Sialon esaslı seramik kesici uçların ısıl iletkenliğinin sıcaklığa bağlı analizi

Abstract

Bu çalışmada Sialon esaslı kesici uçların ısıl iletkenliği analitik, sayısal ve deneysel olarak hesaplanmıştır. Analitik hesaplamalar yapılırken literatürdeki mevcut ampirik ifadeler değişik hacimsel oranlar kullanılarak sıcaklığa bağlı olarak hesaplanmıştır. Deneysel olarak yapılan çalışmalarda sıvı ile yer değişim yöntemi ile yoğunluk (?) ölçümü, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) sistemi kullanılarak özgül ısı (c) ölçümü ve zamana bağlı ısı iletimi esasına dayanan Laser Flash teknolojisi ile ısıl yayılım katsayısı (?) ölçümü yapılmıştır. Isıl yayılım Netzsch LFA457 cihazı ile ölçülmüş olup bu deneysel sonuçlardan ısıl iletkenlik (k) bulunmuştur.Sayısal çözümlere ulaşmak için birkaç aşamanın malzemeye uygulanması gerekmektedir. İlk olarak malzeme yüzeyinin kimyasallarla temizlenmesi ve parlatılması işlemleri uygulanmıştır. Bu işlemlerin devamında işleme hatalarının giderilmesi ve görüntünün net alınabilmesi için yüzeyin kimyasallarla dağlaması yapılmıştır. Dağlama sonunda malzeme yüzeyinin fotoğrafı Taramalı Elektron Mikroskobunda alınmıştır. Alınan görüntüler farklı büyütme oranlarında 25000,30000 ve 50000 olarak seçilmiştir. Son olarak bu görüntüler Autocad® programı kullanılarak ana ve ara faz ayrımları geometrik olarak belirlenmiş ve sonlu eleman esaslı bir yazılım olan Ansys® için hazır hale getirilmiştir.Sonlu eleman çözümleri değişik alan oranları ve düğüm sayıları için tekrarlanmıştır. Alan oranları ve düğüm sayıları sonlu eleman modelinin yapısına göre değişimler gösterebildiğinden incelenen modeller ilerleyen sayfalarda tablo ve grafiklerle verilmiştir.Sialon esaslı seramik kesici uçların sinterlenmesi esnasında ana faz denilen ana yapının yanında ara faz denilen tane sınır faz olarak camsı yapı oluşmaktadır. Bu yapı malzeme fotoğraflarında ve sayısal analiz modellerinde açıkça görülebilmektedir.Sayısal çözümlemede bu fotoğrafla iki boyutlu bir düzlem şeklinde ele alınarak sabit yüzey sıcaklığı sınır şartları altında ana faz ve ara fazın iletkenliklerinin bilinmesine bağlı olarak efektif ısıl iletkenlik Ansys ile hesaplanmıştır. Hesaplamalar analitik ve deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak verilmiştir.Sonuçların karşılaştırılmasında kesici uçların veya buna benzer iki faz yapısı olan malzemelerin ısıl iletkenliklerinin analitik ve deneysel ölçümleri yanında sayısal hesaplamalarda da oldukça iyi belirlenebileceği gösterilmiştir.

In this study, Thermal conductivity of Sialon based cutter edges are calculated as theoretical, numerical and experimental. At analytical computation, current empirical evidences at literature are calculated dependent on temperature as using different volume rates. At experimental studies, density (?) is measured with replace method, specific heat (c) is measured with differential scanned calorimeter (DSC) and heat expansion coefficient (?) is measured with Laser Flash Technology. Heat expansion is measured with Netzsch LFA457 device. Heat conductivity is obtained from these experimental results.Some stage is supposed to apply to material for obtained numerical solution. First, material surface is cleaned and shined with chemicals. Then material surface is cauterized with chemicals. Image of material surface is taken from Scanning Electron Microscope at the end of cauterization. Images are selected different enlargement rate as 25000, 30000 and 50000. Finally, the anaphase and intermediate phase distinction of these images are designated as geometrically by using the AutoCAD. Then images are transferred to Ansys.Finite element solutions are repeated for different area rates and knot numbers. Area rates and knot numbers are varied according to structure of finite element model. For this reason models are showed with table and graphic at the next pages.The intermediate phase is occurred near the anaphase during the Sialon based ceramic cutter edges sintering. This structure can be seen clearly from materials structure images and numerical analysis models.At numerical solution, effective heat conductivity is calculated with Ansys by using constant surface temperature boundary conditions. Images are assumed as two dimensional. Theoretical, experimental and numerical results are compared.Finally numerical model shows close results with analytical and experimental results at measured heat conductivity of cutting edges which composed of intermediate phase and anaphase.