Makale: Farklı Sürelerde İndüksiyonla Sinterlenen Demir Esaslı Toz Metal Burçların Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi / Investigation of Mechanical Properties of Induction Sintered Fe Based Metal Bushings Which Were Sintered at Different Times

(1)

MAKALE

Cilt: 55 Sayı: 649 Mühendis ve Makina

31 INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF INDUCTION

SINTERED FE BASED METAL BUSHINGS WHICH WERE SINTERED AT

DIFFERENT TIMES

Göksan Akpınar Yrd.Doç.Dr.,

Celal Bayar Üniversitesi, Turgutlu Teknoloji Fakültesi, Turgutlu, Manisa goksan.akpinar@cbu.edu.tr Can Çivi *

Araş. Gör.,

Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye, Manisa can.civi@cbu.edu.tr Enver Atik Prof.Dr.,

Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye, Manisa enver.atik@cbu.edu.tr

FARKLI SÜRELERDE İNDÜKSİYONLA SİNTERLENEN

DEMİR ESASLI TOZ METAL BURÇLARIN MEKANİK

ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

ÖZET

Toz metal parçaların indüksiyonla sinterleme işlemi, klasik fırındaki sinterleme işlemine göre büyük bir zaman ve enerji tasarrufu sağlamaktadır. Bu çalışmada demir esaslı toz metal burçlara 8.4 dakika ve 15 dakika olmak üzere iki farklı sürede indüksiyonla sinterleme işlemi yapılmıştır. Farklı süre-lerde indüksiyonla sinterlenmiş toz metal burçların mekanik özellikleri deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda numunelerin basma dayanımları göz önüne alınmıştır. Nümerik çalışmalarda ise numuneler gerçek boyutlarında modellenerek basma dayanımları incelenmiştir. Ayrı-ca, numunelerin gerçek mikroyapı fotoğraflarından elde edilen mikro resimleri nümerik olarak model-lenerek iç yapılarında oluşan mikro gerilmeler incelenmiştir ve gözenekler çevresinde oluşan mikro gerilmelerin gözenek boyutuna, şekline, miktarına ve dağılımına bağlı olarak değiştiği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Toz metalürjisi, indüksiyonla sinterleme, mikro-gerilme.

ABSTRACT

Induction sintering of powder metal parts, according to conventional sintering furnace provides a great saving of time and energy. In this study, iron-based powder metal bushings 8.4 minutes and for 15 minutes for induction sintering procedures were performed in two different times. The mechani-cal properties of the induction sintered powder metal bushings were investigated experimentally and numerically for different durations. Compression strength of the samples were taken into account in experimental studies. Numerical studies, however, the actual size of the samples compression strength of modeled and analyzed. In addition, the actual microstructure of the samples obtained from micro-photographs of the interior construction of micro-stresses are modeled numerically studied. The mic-ro-stresses formed around the micro-pores were observed which depending on changes with the pore size, the shape, the amount and distribution.

Keywords: Powder metallurgy, induction sintering, micro-strain.

*_{İletişim yazarı}

Geliş tarihi : 21.01.2014 Kabul tarihi : 14.02.2014

Akpınar, G., Çivi, C., Atik, E. 2014. “Farklı Sürelerde İndüksiyonla Sinterlenen Demir Esaslı Toz Metal Burçların Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi,” Mühendis ve Makina, cilt 55, sayı 649, s. 31-37.

(2)

Cilt: 55

Sayı: 649

32

Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina

33

Cilt: 55Sayı: 649

Farklı Sürelerde İndüksiyonla Sinterlenen Demir Esaslı Toz Metal Burçların Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi Göksan Akpınar, Can Çivi, Enver Atik

2.1 Basma Testi

Sinterlenen burçların mukavemetlerini karşılaştırmak amacı ile burçlara basma testi uygulanmıştır.

İndüksiyonla sinterleme düzeneğinde sinterlenen burçlar, seri üretime uygun olarak konveyör bantlı sistemde 36 mm çapında silindirik bobinde, ısıya dayanıklı camın içerisinde atmosfer ortamında sinterlenmiştir. 1120 o_{C sabit sinterleme}

sıcaklığı lazerli pirometre ile okunmuş ve sinterleme sıcaklığı sürekli olarak sabit tutulmuştur. Sinterlenen toz metal burçla-ra Autogburçla-raph Shimadzu AG-IS 100 kN universal test cihazın-da alıncihazın-dan basma testi uygulanmış ve burçların mikroyapıları incelenmiştir. Alından uygulanan basma testinin şematik gö-rünüşü Şekil 3'te verilmektedir.

Basma deneyi sonuçları, gerçek boyutlarında modellenen

Şekil 3. Sinterlenen Burçlara Uygulanan Basma Testinin Şematik Görüntüsü

Şekil 4. Burç Nümerik Çözümü

Şekil 5. Deneysel ve Nümerik Basma Dayanımları (MPa)

1. GİRİŞ

T

oz metalurjisi, metal tozları ve tozlardan kütlesel mal-zeme ve şekillendirilmiş parça üretmenin bilim ve teknolojisidir [1]. Toz metalurjisi ile malzeme üretim yöntemi düşük enerji maliyeti, malzemeden maksimum dü-zeyde faydalanabilme ve düşük üretim masrafları nedeniyle giderek önem kazanmakta ve geleneksel metal şekillendir-me yöntemlerinin yerini almaktadır [2]. Toz şekillendir-metalurjisi tek-nolojileri parçacıkları üretir, bunların özelliklerini kontrol eder, istenilen şekillere sıkıştırır ve belirli bir sıcaklığa ısıtıp parçacıklar arasında bağ oluşturarak güçlü bir ürüne dönüş-türür. Şekillendirmenin önemi, kalıp boşluğunun defalarca kullanıldığı seri üretime uygun olmasıdır. Bu sayede parça ba-şına maliyetler düşer. Ürünlerin pek çoğu özgün mikroyapı ve performans özelliklerine sahip olduğundan kullanım imkanı bulur [1]. Toz metalurjisi yönteminde, uygun bileşime sahip toz karışımları ilk aşama olarak kalıp içerisinde preslenmek-tedir. Presleme ile toz taneleri yakınlaşır ve sinterleme işlemi ile tozların arasındaki boşluklar azalarak yoğunluk artışı ger-çekleşir. Sinterleme geleneksel olarak sinterleme fırınlarında gerçekleştirilir. Bunun yanı sıra hızlı sinterleme yöntemleri geleneksel sinterlemeye önemli bir alternatiftir. İndüksiyon-la sinterleme, mikrodalga ile sinterleme, pİndüksiyon-lazma sinterleme, lazer sinterleme, deşarj sinterleme, hızlı sinterleme yöntem-leridir [3].

İndüksiyon sisteminin en önemli özelliği ısı doğrudan parça-da oluştuğu için hızlı ısınmanın gerçekleşmesidir. Genel ola-rak malzemelerin yüzeylerini ısıtmakta kullanılır [4]. Frekans ne kadar yüksek olursa indüksiyon akımları yüzeye o kadar yakın bölgede cereyan eder [5]. Isı transferi, diğer ısıtma sis-temlerinden 3000 kez daha iyidir [4]. Bu da ısınma işleminin çok daha hızlı tamamlanmasını, bu süre için harcanan zama-nın azalmasını ve dolayısıyla sinterleme süresinin kısalmasını sağlar.

Sinterlenmiş malzemeler tipik olarak sinterleme sonrasında kalan ve bu malzemelerin mekanik özelliklerini oldukça etki-leyen gözeneklilik ile karakterize edilir [6]. Gözenek miktarı ve malzeme yoğunluğu, sinterleme sıcaklığı ve süresi, alaşım ilaveleri ve başlangıçtaki tozların parçacık boyutu gibi çeşitli işlem değişkenleri tarafından kontrol edilir [6-7].

Bu çalışmada farklı iki sürede indüksiyonla sinterlenen toz metal numunelere basma testi uygulanmış ve mikroyapı fo-toğrafları çekilip sonlu elemanlar ve görüntü işleme tekniği kullanılarak numune mukavemetine sinterleme süresinin ve sinterleme yönteminin etkileri incelenmiştir. Görüntü işleme ve sonlu elemanlar yöntemi ile bulunan teorik mukavemet değerleri ile basma testinde elde edilen gerçek değerler kar-şılaştırılmıştır.

2. MATERYAL VE METOT

Bu çalışmada, %2 Cu % 0,6 Grafit ve yağlayıcı olarak %1 Çinko Stereat içeren Högenas ASC 100.29 demir tozu kulla-nılmıştır. Toz Metal A.Ş. tarafından üretilen toz metal burçlar, Şekil 1'de görülen indüksiyonla sinterleme düzeneğinde at-mosfer ortamında 8,4 ve 15 dakika sürelerle 1120°C’de sin-terlenmiştir.

Şekil 2’de sinterlenen burçların ölçüleri görülmektedir. İndüksiyonla sinterleme düzeneğinde sinterlenen burçlar, seri üretime uygun olarak konveyör bantlı sistemde 36 mm çapın-da silindirik bobinde, ısıya çapın-dayanıklı camın içerisinde sinter-lenmiştir. 1120 °C sabit sinterleme sıcaklığı lazerli pirometre ile okunmuş ve sinterleme sıcaklığı sürekli olarak sabit tu-tulmuştur. Sinterlenen toz metal burçlara alından basma testi uygulanmış ve burçların mikroyapıları incelenmiştir.

Demir Tozu Elek Analizi [%]

ASC 100.29 < 45 μm 45 ÷ 150 μm 150 ÷ 180 μm > 180 μm

23 69 8 0

Tablo 1. ASC 100.29 Toz Boyut Analizi [%] [8]

Şekil 2. Sinterlenen Burçların Ölçüleri Şekil 1. İndüksiyonla Sinterleme Düzeneği

Konveyör Bant

İndüksiyon Cihazı

Hidrojen Azot karışımının olduğu tüp Bakır Boru

(3)

Cilt: 55

Sayı: 649

34

35

Cilt: 55Sayı: 649

b)

c)

Şekil 9. b) 15 Dakika İndüksiyonla Sinterlenmiş Numunenin Basma Dayanımı Nümerik Çözümü (Mpa)

Şekil 9. c) 8.4 Dakika İndüksiyonla Sinterlenmiş Numunenin Toplam Yer Değiştirme Miktarı

Şekil 6. İndüksiyonla 8,4 Dakika Sinterlenmiş Burcun Mikroyapı Görüntüsü

Şekil 7. İndüksiyonla 15 Dakika Sinterlenmiş Burcun Mikroyapı

Görüntüsü

burçların nümerik sonuçları karşılaştırılmıştır. Nümerik çö-züm ve bulgular Şekil 4 ve 5'te verilmiştir.

2.2 Mikroyapı İncelemesi

Sinterlenen burçların yüzeyleri zımparalandıktan sonra alü-mina ile parlatılıp %3’lük Nital çözeltisi alın yüzeyinden dağ-lanarak metalografi incelemesi yapılmıştır. Metalografi fotoğ-rafları Şekil 6 ve 7’de görülmektedir.

2.3 Mikroyapı Fotoğraflarının Görüntü İşleme ve FEM İncelemesi

Numunelerin 40 µm boyutlarındaki mikroyapı görüntüleri, gö-rüntü işleme tekniği ile işlenmiş ve sonlu elemanlar yöntemi ile numunelere basma gerilmeleri etki ettirilip numune üzerin-deki gerilme değerleri elde edilmiştir. Nümerik çalışmada, içe-risinde %0,6 Grafit içeren çeliğin mekanik özellikleri dikkate alınarak çözüm yapılmıştır. Tablo 2'de malzemenin mekanik

Şekil 8. Toz Metal Burçun Gerçek Mikroyapı Fotoğrafının Sınır Şartları

a)

(4)

Cilt: 55

Sayı: 649

36

37

Cilt: 55Sayı: 649

Yapılan çalışmada numunelerin iç yapılarındaki gözenekler çevresinde oluşan maksimum basma gerilmesi 2201.3 MPa olarak 15 dakika indüksiyonla sinterlenen numunede görül-müştür. 15 dakika sinterlenen numunenin yoğunluğunun faz-la olmasına karşın iç gerilmesinin yüksek oluşu gözeneklerin büyük ve düzensiz oluşundan kaynaklanmıştır.

Deformasyonlara bakıldığında 8.4 dakika sinterlenen numu-nede daha homojen bir deformasyon görülmüştür. Bunun se-bebininse, daha küçük ve düzenli gözeneklerin homojen de-formasyona katkı sağlamış olduğu düşünülmektedir.

4. SONUÇLAR

Bu çalışmada toz metalurjisi ile üretilen burçlar farklı iki sü-rede (8.4 dk. ve 15 dk.), indüksiyonla sinterleme düzeneğin-de sinterlenmiştir. Sinterlenen burçların mekanik özellikleri deneysel olarak basma testi ve nümerik olarak incelenmiştir. Ayrıca sinterlenen numunelere mikroyapı incelemesi yapıl-mış ve mikroyapı fotoğrafları nümerik olarak modellenerek iç boşluklarda oluşan gerilmelere nelerin etkilediği saptanmaya çalışılmıştır. Sinterlenen burçların mekanik özellikleri olarak sonlu elemanlar analiz sonuçları ve deneysel sonuçlar ile kar-şılaştırılmıştır. Yapılan inceleme sonucunda bulk ve porozlu numuneler arasında oldukça farklı sonuçlar elde edilmiştir; • Numunelere yapılan basma deneyi sonucunda;

indüksi-yonla 8,4 dakika sinterlenen numunelerde 1063.2 MPa, indüksiyonla 15 dakika sinterlenen numunelerde 2201.3 MPa maksimum gerilme değerleri elde edilmiştir. Bu sonu-ca göre toz metal parçalarda yoğunluk, yükleme durumuna göre mekanik özelliklere tek başına etki etmemektedir, iç yapı boşluklarının şekli ve miktarı da çok önemli olduğu saptanmıştır.

• Şekil 5'te görüldüğü gibi parça bütününde sinterleme süresi artıkça malzemelerin basma mukavemeti artış göstermiştir. • İndüksiyonla sinterlenen numunelerin görüntü işleme tek-niği yardımı ile yapılan sonlu elemanlar analizlerine bakıl-dığında; indüksiyonla sinterleme süresi artırıldıkça, mikro yapıdaki gözeneklerin azaldığı ancak, mikroyapıda daha düzensiz ve büyük gözeneklerin kaldığı görülmüştür. Bu düzensiz gözenekleri daha düzenli hale getirebilmek için indüksiyonla sinterleme süresi daha da artırılabileceği gibi,

frekans akım değerlerinin değiştirilmesi veya toz partikül şekillerinin yuvarlak eş eksenli hale getirilmesi ile de çözü-lebileceği düşünülmektedir.

• İç yapı fotoğraflarının FEM sonuçlarına bakıldığında, daha küçük ve düzenli gözeneklerin iç yapıda daha düzenli bir deformasyon ve daha makul gerilme oluşturduğu gözlen-miştir (Şekil 9). Bu nedenle mikro stres ve mikro defor-masyonlar yükleme durumunun yanı sıra, gözenek şekli ve yoğunluğuna bağlı olduğu görülmüştür.

KAYNAKLAR

1. Randall, M.G., Editörler; Sarıtaş, S., Türker, M., Durlu,

N. 2007. “Toz Metalurjisi ve Parçacıklı Malzeme İşlemleri,”

p. 2-9, 143, 233-273, 279-296, TMMD, Ankara.

2. Schatt, W., Wieters, K. P. 1997. “Powder Metallurgy”

Euro-pean Powder Metallurgy Association.

3. Atik, E., Çavdar, U. 2011. “Geleneksel ve Hızlı Sinterleme

Yöntemleri,” CBÜ Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bi-limler, cilt 1, sayı:15.

4. Randall, M.G. 1996. Sintering Theory and Practice, The

Pennsylvania State University Park, Pennsylvania, A Wi-ley- Interscience Publication, Jon Wiley&Sons,INC, USA, PP313-362,373-400,403-420.

5. Demirci, A. H. 2004. Mühendislik Malzemeleri- Önemli

En-düstriyel Malzemeler ve Isıl İşlemleri, Aktüel Yayınları. 6. Chawla, N., Deng, X. 2005. “Microstructure and

Mechani-cal Behavior of Porous Sintered Steels,” Materials Science and Engineering, A 390, p. 98–112.

7. Salak, A. 1997. “Ferrous Powder Metallurgy,” Cambridge International Science Publishing, Cambridge.

8. Widanka, K. 2008. “Effect of Compacting Pressure on

In-terconnected Porosity in Iron Pm Compacts,” Powder Metal-lurgy Progress, vol.8, no. 1, p. 63-70.

9. Ramakrishnan, N., Arunachalam, V.S. 1993. “Effective Elastic Moduli of Ceramic Materials," J. Am. Ceram. Soc. 76, p. 2745.

10. Vedula, K.M., Heckel, R.W. 1981. “Modern Developments

in Powder Metallurgy,” Metal Powder Industries Federation, Princeton, USA.

Numune (imaj analizi) Porozite (%) Yoğunluk (kg/m³) Maksimum Stres Gözenek Çevresi (MPa) Minimum Stres Gözenek Çevresi (MPa) Toplam Yerdeğiştirme (µm) Youngs Modülü (GPa) 8.4 dk. Sinterlenen Numune 3.5411 7270 580.1 -1063.2 1.62 185.684 15 dk. Sinterlenen Numune 3.1846 7352 748.9 -2201.3 2.22 187.077 Bulk Numune 0 7860 -129.2 -268.3 1.18 200.000

Tablo 2. İmaj Analizinde Elde Edilen Porozite, Maksimum ve Minimum Gerilmeler ve Toplam Yerdeğiştirme Değerleri

d)

Şekil 9. d) 15 Dakika İndüksiyonla Sinterlenmiş Numunenin Toplam Yer Değiştirme Miktarı

özellikleri verilmiştir. Numuneler üzerinde 1-yönünde etki eden statik basma kuvvetinin iç boşluklarda oluşturduğu mak-simum ve minimum mikro gerilmeler bulunmuş ve numune-ler arasında karşılaştırılmıştır. Şekil 8 ve 9'da sonlu elemanlar yöntemi sınır şartları ve sonuçları yer almaktadır.

3. DENEYSEL SONUÇLAR VE

TARTIŞMA

Bir malzemenin porozitesinin Young modülünü düşürdüğü iyi bilinmektedir [7]. Bu çalışmada porozitenin Young modülü-ne etkisini gösteren Ramakrishnan and Arunachalam (R–A) yaklaşımı kullanılmıştır [9]. Denklemde malzemenin Young modülü E, porozitesi p, olarak verilmiştir:

E=E0. [ (1-p)² / (1+ κEp)] (1) Burada E0 tam yoğunluktaki çeliğin Young modülüdür (yak-laşık 200 GPa), ve κE tam yoğunluktaki malzemenin Poisson oranı sabitidir, ν0 is Poisson oranını ifade eder:

κE = 2 − 3ν0 (2) Tam yoğunluktaki bir çeliğin Poisson oranı yaklaşık olarak 0.3'tür. Ramakrishnan and Arunachalam yaklaşımı ile, göze-nekli malzemelerin Young modüllerini sonlu elemanlar yönte-mi ile karşılaştırılmasına olanak sağlamaktadır [10]. Burçların yoğunlukları, Young modülleri, gözenek çevresinde oluşan maksimum ve minimum gerilmeleri Tablo 2'de verilmiştir.

Bu çalışmada 8.4 dakika ve 15 dakika indüksiyonla sinter-lenen numunelerin iç yapıdaki gözenekler çevresinde oluşan basma dayanım değerleri sonlu elemanlar metodu ile çözül-meye çalışılmıştır. Şekil 8'de gerçek mikroyapının tek eksenli yükleme sınır şartları ve mesh görüntüsü verilmiştir. Mesh için üçgen örgü modeli uygun görülmüştür ve gözenek çev-relerinde daha sık mesh atılmıştır. Doğru sonuçlar elde etmek için bütün bir iç yapı fotoğrafı kullanılmıştır. Burada sunulan 2 boyutlu analizde gözenekler çevresinde lokalize plastik ge-rilme ve şekil değiştirmeler gösterilmiştir. Sinterlenen numu-nelerin porozite, gözenek çevresinde bulunan maksimum ve minimum basma dayanımı, Young modülü, toplam yer değiş-tirme değerleri Tablo 2'de verilmiştir.

Numunelerin iç yapılarındaki gözenekler çevresinde oluşan normal basma gerilmesi ve deformasyon değerleri Şekil 9'da verilmiştir. Bu şekillerden görülebileceği gibi iç yapıdaki gö-zenekler homojen olmayan deformasyonlara sebebiyet ver-miştir. Ayrıca gözenek çevrelerinde gerilme yığılmaları olduğu görülmüştür. Bu da iç yapıda ne kadar fazla düzensiz göze-nek oluşmuşsa, malzemenin o kadar hızlı hasara uğrayacağını göstermektedir. Düzgün bir deformasyonun gözenek şekline ve dağılımına bağlı olduğu görülmektedir. Vedula ve Heckel mikroyapı içerisinde düz ve köşeli gözeneklerin hasar meka-nizmalarını araştırmışlardır. Gözenekler çevresinde lokal kay-ma bantlarını gözlemlemişler ve açısal gözenekler çevresinde kararsız iç gerilmeler oluştuğunu görmüşlerdir [10].