Al MATRSL -S3N4 TAKVYEL KOMPOZT MALZEME

RETM VE LENEBLRLNN

KARAKTERZASYONU

Ersin BAHEC

YKSEK LSANS TEZ

METAL ETM

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

EYLL 2006

ANKARA

Ersin BAHEC tarafndan hazrlanan Al MATRSL -S3N4 TAKVYEL

KOMPOZT MALZEME RETM VE LENEBLRLNN

KARAKTERZASYONU adl bu tezin Yksek Lisans tezi olarak uygun olduunu

onaylarm.

Do. Dr. Yusuf ZATALBA

Tez Yneticisi

Bu alma, jrimiz tarafndan oy birlii / oy okluu ile Metal Eitimi Anabilim

Dalnda Yksek lisans/Doktora tezi olarak kabul edilmitir.

Bakan : : Prof. Dr. Mahmut GLESN

ye : Do. Dr. Halil ARIK

ye : Do. Dr. Yusuf ZATALBA

Tarih : 22/09/2006

Bu tez, Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits tez yazm kurallarna uygundur.

TEZ BLDRM

Tez iindeki btn bilgilerin etik davran ve akademik kurallar erevesinde elde

edilerek sunulduunu, ayrca tez yazm kurallarna uygun olarak hazrlanan bu

almada orijinal olmayan her trl kaynaa eksiksiz atf yapldn bildiririm.

Ersin BAHEC

iv

Al MATRSL -Si3N4 TAKVYEL KOMPOZT MALZEME RETM VE

LENEBLRLNN KARAKTERZASYONU

(Yksek Lisans Tezi)

Ersin BAHEC

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

Eyll 2006

ZET

Bu almada, toz metalurjisi yntemiyle Al matrisli parack takviyeli malzeme

(MMKp) retimi ve ilenebilirlik zelliklerinin aratrlmas amalanmtr. Gaz

atomize yntemiyle retilmi Al tozu ile arlka % 5, % 10 ve % 15

oranlarnda -Si3N4 seramik parack takviye eleman, bilyal atritrde 1 saat

kartrlmtr. Karm tozlar, apraz krlma numuneleri (KN) ve

ilenebilirlik numuneleri retmek iin 800 MPa basnta preslenmitir.

Preslenen numuneler 650 oC scaklkta 2 saat sreyle N2 atmosferi altnda

sinterlenmitir. Sinterlenmi KN lerinin mekanik zellikleri belirlenmi ve

metalografik incelemeler yaplmtr. lenebilirlik deneyleri PCD ve K10 kesici

takmlarla, farkl kesme hzlarnda kuru tornalama ilemiyle yaplmtr.

lenebilirlik, tala kk incelemeleri, kesme kuvvetleri, yzey przll ve

tala tipleriyle karakterize edilmitir. Takviye miktarndaki artla apraz

krlma dayanmnda azalma, sertlikte ise art gzlenmitir. En yksek apraz

krlma dayanm % 10 seramik takviye ieren MMK malzemelerde

belirlenmitir. MMK malzemelerin -Si3N4 oran artka yzey kalitesinin

iyiletii ve tornalama kuvvetlerinin azald gzlenmitir.

v

PCD takmla ilemede, minimum yzey przll ve minimum tornalama

kuvvetleri belirlenmitir. Alminyum matrisin K10 takma yapma eilimi,

ar ynt tala (YT) oluumuna ve dolaysyla kt yzey kalitesine sebep

olmutur.

Bilim Kodu : 710 Anahtar Kelimeler :Toz metalurjisi (TM), Metal matrisli kompozit (MMK),

lenebilirlik, PCD, K10, S3N4 Sayfa Adedi : 131 Tez Yneticisi : Do. Dr. Yusuf ZATALBA

vi

PRODUCTION OF Al BASED COMPOSITE REINFORCED WITH -Si3N4 AND CARACTERIZATION OF ITS MACHINABILITY PROPERTIES

(M.Sc. Thesis)

Ersin BAHEC

GAZI UNIVERSITY

INSTUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

September 2006

ABSTRACT

The aims of this study, are to produce Al based composite reinforced with

particulate (MMCp) by powder metallurgy technique and to investigate its

machinability properties. Al powders and 5, 10 and 15% weight ratios of -

Si3N4 particulates were mixed in an attritor for one hour. To produce transverse

rupture test and machinability test block samples, the mixed powders were

compacted at 800 MPa. Compacted block samples were sintered at 650 oC for 2

hours in N2 atmosphere. Mechanical properties and microstructure of sintered

samples have been investigated. Machinability tests were carried out by dry

turning with PCD and K10 tools at different cutting speeds. Machinability has

been characterized with turning forces, surface roughness, chip types and chip

formation. By increasing the percentage of Si3N4 weight ratio, transverse

rupture strength (TRS) decreased and the hardness of MMC samples increased.

The highest TRS value was observed for the MMCp including 10% ceramic

reinforcing materials. It was determined that the machined surface roughness

and turning forces of MMCp decreased with increasing -Si3N4 ratio.

vii

During the machining of MMCp with PCD tool, minimum surface roughness

and minimum turning forces formed. Adhering tendency of Al matrix to the

K10 tool caused excessive built-up edge formation and poor surface quality.

Science Code : 710 Key Words : Metal matrix composite (MMC), Powder metallurgy (P/M),

Machinability, PCD, K10, Si3N4 Page Number : 131 Adviser : Assoc. Prof. Yusuf ZATALBA

viii

TEEKKR

almalarm boyunca byk yardm ve katklaryla beni bilgi ve tecrbeleriyle

ynlendiren deerli hocam Do. Dr. Yusuf ZATALBA a teekkr bir bor

bilirim.

almalarmda kymetli tecrbelerinden ve bilgilerinden faydalandm hocalarm

Prof. Dr. Mehmet TRKER ve Do. Dr. Halil ARIK a, ayrca ilenebilirlik

almalarmda yardmlarn esirgemeyen Ar. Gr. Mustafa GNAY a, yine

metalografik almalarda bana yardm eden Ar. Gr. Volkan KILILI ya, beni

hibir zaman yalnz brakmayan ok deerli arkadalarm smail OVALI ve Yaar

AKAR a teekkr bir bor bilirim.

Beni bugne kadar yetitiren ve maddi manevi hibir desteini esirgemeyen bata

babam Mithat BAHEC ve annem Nazire BAHEC ye, ayrca yaplan

almalarmda her trl yardm esirgemeyen abim bilgisayar sistemleri retmeni

Ersen BAHEC ye, yine kardeim Ceylan BAHEC ye teekkr bir bor

bilirim.

ix

NDEKLER

Sayfa ZET .......................................................................................................................... iv ABSTRACT................................................................................................................ vi TEEKKR..................................................................................................... viii NDEKLER ........................................................................................................... ix ZELGELERN LSTES ....................................................................................... xiii EKLLERN LSTES ............................................................................................ xiv RESMLERN LSTES ......................................................................................... xviii SMGELER VE KISALTMALAR........................................................................... xix 1. GR ....................................................................................................................... 1 2. TOZ METALURJS ............................................................................................... 4

2.1. Metal Tozlarnn retim Yntemleri ............................................................... 5

2.1.1. Mekanik yntemler ................................................................................ 5 2.1.2. Elektroliz yolu ile retim........................................................................ 7 2.1.3. Kimyasal yntemler ............................................................................... 7 2.1.4. Atomizasyon yntemleri ........................................................................ 9

2.2. Metal Tozlarn Presleme ...............................................................................13

2.2.1. Presleme ncesi tozlarn kartrlmas.................................................15 2.2.2. Yksek enerjili atritrde kartrma ilemi...........................................15 2.2.3. Sktrma yntemleri ...........................................................................16

2.3. Metal Tozlarnn Sinterlenmesi ......................................................................19

2.3.1. Sinterleme teorisi..................................................................................20 2.3.2. Sinterleme atmosferleri ve etkileri .......................................................24

x

Sayfa 3. KOMPOZT MALZEMELER...............................................................................26

3.1. Metal Matrisli Kompozitler(MMK) ...............................................................27

3.1.1. Matris malzemeleri ve zellikleri.........................................................31 3.1.2. Takviye malzemeleri ve zellikleri......................................................34

3.2. Metal Matrisli Kompozit eitleri .................................................................39

3.2.1. Parack takviyeli kompozit .................................................................39 3.2.2. Srekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler.......................................41 3.2.3. Ksa elyaf takviyeli kompozit malzemeler...........................................43 3.2.4. Rasgele dzlemsel ynlendirilmi kompozitler ...................................44 3.2.5. Dalmla mukavemetlendirilmi kompozit malzemeler ......................44

3.3. Metal Matrisli Kompozitlerin retim Teknikleri...........................................45

3.3.1. Sv faz retim yntemleri....................................................................46 3.3.2. Kat retim yntemleri .........................................................................48

4. LENEBLRLK VE LENEBLRL ETKLEYEN FAKTRLER..........51

4.1. lenebilirlik....................................................................................................51

4.1.1. lenebilirliin llmesi......................................................................53

5. METAL KESME MEKAN ..............................................................................56

5.1. Tala Oluumu................................................................................................56 5.2. Tala Tipleri ...................................................................................................57

5.2.1. Srekli tala (Akma tala) ....................................................................58 5.2.2. Sreksiz tala (Kesintili tala) .............................................................59 5.2.3. Ynt tala (YT) (Bulit- Up Edge) (BUE) .........................................60

5.3. Tala ekilleri.................................................................................................61

xi

Sayfa 5.4. Kesme Kuvvetleri...........................................................................................61

5.4.1. Kesme kuvvetlerini etkileyen faktrler ................................................62

5.5. Yzey Przl ...........................................................................................65

5.5.1. deal yzey przl ..........................................................................66 5.5.2. Doal yzey przl ........................................................................67

5.6. Tala Kaldrmada Is Oluumu ve Scaklk Dalm.....................................68 5.7. Takm mr ve Anmas ..............................................................................71

5.7.1. Anma mekanizmalar.........................................................................71 5.7.2. Anma ekilleri....................................................................................76

6. TOZ METALURJ TEKNYLE RETLEN METAL MATRSL

KOMPOZT MALZEMELERN LENEBLRL.........................................79 7. DENEYSEL ALIMALAR ................................................................................83

7.1. Malzeme .........................................................................................................83 7.2. Numunelerin Hazrlanmas.............................................................................84

7.2.1. Yksek enerjili atritrde kartrma......................................................84 7.2.2. Karm tozlarn karakterizasyonu .......................................................85 7.2.3. Tozlarn preslenmesi ............................................................................85 7.2.4. Sinterleme.............................................................................................87 7.2.5. Younluk Hesaplamalar......................................................................88 7.2.6. Sertlik lmleri ...................................................................................89 7.2.7. apraz krlma deneyi ..........................................................................89

7.3. lenebilirlik Parametrelerinin Belirlenmesi ..................................................90

7.3.1. Kesici U ve Kater Seimi ...................................................................90

xii

Sayfa

7.3.2. Talal ileme deneyleri........................................................................92 7.3.3. Numunelerin balanmas......................................................................93 7.3.4. Kesme kuvvetleri lm.....................................................................93 7.3.5. Yzey przll lm ..................................................................94 7.3.6. Tala kklerinin hazrlanmas ve tala oluumunun incelenmesi ........94 7.3.7. Ynt tala faktrnn (r) belirlenmesi ..............................................95

7.4. Metalografik incelemeler ...............................................................................96

8. SONULAR VE TARTIMA ..............................................................................97

8.1. Malzeme .........................................................................................................97

8.1.1. Al ve Si3N4 boyut analizleri .................................................................97 8.1.2. Al ve mekanik kartrma sonras tozlarn biimi ............................. 101 8.1.3. Al ve MMK malzemelerin younluklar ........................................... 103 8.1.4. Al ve MMK malzemelerin zellikleri (sertlik ve apraz krlma

mukavemeti) ...................................................................................... 106 8.2. lenebilirlik zellikleri .............................................................................. 107

8.2.1. Al ve kompozit malzemede tala oluumu........................................ 107 8.2.2. Yzey przll ............................................................................ 112 8.2.3. Tornalama kuvvetleri ........................................................................ 115 8.2.4. Tala biimleri................................................................................... 119

9. SONULAR VE NERLER ............................................................................ 122 KAYNAKLAR ....................................................................................................... 124 ZGEM ............................................................................................................ 131

xiii

ZELGELERN LSTES

izelge Sayfa izelge 3.1. Kompozit malzemelerin uygulama alanlar ...........................................31 izelge 3.2. Kompozit retiminde kullanlan takviye malzemeleri ve

zellikleri ..............................................................................................36 izelge 3.3. Kompozitlerde kullanlan baz takviye elemanlarnn zellikleri..........37 izelge 5.1. Kesme kuvvetinin, tala as ve ilerleme miktaryla deiimi..............64 izelge 5.2. Tala asnn eitli malzemelere gre deiimi (yaklak

olarak) ...................................................................................................65 izelge 7.1. Matris malzemesi olarak kullanlan alminyum tozunun

zellikleri ..............................................................................................83 izelge 7.2. -Si3N4 seramik tozunun zellikleri ......................................................83 izelge 7.3. Kartrma artlar ..................................................................................84 izelge 7.4. Talal ileme parametreleri ve takm geometrisi ..................................92 izelge 8.1. Presleme sonras ham younluk ve sinterleme sonras younluklar .. 103 izelge 8.2. MMK malzemelerin apraz krlma mukavemetleri ve sertlik

deerleri ............................................................................................. 107

xiv

EKLLERN LSTES ekil Sayfa ekil 2.1. Elektroliz yolu ile retimin ematik gsterimi ............................................ 7 ekil 2.2. Atomizasyon tekniklerinin ematik gsterimi ...........................................11 ekil 2.3. Gaz atomizasyon nitesi ............................................................................12 ekil 2.4. Su atomizasyonu ilemi .............................................................................12 ekil 2.5. Tozlarn sktrlmasnda ilem sras .......................................................14 ekil 2.6. Yksek enerjili atritrn ematik grnm .............................................15 ekil 2.7. Bilyalar arasnda ezilen kompozit tozlarn ematik grnm..................16 ekil 2.8. Tek ynl sktrmada younluk dalm ve tek ynl kalbn

ematik gsterimi.......................................................................................17 ekil 2.9. ift ynl sktrmada younluk dalm ve ift ynl kalbn ematik

gsterimi ....................................................................................................18 ekil 2.10. zostatik sktrma...................................................................................19 ekil 2.11. Sinterleme esnasnda difzyon oluumu..................................................20 ekil 2.12. ki kresel paracn sinterleme profili ..................................................21 ekil 2.13 ift kre sinterleme modeli zerinde gsterilen malzeme transfer

mekanizmalar .......................................................................................22 ekil 2.14. Sinterleme aamalar ................................................................................23 ekil 3.1. Deiik malzeme snflarnn alma scaklklar ve mukavemet/

arlk oranlarna gre performans haritalar ..........................................29 ekil 3.2. Matrislerin scaklk ve younluk zellikleri ..............................................33 ekil 3.3. Parack takviyeli kompozit malzemenin ematik gsterimi.....................40 ekil 3.4. Srekli elyaf takviyeli kompozit malzemenin ematik gsterimi..............42 ekil 3.5. Ksa fiber takviyeli kompozit malzemenin ematik gsterimi ..................43

xv

ekil Sayfa ekil 3.6. Dalmla mukavemetlendirilmi kompozit malzemenin ematik

gsterimi..................................................................................................44 ekil 3.7. Toz metalurjisi teknii ile kompozit retimi ak emas ..........................49 ekil 5.1. Tala oluumunda kart modeli ve dik kesmenin ematik gsterimi. .........57 ekil 5.2. Tala tiplerinin ematik gsterimi..............................................................58 ekil 5.3. Tala ekilleri ve ilenebilirlik etkisi. ........................................................61

ekil 5.4. (a) Talal ilemde etki eden tala alma kuvveti ve kuvvet bileenleri. (b) Tornalamada i paras malzemesi iinde oluan akma alan ve i paras ile takm temas yzeyinde oluan kayma alan .............................62

ekil 5.5. Kesme kuvvetleri ve kesme parametreleri arasnda ilikiler.. ...................63 ekil 5.6. (a) tala derinliinin kesme kuvveti zerine etkisi, (b) tala asnn

kesme kuvveti zerine etkisi......................................................................64

ekil 5.7. Yuvarlak ulu bir takm iin yzey przlnn ideal modeli. ..............67 ekil 5.8. Dik kesme srasnda tala ve i paras arasndaki scaklk dalm.........69 ekil 5.9. Kesme hznn tala kaldrmada oluan s zerine etkisi (teorik). ............70 ekil 5.10. Tipik anma blgeleri ve temel yk faktrleri........................................72 ekil 5.11. Takm anma yzeyindeki gerilmelerin ematik gsterimi. ...................73 ekil 5.12. Metallerin ilenmesinde karlalan temel anma mekanizmalar.........74 ekil 5.13. Torna kaleminde anma ekilleri. ...........................................................77 ekil 7.1. Yksek enerjili atritrn ematik gsterimi...............................................81 ekil 7.2. apraz krlma numunelerinin preslemede kullanlan kalp ve zmbalar. .86 ekil 7.3. apraz krlma numunesinin preslenmesini gsteren ematik resim.. .......86 ekil 7.4. lenebilirlik numunelerinin preslemede kullanlan kalbn ekli ve

preslenmi numunenin n ve st grn................................................87 ekil 7.5. Sinterleme frnnn ematik gsterimi.......................................................88

xvi

ekil Sayfa ekil 7.6. apraz krlma test aparatnn ematik gsterimi.......................................90 ekil 7.7. Mekanik skmal K10 kesici ucun standart geometrisi ve lleri ...........91 ekil 7.8. Mekanik skmal PCD kesici ucun standart geometrisi ve lleri ...........91 ekil 7.9. Kater alar ve lleri..............................................................................92 ekil 7.10. Balama aparatna, retilen malzemelerin yerletirilmesi.......................93 ekil 7.11. Tala kk karmak iin kullanlan dzenek..........................................95 ekil 8.1. %99,9 saflktaki Al tozunun toz tane boyut dalm ...............................97 ekil 8.2. % 5 Si3N4 ieren kompozit tozunun toz tane boyut dalm ....................98 ekil 8.3. %10 Si3N4 ieren kompozit tozunun toz tene boyut dalm...................99 ekil 8.4. % 15 Si3N4 ieren kompozit tozunun toz tane boyut dalm............... 100 ekil 8.5. Al ve karm tozlarn toz tane boyutu ortalama deerleri..................... 100 ekil 8.6. Kesme hzna ve takm malzemesine bal tala ylma faktrndeki

deiim.................................................................................................... 111 ekil 8.7. Kesme hz ve takm malzemesinin yzey przllne etkisi ............ 113 ekil 8.8. Farkl kesme hzlarnda kesici takm malzemesi ve Si3N4 miktarnn

yzey przllne etkisi..................................................................... 114 ekil 8.9. Farkl kesme hzlarnda kesici takm malzemesi ve Si3N4 miktarnn

kesme kuvvetine etkisi............................................................................ 115

ekil 8.10. Farkl kesme hzlarnda kesici takm malzemesi ve Si3N4 miktarnn

ilerleme kuvvetine etkisi ...................................................................... 116 ekil 8.11. Si3N4 miktar ve kesme hznn K10 takmla ilemede oluan kesme

kuvvetine etkisi .................................................................................... 116 ekil 8.12. Si3N4 miktar ve kesme hznn PCD takmla ilemede oluan kesme

kuvvetine etkisi .................................................................................... 117 ekil 8.13. Si3N4 miktar ve kesme hznn K10 takmla ilemede ilerleme

kuvvetine etkisi .................................................................................... 117

xvii

ekil Sayfa ekil 8.14. Si3N4 miktar ve kesme hznn PCD takmla ilemede ilerleme

kuvvetine etkisi .................................................................................... 118

xviii

RESMLERN LSTES Resim Sayfa Resim 8.1. Al tozlarn morfolojisi .......................................................................... 101 Resim 8.2. %5 Si3N4 ieren mekanik kartrma yaplm tozlarn morfolojisi...... 102 Resim 8.3. %10 Si3N4 mekanik kartrma yaplm tozlarn morfolojisi............... 102 Resim 8.4. %15 Si3N4 mekanik kartrma yaplm tozlarn morfolojisi............... 103 Resim 8.5. Al numunesinin mikroyaps................................................................. 104 Resim 8.6. Al- % 5 Si3N4 kompozit malzemesinin mikroyaps ............................ 105 Resim 8.7. Al- % 10 Si3N4 kompozit malzemesinin mikroyaps .......................... 105 Resim 8.8. Al- % 15 Si3N4 kompozit malzemesinin mikroyaps .......................... 106 Resim 8.9. 50 m/dak kesme hznda ileme srasndaki tala oluumu................... 109 Resim 8.10. MMK larn 50 m/dak da tornalanmasnda kullanlan K10

kesicilerin SEM grntleri............................................................... 110 Resim 8.11. MMK larn 50 m/dak da tornalanmasnda kullanlan PCD

kesicinin SEM grnts................................................................... 111 Resim 8.12. K10 takm ile ilenmi MMK malzemelerin tala biimleri............... 119 Resim 8.13. PCD takm ile ilenmi MMK malzemelerin tala resimleri .............. 121

xix

SMGELER VE KISALTMALAR

Bu almada kullanlm baz simgeler ve ksaltmalar, aklamalar ile birlikte

aada sunulmutur.

Simgeler Aklama

a Tala derinlii (mm) b Tala genilii (mm) Fc Kesme kuvveti (N) Ff lerleme kuvveti (N) f lerleme (mm/dev) D Parack ap MPa Mega Paskal GPa Giga Paskal P Boyun yar ap R Tala ylma faktr R Kesici takma uygulanan tala kaldrma kuvveti Ra Ortalama yzey przll, m Rz Przllk derinliklerinin ortalamas, m R (re) Kesici u yarap V (Vc) Kesme hz (m/dak) Kesme as to (t) Tala kalnl tc Oluan tala kalnl s Kesici u kalnl X Boyun ap

xx

Simgeler Aklama

Takm-tala as Takm tala ara yzeyinde esas srtnme kuvveti

Ksaltmalar Aklama

Al Alminyum Al2O3 Alminyum Oksit (Almina) B2O3 Bor Oksit B4C Boron Karbr BY Buharlama-younlama CVD Kimyasal Buhar kertme (Chemical Vapor Deposition) KM (KD) apraz Krlma Mukavameti (apraz krlma dayanm) HD Hacim difzyonu HIP Scak zostatik Presleme MA Mekanik Alamlama MMK Metal Matrisli Kompozit PA Plastik ak PAN Poliakrilonitril SiC Silisyum Karbr SiCP Silisyum Karbr parack SiCw Silisyum Karbr whiskers SiO2 Silisyum Oksit Si3N4 Silisyum Nitrr TM Toz Metalurjisi

xxi

Ksaltmalar Aklama TS Tane snr difzyonu YT (BUE) Ynt Tala (Built-up Edge) YT (BUL) Ynt Tabaka (Built-up Layer) Y/ Yksekliin apa oran YD Yzey difzyonu WC Tungusten Karbr

1

1.GR

Son yllarda teknolojideki hzl gelimeler, geleneksel malzemelere oranla daha stn

zelliklere sahip yeni malzemelerin kullanm gerekmektedir. Bu nedenle yeni

malzemelerin retilebilmesi iin aratrma ve gelitirme faaliyetlerinin daha hzl bir

ekilde gelitirilmesi gerekir. Daha nce yaplan aratrmalarda dier malzemelerden

farkl olarak, stn niteliklerin ounun bir arada topland yeni malzemeler

retilmitir. Bu malzemelere Kompozit Malzeme ad verilmitir. Kompozit

malzemelerin birok eidi retilmektedir. Fakat retilen kompozit eitleri ve

retme yntemleri ok olduundan snflandrma gerei duyulmutur. Bunlar ana

matris malzemesine gre isimlendirilmilerdir. Metal esasl, Seramik esasl ve

Polimer esasl olarak genel bir snflandrlma yaplmaktadr.

Mhendislik malzemelerin yeni bir snf olan metal matrisli kompozitlerde (MMK),

malzemelerin zelliklerini iyiletirmek iin metal matris ierisine gl seramik

takviye elemanlar eklenmektedir. Bu tr kompozitler gerek kullanm alannn

genilemesi ve yksek retim potansiyeli ve gerekse retim ekonomisi asndan

tercih edilmektedir. En yaygn kullanlan takviye elemanlar SiC ve Al2O3 fiberleri

ve partiklleridir. Metallerin sneklik ve tokluu, seramiklerin yksek mukavemet ve

yksek elastisite modl zellikleri ile birletirilmeleri neticesinde son derece nemli

mhendislik malzemeleri ortaya kmtr [1, 2]. Ancak retimde karlalan

problemler nedeniyle, zellik ve yntem gelitirme almalar devam etmektedir [2].

MMK malzemelerin gelimesinde retim yntemleri de byk rol oynamaktadr.

rnein; Parack takviyeli MMK malzemelerin retiminde TM ynteminin bir kat

hal retim yntemi olmasna ramen dkm gibi sv hal yntemlerine tercih

edilmemesinin en nemli sebeplerinden birisi de bu yntemlerle daha homojen bir

yapnn kolaylkla elde edilebilmesidir. Yksek scaklk dayanm, yapdaki

keltiler yerine ince dalml paracklarla salanmaktadr. Ancak bu yapy

geleneksel dkm yntemiyle elde etmek mmkn olmamaktadr. Takviye

paracnn boyu ve hacimsel oran ile orantl olan homojen dalm problemi ile

matris parack kimyasal tepkimeleri dkm yerine TM metodu ile rahatlkla

2

alabilmektedir [3].

Toz metalurjisi (TM) yntemiyle retilen MMK malzemelerin geni bir ksmn

hafif metal esasl malzemeler tekil etmektedir. Hafif metaller yksek fiziksel ve

mekanik zelliklerden dolay TM endstrisinde artarak kullanlmaktadr. Ana metal

olarak Al ve Al alamlar kullanm zamanla artmaktadr. TM yntemiyle MMK

retiminde kullanlan en yaygn hafif metal olan alminyum ve alamlarnn

olmasnn nedenleri; arlk oranlarna gre yksek dayanmlar, korozyon direnleri

gibi stn zellikleridir. Bununla birlikte alminyum yzeyinde oluan ince fakat

karal oksit tabakasndan dolay baz sorunlar yaanmakla birlikte presleme ilemi

sayesinde oksit tabakas alminyum tozunun plastik deformasyonuyla krlarak, sv-

faz sinterleme metodu iin bile sinterleme ileminde sorun karmayacak uygun bir

dzeye indirilebilmektedir [3].

Yumuak bir metal matris ierisine yksek mukavemetli bir seramik takviye

malzemesi eklenmesiyle daha iyi zelliklere sahip MMK ler elde edilmesine

ramen, bu MMK ler henz otomotiv ve uzay uygulamalarnda byk oranda

kullanlamamtr. Bunun en byk nedeni, MMK lerin mali bakmdan retim ve

ilenebilme zorluudur. Sktrmal dkm gibi yakn veya net ekilli retim

metotlarnda bile, retimin maliyeti minimuma indirilmesine ramen, ileme ihtiyac

tamamyla yok edilememekte ve tasarlanan ekle ve llere getirilmesi iin

malzemenin ilenmesi gerekmektedir. Bundan dolay MMK ler iin ilenebilirlik

ok nemlidir [4].

MMK lerin ilenmesi (tornalama, frezeleme, matkapla delme ve vida ama),

onlarn abrasiv zelliklerine bal olarak olduka zordur. Bu malzemelerin yksek

hacimlerde kullanlmasnn esas limiti, yksek abrasiv zelliklerine bal olarak

ilenmelerinin zorluu ve yksek maliyetidir. Bu malzemeler, kesici takmlar hzl

bir ekilde andrmakta ve maliyeti arttrmaktadrlar. Takmlarn bu hzl anmasna

bal olarak, MMK lerin verimli bir ekilde ilenmesini gerekletirecek pahal

elmas takmlarn dnda bilinen hibir takmn olmad belirtilmektedir. Partikl

takviyeli alminyum alam matrisli kompozitlerin daha yaygn kullanm, onlarn

3

zayf ilenebilirliklerinden dolay belirli bir ekilde zorlamaktadr. Bu MMK ler

ierdikleri seramik partikllerden dolay kesici takmlarn olduka hzl bir ekilde

anmasna ve dolaysyla yksek takm maliyetine neden olmaktadr. Takm

maliyetinin artmas ileme operasyonlarnn maliyetini arttrmaktadr. Bundan dolay,

retkenlii arttrabilen ve takm maliyetini minimum yapabilen kesme artlarn

bulabilmek iin temel ilenebilirlik almalarnn yaplmas gerekmektedir [4].

4

2. TOZ METALURJS

Havaclk ve savunma sanayinde hafif ve dayankl malzemelere olan ihtiya, Toz

Metalurjisi (TM) ile retilen Metal Matrisli Kompozit (MMK) malzemelere olan

ilginin son on ylda katlanarak artmasna sebep olmutur. almalar ve elde edilen

deneyimler, yksek scaklk dayanmnn yapdaki keltiler yerine, ince dalml

paracklarla salandn gstermitir. Ancak bu yapy geleneksel dkm

yntemiyle elde etmek mmkn olmamaktadr. Takviye paracnn boyu, hacimsel

oran, homojen dalmndaki problemler ile parack- matris kimyasal tepkimeleri,

dkm yerine TM teknikleriyle rahatlkla alabilmektedir [5].

Toz metalurjisi (TM), eitli metal ileme teknolojileri arasnda en farkl retim

tekniidir. Yksek kaliteli ve karmak paralarn ekonomik olarak retilebilmesi,

toz metalurjisini cazip klmaktadr. TM farkl boyut, ekil ve paketlenme zelliine

sahip metal tozlarn salam, hassas ve yksek performansl paralara dntrr. Bu

ilem; ekillendirme veya presleme ve daha sonra paracklarn sinterleme yolu ile

sl balanmas basamaklarn ierir. TM nispeten dk enerji tketimine, yksek

malzeme kullanmna ve dk maliyete sahip otomatiklemi ilemleri verimlice

kullanr. Sahip olunan bu zellikler ile TM verimlilik, enerji ve hammadde gibi

gnmz kayglarn ortadan kaldrr. Bunlarn sonucu olarak, TM konusu srekli

gelimekte ve geleneksel metal ekillendirme uygulamalarnn yerini almaktadr [6].

Tozlarn istenilen biime getirilmesi iin presleme yaplr. Presleme ayn zamanda

tozlar kalpta sktrmann yannda, ham younluktaki parann ierisindeki

gzeneklerin azaltlmas ve toz temas yzeyini arttrmak iin de yaplr. Bu

sinterleme ilemini kolaylatrr.

Presleme ilemi oda scaklnda, bazen de daha yksek scaklklarda yaplr. Fakat

oda scaklndan daha yksek scaklklarda presleme ilemi, kalp malzemesinin

presleme scaklndaki mukavemet deerleri ile snrlanmtr. Sinterleme ile elde

edilen paralara bazen son ekillerini vermek iin ilave bir presleme ilem

uygulanabilmektedir [3].

5

Sinterleme ilemi, ergitme olmakszn kullanlan metal tozunun ergime noktasnn

altndaki bir scaklkta yaplmaktadr. Kullanlan toz bir karm ise sinterleme ilemi

bu tozlardan en yksek ergime scaklna sahip olan tozun ergime scaklnn

altnda yaplr [3].

2.1. Metal Tozlarnn retim Yntemleri

Metal tozlarnn retilmesinde kullanlan yntemler, tozlarn birok zelliklerini

tayin eder. Bu yzden metal tozlarnn retiminde ok eitli retim yntemleri

mevcuttur. Bu yntemlerden bazlar unlardr;

1. Mekanik yntemler

2. Elektroliz yolu ile retim

3. Kimyasal yntemler

4. Atomizasyon yntemleri

2.1.1. Mekanik yntemler

Bu yntemlerde darbe, sktrma ve burma kuvvetleri ile iri ve karmak ekilli

tozlar retilir. Bu yntemlerde en az maliyetle toz retimi iin kayma sistemi az olan

kimyasal balar zayf, karmak ekilli yapya sahip malzemeler ile ok sert ve

krlgan olan metal alamlar ve seramikler kullanlr.

Tala kaldrma

Tala kaldrma yntemi ile genelde yksek karbonlu elik tozlar retilir. Bu

yntemde oksitlenme, yalanma, kir tutma ve dier malzeme hurdalar ile kararak

kirlenme problemi olabilir.

6

tme

tme ileminde; anmaya dayankl bilyeler ile birlikte iri taneli toz malzeme

tc deirmen ierisine konur. Deirmen dndrlerek sert bilyalar ile toz

malzemenin arpmas salanarak iri taneli toz malzemenin daha ince hale gelmesi

salanr. Bu yntem ile karmak ekilli ve souk deformasyon grm malzeme

tozu retilir. Metaller aras bileikler, demir alamlar, demir-krom, demir-silisyum

v.b. gibi krlgan malzemeler mekanik olarak bilyal deirmenlerde tlrler [6].

tlen malzeme gevrek ise bilyalarla arpmann etkisiyle ok kk tozlara

blnr. tlen malzeme snek kaba tozlardan oluuyorsa, bilyalarn arpmas

sonucunda tozlar ekil deitirerek yasslarlar ve ancak ar sertlemesi sonucunda

gevrekleerek daha kk toz paralarna blnebilirler. tme ileminin su, alkol

ve heptan gibi bir hidrokarbon sv iinde gerekletirilmesi tme sresinin

ksaltmasnn yannda daha ince tozlar retilmesini de salar [7].

tme ilemleri birok ekilde yaplmaktadr. Szegvari tipi dikey atritr, yksek

enerjili Spex tipi atritr, Zos tipi yatay atritr, Planetary Mill tipi atritr ve yeni

tasarml atritrler.

Mekanik alamlama

Mekanik alamlama (MA) yksek enerjili atritr kullanlarak yaplan bir dk

scaklk sentezleme yntemidir. Bu yntemde iki yada daha fazla elementel toz

birbiri ierisinde belli oranda kartrlarak atritr ierisine konur ve mekanik

alamlama iine tabi tutulur [3]. Genellikle kompozit malzeme tozlar retilir. Bu

ilemde ama deirmen ierisinde bilyelerle metal tozlarnn ezilerek, krlarak ve

tekrar kaynaklaarak yaplan bir kompozit toz ilemidir. lem sonunda, metal

tozlarn birbirine olabildiince yedirilerek, istenilen oranlarda kompozit toz

kvamna getirilir [5].

7

2.1.2. Elektroliz yolu ile retim

Elektrolitin kimyasal bileimi ve mukavemeti, scaklk, akm younluu gibi artlar

uygunca seerek, bir ok metal snger veya toz durumunda katot zerinde

biriktirilebilir (ekil 2.1). Daha sonraki ilemler olarak, ykama, kurutma, indirgeme,

tavlama ve tme gerekli olabilir. Bu yntemle retilen metallerin banda bakr

gelir, ayn zamanda krom ve magnezyum da bu yntemle retilebilir. Elektrolitik

tozlar ok saftrlar [6].

ekil 2.1. Elektroliz yolu ile retimin ematik gsterimi.

Bu yntemle demir tozlarn da retmek mmkn olmakla beraber, maliyetin yksek

olmas nedeniyle demir tozu retiminde dier yntemler daha avantajldr.

2.1.3. Kimyasal yntemler

Gaz faz ayrtrma yntemi

Bu yntemde (demir, bakr, tungusten, molibden, vb) malzeme oksitleri indirgeyici

gazlar (hidrojen veya kat karbon eriyii) ile indirgenerek metal tozu haline

getirilirler. Burada saflk, malzemenin kalitesini belirler. Oksit ve karbonun

maliyetinin dk olmas, gzenekli toz imal imkan, oksit ve parack boyutunun

kontrol bu yntemin avantaj olarak bilinirken, indirgeyici gazlarn maliyetinin

yksek olmas, toz saflnn oksit saflna bal olmas, alam tozlarnn retim

8

imkanszl bu yntemin dezavantaj olarak bilinir [8]. Burada kullanlan ham

malzemeler sngerimsi yapda meydana gelen tozlarn kalitesini belirler [3].

FeO(k) + H2(g) Fe(k) + H2O(g) G < 0

Termal ayrtrma

Bu yntemde demir, nikel ve karbon monoksit gaz etkisinde karbonillerini veren

metallerin tozlar yksek saflkta, dzgn dalm ve kresel olarak elde edilirler.

Demir, bakr, krom, platin, nikel, kobalt uygun scaklkta CO gaz etkisinde

karbonille paralanan ve tane boylar 2- 10m olan yeterince ince tane ekilli

tozlardr [9].

Sv fazdan keltme

Metal iyonlar ieren, nitratlar, klrrler ve slfatlar gibi ergiyiklerden daha az asal

olan baka bir element ile kimyasal yer deitirme suretiyle metal tozlar retilir [10].

Aadaki basit denklemle gsterilebilir.

9

Gaz fazndan keltme

Bu yntem ile genellikle reaktif metal tozlar retilir. Tozu retilecek malzemenin

oksitleri veya klorrleri alnp gaz fazna geirilir. Daha sonra keltme ilemiyle toz

retilir.

2.1.4. Atomizasyon yntemleri

Bu ilemde ergimi metal kk damlacklara paralanr ve damlacklar birbirleri ile

veya kat yzeyle temasa gemeden hzlca soutulur. Ana fikir, ergimi metali

yksek enerjili gaz veya sv arpmasna maruz brakarak sv metali daha kk

paralara ayrmaktr. Hava, azot ve argon en ok kullanlan gazlardr. Su ise svlar

iinde en ok kullanlandr. Nozulun tasarm ve geometrisi, atomize eden akkann

basnc ve hacmi, sv metalin ak ap gibi birok parametreyi deitirerek toz

boyutu dalmn kontrol etmek mmkndr. Tanecik ekli ise katlama hz ile

belirlenir, dk soutma kapasiteli gazlar iin kresel ekilden yksek soutma

kapasiteli su iin karmak ekle dnr. Genelde bu toz retim metodu ergitilebilen

tm malzemeler iin uygulanabilir ve ticari olarak demir, takm elikleri, alaml

elikler, bakr, pirin, bronz, alminyum, kalay, kurun, inko ve kadmiyum

tozlarnn retilmesinde kullanlr. Krom ieren alamlar gibi kolayca oksitlenen

metallerde atomizasyon argon gibi asal gazlar yardmyla gerekletirilir.

Atomizasyon, alam oluturan tm metallerin ergimi durumda tamamen

alamland iin, zellikle alamlarn toz halinde retilmesinde faydal bir

yntemdir. Bylece her toz tanecii ayn kimyasal bileime sahip olur [6].

Bu yntemlerde, ergitilmesi mmkn olan her metalde uygulanabildii gibi saf ve n

alamlanm metal tozlarnn dorudan doruya ergimi metalden elde edilmesinde

baaryla kullanlmaktadr. Farkl yntemler kullanlarak ergimi metal

10

alamlarndan, ergiyiin sv demetini farkl akkanlar ile ve mekanik kuvvetler

kullanlarak sv damlacklar haline getirmek ve daha sonra bunlar katlatrarak toz

retme teknolojisi atomizasyon olarak bilinir (ekil 2.2) [11]. Mekanik kuvvetler

olarak santrifuj (merkez ka) kuvvetler kullanlr. Farkl akkanlar ise gaz ve sv

akkanlardr.

Ayrca atomizasyon yntemleri, alminyum ve alminyum alam tozlarnn ticari

miktardaki retimlerinde en yaygn ve en ekonomik olan yntemlerdir. Ancak Al

ar reaktif ve yumuak olmasndan dolay, oksitlenme ve svama almas gereken

temel sorunlar olarak ortaya kmaktadr. Ksaca, ilem srasnda deirmeni soutma,

koruyucu atmosfer ve alminyumun yapmasn nleyici organik balayclarn

kullanlmas ile beraber yeni retim tekniklerinin gelitirilmesi gerekmektedir [5].

11

ekil 2.2. Atomizasyon tekniklerinin ematik gsterimi.

Gaz atomizasyonu

Gaz atomizasyonu ergiyik metal demetine, yksek basnl gazn belli bir a ile

pskrtlerek hzmenin dalm ile sv metal damlacklar elde edilmesi ilemidir.

ki yada daha fazla azlk, sv metalin akma ekseni etrafna eit ada yerletirilir ve

gaz hzmesi ile ergiyik metal demeti bir noktada kesiirler. Bu blgeye atomize

blgesi denir (ekil 2.3). Bu yntemle retilen tozlar ince kresel ve yzeyde oksit

olmayan tozlar retilir. Kimyasal saflklar iyidir [12].

12

ekil 2.3. Gaz atomizasyon nitesi.

Sv atomizasyonu

Ergiyik metal ak ekseni etrafnda en az iki tane olmak zere eit ada yerletirilen

su jetleri ile kesilir (ekil 2.4).

ekil 2.4. Su atomizasyonu nitesi.

Santrifj atomizasyonu

Santrifj ynteminde ergimi metalin damlacklar yksek hzda dnen bir diskten

frlatlrlar. ki eit santrifuj atomizasyonu vardr. Bunlardan birinde, bir kap

13

iindeki ergiyik metal, ergiyik metalin damlacklara ayrlmas iin, uygun bir hzda

dey eksen etrafnda dndrlr veya bir metal demeti dnen bir disk veya koni

zerine aktlr. Dierinde ise, bir metal ubuk yksek hzda dndrlr ve serbest

uta elektron n veya plazma ark vb. ile ergitilir. Bu ikinci tip ilem, Dner

Elektrot Atomizasyonu olarak bilinir ve ubuk dey veya yatay eksende

dndrlebilir. Bu uygulamann nemli bir stnl, atmosfer kontroll bir

ortamda, hatta vakumda bile allabilmesi, bylece ok reaktif olan metallere ait

temiz tozlar retmesidir [6].

2.2. Metal Tozlarn Presleme

Gnmzde toz metalurji teknolojisiyle metal tozlarn belirli basnlar altnda

sktrp daha sonra da bu sktrlm ktleleri belirli scaklklarda sinterlemek

suretiyle imalat ok g olan makine paralarn dahi elde etmek mmkndr.

Presleme ilemi tm presleme sistemleri iin ayn mantkla alr. lk olarak metal

tozu kalp boluuna doldurulur. Daha sonra iki veya daha fazla eksenel hareketli alt

ve st zmba vastasyla istenilen karmaklkta ekle ve olduka homojen younluk

dalmna sahip olacak eklinde makine paralar sktrlr. Bu ekilde elde edilen

sktrlm para, birbirine gre izafi hareketli dii kalp ve alt zmbalar yardmyla

kalptan kartlr [3].

Tozlar ayn ekil ve boyutta olmadndan sktrma ncesi, tozlarn homojen

dalmlarn elde etmek amacyla tozlar yalayclarla birlikte belli bir sre

kartrlrlar. Yalayc kullanmann amac, tozlarn ekillendirilmesi srasnda toz

ktlelerinin kalp duvarlarn daha az andrmas, parann kalptan daha kolay

karlmas ve toz taneleri arasndaki srtnmeleri azaltmak suretiyle tozlarn akn

kolaylatrmak ve meydana gelecek enerji kayplarn azaltmaktr. Yalayclar dk

younlukta olduklarndan ok az miktarda toza ilave edildiinde ok byk bir

hacmi igal edebilir [3, 13].

ekillendirme sonras parann kalptan karlmas iin gerekli olan syrma

basncn dk tutan yalayc iyi bir yalaycdr. Yalayc ve toz optimum bir

14

srede kartrlmaldr. Fazla kartrma, dk ergime derecesine sahip yalaycnn

snarak yapkan bir hal almasna sebep olabilecei gibi, az kartrma ise

yalaycdan beklenen zellii karma yanstmaz. Baz yalayclar yaptrc

grevi grp mukavemet artna sebep olduu gibi bazlar ise sinterleme esnasnda

yanarak gzenek artna sebep olur ve buna bal olarak sinterleme ile artmas

gereken younluk debilmektedir [14].

Kalbn i yzeyinde oluan srtnme, dier btn kuvvetlerden byktr. Bu kuvvet

kalbn merkezine doru azalr. Bu srada basntan dolay toz paracklarn yer

deitirmesi esnasnda her toz paac, zerindeki basncn tesiri ile direncin en az

olduu yne dolaysyla daha az youn blgelere kama eilimi gsterir. Bylece

ksmen yanlara doru, fakat daha ok kalp merkezine doru bir toz aknn da

olduu anlalmaktadr (ekil 2.5) [ 3, 15].

ekil 2.5. Tozlarn sktrlmasnda ilem sras.

Preslenmi parann tm ykseklii gz nne alnrsa daima basncn byd

ynde akp giden bir younluk d tespit edilebilir. Tek ynl preslemelerde

parann zmbaya en uzak blgesinde, ift ynl preslemelerde parann orta

blgesinde kt younluk dalm grlr. Preslenmi bir parann younluundaki

istenmeyen bu farklar para boyu ile direkt alakaldr. Sktrma mekanizmasnn iyi

bilinmesi kalp tasarmndaki parametre ve kriterleri belirleyici ynde bir etkiye

sahiptir [3, 15].

Alt zmba

st zmbaToz besleme

Doldurma pozisyonu

Preslemepozisyonu

Sktrmapozisyonu

Preslenmi toznumune

15

2.2.1. Presleme ncesi tozlarn kartrlmas

Seilen metal tozlar, dengeli homojen karm verecek ekilde kartrlmal ve bu

karm, kalbn btn blgelerine dolacak akclkta olmaldr. Bunu baarmak iin

tozlar hassas bir ekilde tartlmal, grafit gibi metal olmayan malzeme ile birlikte

kartrcya konulmal ve kat yalayc %0,5 ile %1,5 arasndaki bir oranda

olmaldr. Kartrma zaman ve hz, sonradan gelecek ilemlerdeki malzeme

davranlarna ve retilen parann zelliklerine etki eder. Kalp anmasn en aza

indirgemek ve sktrma basncn azaltmak iin yalayclarn btn tanelerle

temasta olabilecek ekilde kartrlmas gerekir [6]. Kartrmann amac, farkl

yapdaki malzemelerden istee ve ihtiyaca bal yeni bir karm elde edilmesidir.

2.2.2. Yksek enerjili atritrde kartrma ilemi

Kartrma ilemi iin yksek enerjili atritr altrldnda, yksek bir enerji ile

bilyeler birbirine arpar ve arpmann etkisiyle bilyeler arasnda kalan tozlar ezilir.

(ekil 2.6) Ayn zamanda sert olan malzeme daha kk paralar halinde krlarak

yumuak matris ierisine gmlr [16].

ekil 2.6. Yksek enerjili atritrn ematik grnm.

16

ekil 2.7 de bilyalarn arpmas sonucu ezilen ve birbirine kaynayan tozlar

grlmektedir. lem devam ettike tozlarda pekleme, souk kaynama ve krlma

devam eder. ok ksa bir srede dahi karm elde edilir. Ancak homojen deildir.

Artan kartrma zamanna bal olarak katmanl yap kaybolur ve homojen bir yap

elde edilir [17].

ekil 2.7. Bilyalar arasnda ezilen kompozit tozlarn ematik grnm.

Kartrma esasnda kuru ve kat haldeki tozlarn birbirine periyodik olarak

kaynaklanmas ve tekrar bu byyen malzemelerin krlmasn salayarak daha ince

ve daha homojen bir mikro yap elde edilmesini salayarak, dayanm yksek olan

kompozit malzemelerin retilmesinde kullanlr [16].

Kartrma ileminin istenilen zelliklerde malzeme tozu retilebilmesi iin

kartrma parametrelerinin iyi bilinmesi gerekir. Bu parametreler; kartrma tipi,

kartrma kabnn cinsi, kartrma ileminin hz, kartrma sresi, kartrc

bilyalarn tipi, ebat ve ebat dalmlar, bilya toz oran, kartrma kab doluluk

oran, kartrma ortam, ilem kontrol kimyasallar ve kartrma scakldr [18].

2.2.3. Sktrma yntemleri

Toz metalurjisi ile retilen makine paralarnn ekil ve boyu zerindeki kstlamalar

sktrma ilemleri ile ilgilidir. Metal tozlarn preslemek iin birok uygun yntem

vardr. Fakat bunlardan ok az homojen dalm salayabilir. zellikle kamak

paralarda bu daha da zordur [3].

17

Tek ynl sktrma

Tek ynl sktrmada, dikey dorultuda deformasyonun balamasyla, tozlar aras

ve toz- kalp eperi arasnda oluan srtnme dzensiz bir basn dalmna sebep

olmaktadr. Bu sebepten yk, i parasna dzenli olarak uygulanmamaktadr.

Dolaysyla i parasndaki younluk homojen bir dalm gstermektedir (ekil 2.8).

Younluk, hareketli zmbaya yakn blgelerde daha yksek olmakta ve sabit zmbaya

doru giderek azalmaktadr. Younluktaki bu azalma i parasnn boy/ ap oranna

baldr [3, 14, 19].

Srtnmeyi en aza indirmek, niform bir younlama elde etmek ve sktrlabilirlii

artrmak iin yalayclar kullanlr. En ok kullanlan yalayclar inko stearat,

stearik asit ve asetondur. Kalp duvarnn tozlardan izilmemesi ve anmamas iin

ok sert olmas gerekir. Bundan dolay genellikle sert metal kalplar

kullanlmaktadr. Dier nemli faktr ise, ykseklik ve ap arasndaki ilikidir. Tek

eksenli preslemede, balangta kalba doldurulan toz ktlesindeki yksekliin apa

oran (Y/), presleme sonras younluk dalmn direkt etkilediinden nemlidir.

Bundan dolay bu limitin, Y/ 4 olmas nerilmektedir [19].

ekil 2.8. Tek ynl sktrmada younluk dalm ve tek ynl kalbn ematik gsterimi.

Alt zmba

st zmbaSert i kalp

D kalp

P

Toz malzeme

18

ift ynl sktrma

ekil 2.9 da gsterilen preslemede toz, birbirine zt ynl olarak hem alt, hemde st

zmba tarafndan ayn anda sktrlmaktadr. Her ynden eit veya farkl miktarda

hareket veya basn uygulanr. ift ynl sktrma ile kalp ierisinde boydan boya

dengeli bir sktrma temin edilir [3]. Bu yntemde sktrlan paradaki younluk

dalm, tek ynl sktrma ile elde edilen paralarn younluk dalmndan daha

homojendir (ekil 2.9).

ekil 2.9. ift ynl sktrmada younluk dalm ve ift ynl kalbn ematik gsterimi.

zostatik sktrma

Basnlarn ayn anda her ynden eit olarak uygulanabildii tek yntemdir. Toz

kalp grevi yapan elastik bir kaba konup kapatlr. Yumuak kalptaki hava

sktrma srasnda kacandan nceden boaltlr. Daha sonra kalp, akkan

banyosu iindeki bir basn kabna daldrlr. Akkana yksek basn verilerek kalp

hidrostatik basn etkisinde braklr (ekil 2.10). Basn kabndan karldktan

sonra, parann zerindeki yumuak kalp alnr ve genellikle bir daha kullanlmaz.

Bu yntemde retilen toz metal paralar da daha homojen bir younluk dalm elde

edilebilir [3, 20]. Scak veya souk olarak yaplabilir. Bu sistemin dezavantaj ise

parann verilen boyut tolerans iinde tutulmasnn g olmasdr.

Alt zmba

st zmbaSert i kalp

D kalp

P

Toz malzeme

P

19

ekil 2.10. zostatik sktrma.

2.3. Metal Tozlarnn Sinterlenmesi

Sinterleme (piirme), malzeme tozlarnn scakln etkisiyle birbirlerine difzyon

yoluyla birlemesini salayan ve kademeli bir ekilde tozlar arasndaki gzenek

hacmini azaltan bir yksek scaklk ilemidir [21]. Sinterleme scakl, tek bileenli

sistemlerde metalin ergime scaklnn 2/3 veya 4/5 i kadar alnr. ok bileimli

sistemlerde ise sinterleme scakl ergime derecesi dk olan metalin altnda tespit

edilir. Sinterleme scakl ykseldike sinterleme sresi ksalr [22].

Sinterleme, preslenmi paralarda nemli etkiler meydana getirir. Bunlar; kimyasal

deime, boyutsal deime, i gerilimlerin giderilmesi, toz paracklarnda

deimeler ve alamlamadr.

Toz haline getirilmi malzeme belli bir ekilde sktrldnda toz paracklar,

aralarnda nemli miktarda gzenekli olarak, ok yerde birbiri ile temas halindedir.

Snr enerjisini azaltmak iin atomlar snrlara difz ederler. Tozlarn birbirine

balanmasn salayarak sonunda gzeneklerin bzlmesine neden olurlar.

Sinterleme sresi arttrlrsa gzenekler yok olabilir ve malzemenin younluu artar

[21].

20

Erilik yarap kk yzeyler hzla byr. Temas noktalar en kk yar apa

sahiptir ve bu nedenle ilk olarak byr. Boluklar, ara yzeyden uzaa difz ederken

atomlar bu noktalara difz ederler. Boluklarn net hareketi paracklarn birbirine

yaklamasn salar (ekil 2.11). Ayn zamanda gzenek boyutunun azalmasna ve

younluk artna neden olur [21].

ekil 2.11. Sinterleme esnasnda difzyon oluumu.

2.3.1. Sinterleme teorisi

Tozlarn preslenmesinden sonra, kresel ekilli toz paracklar noktasal olarak temas

halindedirler. ekil 2.12 de iki kresel paracn sinterleme profili verilmitir.

Sinterleme ilemi srasnda, temas eden paracklar arasndaki balar kuvvetlenir ve

kaynaklamalar oluur. Sinterleme ileminde, paracklarda nce bir boyun

bymesi ve ilerleyen sinterleme zaman ile gzeneklerde bzlmeler oluur. Daha

sonra, gzenek kanallar kapanarak gzenekler kapal gzenek ekline dnrler.

ekil 2.14 de sinterleme ilemi srasnda paracklar arasndaki balarda ve

gzeneklerdeki deiimler ematik olarak gsterilmitir.

21

ekil 2.12. ki kresel paracn sinterleme profili (X=boyun ap, D=kre/parack

ap, P=boyun yarap)

Sinterlemenin oluabilmesi iin atomlarn yeterli yaynmaya sahip olmas gerekir.

Atomik yaynma scakln bir fonksiyonu olduundan, sinterleme nemli derecede

scakla baldr. Sinterleme ilemi, yzey enerjisi ile alakal olduundan ince ve

dzensiz tozlar iin kaba kresel tozlara gre daha ok enerji harcanr.

Sinterlemeden nce toz ktlelerinin zelliklerinin bilinmesi nemlidir. ekillendirme

srasnda tozlar deforme olmamsa Van der Waals balarnn bir sonucu olarak

tanecikler arasnda zayf balar oluur. Preslenmi paralarda ise bu durum farkldr.

zellikle temas blgelerinde uygulanan basn, yzey filmlerinin bozulmasna sebep

olur. Bylece sinterlemeden nce, uygulanan basncn etkisiyle toz paracklarnn

temas ettii kk alanlarda oluan skmalarn sonucunda yapmalar meydana

gelir.

Temas halindeki tozlarn scakln etkisiyle atomlarn yaynmasyla malzeme

transferi balar. Malzeme transferinin mekanizmas, harekete geirici kuvvetlerin

ktle ak meydana getirmesi ile alr. Hacim ve yzey tanm olmak zere iki

trl malzeme transferi vardr(ekil 2.13). Sinterlemeyi kontrol eden yzey tanm,

tane yzeyinde ktle ak meydana getirir. Yaygn sinterleme zelliklerinin yzey

tanmyla gelitirilmesine ramen boyutsal deiim olmaz ve younluk sabit kalr.

Yzey tanm srasyla yzey difzyonu ve buharlama-younlama olmak zere

iki nemli mekanizma yardmc olur. Yzey tanmyla boyutsal deiim olmaz,

fakat sinterlemedeki hacim tanm boyutsal deimeye sebep olmaktadr. Hacim

tanm mekanizmas; hacim difzyonu, tane snr difzyonu, plastik ve viskoz aky

kapsar. Plastik aknn nemsiz olduu dnlr. Sinterleme srasnda karlalan

22

yzey gerilmesi yeni dislokasyonlar retmek iin yetersiz kalr. Bununla birlikte,

elektron mikroskobu ile ince tozlar stlrken, boyun blgesinde dislokasyon

hareketinin meydana geldii grlmtr. Her iki tanm mekanizmasnda da blok

para yzey alan, boyun bymesiyle azalmasna ramen, sinterleme srasnda esas

deiiklik younlukta meydana gelir. Genellikle hacim tanm mekanizmas son

sinterleme blgesinde aktiftir. Bu deiik difzyon mekanizmalar malzemeye, tane

boyutuna, sinterleme devresine, scakla ve dier baz ilem parametrelerine

baldr.

YDBY

HD

HDTSPA

YzeyTanm

HacimTanm

ekil 2.13 ift kre sinterleme modeli zerinde gsterilen malzeme transfer

mekanizmalar.

Yzey tanm mekanizmas, yzeyde ktle hareketi salayarak boyun bymesi

meydana getirir ( BY= buharlama-younlama, YD= yzey difzyonu, HD= hacim

difzyonu). Hacim yaynm mekanizmasnda ise boyun bymesinin oluumu iin i

ktle kaynaklar kullanlr (PA= plastik ak, TS= tane snr difzyonu, HD= hacim

difzyonu).

23

Sinterleme devrede olabilir. Bunlar: ilk sinterleme devresi, orta sinterleme devresi

ve son sinterleme devresidir [20].

lk sinterleme devresinde; birbirine temas eden tozlar arasnda nce bir boyun

bymesi ilerleyen sinterleme sresi ile gzeneklerde bzlme meydana gelir ve

gzenek kanallar kapanarak, kapal gzenek ekline dnrler. Boyun blgesinin

iine doru net bir ktle ak vardr. Boyun yarapnn (X/2), parack apna (D)

orannn 0,3 den az olduu ksm sinterlemenin balangcnn ilk aamas olarak

adlandrlr (ekil 2.14) [20].

Tane ierisinde kalan gzenek

Nokta temas Balang aamas Orta aama Son aama

Gzenekler Tane snrlar

ekil 2.14. Sinterleme aamalar.

Orta sinterleme devresinde; hacim ve tane snr difzyonu ile gerekleen younluk

art ve tane bymesidir. Orta kademede gzenekler, ilk kademeye gre daha

dzgn ekillidir ve birbirine bal silindirik yapya sahiptir. Fakat ak gzenekler

son sinterleme devresine kadar kalr. Bu durumlarda boyutsal deiim arzu edilmez.

Byle durumlarda younlamay en aza indirgemek iin ksa sinterleme zaman,

dk sinterleme scakl ve yksek sktrma basnc kullanlr.

Orta sinterleme devresinin balangcnda, gzenekler tane snrna yerlemi

durumdadr. lerleyen sinterleme zaman ile gzenekler ve tane snrlar arasnda baz

etkileimler meydana gelir. Bu etkileimler iki tr mekanizmayla oluur: 1. Tane

bymesi srasnda gzenekler tane snr hareketiyle srklenir, 2. Tane snrlar,

gzeneklerin yerlerinden ayrlmas ile bozulur. Sinterleme scakl arttka tane

24

snrlarnn hareket oran artar. Gzenekler tane snrndan daha yava hareket

ettikleri iin tane snrlarndan ayrlrlar. Tane ierisindeki gzeneklerin ayrmas

sertlik artna neden olur ve teorik younluk da % 70 ile % 90 arasnda deiir

(ekil 2.13). Orta sinterleme devresinin sonucunda, silindirik gzenekler, tane

bymesini yavalatmada o kadar etkili olmayan kresel gzeneklere dnmeye

balar. Bu da sinterlemenin son aamasnn balangcnn gstergesidir.

Son sinterleme devresinde; tane snrlarndan ayrlm ve izole edilmi kapal kresel

gzeneklerin oluumu sinterlemenin son devresini tanmlar. Bu kresel gzenekler

hacim tanm mekanizmas ile bzlr ve gzeneklilik oran azalr. Younlukta %

92 yi geen bir teorik younluk grlr.

2.3.2. Sinterleme atmosferleri ve etkileri

Sinterleme iin gerekli bir atmosfer prensip olarak paralarn ve frnn

oksitlenmesini nlemek, yzey oksitlerini indirgemek, frnda buharlaan yalayc

gazlarn dar atmak ve demir karbon alamlarnda olduu gibi blok paralarn

bileimini kontrol etmek iin kullanlr.

Genellikle bu atmosferler endotermik gaz ve krlm amonyaktr. Bununla birlikte

saf hidrojen ve ekzotermik gazlarda nadir olarak kullanlr [23]. Ne yazk ki her

malzemenin sinterlemesinde kullanlacak sper bir gaz yoktur. Bu nedenle, atmosfer

seimi basit gaz sistemlerinden karmak gaz sistemlerine kadar ok deiiklikler

gsterir. Atmosferin seimi, sinterlenecek malzemeye gre tespit edilir. En iyi

artlar salayacak atmosfer seilirken ekonomiklik ve gvenirlik gibi dier

faktrlerde hesaba katlr. Endstride kullanlan gazlar u ekilde snflandrlabilir.

1. Yerinde retim: Bu yntemde frnn yanna yerletirilen dzenek yardmyla

atmosfer retilir. Bu metot ekzotermik, endotermik ve krlm amonyak

atmosferlerinin retimi iin kullanlr. Ekzotermik atmosfer bir hidrokarbon gaznn

hava miktarnn kontrol edildii bir refrakter yanma hcresinde yaklmasyla retilir.

25

Endotermik atmosfer ise propan ve doal gaz gibi hidrokarbonlarn reaksiyonuyla bir

jeneratr iinde retilir. Endotermik atmosferler daha ok karbon eliklerinde

kullanlr.

2. Sentetik atmosferler: Genellikle frnn d ksmnda depo edilmi ktle gazlar

gereken kompozisyonu gerekletirecek kartrma nitesine balanr. Bu metot,

genellikle azot ve hidrojen gazlar iin kullanlr. Eer karbon kontrol gerekliyse bu

karma az miktarda doal gaz ve propan gibi hidrokarbonlar ilave edilir. Azot ve

hidrojenin oranlar % 100 e varan oranlarda deitirilebilir. Elde edilen atmosfer,

kartrma nitesinden frna gnderilir.

3. Dubleks sistemler: Sentetik atmosfere ok benzerdir. Tpte depo edilmi azot gaz

bir veya daha fazla gazla istenen atmosfer bileimini verecek ekilde kartrlr. Bu

snftaki iki temel atmosfer krlm amonyakla azot ve endotermik gazla azottur

[24].

Sinterlemede kullanlan atmosferler, paralar oksitlenmekten koruduu gibi, mevcut

oksitleri de indirger ve atmosferin bileimine gre karbrizasyon veya

dekarbonizasyon meydana getirir. Scaklk ve son karbon konsantrasyonu

karbrizasyon uygulamalar iin bilinmesi gerekli parametrelerdir [25]. Eer karbon

miktar kontrol edilmezse fazla karbon atmosferle reaksiyona girerek kaybedilir veya

fazla karbrizasyon meydana gelir. Karbon miktar, su buhar-hidrojen,

karbondioksit-karbon monoksit ve metan-hidrojen oranlar ile belirlenir. Uzun

sinterleme zamanlarna ve yksek sinterleme scaklklarna izin verilmezse denge

oranlar daha iyi olan atmosferler gerekir [26].

26

3. KOMPOZT MALZEMELER

Kompozit malzemelerin genel olarak kabul edilmi bir tanm olmamakla birlikte en

geni anlamda kompozit malzeme; ok kristalli birden fazla ve farkl, metal ve metal

olmayan bileenlerin bir arada toplanmas olarak ifade edilmektedir. Bileenlerin

kompozisyonlarn ve yapsal eklinin her ikisini de hesaba katan bir tanmlama u

ekilde yaplmaktadr. Bir kompozit malzeme, temel olarak birbiri ierisinde

znmeyen ve birbirlerinden farkl ekil ve/veya malzeme kompozisyonuna sahip

iki veya daha fazla makro bileenin karmndan veya birlemesinden oluan bir

malzeme sistemidir [27].

Yukardaki tanmlamann bile aydnlatlmasna ihtiya duyulmaktadr. Baz

mhendislik alanlarna gre bu tanmlama olduka genitir. nk kaplanm

malzemeler, doldurulmu plastikler, beton gibi malzemeler kompozit olarak

deerlendirilmemesine ramen bu tanma gre kompozit malzeme snfna

girmektedir. Yukardaki tanmn bir eksiklii de dalmla sertletirilmi alamlar ve

sermetler gibi partkl takviyeli kompozitlerin makroskobik seviye deil de

mikroskobik seviye snfna girmesidir. Sonu olarak bu tanm kompozit yap ve

kompozit malzemeler arasndaki izgiyi belirleyememektedir [27].

Ayn zamanda kompozit malzemelerin tanm u ekilde yaplmaktadr. ki yada daha

fazla saydaki, ayn veya farkl gruptaki malzemelerin en iyi zelliklerini, yeni ve tek

bir malzemede toplamak amacyla, makro dzeyde birletirilmesiyle oluturulan

malzemelerdir [28].

Bir malzemenin kompozit saylabilmesi iin belirli zellikleri tamas gerekmektedir

[29]. Bu zellikler;

1. nsan yaps olmal,

2. En az iki veya daha fazla fiziksel ve mekaniksel zellii ayr olan malzemelerin

birletirilmesi ve farkl ara yzeye sahip olmalar,

27

3. Herhangi bir ferdi bileenle elde edilmeyen mekanik zelliklerin

gerekletirilmesi,

4. Optimum zellikler elde etmek iin bir malzemenin dier malzeme iine kontroll

bir ekilde datlmasyla iki ayr malzeme kartrlarak kompozit bir malzeme

oluturulmal,

5. zelliklerin mkemmel olup kompoziti oluturan elemanlarn en iyi zelliklerin

bir arada toplanmas gerekmektedir.

Bir kompozit malzeme bnyesinde, ekirdek olarak adlandrlan takviye eleman ve

bunun etrafn evreleyen matris malzemesinin bulunduu bilinmektedir. Takviye

eleman olarak deiik morfolojiye sahip ksa ve uzun elyaflar, whiskersler (klcal

kristaller), krplm veya parackl seramikler kullanlmaktadr. Bunlarn temel

fonksiyonu gelen yk tamak ve matrisin rijitlik ve dayanmn arttrmaktr [29].

3.1. Metal Matrisli Kompozitler (MMK)

Metal matrisli kompozitler ana malzemesi metal olan kompozit malzemelerdir. Matris

malzemeleri ok eitli metal ve metal alam olabilmektedir. Hafif metaller,

kompozitler iin matris malzemesi olarak ok cazip olmaktadr. Bunlar plastiklerden

daha yksek elastik modl, dayanm ve toklua sahip olup yksek scaklklarda

zellikleri de daha iyidir. Ancak MMK retimi daha zordur. Bunlar her elyafla iyi ara

yzey ba oluturamazlar. Metallerle en kolay ba oluturan silisyum karbr (SiC)

kaplanm boron elyaftr. Fakat bunlar pahaldr. MMK lerde ok yaygn olarak

kullanlan matris malzemesi, dk younluklu, iyi tokluk ve mekanik zelliklere

sahip olan hafif metaller ve alamlardr. Bu hafif metal alamlar dayanm ve zgl

arlk oranlarnn iyi olmas nedeniyle hafif yap konstrksiyonlar da tercih edilirler.

Atmosfere kar korozyon dayanmnn da ok yksek olmas dier karakteristik

zelliklerden biridir. Genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu ve Zn matris malzemesi olarak

kullanlr. Fakat Al ve alamlar, Ti ve Mg yaygn olarak kullanlmaktadr [30].

28

Metal matrisli kompozitlerde takviye srekli fiber, ksa fiber, parack ve/veya

partikl ve whiskerler eklindeki malzemelerdir. Takviye malzemeleri genelde oksit,

karbr veya nitrr bileimindeki malzemelerdir [31]. Metal matrisli kompozit

malzemelerin yerlerine kullanldklar metal ve dier baz malzemelere gre

kmsenmeyecek stnlkleri mevcuttur. Bu zellikler aada verilmitir [30];

1. Yksek elastik modle sahiptirler,

2. Yksek mukavemet (ekme, basma, anma, srnme ve kayma) gsterirler,

3. Yksek scaklklarda alrlar,

4. Metallerin sneklik ve tokluk, seramiklerin yksek mukavemet ve yksek elastik

modl zelliklerini birletirirler,

5. Tekrar retilebilir mikroyap ve zelliklere sahiptirler,

6. yi korozyon direnci,

7. yi termal ve s iletkenlik zellikleri mevcuttur,

8. Dk younluk deerleri verirler,

9. ekicilik ve estetik grnm.

Fakat yukarda belirtilen bu zellikler iin gerekli artlar, uygun matris ve takviye

eleman ifti, retim teknii, optimizasyonu, bileenlerin mukavemet zellikleri ve

dier faktrler gz nne alnarak retim yaplrsa istenilen zellii elde etmek

mmkndr. Uygun matris/takviye eleman seiminin, sistemin mekanik ve fiziksel

zellikleri zerine etkisi byktr. nk kompozit ierisinde matrisler tarafndan

ykn takviye elemanna iletilmesinde matris ile takviye eleman arasndaki ara

yzey bann da kuvvetli olmas gerekmektedir. Ara yzey bann kuvvetli olmas

ise bileenlerin uyumuna ve matrisin slatabilirlik zelliine baldr. Bunun yannda

retim teknii seimi dnda takviye elemanlarnn matris ierisinde homojen

dalmnn da matris alam ve takviye eleman iftlerinin uygun seimine baldr.

Bu sebepten dolay en uygun matris ve takviye ifti seilmelidir [28, 30].

MMK retiminin esas amac matris alamnn mukavemet ve elastik modln

arttrmaktr. Ayn zamanda matris alamlar farkllndan dolay deiik elastik

modl, mukavemet ve termal genleme katsayl malzemeler retilebilmektedir. En

29

nemli zelliklerinden biri ise anma direnlerinin ok iyi olmasndan dolay anma

uygulamalarnda yaygn olarak kullanlabilmektedir [30, 33].

Metal matrisli kompozitlerin deiik malzeme snflarnn alma scakl ve

mukavemet/arlk oranlarna gre performans haritalar ekil 3.1 de grlmektedir

[34].

ekil 3.1. Deiik malzeme snflarnn alma scaklklar ve mukavemet/ arlk

oranlarna gre performans haritalar [34].

MMK lerin uygulama alanlar; uzay sanayi, makine tasarm, spor malzemeleri ve

elence malzemelerinin yannda rijitlik ve hafiflik ile birlikte iyi yorulma direnci

salamasndan dolay otomobil buji kollar, alminyum oksit takviyeli alminyum

kompozitlerden basnl pres teknii ile yaplmtr. Bu kompozitler, yksek scaklk

zelliklerinin ok iyi olmasndan dolay otomotiv sanayinde yaygn olarak

kullanlmaktadr. Uak kanat panelleri SiCw takviyeli alminyum matrisli

kompozitlerden retilmi ve %20- 40 arasnda hafiflik salanmtr [4, 35].

30

MMK ler ile de uak erevelerinin yapmnda benzer avantajlar elde edilmektedir.

Kompresr diskleri, pervaneler, vanalar, jet motoru rotorlar ve trident fze klavuz

elemanlar metal matrisli kompozitlerden baarl olarak retilmektedir. Yakn

gelecekte metal ve seramik esasl kompozitlerin jet motorlar ve uak erevelerinin

retiminde geleneksel malzemelerin yerini alaca sanlmaktadr. SiCP/Al

kompozitlerde son yllarda tenis raketleri ve golf sopalarnn yapmnda

kullanlmakta, motor paralar ve pistonlar da SiCw/Al kompozitten yaplmaktadr.

Karbon elyaf takviyeli kompozitler de oltalar ve tenis raketleri yapmnda tercih

edilmektedir. MMK ler dier mhendislik malzemelerine gre daha yksek mekanik

snmleme zellikleri nedeniyle uzay mekii yapm iin de ekici grnmektedir.

Titanyum da daha yksek scaklk direnci nedeniyle uak motorlarnda, zellikle

kompresr pervanesi ve disklerinde kullanlmaktadr. Magnezyum ise piston, buji

kollar ve yaylarda; dk younluu, dk termal uzama katsays ve yksek rijitlik

zelliinden dolay uak sanayinde kullanlmaktadr. Ancak karbon elyaf ile

alminyum esasl kompozitler retildiinde ilem srasnda elyafn zelliini

kaybetmesi veya ara yzey reaksiyonuna uramasndan dolay bu kompozit retimi

tercih edilmemekte, Mg esasl kompozit retimi daha ucuz olduundan

uygulanmaktadr. Ancak slatabilirlii iyiletirmek iin bazen karbon elyaf

kaplanmakta veya Ni, Si kullanlmaktadr (izelge 3.1) [4, 35].

31

izelge 3.1. Kompozit malzemelerin uygulama alanlar. Endstri Uygulama alanlar Kullanlan kompozit

malzemeler Uak Uak kanatlar ve gvdesi,

helikopter pervaneleri, ini ve k kaplar, payandalar, deme kirileri, ereveler, vantilatr ve trbin kanatlar

B/ Al, SiCw/ Al, Gr/Al Cam/ epoksi, C/ epoksi B/ epoksi, kevlar/ epoksi Sper alamlar

Helikopter Transmisyon kutusu, kiri destek yaptlar, itici ubuklar, ini takmlar, Rotor kanatlar arkas

Al2O3/ Mg, Gr/ Al, Gr/Mg B/ Al, Al2O3/Al, SiCw/ Al SiCw/ Al, B/ Al, Al2O3/Al Gr/ Al, SiC/ Al

Uzay Uzay yaptlar, antenleri, robot kollar

B/ Al, B/ Mg, Gr/ Mg

Otomotiv Gvde paralar, tampon ve amurluklar, n ve arka paneller, aks mili, yaylar, itme ubuklar ve piston kollar

Kevlar/ epoksi SiCp/ Al, SiCw/ Al SiCw/ Al, B/ Al

Gemi Gemi teknesi Gemi gvertesi

Kevlar/ epoksi, Cam/ epoksi

Kimya Borular, basnl kaplar ve tanklar

Cam/epoksi,Karbon/epoksi

Spor Oltalar, golf sopalar, yzme havuzlar, Tenis raketleri, Bisiklet ve motosiklet erevesi

B/ epoksi, C/ epoksi B/ Al, Gr/ Al, SiCw/ Al B/ Al, Gr/ Al, SiC/ Al

Elektrik Motor fralar, kablo ve ak plakalar

Gr/ Cu, Gr/Pb, Al2O3/ Pb

Tekstil Mekikler B/ Al, C/ Al, SiC/ Al Tp Rntgen masalar,

Protezler ve tekerlekli sandalye SiC/ Al, B/ Al B/ Al, SiC/ Al

Uak- uzay Uak frenleri, trbin pervaneleri, Roket k sistemleri

Karbon/ karbon kompozit

Dier alanlar Makine yataklar C/ Pb, Al2O3/ Pb

3.1.1. Matris malzemeleri ve zellikleri

Metal matrisli kompozit malzemelerin retiminde matris malzemesi olarak ok

deiik metal ve metal alamlar kullanlmaktadr. Matris olarak davranan metal,

balant elemandr. Matrisin asl fonksiyonu, kompozite uygulanan yk takviye

malzemesine iletmek veya datmaktr [1].

32

Yksek performansl kompozit malzeme retimi iin matris malzemesi elyaflar

arasna emdirilmeli, elyaflar slatabilmeli, kimyasal veya belli artlarda yapma iin

ba oluturulmal, mmkn olan dk basn ve scaklkta hzl ekilde katlama

yaplabilmelidir. Badan ayr olarak da retim esnasnda veya bundan sonraki

ilemler srasnda matris ve elyaf arasnda dier kimyasal etkileimler olmamal ve

matris zamanla karal kalmaldr. retim srasnda matrisin kimyas nedeniyle

elyaflarda herhangi bir fiziksel hasara maruz kalmamaldr. Kompozitin scaklk

etkileimi ve neme kar direnci ncelikle matris tarafndan belirlenir, ardndan

takviye eleman da scakla kar kararl olmaldr [28].

Kompozitte kullanlan uygun matris seimi ile birok nemli fonksiyonlar yerine

getirilir. Kompozitlerde kullanlan farkl matris malzemelerinin scaklk-younluk

zellikleri ve karlatrmas ekil 3.2 de gsterilmitir. Ancak parackl kompozit

malzemelerde matrisin grevi snrl kalmaktadr. Matris, paracklar bir arada

tutarken elyaf takviyeli kompozitlerde ise matrisin yerine getirmesi gereken balca

fonksiyonlar yle sralanabilir [3].

1. Dzenlenmi elyaflar bir arada tutarak kuvvetleri elyafa iletmektir. Bu zellikle

ekme ve basma yklemeleri iin hayati nem tar.

2. Elyaflar evresel etkilerden ve darbelerden korumaktr. Cam-elyaf takviyeli

kompozitlerde kullanlan ou matrisler suya ve korozyona kar ok hassastrlar.

Baz matrisler retim srasnda elyaflarla reaksiyona girerler. Bu yzden matris

seimi kadar elyaf seimi de nemlidir.

3. atlaklar durdurmaktr. Kullanlan elyaflar genellikle yksek dayanml, elastik

modl yksek ancak ok gevrektirler. Matris, elyaflar ayr ayr birim iindeyken

bunlar krlma oluncaya kadar bamsz olarak yk tayc gibi davranrlar. Bu

yzden herhangi bir atlak ani krlmaya sebep olmaz. rnek olarak bir elyaf krlrsa

bitiik elyafa gemeden nce matrise transfer olur. Bu nedenle matrisin ve matris

elyaf arasnda ara yzey bann kompozitin tokluu zerine nemli etkisi

bulunmaktadr. Bu gereksinimlerin ounu karlayan en kolay malzemeler ya hafif

metaller ve alamlar yada termosetlerdir.

33

ekil 3.2. Matrislerin scaklk ve younluk zellikleri [30].

Al ve Al alamlar

MMK retiminde kullanlan matris alamlar ok eitli olabilmektedir. Fakat

alminyum ve alamlar bu konuda ilk sray almaktadr. Bu alamlarn tercih

edilmelerinin nedeni dk younluk ve ergime derecesine sahip olmalardr. Birok

seramik takviye malzemesini nispi olarak kolay slatabilmektedir [36].

Alminyumun zgl arl dk ve alamlar yap eliklerinden daha fazla

mukavemetlendirilmilerdir. Alminyum iyi elektriksel ve sl iletkenlie ve yksek

s iletme ve k yanstma zelliklerine sahiptir. Pek ok hizmet artlarnda korozyon

direnci olduka iyi ve zehirsizdir. Alminyum dklebilir ve pek ok ekle

getirilebilir [21].

Bunlarla birlikte saf alminyum, oksijene olan yksek afinitesinden dolay dkm

kabiliyetinin kt oluu, talal imalatta ilenebilirliinin iyi olmamas ve kaynakla

birletirmenin gl gibi problemler oluturmaktadr [28].

Alminyum matrisli kompozitler hakknda pek ok aratrma ounlukla, havaclk

uygulamalarnda kullanlan srekli fiber takviyeli yksek performans kompozitleri

zerinde younlamtr. Bununla birlikte son yllardaki trend, fabrikasyonu ve

ilenmesi daha kolay ve ok daha ucuz olan parack takviyeli kompozitler ynnde

34

gelimektedir. Bu kompozitler srekli fiber takviyeli kompozitler kadar olmasa da

klasik malzemelerle kyaslandklarnda ok daha iyi zelliklere sahiptirler. Almina

ve silisyum karbr, alminyum matris kompozitlerde en ok kullanlan parack

takviye elemanlardr. Alminyum ile fiziksel ve kimyasal olarak birleebilir

olmasndan dolay alminann Al matris iin en ideal takviye eleman olduu

konusunda yaygn bir kanaat vardr. Bununla birlikte bu iki bileenin kombinasyonu

sistemin slatma zelliklerinden dolay karmaktr. Bu problem bakr, magnezyum,

demir ve inko ieren al alamlar kullanlarak zlmtr. Almina pek ok gei

metal oksidiyle mineral spinel, MgAl2O4, ile benzer yapda olan alminatlar

oluturacak ekilde hemen reaksiyona girer. Birka aratrmac spinellerin veya

benzer oksitlerin metaller ve seramiklerle gl balar oluturma potansiyellerinden

dolay ara yzey balarnn gelitirilmesinde kullanabileceklerini belirtmilerdir [37].

3.1.2. Takviye malzemeleri ve zellikleri

Metal matrisli kompozit malzemelerin retiminde deiik takviye malzemeleri

kullanlmaktadr. Kompozit malzemelerden beklenen zelliklerin elde edilmesi iin

takviye malzemesinin seimi nemli bir konudur. Takviye eleman seimi ve

zelliklerin iyi bilinmesi gerekir. Aranan temel zellikler; yksek modl ve dayanm,

dk younluk, kimyasal uyumluluk, retim kolayl, sl diren gibi kriterlere gre

incelenip seilmektedir [28].

Bununla beraber metal ve seramik matrisli kompozitlerin takviye eleman seiminde,

fiberlerin yksek scaklklarda dayanmlarn muhafaza etmeleri, takviye elemannn

kimyas, morfolojisi, mikro yaps ve fiziksel zellikleri yannda maliyet gibi dier

nemli faktrlerinde dikkate alnmas gerekir [28].

Metal matrisli kompozitler iin kullanlan takviye elemanlar; partikller, srekli ve

sreksiz(ksa) fiberler, whiskersler ve benzerleridir.

Yapsal uygulamalarda kullanlacak olan kompozitin dk younluklu ve yksek

mukavemetli olmas istenir. Kompozit younluunun dk olmas iin de takviye

35

malzemesinin younluunun dk olmas gerekmektedir. Partikl ekli de

nemlidir. Keli partikller yerel gerilimi arttrc olarak etki edebilecekleri iin

kompozitin snekliini drr. Bu nedenlerden dolay kompozit malzeme

retiminde kullanlacak takviye faznn younluu, partikl ekli ve mukavemeti

nemli hale gelmektedir [38, 39].

retim yntemine bal olarak takviye faznn seimi nemli bir konudur. Sv faz

retim yntemlerinde retim scaklnn yksek olmas, matris ve takviye faz

arasnda reaksiyonlar meydana getirmektedir. retim sresinin uzun olmas ara

yzeyde meydana gelen etkileimi arttrmaktadr. Ara yzeydeki reaksiyonlar sonucu

meydana gelen fazlarn zellikleri kompozit malzemelerin mekanik zelliklerini

dorudan etkilemektedir. Eer kompozit malzeme sv faz retim yntemleri ile

retilecekse takviye faznn matris alamyla etkileimi nemlidir ve bu etkileime

bal olarak takviye malzemesi seilmektedir [38].

Takviye eleman seimindeki bir dier nemli etken, kompozit malzemenin

maliyetidir. Ticari olarak retilen kompozit malzemelerde maliyetin minimum olmas

istenmektedir. Birok uygulamalarda takviye eleman olarak parack maliyetlerinin

fiberlere gre daha dk olmas nedeniyle tercih edilmektedir [38].

Kompozit malzemelerde iki yada daha fazla sayda farkl elemana sahip malzemeler

bir araya geldiinde, malzemelerden beklenen zelliklerin gerekleebilmesi iin

elemanlar arasnda belirli fiziksel ve kimyasal uyumun olmas gerekir. Matris ile

takviye eleman arasndaki fiziksel uyum, sneklik ve sl genleme zellikleri ile

ilgilidir.

Kimyasal uyum ise, ara yzey ba ve ara yzey reaksiyonlar asndan nem tar.

Takviye eleman ve matrisin sl genleme katsaylar arasndaki uyum, kalc yapsal

gerilim olumas ynnden nemlidir (izelge 3.2) [40].

36

izelge 3.2. Kompozit retiminde kullanlan takviye malzemeleri ve zellikleri.

Takviye

Malzemesi

Younluk

(x 10-3 kgm-3)

Genleme

(10-6 oC )

Mukavemet

(MPa)

Elastik Modl

(GPa)

Al2O3 AlN BeO B4C C CeO2 HfC MgO MoSi2 Mo2C NbC Si SiC Si3N4 SiO2 TaC TaSi2 ThO2 TiB2 TiC UO2 VC WC WSi2 ZrB2 ZrC ZrO2

3.98 3.26 3.01 2.52 2.18 7.13 12.2 3.58 6.31 8.90 7.60 2.33 3.21 3.18 2.66 13.90

- 9.86 4.50 4.93 40.96 5.77 15.93 9.40 6.09 6.73 5.89

7.92 4.84 7.38 6.08 -1.44 12.42 6.66 11.61 8.91 5.81 6.84 3.06 5.40 1.44

37

izelge 3.3. Kompozitlerde kullanlan baz takviye elemanlarnn zellikleri.

Fiber tipi ap (m)

Younluk (Kg/ m3)

Elastikiyet modl (GPa)

ekme dayanm

(GPa) Saffil (-Almina) 3 3300 300 2.0 FP (- Almina) 20 3950 380 1.7 Silisyum karbr 13 3200 390 2.0

Boron 100- 200 2600 390 3.4 SiC Kapl Boron 100- 200 2600 400 2.9

Y.Dayanml Karbon 8 1950 358 2.2 Y. Modll Karbon 6.8 1800 235 2.6

Silisyum karbrler (SiC)

Silisyum karbr fiberlerin oksidasyon direnci, yksek scaklklarda mukavemet ve

rijitlii koruma zellii bor fiberlerden daha iyidir. Erimi alminyumun SiC fiberler

zerindeki etkisi de bor fiberlere gre ok dktr. Bu nedenle alminyum

matrislerin takviyelendirilmesinde kullanlan bor flamentleri SiC kaplanr. SiC

fiberlerin yannda metal matrisli kompozitlerde de SiC whiskersler de kullanlr. SiC

whiskerslerle retilen kompozitlerin nemli bir avantaj, ekstrzyon, haddeleme,

kalpta dvme ve presleme gibi plastik ekil verme tekniklerinin, whiskerslerde

mekaniksel bir hasar meydana getirmeden uygulanabilmesidir [28].

Boron

Boron geleneksel ekme ilemleri iin ar krlgan ve reaktiftir. Boron fiberler

kimyasal buhar kertme (CVD) yntemi ile retilmektedir. 0,002 cm apnda ok

ince, stlm tungsten flament, yaltlm stma emberi ierisinden geirilerek bir

alt katman olarak kullanlmaktadr. BCl2 gibi buharlatrlm boron bileikleri

ember ierisine verilir, ayrtrlr ve tungsten tel zerine boronun kelmesi

salanr. Son fiber ap 25m- 200m arasndadr [41].

Boron fiberler, mukavemet ve elastikiyet modll zelliklerinin yksek olmas

istenilen kompozitlerin retiminde kullanlrlar. ekme ve basmaya kar ok

38

dayankl olup yksek elastikiyet modlne sahiptir. Metal matrisler arasnda en ok

alminyum matris ile birlikte kullanlrlar. Boron fiberler alminyum ve titanyum ile

kompozit oluturduklarnda scaklk altnda abuk tepki verir. Alminyum matrisli

kompozitlerin imalatnda yksek scaklk kullanldnda boron fiberler zerindeki

difzyonu engelleyen tabaka ortadan kalkar [42].

Boron ticari olarak silisyum karbr (SiC) ve boron karbr (B4C) olarak retilir. ki

katmanl olan silisyum karbr fiberde silisyum karbr n kalnl 2,5 m

civarndadr ve scak presleme esnasnda metal matris ile boron un kimyasal

reaksiyona girmesini nler [42].

Karbon ve grafit fiberler

Yaklak 7,6 m apndaki karbon fiberler, ince ve srekli ekilde kolaylkla

ekilebilen ve sarlabilen organik bir flamentin karbrlenmesi veya s etkisi ile

eritilerek retilmektedir. n malzeme olarak bilinen organik flament genellikle

naylon, poliakrilonitril (PAN) veya zifttir (farkl aromatik organik bileiklerdir).

Yksek scaklklar, karbon hari dier elementlerin giderilmesine neden olacak

ekilde organik polimerlerin ayrmasn salar. Karbonlama scakl 1000 oC den

3000 oC ye kadar ykseltilirken, elastik modl artarken ekme dayanm

azalmaktadr [41].

Karbon ve grafit fiberler, dk younluklu, yksek mukavemet ve modll, sl

kararllklar ve direnleri yksek olan takviye elemanlardr. Bu nedenle ok yaygn

olarak kullanlrlar [4].

Almina ( Alminyum oksit )

Metal matrisli kompozitlerde seramik takviye elemanlar da kullanlr. Seramikler

iinde en yaygn olarak kullanlan alminadr. Almina fiberler iki farkl allotropik

formda bulunabilir. Bunlardan birincisi FP snf - alminadr. Almina paracklar

39

srekli bir amurlama ilemiyle %99 - alminadan imal edilirler. Almina fiberler, tane boyutu 0,5 m olup, ok kristallidir ve ortalama ap 20 m olan srekli fiber

olarakta kullanlr. Ergime scaklklar 2045 oC olup yksek scaklklardaki imalat

teknikleri iin uygun zelliklere sahiptir [3, 40].

FP - almina fiberler maliyetinin yksek oluu nedeniyle istenilen derecede uygulamaya geilememitir. Bunun ICI Mond Division firmas ksa fiber formunda

retilen ve saffil olarakta bilinen RF snf yeni bir alminay piyasaya srmtr. RF

snf bu saffiller, iinde - almina faz baskn olan ok kristalli yapdan oluur. Saffiller %3- 4 SiO2 i ierir. Yapda bulunan bu SiO2 fazl yapy dzenler ve alminyum alam matris ile arasndaki ba kuvvetlendirir. Bunun yannda saffilin

esas yapy %96- 97 Al2O3tr. Bu saffil fiberler olduka kalitelidir [3, 40].

3.2. Metal Matrisli Kompozit eitleri

Metal matrisli kompozitleri takviye elemanlarna gre be ana guruba ayrabiliriz.

1. Parack takviyeli kompozitler

2. Srekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler

3. Ksa elyaf takviyeli

4. Rasgele dzlemsel ynlendirilmi takviyeli

5. Serpitirme ile glendirilmi metal matris kompozitler

3.2.1. Parack takviyeli kompozit

Parack takviyeli kompozit malzemelerde, belirgin niform olarak dalm sert,

gevrek malzeme yumuak daha snek bir matrisle kuatlmtr [39]. Parack

takviyeli kompozitler tek veya iki boyutlu makroskobik partikllerin veya sfr

boyutlu olarak kabul edilen mikroskobik partikllerin matris ile oluturduklar

malzemelerdir. En ok kullanlan paracklar ise Al2O3 ve SiC den oluan

seramiklerdir. Burada yk, elyaf ve matris tarafndan birlikte tanr ve zellikler

40

yine izotropiktir (ekil 3.3) [28, 43]. Bu kompozitler dayanmn iyiletirmekten

ziyade allmn dnda birletirilmi zellikler elde etmek iin tasarlanmaktadr

[28].

ekil 3.3. Parack takviyeli kompozit malzemenin ematik gsterimi.

Dkm yoluyla retilen bu tr kompozitlerde pratikte karlalan bir problemde

parack ilave edildiinde tozlarn kartrma zorluu ve ergiyik viskozitenin dmesi

veya sv metalin seramik paracklar slatmamasdr. Islatabilirliin

iyiletirilebilmesi iin;

Kat yzey enerjisinin artrlmas Sv metal yzey geriliminin azaltlmas Kat ve sv ara yzey enerjisinin azaltlmas gibi parametreler zerinde durulmas gerekir [28, 43].

Bu nedenle de, parack yzeyine kaplama yaplmas ve sl ilem uygulanmas veya

matris bileiminin ayarlanmas gibi metotlar uygulanmaktadr. Metal matrisli

kompozitlerde slanabilirlii iyiletirebilmek iin genellikle magnezyum elementi

kullanlmaktadr. Bu ekilde bu kompozitin dayanm;

1. Paracklarn byklne,

2. Paracklar aras mesafe ve homojen dalma,

3. Matris zelliklerine,

4. Paracklarn zelliklerine bal olarak deiir [28, 35, 43].

41

Parack takviyeli kompozitlerde artan takviye eleman ilavesi ile birlikte yap

ierisinde porozite vb. hatalar artmaktadr. Dolays ile haddeleme gibi ikinci bir

ilem de uygulanabilmektedir. Btn bunlara ramen dkm metodu ile yaplan bir

kompozitin dayanm, takviye elemannn matris ierisinde homojen dalamamas

ve tane bykl etkisi nedeniyle toz metalurji metodu ile yaplan kompozitten

daha dktr. Paack takviyeli kompozitin zellikleri, kompoziti oluturan

bileenlerin zelliklerine ve oranlarna baldr [28].

Sementit karbrler veya sermetler metal matris ierisine dalm sert seramik

paracklar iermektedir. Tala kaldrma ilemlerinde kesici takm olarak kullanlan

tungsten karbr takviyeli kompozitler, bu guruba tipik rnektir. Tungsten karbr

(WC) ar derecede sert olup su verilmi ve temperlenmi elikleri kesebilmektedir.

Bu karbr, ileme srasnda toleranslar dar tutabilecek kadar yksek rijitlie ve ok

yksek ergime scaklna sahiptir. Bu yzden hzl ileme srasnda oluan yksek

s problem oluturmamaktadr. Ne yazk ki tungsten karbrden yaplm takmlar

ar derecede krlgandr. Tokluu iyiletirmek iin tungsten karbr paracklar,

kobalt tozlar ile kartrlr [41].

3.2.2. Srekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler

Srekli fiber ta