SiC ve grafit takviyeli çinko aluminyum hibrit mompozit malzemelerin aşınma davranışının incelenmesi

Abstract

ÖZET: Çinko-Aluminyum alaşımları, ZA 27, Metal matriksli kompozit malzemeler, Hibrit kompozit malzemeler, Kayma aşınması, Aşınma mekanizması Bu çalışmada, yatak malzemesi olarak kullanılan çinko alüminyum esaslı ZA 27 alaşımının aşınma özelliklerinin daha da geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda alaşıma değişik hacim oranlarında SiC ve/veya Grafit ilavesi yapılması planlanmıştır. Vorteks yöntemi ile yarı katı aralığında üretilen kompozit, sıkıştırma döküm yöntemi kullanılarak 50 MPa basınçta metal bir kalıpta katılaştırılmıştır. % 5-10-15 hacim oranında SiC partiküller ve/veya % 2,5-5-7,5-10 hacim oranında da grafit partiküller kullanılarak kompozitler oluşturulmuştur. Üretilen ZA 27 alaşımı, SiC takviyeli kompozit (STK), grafit takviyeli kompozit (GTK) ve hibrit kompozit malzemelerin (HKM) sertlik ve aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. ZA 27 alaşımı, kompozitler ve hibrit kompozit malzemelerin sertlikleri, brinell ve mikrosertlik yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. SiC oranının artışıyla STK ve HKM'lerin sertlikleri artış göstermiştir. Ancak grafit ilavesi ile bu sertlik HKM'lerde azalma göstermiştir. Aşınma deneyleri 10-20-30 N yüklerde ve 0,5-1-1,5-2 m/s hızlarda disk üstünde numune (pin on disk) aşınma cihazında yapılmıştır. Düşük yüklerde malzemelerin aşınma miktarları kayma hızı ile değişim göstermemektedir. Ancak yüksek yük uygulamasında (3 ON) kayma hızı arttıkça aşınma miktarı da artış göstermektedir. Grafit oranı düşük olan GTK ve HKM'lerin aşınmaları yüksek olurken, grafit oranı yüksek olan GTK ve HKM'lerin aşınma miktarlarındaki artış yüksek kayma hızı ve yüksek yüklerde dahi çok az olmuştur. Aşınma deneyi sonunda elde edilen sürtünme katsayısı değerleri SiC miktarının artışıyla STK'lerde yükselmekte iken GTK'lerde grafit artışıyla devamlı olarak azalma göstermiştir. HKM'lerde ise SiC arttıkça yükselme kaydeden sürtünme katsayısı grafit miktarının artışıyla azalma göstermektedir. Uygulanan normal yükün artışıyla sürtünme katsayısının da arttığı tespit edilmiştir. Metalografik çalışma ile döküm yönteminin katılaşmaya etkisi ve partiküllerin hasar durumlarının tespiti amaçlanmıştır. Sıkıştırma döküm yöntemi ile üretilen alaşım ve kompozitler katılaşmanın çok hızlı olması nedeniyle ince dendiritsel yapıda olmuştur. 50 MPa basınç uygulamasına rağmen partiküllerde herhangi bir hasar tespit edilmemiştir. Grafit ve SiC heterojen çekirdeklenme etkisi göstererek partiküller etrafında daha ince yapının oluşumuna neden olmuştur. Aşınma sonrası yüzeyde oluşan plastik deformasyonun şiddetini görüntüleyebilmek için numunelerin aşınma yüzeyi kesitleri incelenmiştir. Alaşımda ve GTK'larda matriksin deformasyonu çok belirgin olmuştur. Ancak STK'larda SiC mukavemet taşıyıcı faz olarak davranarak matriksin deformansyonuna izin vermemiştir. Hibrit kompozit malzemelerde ise SiC in mukavemet taşıyıcı faz olması yanı sıra grafitin de yağlayıcı etkisi sonucu bu deformasyon tabakası daha az miktarda oluşmuştur. Taramalı elektron mikroskobu incelemesi ile aşınma sonrası yüzeyde meydana gelen aşınma şeklinin tespiti yapılmıştır. ZA 27 alaşımının aşınması adhesiv türde olurken SiC ilaveli kompozitlerde Abrasiv aşınma hakim olmuştur. Ancak grafit içeren kompozit/hibrit kompozit malzemelerde grafit çok iyi yağlayıcı tabaka oluşturarak yüzeye sıvanmış ve abrasiv ve adhesiv aşınma mekanizmalarının tesirini oldukça azaltmıştır.

STUDY OF WEAR BEHAVIOUR OF SiC AND GRAPHITE PARTICULATE REINFORCED ZINC-ALUMINIUM ALLOY ZA 27 MATRIX COMPOSITES SUMMARY Keywords: Zinc-Aluminium alloys, ZA 27, Hybrid composites, Metal matrix composites, Sliding wear, Wear mechanism In this study, improvement of wear properties of zinc aluminium based ZA 27 alloys, was aimed. For this purpose, different volume fractions of SiC and/or graphite particle additions was considered. Composites, produced in semi-molten range with vortex method, were solidified under 50 MPa pressure by applying squeeze casting in a metal die. Composites were formed with 5-10-15 % volume of SiC and/or 2.5-5-7.5-10 % volume percents of graphite. Hardness of ZA 27 alloy, reinforced and hybrid composites were determined with Brinell (HB) and microhardness measurement techniques. Increment of SiC ratio in SRC and HRC composites resulted in increasing in hardness. Conversely, increment of graphite ratio of HRC composite resulted in a decrease in the hardness. Wear tests were performed under 10-20-30 N loads and 0,5-1-1,5-2 m/s sliding speed conditions using a pin on disk apparatus. Using a pin-on-disc wear measurement technique under normal loads of 10 N, 20 N and 30 N, dry environment and sliding speeds of 0.5-1-1.5-2 m/s, it was found that addition of SiC particles to ZA 27 matrix alloy showed substantial improvements in wear resistance of SRC and HRC composites. On the contrary, wear rates were dramatically increased with increased sliding speeds in high load (30 N) levels. Slope of this increment determined by graphite ratio. Low graphite ratio in GR and HR composites resulted an escalation in wear rate when compared with ZA 27 alloy. On the other hand, escalation in wear rate of GR and HRC composites with increased graphite ratio was extremely low, even in high load levels and in high sliding speeds. Consequently, HRC composites with 10-15 % SiC and 7.5-10 % graphite ratio exhibited very low wear rates. Friction coefficient values of SRC composites increased with SiC ratio compared with base alloy while; friction coefficient values declined continuously in GRC composites with increased graphite ratio. Examination of effects of casting method to solidification and failure conditions of particles intended in metallographic studies. All materials produced in this study have very fine dendritic matrix microstructure because of remarkably high solidification rate of alloys and composites arised from with squeeze casting process. Although, a 50 MPa pressure applied in squeeze casting process, no any particle failure observed. As a result of heterogeneous nucleation, SiC and graphite caused finer structure around the particles. Cross-sections of the wear samples examined after the testing to determine the plastic deformation severity of wear process. Noticeable plastic deformation occurred in the matrix of the ZA 27 alloy and GR composites while; SiC particles in SRC composites behaved as if stress transferring phase resulting no matrix deformation. In addition to stress transferring phase implementation of SiC particles, lubrication effect of the graphite particles induced small plastic deformation layer in HR composites. Wear evolutions performed with scanning electron microcopy examinations after testing. Wear proceeded in adhesive manner in the ZA 27 alloy while, SiC bearing composites exhibited abrasive wear. However, Graphite particles in graphite containing composites forming lubrication layer on the surface, smearing to the surface, altered effects of the adhesive and abrasive wear processes, considerably. xxii