İndüksiyonla Sıcak İşlemin Grafen ve Veya Si3n4 B4c Takviyeli Al6061 Esaslı Kompozitlerin Mekanik, Tribolojik Özelliklerine ve Mikroyapısına Olan Etkisi

Abstract

Bu tez çalışmasında, toz metalürjisi ve indüksiyonla sıcak presleme yöntemleri kullanılarak ağırlıkça farklı katkı oranlarında (Grafen: %0.15-0.45, B4C: %1-30, Si3N4: %1-12) Al6061-Grafen, Al6061-B4C-Grafen ve Al6061-Si3N4-Grafen kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozit malzemelerin yoğunluğu, sertliği, basma dayanımı, aşınma direnci, mikroyapısı ve faz yapısı sırasıyla; Arşimet yoğunluk ölçüm cihazıyla, mikro Vickers sertlik ölçüm cihazıyla, üniversal test makinesiyle, aşınma test cihazıyla, taramalı elektron mikroskobuyla ve X-ışını kırınımı cihazıyla incelenmiştir. Üretilen kompozitlerde; sinterleme işlemi 600 °C sıcaklıkta 60 dk süresince ve indüksiyonla sıcak presleme işlemi ise 500 °C sıcaklıkta 25 MPa basınç altında gerçekleştirilmiştir. Kompozit yapılarda B4C, Si3N4 ve grafen katkı oranının artmasıyla kompozitlerin mekanik ve tribolojik özelliklerinin iyileştiği belirlenmiştir. Buna karşın ağırlıkça %9Si3N4 ve/veya %0.15 grafen takviyesinden sonra nanopartiküllerin topaklanması sebebiyle kompozit malzemelerin mekanik ve tribolojik özelliklerinin bozulduğu tespit edilmiştir. Yürütülen testler neticesinde; en yoğun mikroyapı ile en iyi mekanik ve tribolojik özellikler (sertlik, basma dayanımı ve aşınma oranı); sinterleme sonrası indüksiyonla sıcak presleme işlemi uygulanan Al6061-%0.15Grafen (151 HV, 341 MPa, 8.5x10-8 mm3/Nm), Al6061-%30B4C-%0.15Grafen (238 HV, 510 MPa, 0.8x10-8 mm3/Nm) ve Al6061-%9Si3N4-%0.15Grafen (179 HV, 447 MPa, 6.0x10-8 mm3/Nm) kompozitlerde elde edilmiştir. Sonuç olarak, grafen, B4C ve Si3N4 katkı malzemelerinin belli bir katkı oranına kadar kompozitlerin mekanik ve tribolojik özelliklerini iyileştirdiği tespit edilmiştir. Al6061 matrisli kompozitlerde grafenin etkili bir katkı elemanı olduğu görülmüştür. Yürütülen ısıl işlem çalışmaları neticesinde; sinterleme sonrası indüksiyonla sıcak preslenmiş numunelerin mekanik ve tribolojik özelliklerinin yalnızca sinterlenmiş kompozitlere kıyasla ~%15-37 oranında daha iyi olduğunu tespit edilmiştir.

In this thesis, Al6061-Graphene, Al6061-B4C-Graphene, and Al6061-Si3N4- Graphene composites with various reinforcement rates (0.15-0.45wt.%Graphene, 1-30wt.%B4C, 1-12wt.%Si3N4) were produced using the powder metallurgy and induction hot treated processes. The density, hardness, compressive strength, wear rate, microstructure, and phase structure of the composites were examined by Archimedes density meter device, micro Vickers hardness measurement device, universal testing machine, wear test machine, scanning electron microscope, and X-ray diffraction device, respectively. The sintering process of the fabricated composites was carried out at a temperature of 600 °C for 60 minutes, and the induction hot pressing process was performed under a pressure of 25 MPa at a temperature of 500 °C. It was determined that the mechanical and tribological properties of the composites improved with the increase of B4C, Si3N4, and graphene contents in the composite structures. However, it was detected that the mechanical and tribological properties of composite materials deteriorated due to the agglomeration of nanoparticles after 9%Si3N4 and/or 0.15%graphene contents. As a result of the tests, the densest microstructure, the best mechanical and tribological properties (hardness, compressive strength, and wear rate) were obtained at the sintered and induction heat treated Al6061-0.15%Graphene (151 HV, 341 MPa, 8.5x10-8 mm3/Nm), Al6061-30%B4C-0.15%Graphene (238 HV, 510 MPa, 0.8x10-8 mm3/Nm) and Al6061-9%Si3N4-0.15%Graphene (179 HV, 447 MPa, 6.0x10-8 mm3/Nm) composites. As a result, it was found that the increase in graphene, B4C, and Si3N4 content up to a certain amount improved the mechanical and tribological properties of the composites. It was observed that graphene was an effective reinforcement element for the Al6061 matrix composites. As a result of the heat treatment studies, it was determined that the mechanical and tribological properties of the sintered and induction heat treated composites were enhanced by ~%15 and ~%37, respectively compared to only sintered composites.