Farklı Alternatif Bağlayıcı Metal Matrisli Kompozitlerin Üretilmesi ve Mekanik Davranışları

Abstract

Günümüzde geniş bir kullanım alanına sahip olan WC takviyeli metal matrislikompozitler (MMK) önemli mühendislik malzemelerindendir. Bu çalışmada, WC, Fe, Ni ve Ctozları kullanılarak toz metalurjisi yöntemi ile metal matrisli kompozit malzemeler üretilmiştir.Deneysel çalışmaların birinci aşamasında tozlar homojen karıştırma işlemi yapıldıktan sonra,tek yönlü ve takiben soğuk izostatik olarak preslenmiş ve basınçsız argon ortamındasinterlenmişlerdir. Üretilen numunelerin mikroyapı (yoğunluk, faz) ve mekanik (sertlik,elastisite modülü, kırılma tokluğu) özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan çalışmadabağlayıcı faz olarak farklı oranlarda Fe ve Ni katkısının mikroyapı ve mekanik özelliklere olanetkisi araştırılmıştır. Fe ve Ni katkıları için kritik bir oranın olduğu ve tespit edilen miktarınüstünde katılmasının kırılma tokluğunu azalttığı tespit edilmiştir. Numunelerde en uygun Fe-Niiçeriğine sahip kimyasal bileşim, mikroyapı ve mekanik kıstaslara göre belirlenmiştir. Deneyselçalışmaların ikinci aşamasında en uygun kimyasal içeriğe sahip gruptan üretilen numunelerefiziksel buhar biriktirme yöntemi (PVD) ile TiN, TiAlN, CrAlN ve TiSiN kaplamalarıuygulanmıştır. Yüzey özellikleri değiştirilen numunelerin mikroyapı (kalınlık, faz, yüzeypürüzlüğü ve topoğrafyası), mekanik (sertlik, elastisite modülü, plastisite indeksleri) vetribolojik özellikleri (nano çizik ve aşınma testleri) deneysel olarak incelenmiştir. İnce filmkaplamalarda herhangi çatlak veya süreksizlik tespit edilmemiştir. Yapılan çalışmalarda enyüksek ortalama yüzey pürüzlülüğü değerlerinin TiN kaplamada olduğu tespit edilmiştir. Üçlünitrür kaplamaların, TiN kaplamaya göre daha üstün sertlik, elastisite modülü ve plastisiteindeks değerlerine sahip olduğu saptanmıştır. Farklı derinliklerde yapılan nano çizik testlerindeüçlü nitrür kaplamalar sünek davranış gösterirken, TiN kaplamanın gevrek davranış gösterdiğitespit edilmiştir. Tüm kaplamalarda aşınma direnci alt taş malzemeye göre 1,87 ile 17,13 katarasında arttırılmıştır. TiN kaplamaya göre üçlü nitrür kaplamalarda aşınma direnci 2,44 ile 9,13kat arasında iyileşme göstermiştir. En yüksek sürtünme katsayısı alt taş malzemedegözlemlenmişken, en düşük sürtünme katsayısı TiSiN kaplamada tespit edilmiştir. TiSiNkaplamaların diğer kaplamalara göre üstün özellikler gösterdiği tespit edilmiştir.

WC reinforced metal matrix composites (MMC) have a wide usage area. These materialsare one of the important materials nowadays. In this study, metal matrix composite materialswere produced by powder metallurgy method using WC, Fe, Ni, and C powders. In the firststage of the experimental studies, the powders were homogeneously mixed subsequently axiallyand cold isostatically pressed. The obtained green forms were sintered in an unpressurized argonmedia. The microstructure (density, phase) and mechanical (hardness, modulus of elasticity,fracture toughness) properties of the samples were investigated experimentally. In this study,the effect of different amounts of Fe and Ni additives as the binding phase on the mentionedproperties were investigated. It has been determined that there is a critical ratio for Fe and Niadditives. The excessive addition reduces the fracture toughness. The optimum chemicalcomposition with the Fe-Ni content was determined according to microstructure and mechanicalproperties. In the second stage of the experimental studies, optimum chemical content sampleswere coated with TiN, TiAlN, CrAlN, and TiSiN by physical vapor deposition method (PVD).The microstructure (coating thickness, phase, surface roughness, and topography), mechanical(hardness, modulus of elasticity, plasticity indexes), tribological properties (nano scratch, andwear tests) of the coatings were investigated experimentally. No cracks or defects were detectedin the coatings. The highest average surface roughness values were found in TiN coating. It hasbeen determined that ternary nitride coatings perform higher hardness, modulus of elasticity,and plasticity index values than TiN coating. It was determined that ternary nitride coatingsexhibited ductile behavior while TiN coating exhibited brittle behavior under applying loads innano scratch tests at different depths. The wear resistance is increased between 1.87 and 17.13times in comparison to the substrate material. Compared to TiN coating, the wear resistance ofternary nitride coatings improved between 2.44 and 9.13 times. The highest coefficient offriction (COF) was observed in the substrate, while the lowest coefficient of friction was foundin the TiSiN coating. It was observed that TiSiN coatings have superior mechanical andtribological properties compared to other coatings.