Toz metalurjisi yöntemi ile Al-SiC kompozit malzeme üretimi ve işlenebilirliğinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, Toz Metalürjisi (T/M) yöntemiyle Al matrisli SiC takviyeli metal matrisli kompozit malzeme üretilerek mekanik ve işlenebilirlik özellikleri araştırılmıştır. Bu amaçla, ağırlıkça % 10, 20 ve 30 oranlarında SiC takviye elemanı tozu ile Al tozu bilyalı yatay değirmende karıştırılarak homojen toz karışımı sağlanmıştır. Farklı oranlardaki toz karışımları, imal edilen çift tesirli yüzer kalıpta 600 MPa'da preslenerek burç biçimli numuneler üretilmiştir. Bu numuneler 645 °C sıcaklıkta 3 saat süre ile Ar atmosferi altında tüp fırında sinterlenerek metal matrisli kompozit (MMK) numuneler elde edilmiştir. Kompozit numunelerin yoğunlukları, sertlikleri ve çapraz kırılma mukavemeti özellikleri belirlenmiştir. Optik ve tarama elektron mikroskobu ile mikroyapı, işlenmiş yüzeyler ve kırık yüzeyler incelenerek mekanik ve işlenebilirlik özellikleri tartışılmıştır. MMK numunelerin işlenebilirlikleri ise kesme kuvvetleri, yüzey kalitesi ve takım ömrü özellikleri ile karakterize edilmiştir. SiC takviye oranındaki artışla birlikte kompozit parça yoğunluklarının arttığı görülmüştür. Bununla birlikte teorik yoğunluk (%), kompozit yapı içindeki parçacık takviye miktarının artmasıyla ve dolayısıyla gözenek yoğunluğunun artmasıyla düşmüştür. SiC miktarındaki artış sıkıştırılabilme kabiliyetini olumsuz yönde etkilemiştir. SiC takviye oranındaki artışla çapraz kırılma dayanımında azalma, sertlikte ise artış belirlenmiştir. En yüksek çapraz kırılma değeri (ÇKD) % 10 SiC takviyeli numunede 121 MPa, en düşük ÇKD ise % 30 SiC takviyeli numunede 54 MPa olarak belirlenmiştir. En düşük sertlik 158 BSD ile % 10 SiC takviyeli numunede, en yüksek sertlik ise 182 BSD ile % 30 SiC takviyeli numunede belirlenmiştir. % SiC takviye oranındaki artışla tornalama kuvvetlerinde ve takım ömründe azalma, yüzey pürüzlülüğünde ise iyileşme görülmüştür. Düşük orandaki SiC takviyeli numunelerde yüzey kalitesini etkileyen mekanizmanın işlemeden sonra yüzeyde kalmış yığıntı talaş (YT) tepeciklerinin olduğu, yüksek oranlı SiC takviyeli numunelerde (% 30) ise yüzey kalitesini belirleyen etkenin SiC oranı olduğu belirlenmiştir. Kesici uç etkin aşınma tipinin yan yüzey aşınması olduğu belirlenmiştir. Artan kesme hızıyla birlikte kesici yan yüzey aşınma miktarı da şiddetle artmış ve aşınmış bölge yüzeyine yapışmış kalın bir MMK tabakası gözlenmiştir. Özellikle düşük kesme hızlarında büyük boyutlu ve kararlı yığıntı talaş oluşumu belirlenmiş ve bu durum ise düşük kesme hızlarında kesme kuvvetlerini ve yüzey kalitesini düşürmüştür. Kesme hızının artmasıyla birlikte tornalama kuvvetleri belli bir kesme hızına kadar artmış (150 m/dak) ve daha sonra işleme sırasında oluşan yüksek ısıyla birlikte akma mukavemetindeki düşüşten dolayı tornalama kuvvetlerinin de düştüğü gözlenmiştir.

SUMMARY The aim of this study was the production of SiC particle reinforced Al based metal matrix composites by powder metallurgy (P/M) technique and investigation of their mechanical and machinability properties. For this purpose, homogenous powder mixtures were prepared by mixing 10, 20 and 30 % weight ratios of SiC particles with Al in a horizontal ball-mill. The bush shaped blanks were produced by pressing these different ratios of powder mixtures in a floating double-effect die at 600 MPa pressure. Metal matrix composite (MMC) specimens were obtained after sintering the blanks in a tube furnace at 645 °C for 3 hours under Ar atmosphere. The mechanical properties of the composite specimens were determined by measuring the density, hardness and transverse rupture strength values. Microstructure, machined surfaces, fractural sections and matrix/particle interface bonds were investigated by using optical and scanning electrone microscopes (SEM). The relationship between microstructure and machinability characteristics were determined. The machinability properties of the MMC specimens were characterized depending on cutting forces, surface quality and cutting tool life. The density of the composites increased by increasing the ratio of SiC reinforcing element. Nevertheless, the theoretical density (%) of the composites decreased by increasing the SiC reinforcing ratio due to high porosity level. It was also found that the compressibility behaviour negatively affected by increasing SiC reinforcing ratio. Experimental results showed that the transverse rupture strength decreased by increasing the SiC reinforcing ratio which resulted in an increase in hardness. The maximum transverse rupture value was obtained on 10 % SiC reinforced specimen as 121 MPa however it was minimum (54 MPa) on the sample contained 30 % SiC. The minimum hardness value was found on the 10 % SiC reinforced specimen as 158 HBN and the maximum value was obtained on the 30 % SiC reinforced specimen as 182 HBN. By increasing of the % SiC weight ratio, the turning forces and the tool life decreased but the surface quality increased. It was determined that the surface quality of the specimens with low SiC ratio, was effected by the mechanism of built-up edge (BUE) formation. For the specimens with high SiC ratio (% 30), surface quality was effected mainly by SiC particle amount. Flank wear was the active wear type of the cutting tool. The amount of the flank wear increased rapidly with the increasing cutting speed and a thick adhered MMC layer was observed on the worn surface of the tool. Especially at low cutting speeds, stable and coarse BUE formation was determined and which decreased the turning forces and the surface quality. With increasing the cutting speed, turning forces increased to a certain cutting speed (150 m/min). Due to high temperature generated by machining, the yield strength of MMC decreased which also decreased the turning forces.