LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 8
  • Öge
    Investigation of the cutting performances of the diamond tools used in the natural stone industry
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Bulut, Berrak ; Baydoğan, Murat ; 709870 ; Metalurji ve Malzeme
    Natural stone production has become an increasingly important sector with developments in the construction sector in recent years.In this process, new natural stone quarries were opened, and the open quarries were further deepened and enlarged.The development of the natural stone production sector has provided the research of natural stone production methods and technological gains in production machines. Natural stone production in open mining is carried out in the form of cutting the natural stone from the bedrock with different methods and reducing it to the desired dimensions. The diamond cutting wire and saws are the newest and most advantageous method, which has the most application area among the block natural stone production methods.In these methods, after the diamond toolsare contacted with the stone surface to be cut, it is moved at a certain speed with an electric or diesel drive unit, and the cutting process is carried out by breaking off a piece of natural stone with the abrasive wear. Diamond segments are composite materials created by mixing diamond grains and metal powders. Generally, powder metallurgy method is used as production technology. There are many geological and physico-mechanical factors affecting the field performance of the diamond cutting tools; machine power, hardness and abrasiveness of the stone to be cut, operator experience, diamond segment design and production technology. In addition to these parameters, the most important factor affecting the cutting performance is the selection of the metal matrix composition of the diamond tools and the determination of the properties of the diamond such as concentration, grain size and coating type. Diamond is used in cutting, drilling and polishing of hard materials due to its high hardness and high wear resistance.The size of the diamond grains used in the segment is in the range of 18-60 mesh. 20/30 mesh diamond size is for cutting very low hardness and coarse grained stones such as limestone and sandstone, 30/40 mesh diamond size is for cutting medium hard marble stone, 40/50 mesh diamond size is for cutting hard and fine grained stones such as granite and basalt, and 50/ 60 mesh diamond grain size is preferred for cutting flint and very hard granite type stone. As the diamond grain size gets thinner, the impact strength increases. Although high cutting speeds can be achieved with coarse-grained diamonds, fine-grained diamond is preferred as the hardness of the cut stone increases.In addition to diamond grain size, another characteristic that affects cutting performance is its concentration. Concentration refers to the volume of diamond in the insert mix and is calculated by the weight of the diamond in the metal matrix layer. The high diamond concentration provides high wear resistance for the diamond tools, even at high loads. However, a large contact surface requires lowering the grinding intensity. In this case, a lower diamond concentration should be used. Diamonds segments wear during the production of natural stone. This wear can occur both on the diamond grain and between the diamond-matrix interface. The main task of the metal matrix in diamond tools is to hold the diamonds in its structure and to wear it in compatible with the diamond. The matrix should keep the diamonds that have not completed their cutting task in the structure, but should be worn so that the diamonds that have completed the cutting process leave the structure and are replaced by new diamonds with sharp edges. The cobalt (Co) powders and alloys are matrix materials that are widely used in cutting processes of marble and granites. Copper (Cu), tin (Sn) or bronze are used as a metal matrix materials for decrasing the porosity. Tungsten (W) can be used to for increasing the mechanical properties of the metal matrix material. In this study, the metal matrix compositions were developed to improve the cutting performances of the diamond tools. Three different publications are presented in this thesis. The first publication is on the examination of the morphology, microstructure and mechanical properties of Co powders that can be used in the metal matrix composition, and the selection of the appropriate Co powder that can increase the field performance of the diamond tools. The second publication is on the determination of the matrix compositon to increase the cutting speed of the diamond toolsdue to the properties of the stone. In this study, iron (Fe)-based and Co-based metal matrices were formed. In the third publication, aluminum (Al) and silver (Ag)addition were used to increase the performances of thediamond tools in the production of Ankara andesite stone. The first part of the thesis examines the effects of powder grain shape on the final product. The Co powders with spherical(Co-S) and rod-like(Co-R) grain shapes are preferred by the manufacturers in many countries. The effects of these grain shapes on the production of the segment and thus on the final product were examined comparatively. Freeman (FT4) rheometer analysis was performed to predict the behavior of the powders in the cold pressing process. The grain shapes, grain sizes and surface areas of the powders were determined by Scanning Electron Microscopy (SEM), grain size distribution measurement and Brunauer, Emmett and Teller (BET) analysis. The crystal size of the powders was determined by the Williamson–Hall (W–H) method. Microstructure analyzes were determined by SEM and X-ray diffraction method (XRD), and the density was determined by the Archimedes. The mechanical properties were determined by microhardness measurement, compression test and abrasion test. According to the results obtained by the powder characterization studies, the grain size of Co-S powder is lower than Co-R powder. According to the FT4 analysis results, it was determined that the cold press fluidity of Co-S powder is high, it can fill the cold press mold without creating deep cavities, and the powders are stable against air flow. The results obtained in Co-R powderrevealed that the powders are not stable with air flow, their fluidity is low and they created cavities in the cold press mold during powder filling. It was determined that Co-R samples contain 25% more porosity than Co-S samples. The highest mechanical properties were obtained in Co-S samples. According to the results of this study, the grain shape of the powders significantly affects the powder properties. The Co-S powders are more appropriate in the production of the diamond tools is and it was preferred in the metal matrix compositions in the next studies of the thesis. In the second part of the thesis, the metal matrix compositions to be used in cutting marble and granite stones were examined. Fe-based and Co-based metal matrix groups were formed. In order to determine the microstructure and mechanical properties, SEM, XRD, density measurement, hardness measurement, compression test and relative wear tests were performed. In order to determine the field performances, diamond cutting wires were produced. The hardness, compression strength and the relative wear resistance of Co-based samples are higher than Fe-based samples. The high cutting speeds were obtained with Fe-based matrices in marble stone production. The Fe-based metal matrix is worn during cutting and new diamonds with sharp corners come to the surface and increasing the cutting speed. In Co-based matrices, on the other hand, the cutting speed in marble stone production remained low, because the broken and damaged diamonds remained on the surface and could not perform well during the cutting process. In granite stone cutting, the higher cutting speeds were obtained in Co-based matrices. The high mechanical properties given by Co are maintained at high temperatures to provide high cutting speeds and high service life to the segments. In this study, it has been determined that the first step in the production of the diamond tools is to understand the characteristics of the stone to be cut. In the last part of the thesis, similar to the second part of the thesis, the metal matrix compositions according to stone properties were examined to increase the cutting performance of the diamondsegments. Ankara andesite stone has high hardness and abrasiveness. Since it is in the volcanic stone group, it contains high porosity and glassy phases. Due to its structural features, the service life of the cutting tools is low. For this reason, Al and Ag were used as a matrix material to increase the service lifethe Co-based matrix composition. The microstructure and mechanical properties of metal matrices were determined comparatively. Diamond circular saws were used for field trials. According to the results of the analysis, Ag spread between the grain boundaries and filled the existing porosities. The mechanical properties of the samples increased with the formation of the Al13Co4 intermetallic phase and a decrease in the porosity. The high cutting speeds and long lifetimes were determined for Al and Ag added samples. 57.14%vol. more stone cutting was achieved. The cutting tools obtained from the matrix composition developed in this study are produced in series and the produced saws continue to be used in andesite and basalt stone cutting in Ankara and Kayseri, Turkey. The matrix compositions developed in the thesis have been used in different stone types in different countries and mass production continues.
  • Öge
    Bakır alaşımları esaslı anti-bakteriyel yüzey kaplamalarının üretimi ve karakterizasyonu
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Kocaman, Sami Arda ; Keleş, Özgül ; 726820 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Günümüz dünyasında artan nüfus ve etkileşim sebebi ile patojenlerin bulaşma riskine karşı mücadelede, antibakteriyel malzemelere daha çok ihtiyaç duyulmaktadır. Medeniyet tarihi boyunca insanlığın yakından aşina olduğu bir metal olan bakırın, antibakteriyel etkisinin bilinirliği de eskidir. Bakırın antibakteriyel özelliği bilinir olmasına rağmen, özgül ağırlığının yüksekliği nedeni ile üretilen parçaların ağır olmaları, sertliğinin düşük ve karakterinin sünek olması sebebi ile işlenme esnasında zorluklar yaşanması ve deforme olmaya yatkınlığı dolayısı ile yapısal bütünlüğünün korunmasında problem olması, bakırın, gündelik objeler içerisinde kullanımını yok denecek seviyede kısıtlamaktadır. Bu çalışmanın hipotezi, bakır alaşımlarının, farklı yüzeylere uygulanabilir bir kaplama yöntemi olarak seçilen ısıl püskürtme kullanılarak kaplandığında anti-bakteriyel özelliklerinin kütlesel forma göre korunduğu ve bu sayede uygulanabilirliğinin arttırıldığıdır. Diğer bir deyişle, modern dünyada uygulanabilirliği geçerli bakır alaşımlarının kaplama olarak tatbik edildiğinde karakteristik antibakteriyel özelliklerinin korunarak ve hatta kitlesel formda taşıdığı tüm dezavantajlardan sıyrılarak iyileştirdiği, çalışmanın çıkış noktasını oluşturmaktadır. Çalışmanın, literatürde gerçekleştirilmiş az sayıda mevcut olan benzer çalışmalara göre önemli farklarını oluşturan özgün yönleri ise, geniş alaşım ve bakteri yelpazesinde inceleme yapılmış olmasıdır. Önemle vurgulanması gereken bir diğer unsur da literatürde, bakteriyel testlerdeki indirgenme süreleri uzun zaman aralıklarında incelenir iken, mevcut çalışmada kısa zaman adımları alınarak indirgenme gözlenmiştir. Ayrıca, literatürdeki çalışmalarda, taze kolonilerin statik şartlarda indirgenmesini incelenmiş, bu çalışmada ise, her kontrol sayımı esnasında sürekli taze koloni ekimi ile dinamik şartları temsil eden, sürekli indirgenme etkisini gözlem altına almıştır. Bakır ve alaşımlarının (Cu-Al, Cu-Sn, Cu-Zn, NiCuZn) kaplanması, termal sprey yöntemi olan ark püskürtme ile sağlanmıştır. Kaplama parametrelerinin iyileştirilmesi için sonlu elemanlar analizi yöntemine dayalı benzetim yapılmış ve doğrulanması da püskürtme ölçüm sistemi ile sağlanmıştır. Parametrelerin kontrollü ele alınması sayesinde, gündelik hayattaki tüm yüzeyler istenilen alaşımlar ile, kaplama sürekliliğine ve altlık ile arasında mukavim bağa sahip olarak kaplanabilmiştir. Kaplamaların karakterizasyonunda yüzey pürüzlülüğü için optik profilometre, yapısal analizi için XRD, morfolojik analiz için SEM kullanılmıştır. Antibakteriyel etkinlik testleri için standart kültür bakterileri ile klinik izole bakteriler, 15 dakika, 1 saat ve 2 saat zaman adımlarında tekrarlı ekimler sonrasında koloni indirgenme sayıları ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülüğünün etkisi saf bakır için incelenmiştir. Alaşımlara karşı bakteri dirençleri tek yüzey tipi için, paslanmaz çeliğe karşı kıyaslamalı olarak değerlendirilmiştir. Bakırın antibakteriyel etkinliği, E. Coli, S. Aureus, PsA başta olmak üzere VRE, MRSA süper bakterilerine karşı da yüksek verimlilik ile (>%99,9) elde edilmiştir. Yüksek yüzey pürüzlülüğüne paralel olarak özellikle tel püskürtme sürecinin doğası gereği yüksek soğuma gradyanları ve yüksek kinetik enerji ile yığma sayesinde, kaplamaların yüksek iç gerilmelere sahip olması, bakterilerin hücre duvarlarının delinmesinde etkili bakır iyonlarının deşarjını olumlu yönde arttırmaktadır. Söz konusu etki mekanizması sayesinde, kısa sürelerde dahi agresif indirgenme davranışı elde edilmiş ve etkinliğin sürekliliğe sahip olduğu da gözlenmiştir. Elde edilen kaplamalar, gerçek hayatta ihtiyaç duyulan ahşap, polimer, seramik yüzeylere başarı ile tatbik edilerek, diğer doktora çalışmalarından farklı şekilde teknolojik hazırlık seviyesi açısından incelendiğinde, THS7 seviyesinde ürün üretimi de gerçekleştirilmiştir.
  • Öge
    Bakır içeren çeliklerin özelliklerine bileşim ve üretim parametrelerinin etkisi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Yeşiltepe, Selçuk ; Şeşen, Mustafa Kelami ; 672533 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Çelik dünyada en fazla üretilen metal malzemedir. Ömrünü tamamlamış olan çelik malzemeler kullanım ömrünün dolmasıyla hurdaya ayrılmaktadır. Yüksek miktarda üretilmesi ve kullanılması hurda çeliğin miktarının her geçen yıl artmasına sebep olmaktadır. Çelikte geri dönüşüm prosesi oldukça yaygın v uygulanabilir olmasına karşın geri dönüşümünün kendine has problemleri bulunmaktadır. Çelikteki geri dönüşüm prosesinin en önemli handikapı kalıntı elementler olarak bilinen ve geri dönüşüm sırasında çelikten ayrılamayan elementlerin hurdadaki varlığıdır. Bu elementler termodinamik olarak Fe'den daha soy oldukları için EAF prosesinde oksitlenerek cürufa geçmez, sıvı çelik banyosunda kalırlar. Bu elementler; Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Sb, As, Ni, Cr, Mo ve V olarak tanımlanmaktadır. Kalıntı elementlerin arasında en fazla orana sahip ve çeliğe zararlı etkileri olan element Cu'dır. Cu, çeliklerde sıcak yırtılma olarak bilinen mekanizmanın oluşumuna yol açarak sıcak haddeleme esnasında çatlaklara sebep olmaktadır. Bu tez çalışmasında sıcak yırtılma mekanizmasının Cu'a bağımlı olarak nasıl değiştiği, hangi koşullarda ortaya çıktığı ve önlenme yöntemleri incelenmiştir. Çalışma kapsamında döküm yöntemi ile farklı Cu içeriklerine sahip slablar üretilmiştir. Üretilen slabların döküm halinde bir olumsuzluk gözlemlenmemiştir. Üretilen slablara sıcak haddeleme yapıldığı zaman sıcak yırtılma ortaya çıkmış ve Cu segregasyonu oluşumu gözlemlenmiştir. Yapılan karakterizasyon çalışmalarında Cu'ın çatlakların ana sebebi olduğu ve çatlak bölgelerinde yoğun olarak segrege olduğu saptanmıştır. Cu'ın çelikteki segregasyonunun giderilmesi için farklı sıcaklık ve sürelerde Cu'ın çözeltiye alınması için ısıl işlem çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yapılan ısıl işlemlerin sonucunda Cu segregasyonunda ciddi bir gerileme saptanmamıştır. Bu sonuçla birlikte Cu segregasyonunun ilk aşamada kaçınılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Cu'ın segregasyon mekanizması incelendiğinde Cu segregasyonunun görülmesi için oksidasyonun elzem olduğu görülmüştür. Oksidasyona izin verilmeyen yüksek sıcaklık ortamlarında yapılan tavlama işlemlerinde Cu segregasyonu görülmemiş; Cu, Fe içerisinde homojen olarak dağılmıştır. Oksidatif ortamda yüksek sıcaklıkta yapılan incelemeler sonucunda ise Cu'ın tufal altında zenginleştiği ve sıvı bir faz oluşturarak ayrıştığı gözlemlenmiştir. Cu'ın çeliğin oksidasyon davranışına yaptığı etki incelenmiştir. Cu'ın çelikte segregasyon oluşturmasının oksidasyon ile olan bağlantısı çeliğin oksidasyonuna yaptığı etkinin incelenmesini önemli hale getirmiştir. Yapılan oksidasyon kinetiği çalışmalarında Cu'ın çeliğin yüksek sıcaklık oksidasyon direncini geliştirdiği görülmüştür. Oksidasyon sonrasında çelik yüzeyinde zenginleşen sıvı Cu filmi çeliğe oksijen difüzyonunu engelleyerek çelikte oksidasyonu geciktirmektedir. Yüzeyde oluşan sıvı Cu filmi Cu'ın yarı soy metal olması dolayısıyla oksidasyona uğramamaktadır. Çelikte artan Cu miktarı ile birlikte oksidasyon için gerekli olan aktivsyon enerjisinin de artış gösterdiği bulunmuştur. Yapılan alaşımlama çalışmalarında Cu, Cu+P, Cu+P+S ve Cu+P+S+Mn kompozisyonları kullanılmıştır. Yapılan alaşımlama çalışmaları sonrasında üretilen slablarla iki farklı sıcaklıkta (1000 oC ve 1200 oC) haddelenmiştir. 1000 oC sıcaklıkta haddelenen slablarda çatlama daha az miktarda görülmüştür. Düşük sıcaklıklarda oksidasyonun az olması ve haddeleme sıcaklığının Cu'ın sıvılaşma sıcaklığından düşük olması çatlak oluşumunun azalmasını sağlamıştır. 1200 oC sıcaklıkta yapılan haddeleme işlemi sonrasında slablarda 1000 oC'de yapılan işleme oranla daha fazla çatlak tespit edilmiştir. Alaşım elementlerinin çatlamaya etkisi incelendiğinde P ve S'ün sınırlı bir etkisi olduğu buna karşın Mn ilavesinin çatlak oluşumunu azalttığı görülmüştür. Haddelenen slablar çekme testine tabii tutulmuştur. Yapılan çekme testi sonucunda haddeleme sıcaklığı veya alaşımlamanın keskin ve belirgin bir etkisi olmadığı ortaya çıkmıştır. Tüm bu sonuçlar irdelendiğinde Cu çelikte çatlaklara sebep olmakla birlikte proses parametrelerinin ve proses ortamının uygun hale getirilmesi ile birlikte Cu'ın çelikte kullanılması ve yüksek Cu içeriğine sahip hurdaların değerlendirilmesi mümkün olmaktadır.
  • Öge
    Surface modification of stellite hardfacings by post surface melting processes
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Alhattab, Ali Abdul Munim Ali ; Arısoy, Cevat Fahir ; 675454 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Wear, the process of material removal from the surface by means of mechanical, thermal, or chemical action, causes a complete failure of various components in different industries. A key method of reducing the wear loss in lubrication starved applications is the use of materials with enhanced surface properties. This can be obtained by either selection of an appropriate bulk material, which is economically infeasible, or application of a suitable surfacing treatment to the surfaces subjected to wear conditions. In this respect, depositing of hardfacing material has come as a promising technical solution to obtain improved surface properties and protect different metallic substrates against wear attack with no chang in the properties of the bulk material. Owing to their poor machinability, these alloys are generally employed in the form of coating by using the conventional welding processes. Stellite hardfacing is a group of cobalt-based alloys designed as protective coatings on components subjected to harsh service conditions at elevated temperatures. With specific carbon content and carbide promoters like Cr, W and Mo, Stellite hardfacings exhibit microstructures composed of high fraction of hard carbides such as Cr-rich eutectic carbides (in the form of M7C3 and M23C6) and W/Mo-containing complex carbides (in the form of M6C) dispersed in a solid solution strengthened Co-matrix. Although they exhibited superior tribological properties at room temperature (RT), higher ambient temperatures and/or heavy loads are still serious problems affecting the lifetime of Stellite coatings. Therefore, intensive researching efforts have been devoted to overcoming these shortcomings. One well-investigated approach to improve the properties of these materials is alloying of Stellite hardfacings with carbide promoters like Mo during the depositing process which enhance the surface properties by the virtue of enriching the microstructure with excessive amounts of complex carbides. Even though modifying the chemical composition of Stellite alloys can enhance the hardness and wear resistance via mainly increasing the carbides fraction but it is not always feasible especially with higher alloying rate. Therefore, application of a post surface melting treatment by high-energy beams (i.e. electron beam and laser beam) has been envisaged as an alternative strategy for further improving the surface properties of deposted hardfacings as it can modify the microstructure of the melted zone due to associated rapid cooling characteristics. By alloying with 10% Mo, alone or in combination with a post surface melting treatment; namely electron beam surface melting (EBSM) and laser surface melting (LSM), this dissertation work has been created, aiming to extend the understanding of the positive effects of Mo alloying and post EBSM/LSM treatments on both microstructure and dry sliding wear characteristics of Stellite hardfacings. Since the mechanical related surface propertiessurface, hardness and wear resistance, of the Stellite hardfacings are mainly chemical composition dependent, two commercial Stellite alloys were selected in this work, having different contents of alloying elements; Stellite 12 (30 wt.% Cr, 8.5 wt.% W and 1.45 wt.% C) and Stellite 6 (28.5 wt.% Cr, 4.6 wt.% W and 1.2 wt.% C). The plasma transferred arc (PTA) technique was selected to lay down a single layer of the coating material on AISI 4140 steel substrate. The high deposition rate along with the characteristic low heat input, excellent arc stability and the high flexibility in achieving the desired composition of the material to be deposited were the reasons for choosing the PTA depositing process. The surfaces of PTA deposited hardfacings were then exposed to a single pass of an electron/laser beam for surface melting. The microstructural features of the unalloyed and Mo-alloyed PTA Stellite 6 hardfacings and their EBSM'ed/LSM'ed versions were examined by X-ray diffractometer (XRD) and scanning electron microscope (SEM) in secondary electron (SE) mode as well as Energy dispersive X-ray spectrometer EDX equipped SEM in back scattered electron BSE mode. For sliding wear tests, two configurations were conducted; ball-on-flat (reciprocating) and ball-on-disc. The wear loss and wear mechanism were evaluated by scanning the wear tracks (WT) with a 2D contact type profilometer and SEM, respectively. In the first phase, a Stellite 12 hardfacing alloy deposited by PTA technique and subjected to a post treatment of EBSM. The microstructure and RT dry sliding wear resistance of EBSM'ed Stellite 12 hardfacing have been evaluated and compared with those of PTA Stellite 12 hardfacing. The microscopic examinations showed an extensive refinement in the microstructure of the EBSM'ed Stellite 12 hardfacing, resulting in about 15% increment in surface hardness as compared to PTA state. In spite of the increase in its surface hardness, EBSM'ed Stellite 12 hardfacing showed lower wear resistance (in about 50 %) as compared with PTA version. According to the SEM examinations of the worn surfaces, the detoriorated wear resistance of EBSM'ed Stellite 12 hardfacing has been associated with the extensive refinement of the carbides which made their removal from the matrix much easier during the sliding contact. In the second phase, a post treatment of EBSM has been applied to PTA deposited Stellite 6 hardfacing and its 10 wt.% Mo-alloyed version. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, the microstructural changes and RT sliding wear properties of PTA Mo-alloyed Stellite 6, EBSM'ed Stellite 6 and EBSM'ed Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings were evaluated and compared. While Mo addition improved the hardness and wear resistance of PTA Stellite 6 hardfacing due to the formation of high fraction of carbides, its combination with the post treatment of EBSM in one approach further increased the hardness and wear resistance by encouraging hypereutectic solidification, forming a 3D network of carbides surrounding the refiened Co-matrix. However, application of EBSM on Stellite 6 hardfacing resulted in a considerable decrease in wear resistance as compared to the PTA Stellite 6 hardfacing, which can be attributed to easier removal of the finer carbides from the Co-matrix. In the final phase, a post treatment of LSM was employed on Stellite 6 and 10 wt.% Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings deposited by PTA process. Microstructures and sliding wear performance at RT and high temperature (HT) of LSM'ed unalloyed and Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings were evaluated and compared with those of commercial PTA Stellite 6 hardfacing. The LSM process refined the microstructures of both hardfacings, while favoring a network-like complex carbide dominated microstructure in the Mo-alloyed version. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, LSM process led to an increment in surface hardness albeit a subsequent reduction of wear loss at RT, where abrasive wear mechanism was dominant. At 500 °C, oxidative wear contributed to the progress of wear by favoring CoO and Co3O4 type tribo-oxides on the contact surfaces of the PTA and LSM'ed hardfacings, respectively. However, Co3O4 type tribo-oxides exhibited poor mechanical stability, than CoO, which led to easier removal from the contact surface and aggravated the wear loss by abrasive wear mechanism. In this respect, LSM'ed hardfacings exhibited higher wear loss than PTA Stellite 6 hardfacing at 500 °C, while the opposite was witnessed in wear tests conducted at RT. In brief, the results of microstructural examinations showed that PTA deposited Stellite 6 and Stellite 12 hardfacings consisted of three phases; Co-matrix, Cr-rich and W-rich carbides. Upon 10 wt.% Mo addition into PTA deposited Stellite 6 hardfacing, a considerable increament in the volume fraction and size of complex carbides is resulted, leading to enhanced surface hardness and wear resistance. The application of post surface treatment led to a severe microstructural refinement favouring a three-phase microstructures for unalloyed Stellite versions, like PTA deposits, while two-phase microstructure (cellular Co-matrix and complex carbides in network morphology) for the Mo-alloyed version. Regarding the post EBSM treatment, its application solely on PTA deposited unalloyed Stelllite 12 and Stellite 6 hardfacings enhanced the surface hardness while aggravated the wear loss due to the easier removal of the refined carbides from the matrix. Contrarily, minimum wear loss was obtained from Mo-alloyed EBSM'ed Stellite 6 hardfacings where the network-like complex carbides assisted in hindering the plastic deformation of the Co-matrix. This indicates that the size, volume fraction and morphology of the carbides become particularly important when wear resistance is governed by the surface hardness. The LSM process showed contradictory results for Stellite 6 hardfacings in terms of RT and HT wear resistance. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, LSM process led to an increment in surface hardness albeit a subsequent reduction of wear loss at RT, where abrasive wear mechanism was dominant. At HT (500 °C), oxidative wear contributed to the progress of wear by favoring tribo-oxides on the contact surfaces of the PTA and LSM'ed hardfacings. While the tribo-oxides formed on the contact surface of LSM'ed specimens were nonprotective and thier subsequent removal accelerated the wear loss of the thermally softened matrix by abrasive wear mechanism, those formed on the contact surfaces of PTA deposited hardfacing were found to be thicker and adherent; thus provided better protection againt wear.
  • Öge
    Taban malzeme ile emaye kaplama arasındaki difüzyon mekanizmasının araştırılması ve düşük metal migrasyonuna sahip emaye geliştirilmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Işıksaçan, Özge ; Yücel, Onuralp ; 650302 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
    Emaye, atmosfer koşullarına karşı dirençli, korozyon dayanımı yüksek, camsı bir kaplama türüdür. Emaye kaplanmış metaller, kimyasal etkilere ve atmosfer şartlarına karşı direnç gereken, renk ve dış görünüşün önemli olduğu birçok uygulamada kendine yer bulmaktadır. Özellikle ısıl ve termal şok dayanımlarının yüksek olması ile toksik olmama özellikleri, emayelere pişirici cihazlarda, fırın tepsileri gibi pişirme kaplarında yaygın olarak kullanım fırsatı sağlamaktadır. Emaye kalitesini etkileyen en önemli özellik, emayenin taban malzemeye tutunma yeteneğidir. Emayenin kimyasal kompozisyonu, kaplamanın uygulanacağı metal yüzeyin pürüzlülüğü, çelik taban malzemenin sınıfı, emaye kaplamanın pişirileceği fırın atmosferi ve pişirim sıcaklığı gibi faktörler emaye kaplama ile metal arasındaki tutunma mekanizmalarını ve ara yüzey reaksiyonlarını doğrudan etkilemektedir. Emaye kaplamanın taban malzemeye tutunması birbiriyle ilişkili çok sayıda teoriye göre gerçekleşmektedir. Bu teorilerden en önemlileri mekanik ve kimyasal teorilerdir. Kaplama uygulaması sırasında, taban malzeme ve emaye tozlarının temas ettiği noktalar arasında elektrostatik bir çekim oluşur. Bu durum, mekanik tutunmanın temelidir. Emaye kaplama camsı faz kompozisyonunda, Ellingham Diagramı ile açıklanabilen, taban malzemedeki Fe ile reaksiyona girdiğinde indirgenerek metal hale geçen ve elektrokimyasal korozyon meydana gelmesini sağlayan CoO ve NiO gibi oksitler yer almaktadır. Pişirim sıcaklıklarında oluşan bu elektrokimyasal korozyon, taban malzeme yüzeyinden camsı faza doğru dendritler oluşturarak yüzeyin pürüzlü hale gelmesine sebep olur. Pişirme sırasında ergiyen emaye bu dendritlere dolmaya başlar, pişirim sonrası soğuma ile de emaye kaplama taban malzemeye fiziksel olarak kilitlenmiş olur. Kimyasal teoride ise metal ile camsı faz arayüzeyinde oluşan metal oksit tabakaları önemli rol oynar. Emayenin pişme sıcaklığında Fe'nin yükseltgenmesi sonucu FeO oluşması ve emaye kompozisyonunda bulunan tutunmayı destekleyici CoO ve NiO'in indirgenerek metalik Co ve Ni meydana getirmesiyle oluşan Fe-Co-Ni yapılar mekanik bağlanmayı sağlayan kimyasal reaksiyonlardandır. Emaye kaplamanın sıklıkla kullanıldığı pişirme kapları, fırın tepsileri ve sofra eşyaları, kullanım alanları ve şartları sebebiyle farklı gıda maddeleriyle sürekli temas halindedir. Bu temas sırasında, gıda maddesinin içeriğine göre emaye kaplama yüzeyinden bir takım kimyasal çözülmeler meydana gelir. Çözülmeler sonunda kaplama yüzeyinden temasta olduğu gıda maddesine metal migrasyonu adı verilen elementel geçişler gerçekleşir. Gıdalarla temas eden malzemeler için kullanıma uygunluk ve metal migrasyon limitleri, uluslararası regülasyonlar ve standartlar ile belirlenmiştir. Bu limitler ve uygunluklar 1935/2004 EC & EDQM Metals and Alloys Guidelines & 84/500 EC'de yer alan testlere göre elde edilen sonuçlar ışığında yorumlanır. 2013 yılına kadar emaye kaplamalardan gerçekleşen metal migrasyonu için sadece Pb ve Cd ölçülürken, 2013 yılından sonra yapılan regülasyon güncellemesi ile artık eser element olarak adlandırılan Ag, Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Sn, Ti, V, Zn, As, Be, Cd, Li, Pb, Hg, Sb gibi 21 elementin migrasyonu takip edilmektedir. Emayenin de içinde bulunduğu camsı kaplamalar grubunda migrasyon, gıda-emaye kaplama temas yüzeyinde gerçekleşmektedir. Kaplamaların gıda ile temas halinde bulundukları yüzey alanı, gıda maddelerinin özellikleri, temas süresi ve ortam sıcaklığı metal migrasyon oranını doğrudan etkilemektedir. 84/500/EEC regülasyonuna göre gıda maddelerini simüle edebilecek en yakın kimyasallar hacimce %4 asetik asit ve %0,5 sitrik asit içeren çözeltiler olarak belirlenmiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilen tüm deneysel çalışmalarda, 100x100x8 mm ebatlarında, Arçelik A.Ş. Bolu Pişirici Cihazlar İşletmesi'nden temin edilen DC 04 EK emaye kalite saclar kullanılmış olup, kaplama uygulamalarında kullanılan tüm emaye fritleri ticari kuruluşlardan kullanıma hazır olarak satın alınmıştır. Emaye kaplamalar 810°C-850°C arası sıcaklıklarda ve 1-6 dakika arası sürelerde pişirilmiş, sonuçlar karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Migrasyon testleri için istenilen kalitede kaplamalar elde edilene kadar denemelere devam edilmiştir. Standartlara uygun kaplamaların eldesi ile de emaye kaplamadan gıda benzeri sıvıya geçen eser elementlerin ölçüm testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmalara taban malzeme olarak kullanılacak çelik yüzeylerin temizlenmesi ile başlanmış olup, emaye kaplamaya uygunluğunun tespiti için de kimyasal bileşimi, yüzey pürüzlülüğü, sertlik ve ıslatma açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Kaplamalar, taban malzeme yüzey karakterizasyon işlemlerinin tamamlanmasının ardından, emaye toz karışımlarının metal altlıklara elektrostatik toz püskürtme yöntemi ile uygulanması yoluyla üretilmiştir. Çift kat tek pişirim (2K1P) olarak gerçekleştirilen ilk çalışmalarda astar kat daldırma yöntemi ile, üst kat ise elektrostatik toz püskürtme yöntemi ile tatbik edilmiştir. Bu deneyler sonucunda standartlara uygun yüzey kalitesi elde edilememesi nedeniyle kaplama işlemi tek kat tek pişirim olarak revize edilmiştir. Tek kat tek pişirim (1K1P) uygulamalarında öncelikle kaplama kalınlığının endüstriyel üretimlerde de tercih edilen 150±10 µm mertebesinde sabitlenmesi üzerine çalışılmıştır. Daha sonra emaye kaplamaların pişirme süresi ve sıcaklığı optimize edilerek, arayüzdeki mikroyapılar ve bu mikroyapıların kaplamanın tutunma kalitesi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu incelemelerde, tutunma kalitesi önce darbe testi ile ölçülmüş, ASTM B916-01(2007) standardına göre tutunması 5. derece olan numunelerin arayüzlerinde meydana gelen FeO oluşumu ve Fe-Co-Ni metalik dendritik yapıları SEM-EDS analizleri ile incelenerek yorumlanmıştır. Taban malzemeden emaye kaplamaya doğru gerçekleştirilen çizgisel analizde, Fe konsantrasyonunun düştüğü, Si konsantrasyonunun ise arttığı görülmüştür. Emayenin pişirilme sıcaklığında, emayede bulunan CoO ve NiO'in, taban malzeme yüzeyine doğru difüze olduğu ve burada Fe tarafından indirgenerek arayüz bölgesinde Fe-Co-Ni metalik yapılarını oluştururken oksitlenen demirin de emayeye doğru ilerlediği belirlenmiştir. Parametre optimizasyonu için gerçekleştirilen mavi, yeşil ve siyah 1K1P kaplamalarda tutunma ve arayüz mikroyapı kalitesi açısından en iyi kaplamalar siyah frit kullanılan, 840°C'de 6 dk pişirilen numunelerde elde edilmiştir. Bu nedenle migrasyon testlerinde kullanılacak kaplamaların bu frit ve karışımları ile hazırlanması kararlaştırılmıştır. Migrasyon testlerinde, 84/500/EEC regülasyonuna uygun olarak, hem asidik hem alkali ortamı simule edebilmesi açısından %0,5'lik sitrik asit çözeltileri kullanılmıştır. Testler, 100°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Deney süresi 2 saat olarak belirlenmiştir. Tutunma ve arayüz karakterizasyon sonuçları olumlu çıkan kaplama numuneleri kullanılarak hazırlanan çözeltiler ICP-MS cihazı kullanılarak analiz edilmiş, emaye bileşiminden asit çözeltisine migrasyona uğrayan eser metal miktarları ölçülmüştür. Migrasyon testlerinde kullanılan kaplamaların hazırlanması için Mini Tab programında hazırlanan deney tasarımı kullanılmıştır. Değişkenler olarak pişirim sıcaklığı, pişirim süresi ve siyah emaye fritine katılacak beyaz emaye toz (bet) oranı seçilmiştir. Taban malzemeye tutunması en iyi olan %100 siyah emaye firiti ile hazırlanan numuneler kullanılarak yürütülen migrasyon testlerinde, regülasyonların sınırladığı eser element miktarlarının çok üzerinde değerler elde edilmiştir. Metal migrasyon değerlerinin limitlerin altında çıktığı beyaz emaye tozu ile gerçekleştirilen çalışmalarda ise kaliteli tutunmalar elde edilememiştir. Bu nedenle deney tasarımı kullanılarak siyah ve beyaz emaye tozları programın belirttiği oranlarda karıştırılmış %100 siyah, %20 bet katkılı siyah ve %40 bet katkılı siyah emaye tozları kullanılarak hazırlanan numuneler, 810°C, 830°C ve 850°C'lerde, 2, 4 ve 6 dk sürelerince pişirilmiştir. %40 bet içeren karışım ile hazırlanan, 850°C'de 6 dk pişirilen 52 numaralı numunenin migrasyon test sonuçlarında, incelenen tüm Ag, Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Sn, Ti, V, Zn, As, Be, Cd, Li, Pb, Hg, Sb elementlerinin migrasyon değerleri regülasyon sınırlarının altında kalmıştır. Bu sonuçlar, gıda ile temasa uygun yeni nesil emayelerin üretiminin yeni emaye formülasyonları ile mümkün olduğunu göstermiş ve endüstriyel çalışmalar için veri sağlamıştır.