüzeyi sırasıyla 400, 800 ve 1200 lük zımparalanmıştır. Kompozitlerin mikro yapı incelemelerinde SEM kullanılmıştır. Numunelerin yoğunlukları arşimet metodu kullanılaraktan belirlenmiştir. Brinell Sertlik ölçümleri 31,25 kgf yük altında ve en az 6 ölçüm yapılarak gerçekleştirilmiştir. Aşınma dayanım testlerinde ball on disk aşınma düzeneği kullanılmıştır aşınma testi öncesinde her bir numunenin yüzey pürüzlülüğü 0.4 µm ölçülmüştür. Aşındırıcı olaraktan 10 mm çapında H11 sıcak iş takım çeliğinden olan bilyeler kullanılmıştır. Aşınma testleri 1 ve 5 N yüklerde, 48 ve 96 dk süreyle ve 100rpm hızda gerçekleştirilmiştir.
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR 3.1. Porozite ve sertlik
miktarının artması ile azalmıştır. Gr miktarı %0,5 ten % 3 e artığında yoğunluklarında çok az bir azalış görülmüştür. %5 gr takviyesi ile porozite miktarında önemli bir artış görülmüştür.
Şekil 1. ZA 27 alaşımı ve kompozitlerin porozite oranları(%)
Şekil 2’de kompozitlerin ve matris malzemesinin sertlik değerleri verilmiştir. B4C miktarı %1
olduğunda sertlik değerinde ani bir düşüş gözlenmiştir. Sertlik değeri 130 HB den 119 HB ye düşmüştür. ZA27-B4C-Gr kompozitlerin sertlik değeri porozite miktarının artması ile azalmış olup, en düşük sertlik değeri ZA27-%1B4C-%5Gr kompozitlerde elde edilmiştir. Artan Gr miktarı ile birlikte aglomerasyonun artması ile bu durum açıklanmaktadır.
Şekil 2. ZA27 alaşımı ve kompozitlerin sertlik değerleri (BSD) 3.2. Aşınma
Şekil 3 ve Şekil 4 sırası ile nano B4C ve nano gr miktarının kompozitlerin aşınma dayanımı
miktarını göstermektedir. Gr miktarı %3 e kadar artığında ağırlık kaybında azalma gözlenmiştir. Bu durum nano Gr nin kendi kendine yağlayıcı etki göstermesiyle açıklanabilir. Halbuki ZA 27-1wt.%B4C–5wt. %Gr kompoziti diğer kompozitlerden daha yüksek gr
içermesine rağmen en yüksek aşınma oranına sahiptir. Bunun sebebi olaraktan ZA27 alaşım matrisi ile B C ve Gr takviyesi arasında bağlanma dayanımında önemli bir azalma
0 2 4 6 8 10 12 P or o zit e %
Porozite Oranı (%)
0 20 40 60 80 100 120 140 BSDBrinell Sertlik
görülmesidir. Uygulan yük 1 den 5 N ye çıktığında bu kompozitlerin aşınma durumu değişmemiştir. Şekil 4’de görüldüğü gibi abraziv ve adheziv aşınma mekanizmasının her iki durumunda söz konusudur.
Şekil 3. ZA27 Alaşım ve kompozitlerinin aşınma sonrası ağırlık kayıpları 0 2 4 6 8 10 12 14
AĞIRLIK KAYIPLARI (mgr)
İlk Ağırlık (gr) 1N -96 dk 5N- 48 dk3. Sonuç
Bu çalışmada nano B4C ve nano Gr takviye edilmiş ZA27 alaşım matris kompozitleri toz
metalurjisi yöntemi ile üretilmiştir.Bu çalışmanın sonucu olarak;
1- ZA 27 nin sertliği 130 HB iken ZA 27 /%1 B4C ün sertliği 119 HB olarak ölçülmüştür.
2- Gr takviyesinin artması ile kompozitlerin sertliğinin düştüğü görülmüştür.
3- ZA 27 /B4C – Gr kompozitin aşınma dayanımına yükün ve Gr miktarının etkileri detaylı
olarak analiz edilmiştir. Ağırlık kaybı Gr miktarının artmasıyla azalmıştır. Bu kompozitlerde adeziv ve abresiv aşınmanın her ikiside gözlemlenmiştir.
Referanslar
1.Ranganath G, Sharma SC, Krishna M. Dry sliding wear of garnet reinforced zinc/aluminium metal matrix composites. Wear 2001;251:1408–13
2. K.J Altorfer Zinc alloys compete with bronze in bearing and bushings Metal Progr. (1982), pp. 29–31 November 3.Smith, W., Structures and properties of engineering alloys. McGraw Hill, New York, 1993, 2nd edition, pp. 561-566
4.W. Weaver, S.P. Timoshenko, D.H. Young, Vibration Problems in Engineering, Wiley, New York, 1990, p. 140.
5. SC. Sharma , B.M. Girish, Rathnakar Kamath, B.M. Satish, Graphite particles reinforced ZA-27 alloy composite materials for journal bearing application, wear, 219(1998)162-168.
6. B.M. Girisha, K.R. Prakasha, B.M. Satisha, P.K. Jainb, Kameshwary Devi, Need for optimization of graphite particle reinforcement in ZA-27 alloy composites for tribological applications. Materials Science and Engineering A 530 (2011) 382–388.
7. B.K. Prasad Investigation into sliding wear performance of zinc-based alloy reinforced with SiC particles in dry and lubricated conditions Wear, 262 (2007), pp. 262–273
8. O.P. Modi, P. Rathod, S. Prasad, A.K. Dixit The influence of alumina particle dispersion and test parameters on dry sliding wear behaviour of zinc-based alloy Tribol. Int, 40 (2007), pp. 1137–1146