Comparative effects of Ni-Co addition and milling parameters on corrosion resistance behavior of W-Cu based P/M alloys
Nikel-kobalt ilavesi ve öğütme parametrelerinin toz metalurjisiyle üretilmiş tunsgten-bakır alaşımlarında korozyon direnci davranışına etkisinin karşılaştırmalı incelemesi
- Tez No: 439654
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL, DOÇ. DR. YAMAN ERARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Tungsten, çok yüksek ergime noktasına sahip, yüksek sertlik ve mukavemet gösteren refrakter bir metaldir. Bununla birlikte, seramikler ve camlarla eşdeğer düşük termal genleşme katsayısı, elektriksel direnci ve termal iletkenliği tungstenin çok geniş bir yelpazedeki ürünlerde kullanılmasını mümkün kılar. Kullanım alanları arasında başka metallerin dayanamayacağı yüksek sıcaklık, termoelektrik ve termomekanik uygulamalar, küçük hacimlerde ağır malzemeleri gerektiren yüksek yoğunluk uygulamaları, yüksek sertliğin arandığı bazı delici, kesici ve öğütücü malzemeler bulunmaktadır. Ancak yüksek ergime noktası, yüksek sünek-gevrek geçiş sıcaklığı ile birleşerek tungsten malzemelerin geleneksel yöntemlerle elde edilmesini enerji verimliliği ve uygulama açısından zorlaştırmaktadır. Bu sebeple toz metalurjisi, tungsten malzemelerin üretiminde yaygın olarak tercih edilen bir tekniktir. Toz metalurjisi metal veya metal-dışı tozların sıkıştırma ve yüksek sıcaklıklar ile yoğunlaştırılması ve bunun sonucunda son ürüne yakın şekil, boyut ve özelliklere sahip malzemeler üretilmesi tekniğidir. Tozların hazırlanması, karıştırılması ve/veya öğütülmesi, tozların sıkıştırılarak bir ön yoğunluğa ve şekle ulaştırılması, elde edilen bu yapının uygun sıcaklıklarda ısıtılarak sinterlenmesi ile tam yoğunluğa ve son ürün şekline yakın ürünler elde edilmesi ve son işlemlerin yapılması basamaklarından oluşmaktadır. Tozların yüzey alanlarının geniş olması bağlanmayı kolaylaştırarak, geleneksel metal üretim yöntemlerine göre çok daha düşük sıcaklıklarda üretim yapılmasına olanak verir ve hem enerji maliyetlerini düşürür, hem de tungsten gibi yüksek ergime noktasına sahip refrakter metallerin üretimini kolaylaştırır. Sonuçta ağır şekillendirme gerektirmeyen, kullanım şekline yakın malzemeler elde edildiği için kırılgan malzemelerin üretimine de uygundur. Bu teknik aynı zamanda, birbiri içinde çözünürlüğü olmayan tozların bile sıvı faz sinterlemesi ile bağlanarak, kompozisyonu, mikroyapısı ve özellikleri ihtiyaca göre ayarlanabilen çeşitli kompozitler üretilmesine olanak tanır. W-Cu alaşımları da toz metalurjik tungsten kompozitlerden olan tungsten ağır alaşımların bir türüdür. Bu malzemeler tungsten ve bakır tozlarının sıkıştırılıp, daha sonra bakırın ergime noktasının üstünde sıcaklıklara ısıtılarak sıvı faz sinterlemesine tabi tutulmasıyla üretilir. Bu yolla zaman ve enerjiden tasarruf edilerek yüksek yoğunlaşmada malzemeler elde etmek mümkündür. Özellikle tungstenin düşük termal genleşme katsayısı ve elektriksel erozyona dayanımı ile bakırım elektriksel ve ısıl iletkenliğinin birleşmesi sebebiyle yüksek voltajlarda ark kontağı ve elektronik cihazlarda ısı alıcı gibi pasif ısı kontrol uygulamalarında kullanılırlar. xxiv W-Cu gibi iki fazlı sistemler için en çok tercih edilen sinterleme yöntemi sıvı faz sinterlemesidir. Sıvı faz sayesinde yüzey temas alanı daha da artırılarak sıcaklıklar ve işlem süresi kısaltılır. Bu yöntemde sinterleme esnasında katı parçacıklar ve sıvı bir faz bir arada bulunur. Ergime gerçekleşene kadar sistemde katı hal sinterlemesi gerçekleşir ve parçacıklar boyun oluşturarak bağlanmaya başlar. Sıvı fazın oluşmasından sonra kılcal kuvvetlerin etkisiyle sıvı, parçacıkların arasına sızar ve katı parçacıklar arasındaki sinter bağlarını kırıp yüzeylerini ıslatır, birbirlerine yaklaştırarak yeniden düzenlenmelerini sağlar. Parçacıklar yakınlaşıp viskozite arttıkça parçacıklararası malzeme akışı başlar. Küçük parçacıklar büyük parçacıklara doğru akarak ortalama partikül boyutunu artırır. Son olarak katıhal sinterlemesi gerçekleşir ve tanecikler arası boşluklar çökerek yoğunlaşmayı ve bağlanmayı hızlandırır. Sistem soğurken sıvı faz katılaşır ve taneler ile bağlayıcı fazdan oluşan bir yapı ortaya çıkar. Ancak tungsten ve bakırın birbiri içinde neredeyse hiç çözünmemesi, sinterleme esnasında sadece yeniden düzenlenme sürecinin aktive olmasına olanak tanır. Dolayısıyla sıvı faz sinterlemesinin diğer aşamaları gerçekleşemeden yoğunlaşma olur. Sıvı faz tüm sisteme eşit olarak dağılamazsa heterojen yoğunlaşma görülür ve son malzemenin mekanik, fiziksel, elektriksel ve ısıl özellikleri olumsuz etkilenir. Malzemenin yüzey karakteristiği ve heterojen yapıdan olumsuz etkilenen bir diğer özellik korozyon direncidir. Ancak W-Cu alaşımlarının sulu ortamdaki korozyonunu inceleyen fazla araştırma bulunmamaktadır. Tungsten ve bakır arasındaki bağlanmayı aktive edebilmek için uygulama sıcaklığı yükseltilebilir, ancak 1400 °C'de bakırın buharlaşmaya başlaması nedeniyle bu sıcaklığın üstünde toz metalürjik işlem yapmak mümkün olmamaktadır. W-Cu alaşımlarında heterojen yapının önlenmesi için başka birçok yöntem denenmiştir. Bu yöntemlerden bazıları, elemental tozların ya da oksit tozlarının beraber öğütme ile hazırlanması, sinterleme ile oluşturulan katı tungsten iskelete bakır infiltre edilerek tüm yapının katılaştırılması, tozların birbirleri içerisinde daha homojen dağılmasını sağlayabilmek amacıyla mikron altı boyutlarda tozların kullanılması, tungsten parçacıkların bakır faza bağlanmasını kolaylaştırmak için önceden bakır ile kaplanması ve tungstenin bağlayıcı fazda çözünmesini sağlamak üzere az miktarda nikel, kobalt ve demir ilavesidir. Bu çalışmada sıvı faz sinterlemesi ile üretilen toz metalürjik W-Cu alaşımlarının toz kompozisyonunda ve toz hazırlanması sürecindeki değişikliklerin korozyon direncine olan etkisi incelenmiştir. Ni ve Co katkısı ile öğütme tipi, öğütme zamanı ve hızının 95W-5Cu alaşımlarında yoğunlaşma, sertlik, elektrik iletkenliği ve nötral ortamda korozyon direnci üstüne etkileri araştırılmıştır. Öncelikle elemental W, Cu, Ni ve Co tozları numuneye göre 95W-5Cu, 94W-4Cu-1Ni, 94W-4Cu-1Co veya 94W-4Cu-0.5Ni-0.5Co kompozisyonuna uygun tartılmış, W tozları aglomerasyonu kırmak için 100 rpm'de 1 saat öğütülmüştür. Tüm tozlar ve bağlayıcı olarak %2 polivinil alkol 20 dakika boyunca karıştırılmıştır. Daha sonra parçacık boyutunu küçültmek ve homojen bir toz boyutu dağılımı elde edebilmek için tozlar, atritör ya da düzlemsel bilyalı değirmende 1, 2, 4 veya 8 saatlik sürelerde 300 rpm'de öğütülmüştür. 95W-5Cu kompozisyonuna sahip bir numune de öğütme hızındaki artışın etkisini incelemek üzere 600 rpm'de 8 saat boyunca atritör öğütmesine tabi tutulmuştur. Tozlar 150 MPa basınç ile el presinde sıkıştırılmıştır. Parçacıkların üstünde oluşmuş olabilecek oksit tabakasını ve başlangıçta eklenen bağlayıcıyı uzaklaştırmak ve bir ön yoğunluğa ulaşmak için 900 °C'de önsinterleme yapılmıştır. Daha sonra bir grup numune 1250°C'de H2 atmosferinde sinterlenmiştir. Yüzeyleri zımparalanıp parlatıldıktan sonra numunelerin yoğunluk, sertlik, elektriksel iletkenlik değerleri ölçülmüştür. XRD analizleri yapılan numuneler stereo mikroskopta ön incelemeye tabi tutulmuş, daha sonra SEM'de analiz edilerek yüzey özellikleri belirlenmiştir. Numuneler daha sonra yüzeyde 1 cmx1cm'lik bir alan açıkta kalacak şekilde oje ile kaplanarak potansiyostata bağlanmış, nötral ortamda %3,5 NaCl solüsyonunda, Ag/AgCl referans elektroduna karşılık korozyon testlerine tabi tutulmuş ve Tafel extrapolasyon yöntemi ile korozyon hızları tespit edilmiştir. Korozyon terslerinden sonra distile suyla yıkanıp aseton ile temizlenen numuneler, korozyonun yüzeye etkilerini belirlemek amacıyla stereo mikroskop, SEM ve EDS ile incelenmiştir. Yüksek yoğunlaşma, sertlik, iletkenlik ve korozyon direnci 8 saat atritörde öğütülmüş tozlardan üretilen %1 nikel katkılı numunede elde edilmiştir. Korozyon genel olarak bağlayıcı fazdan bakırın çözülmesiyle gerçekleşmiş, taneler arası korozyon ve oyuklanma korozyonu tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Tungsten is a refractory metal with an extremely high melting point, high densification, low thermal expansion coefficient and excellent mechanical properties in both room temperature and elevated temperatures. Combining all of these properties in one material, it is a good candidate for applications like lamp wires, balance weights, kinetic energy penetrators, radiation shields and thermal management materials. However its high melting point along with its high brittle to ductile transition temperature, makes production of tungsten goods via conventional methods significantly energy consuming and impractical. Due to this fact, powder metallurgy applications of tungsten are very common since they allow production at relatively lower temperatures and near net-shape products without machining. W-Cu alloys are a branch of these materials, which have high thermal and electrical conductivity and low thermal expansion coefficient, prepared by liquid phase sintering of compressed tungsten and copper powders. They have a composite structure with tungsten grains bonded by Cu binder phase. Excellent thermal and electrical properties make them viable as microelectronic circuit packages and heat absorbers. On the other hand, complete immiscibility of W-Cu system is a challenge in terms of uniform and complete sintering which deteriorates end-product properties. Corrosion resistance is one of these properties since surface characteristics and metal bonding directly affect it. But studies on aqueous corrosion of W-Cu systems in literature are very limited. In this study, effects of Ni and Co addition, milling method, milling duration and milling speed on densification, hardness, electrical conductivity of W-Cu alloys and corrosion resistance of 95W-5Cu alloys were investigated. Aqueous corrosion tests were done in 3.5% neutral NaCl solution. Tafel analysis, XRD and EDS analysis, stereo microscope and SEM imaging were performed to see the effect of corrosion on alloys. It was found that Ni added 4Cu1Ni-8hA-S sample has the highest corrosion resistance. SEM and EDS analysis showed localized corrosion of Cu from the binder phase while stereo microscope images showed pitting corrosion.
Benzer Tezler
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile yeni ve özel alaşımların üretimi ve geliştirilmesi
Investigation of new and noble alloys productions by self-propagating high-temperature synthesis method
MURAT ALKAN
Doktora
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
- Kalker esaslı yapı taşlarında kirli kabuk oluşumu ve özelliklerinin incelenmesi
Black crust formation on calcareous building stones and examination of their characteristics
ALİ YILDIZ
- Rhizopus delemar ile lipaz ve asit fosfataz enzimlerinin üretimi ve ağır metal biyobirikiminin eş zamanlı olarak incelenmesi
Abstract investigation of simultaneous lipase and acid phosphatase production and heavy metal bioaccumulation by R. delemar
MEHTAP ERŞAN
Doktora
Türkçe
2011
Kimya MühendisliğiCumhuriyet ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÜNSAL AÇIKEL
- Akımsız Ni-P, Ni-B ve Ni-W-B kaplamaların yüksek sıcaklık oksidasyon ve camla etkileşim davranışlarının incelenmesi
Investigation of high temperature oxidation and glass interaction bahaviors of electroless Ni-P, Ni-B ve Ni-W-B coatings
SİNEM ERASLAN
Doktora
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Sıcak yapay gazdan katalitik amonyak giderimi
Catalytic ammonia removal from hot syngas
YELİZ ÇETİN
Doktora
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN