LEE- Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19484

Gözat

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 15

Debriyaj aksamı (guiding tube) üretiminde kullanılan dikişsiz boru kalitelerinin tokluk davranışının uygulanan nitrokarbürleme ısıl işlemi ile ilişkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Şen, Gürkan ; Şeşen, Mustafa Kelami ; 705351 ; Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı

Günümüz otomotiv sektöründe içten yanmalı motorlardan tahrik alan otomobiller sektörde önemli bir paya sahiptir. Bu motorlar belirli bir devirin altında çalışmadıklarından, hız ve moment dönüştüren mekanizmalara ihtiyaç duyulur. Talep edilen bu moment ve kuvvetin uygun motor devirlerinde karşılanabilmesi için de vites kutusuna ihtiyaç duyulmaktadır. Motordan gelen gücün ve momentin vites kutusuna aktarılması, vites değişimlerinde iletilen hareketin kesilmesi ve daha sonrasından yeniden bağlantının kurulmasını sağlayan sisteme ise debriyaj sistemi denmektedir. Debriyaj sistemi, motordan gelen momenti ve hareketi düzgünleştirir. Diğer bir görev olarak da titreşimi sönümler ve bu doğrultuda da konforu arttırır. Bahsedilen bu durumlardan dolayı debriyaj sistemi otomobil içerisine oldukça önemli bir sistemdir. Genel olarak debriyaj sisteminin aracın konforuna, performansına ve yakıt tüketimine doğrudan etkisi vardır. Otomobillerin debriyaj aksamlarında alt komponent olarak kullanılan birçok parça mevcuttur. Bu parçalardan biri de Guiding Tube olarak tanımlanan parçadır. Guiding tube parçası, debriyaj aksamında vites değiştirme yani debriyaj pedalına basma ve çekme anında hareketin sorunsuzca, herhangi bir yere temas etmeden hidrolik yağ ile beraber kolayca gerçekleşmesine yardımcı olan bir parçadır. Debriyaj aksamında kullanıldıkları yer doğrultusunda geometrik yapılarından dolayı guiding tube parçası çelik borulardan üretilmektedir. Tube parçası CNC makinalarda talaşlı imalat yöntemi ile üretilmekte olup daha sonrasında talaşlı imalat operasyonuna devam eden ek operasyonlar ile birlikte bitmiş ürün halini almaktadır. Guiding tube parçası debriyaj aksamında kullanıldığı yer nedeniyle tok olmalıdır. Kullanıldığı yerdeki etkilerinden dolayı tokluk ve yorulma dayanımına sahip olmalıdır. Ayrıca korozyona, sertliğe ve aşınma dayanımına da sahip olmalıdır. Bu özellikler uygun yüzey sertleştirme işlemleri ile sağlanabilir. En yaygın kullanılan işlem nitrokarbürleme prosesidir. Nitrokarbürleme prosesi, mühendislik malzemelerinin aşınma dayanımını, korozyon ve yorulma dayanımını arttırmak için tercih edilen termokimyasal yöntemlerden biridir. Yüzeyde ε-Fe2-3(N, C) ve γ ́-Fe4(N, C) demir nitrokarbürlerinden oluşan bir beyaz tabaka mevcuttur. Bu beyaz tabakanın altında ise alaşım nitrokarbürlerinin olduğu difüzyon tabakası mevcuttur. Nitrokarbürleme prosesinde yüzeye azot atomu ile beraber karbon atomu da difüze edilir ve diğer termokimyasal yöntemlerden temel farkı budur. Bu çalışmada ticaretinde St37 ve St52 simgeleri kullanılan P235 ve P355 ( TS EN 10216 ) ve EN 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalitelerindeki dikişsiz borular kullanılmıştır. Dikişsiz boru numunelerine farklı proses ve farklı süre şartlarında gaz nitrokarbürleme prosesi uygulandıktan sonra farklı kalitede olan boruların tokluk yani kırılma davranışlarındaki durum incelenmiştir. Kullanılan numunelerin dış çap ölçüleri 27 ± 0.08mm, iç çap ölçüleri ise 23.80 + 0.12mm'dir ve numuneler aynı tolerans aralıklarına sahiptir. Buradaki aynılık, herhangi bir ölçüsel değişikliğin özellikle et kalınlığı ölçüsünün borularda farklı davranışlara sebebiyet vermesini engellemek içindir. Malzemelere nitrasyon fırınında üç farklı gaz nitrokarbürleme prosesi uygulanmıştır. Bu üç proses için, fırın numuneler de içerisindeyken öncelikle 380 °C sıcaklığa ısıtılmıştır. Bu sıcaklıkta 3 m3/saat hava debisi ile 45 dakika tutularak ön oksidasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Ardından nitrokarbürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Parçalar, nitrokarbürleme işleminden sonra aynı fırında 100 °C sıcaklığa kadar 2 m3 / saat debi ile azot yardımıyla soğutulmuştur. Uygulanmış olan prosesler ile alakalı detaylı bilgiler aşağıdaki tabloda verilmiştir. bilgiler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Gaz nitrokarbürleme prosesi uygulanan numunelerin metalografik işlemleri kesme, bakalite alma, zımparalama, parlatma ve dağlama sırasıyla yapılmıştır ve numuneler sertlik ölçümüne, mikroyapı analizine hazır hale getirilmiştir. Sertlik ölçümleri mikro sertlik ölçüm cihazında, mikroyapı analizleri ise optik mikroskopta yapılmıştır. Metalografi için hazırlanan numuneler haricinde farklı kalitelerdeki borular son ürün halinde de kırılma testi için kullanılmıştır ve kırılma davranışları incelenmiştir. Numunelerin yüzey sertlik ölçümleri HV0.05 yani 50 gram yük altında, 7 saniye bekleme süresinde Vickers uç batırılarak ölçülmüştür. Her bir numuneden en az 3 veri alınmış olup bulunan değerlerin aritmetik ortalamaları rapor edilmiştir. Ayrıca, numunelerin yüzey kısımlarından iç kısımlarına doğru sertlik değişimleri de HV0.05 yani 50 gram ile ölçüm alınan noktaların arası 0.05 mm olacak şekilde ölçülmüş olup raporlanmıştır. Çekirdek sertlikleri ise HV1 yani 1 kg yük altında ölçülmüştür. Yapılan sertlik ölçümleri sonucunda 3 farklı proses için de en yüksek yüzey sertliği 16MnCr5 kalite dikişsiz boruda, en yüksek çekirdek sertliği ise 42CrMo4 kalite dikişsiz boruda görülmüştür. Sertlik derinliği incelediğinde ise 5 saat süre ve 5 m3/saat NH3 debili proses için P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.34mm, 42CrMo4 kalitede 0.32mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.36mm olarak görülmüştür. 5 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için sertlik derinliği incelediğinde P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.33mm, 42CrMo4 kalitede 0.31mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.34mm olarak görülmüştür. Son olarak 3 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için sertlik derinliği incelediğinde de P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.27mm, 42CrMo4 kalitede 0.24mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.23mm olarak görülmüştür. Farklı koşullar altında gaz nitrokarbürleme prosesi yapılmış farklı kalitedeki dikişsiz çelik boru numunelerinin, dağlama işlemi sonrasında mikroyapıları optik mikroskopta incelenmiştir. Mikroyapı analizleri ham halleri için 100X ve 500X büyütmede, ısıl işlemli halleri ve beyaz tabaka incelemeleri ve ölçümü için ise 500X büyütmede incelenmiştir. Beyaz tabaka kalınlıkları incelediğinde 5 saat süre ve 5 m3/saat NH3 debili proses için P235 malzemede 22,59 μm, P355 malzemede 26,77 μm, 42CrMo4 malzemede 21,29 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 20,02 μm olarak görülmüştür. 5 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için beyaz tabaka kalınlığı incelediğinde P235 malzemede 16,85 μm, P355 malzemede 18,66 μm, 42CrMo4 malzemede 19,48 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 19,06 μm olarak görülmüştür. Son olarak 3 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için beyaz tabaka kalınlığı incelediğinde ise P235 malzemede 15,55 μm, P355 malzemede 13,20 μm, 42CrMo4 malzemede 16,03 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 15,88 μm olarak görülmüştür. Öncelikle P235, P355, 16MnCr5 ve 42CrMo4 malzemelerin ham hallerinin kırılma davranışını tespit etmek için nitrokarbürleme ısıl işlemi yapılmadan yassıltma testi uygulanmıştır. Tüm malzemelerde TS EN ISO 8492 standardına göre uygulanan yassıltma testi sonucunda herhangi bir çatlak oluşumu gözlemlenmemiştir. 5 saat süre ile 5m3 NH3 debisi uygulanan parçalarda yassıltma testi esnasında sadece P235 kalite malzemede çatlak tespit edilmemiştir. 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelerde parça boyunca çatlak görülmüştür. P355 kalite malzemede ise bölgesel çatlak oluşumları tespit edilmiştir. 5 saat süre ile 5m3 NH3 debisi uygulanan parçalarda P235 ve P355 kalite malzemelerde 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelere göre daha kalın beyaz tabaka oluşmasına rağmen P235 kalite malzemede çatlak oluşmamıştır. P355 kalite malzemede ise bölgesel bazı çatlaklar tespit edilmiştir. Dolayısıyla beyaz tabaka oluşumu ile çatlak oluşumu arasında doğrudan bir ilişki tespit edilmemiştir. Yüzey sertlik değerleri irdelendiğinde ise P355 kalite malzemede 598 HV, 42CrMo4 kalite malzemede 657 HV ve 16MnCr5 kalite malzemede 728 HV değerine ulaşmıştır. Yüzey sertlik değerleri ile yassıltma testi sonuçları birlikte değerlendirildiğinde, artan yüzey sertliği değerleri ile kırılganlığın arttığı tespit edilmiştir. Dolayısıyla yüzey sertliği ve difüzyon bölgesindeki sertlik değerlerinin yükselmesi malzemenin kırılganlığını arttırmaktadır. NH3 debisinin 3m3'e indirilmesi ile P355 kalite malzemede azalan beyaz tabaka kalınlığı ve yüzey sertlik değerinin düşmesi ile, P355 kalite malzemede yapılan yassıltma testinde çatlak tespit edilmemiştir. Dolayısıyla NH3 debisinin düşürülmesi ile P235 ve P355 kalite malzemelerde çatlak görülmemiştir. 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelerde ise NH3 debisinin düşürülmesine rağmen yassıltma testlerinde parça boyunca çatlak görülmüştür. Bu sonuç, malzemelerdeki alaşım elementlerine bağlı olarak yüzey sertliğinin ve difüzyon bölgesindeki sertlik değerinin yüksek olmasından kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Nitrokarbürleme prosesinde süre 5 saatten 3 saate düşürüldüğünde, P235 ve P355 kalite malzemede yassıltma testinde çatlak tespit edilmemiştir. Ancak yassıltma testinde çatlak, 42CrMo4 kalite malzemede numune boyunca bölgesel iken, 16MnCr5 kalite malzemede numunenin boyunun tamamında olmuştur. Proses süresi azaltıldığında efektif sertlik derinliğindeki düşüş en fazla 16MnCr5 kalite malzemede olmasına rağmen yassıltma testinde en fazla çatlak oluşumu da bu malzemede görülmektedir. Bunun en temel sebebi 16MnCr5 kalite malzemede yüzey sertlik değeri ve difüzyon bölgesi sertlik değerinin 5 saat süreli proseste olduğu gibi yüksek olmasıdır. 16MnCr5 malzemede karbon oranı 42CrMo4 malzemeye göre daha azdır. Karbon atomları gibi azot atomları da arayer atomudur.Bu iki sebepten dolayı azot atomu daha fazla difüze olabilecektir. Azot atomu daha fazla difüze olduğunda daha fazla nitrür ve daha sert bir tabaka oluşacaktır. Daha sert bir tabaka oluşacağı için de en kırılgan malzemenin 16MnCr5 olduğu değerlendirilmektedir. 16MnCr5 ve 42CrMo4 kalite malzemeler kıyaslandığında, temper gevrekliği durumu ile karşı karşıya kalınmış olabileceği durumu değerlendirilmektedir. Temper gevrekliğinin oluşmasına P, Cr ve Mn gibi elementler daha fazla etki etmektedir. Her iki malzeme kıyaslandığında P ve Cr bileşimleri birbirlerine çok yakın değerlerdeyken 16MnCr5 malzemede Mn oranı daha fazladır. Ayrıca yapıda bulunan Mo elementi temper gevrekliğini önleyebilecek bir element olarak yapılarda kullanılmaktadır. Mo elementi 16MnCr5 malzemede 42CrMo4 malzemeye göre daha azdır. Bu sebeplerden dolayı 16MnCr5 malzemede temper gevrekliği durumundan dolayı bu malzemenin daha çok kırıldığı değerlendirilmektedir. Bu sonuçlara göre çatlak oluşumunu etkileyen en belirgin değişkenlerin alaşım elementleri olduğu değerlendirilmektedir. Süreyi ve debiyi azaltarak yapılan nitrokarbürleme prosesindeki iyileştirmeler genel olarak yassıltma testindeki çatlama hasarını azaltmasına rağmen 16MnCr5 kalite malzemede en yüksek sertlik değerlerine sahip olması nedeni ile yassıltma testinde çatlak oluşumunda iyileşme sağlanamamıştır.
Optik cam üretiminde kullanılan refrakter potalardaki korozyon davranışının incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-07-07) Ceran, Osman Furkan ; Karadayı Akın, İpek ; 506201228 ; Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği

Borosilikat crown optik camlar gözetleme teknolojileri, savunma sanayi ve pek çok araştırmanın konusudur. Yaygın olarak kullanılan bir teknik cam türü olmasına karşın halen yeni çalışmaların odağındadır. Borosilikat içeren teknik camların uygulama alanlarının gerektirdiği nitelikler sebebiyle, teknik camlara özgü optik özelliklerin elde edilmesi için başta bor olmak üzere diğer cam bileşenlerinin etkileri oldukça önemlidir. Pota ile optik cam üretiminde korozyonu farklı şekilde etkilemekte ve geleneksel cam üretimindeki korozyon dinamiklerinin dışına çıkmaktadır. Refrakter malzemeler, maruz kalacağı ortamın türüne göre seçilmektedir. Refrakter seçimi yapılırken öncelikle malzemenin ergime ve yumuşama noktaları, yük altındaki deformasyon davranışı, korozyon direnci, porozite miktarı, ısıl şok direnci, ısıl iletim katsayısı ve üretim teknolojisi değerlendirilmektedir. Cam endüstrisinde kullanılan refrakter malzemelerin, ısıya dayanımları her ne kadar önemli olsa da, bu malzemelerin fırının yapısını oluşturmalarının dışında işlevleri ve gereklilikleri de vardır. Üretim çıktısı olan cam için bir hata kaynağı olabildikleri bilinmektedir. İdeal bir refrakter malzemeden, cam üretimi esnasında gerçekleşen etkileşimler sebebiyle cama mümkün mertebe hata vermemesi beklenmektedir. Bu sebeple refrakter malzemelerin prosesteki optimizasyonu, üretim parametrelerinin belirlenmesinde göz önüne alınmalıdır. Bu tez çalışmasında kullanılan AZS (Alümina-Zirkonya-Silika), α-β alümina ve mullit refrakterlerin, borosilikat crown optik cam bileşiminde cam kırığının etkileri de gözetilerek camla temas refrakterlerin korozyon davranışları karşılaştırılmıştır. Cam üretimde ortaya çıkabilecek korozyon ürünleri ve korozyonun şiddeti değerlendirilmiştir. Hem en temel hem de en nitelikli camların pota ile üretilebildiği düşünüldüğünde, temel bir proses olmasına karşın proses tasarımının ve malzeme seçiminin önemi göz ardı edilemez. Refrakter malzeme seçimi yapılırken, camdaki kalite beklentisi ve üretimde sürdürülebilirlik hedeflerini karşılama potansiyelleri sebebiyle AZS (Alümina-Zirkonya-Silika), α-β alümina ve mullit refrakter tercih edilmiştir. Refrakter malzemeler belirlendikten sonra numune hazırlık süreçleri yürütülmüştür. Deney prosesi içerisinde numunelerin optimizasyonu sağlanırken eş zamanlı olarak cam tarafında optik cam kompozisyonu belirlenmiştir. Karot hacmine göre uyumlu olarak 30 gram cam elde edecek şekilde, 2 farklı cam harmanı hazırlanmıştır. Harman hazırlama ve tartım prosesleri yürütülmüştür. Cam bileşimleri, tamamen cam harmanı ve cam harmanı ile eş oranda cam kırığı olacak şekilde iki ayrı koşulda belirlenmiştir. Deneylerin tamamı tesis içindeki aynı fırında yapılmış olup, ticari üretim spesifikasyonları kullanılarak, yüksek kalite optik cam üretimi için mümkün olan en korozif koşullara erişilecek ve ortalama rafinasyonun sağlanacağı ergitme süresi 48 saat olarak seçilmiştir. 1450 ºC proses sıcaklığı olarak seçilmiştir. Isıtma ve ergitme aşamaları için eş koşullar oluşturulmuştur. Numune hazırlık süreci yürütülmüş ve her numune için aynı sistematikte cam, refrakter ve arayüzey analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda, benzer cam bileşimi için farklı refrakter kalitelerinin aşınma davranışı ve farklı bileşimler için aynı kalite refrakterlerdeki aşınma davranışı incelenmiştir. Mikroyapı analiz çalışmaları, yapılan SEM-EDS analizleri ile desteklenmiştir. Tez çalışması sonucunda korozyon davranışı ve refrakter-cam arayüzey incelemeleri yapılmıştır. Arayüzeydeki refrakter incelemelerinin, ölçüm bölgesine göre değişkenlik göstermesi sebebiyle refrakter korozyonunun sistematiği, cam içeriğinde başlangıçta neredeyse hiç bulunmayan ancak süreç içinde cam bünyesine taşınan refrakter kaynaklı yüzdece oksit bileşenler üzerinden yürütülmüştür. Deneysel çalışmalar sonucunda yapının cam kırığı içermesinin korozyon davranışında saptanabilir bir etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Aynı cam bileşimine maruz bırakılan numunelerde α-β alüminanın en fazla fiziksel ve kimyasal korozyona uğrayan refrakter numune olduğu tespit edilmiştir. α-β alüminayı sırasıyla mullit ve AZS refrakter izlemiştir. Camla temas refrakterlerinin genel korozyon mekanizmasının cam bileşimlerine etkileri araştırılmıştır. Tez çalışması neticesinde borosilikat optik camların üretiminde α-β alümina refrakterlerin pota ile optik cam üretiminde kullanımının uygun olmadığı belirlenmiştir. Hedef cam bileşiminde bulunan elementlerin mullit refrakterlerde daha fazla oksitte hedef konsantrasyonla benzeştiği tespit edilmiştir. Bu nedenle yapılacak proses geliştirme çalışmaları ile yüksek kalitede pota ile optik cam üretiminde kullanılabilmek için umut vadettikleri belirlenmiştir. AZS refrakterler, ortalama 0,0207- 0,0705 mm aşınma miktarı ile en iyi sonucu vermiş olsa da, AZS refrakter içindeki camsı fazın da camla temasta çözünüp ağ yapısına karışmasıyla birlikte cam bileşiminde benzer şekilde kimyasal olarak çözündüğü belirlenmiştir. Bununla birlikte, AZS refrakterlerin korozyon özelliklerinin başta eksüdasyon olmak üzere sürekli üretim teknolojilerinde kullanımlarında pasifizasyon mekanizmalarının da etkisiyle daha yüksek performans göstereceği öngörülmektedir.
The effect of different addition ratio of rare earth element erbium and europium on microstructure and mechanical properties of A356 (Al-7Si-0.3Mg) alloy

(Graduate School, 2022) Şahin, Hayati ; Dışpınar, Derya ; 775897 ; Production Metallurgy and Technologies Engineering Programme

A356 (Al-7Si-0.3Mg) alloy is widely used in automotive, aerospace and defense industries due to its good specific strength, castability, corrosion resistance and weldability. The main microstructural features of Al-Si alloys are primary α-Al dendrites, secondary denrite arm space (SDAS), eutectic Si and intermetallic phases. The size and morphology of primary α-Al, the acicular and coarse plate-like structure of eutectic Si cause poor mechanical properties. α -Al grain refinement and eutectic Si modification techniques are used to improve the mechanical properties of the alloy. Alloying is widely used in industry for grain refinement and modification because of its simple handling and low cost advantages. Ti, B, and their combinations are commonly used as grain refiners, while Na and Sr are used to modify the eutectic Si. It is seen that there are more effective grain refinement and/or modification effects with the addition of rare earth elements in trace amounts. The present work investigates the optimum addition amount of Er and Eu to achieve the best mechanical properties on sand mold casting. Sand casting is one of the most traditional casting methods. It has advantages such as slower solidification and ability to mold complex parts. Defect free casting begins with starting melt cleanliness, casting speed and well-designed runner systems. Failure of one of these three main components has a significant negative impact on the quality of part. The ASTM B108/B 108M mold is the most common mold used to obtain a tensile specimen. New mold designs were proposed in this work that would provide statistically reproducible results. Filling analyzes of the designs were made in the Anycast software. In order to evaluate the tensile test results of the samples cast with A356 alloy. T6 heat treatment was carried out, and the quality index values were calculated. The reliability of the results was evaluated using survivability plots. Considering these results, V3 mold was casted by tilt casting method in subsequent alloying castings. Alloying additions were applied in the best mold design and casting method. The effect of adding different amounts of Er and Eu to the A356 alloy was investigated: •0.0 •0.1 Er wt% •0.1 Er + 0.1 Eu wt% •0.3 Er wt% •0.3 Er + 0.1 Eu wt% T6 heat treatment was applied to examine the heat treatment effect of the same addition rates. To the heat-treated and non-heat-treated samples; OES, XRF, RPT, microstructure, hardness, tensile test, microstructure and SEM tests were employed to the fractured surfaces. Grain refinement was observed with the addition of Er, while grain coarsening was observed with the addition of Eu. However, while there is no change in the eutectic Si length with the addition of Er, a shortening is observed as the amount of Er increases. Eutectic Si is modified by the addition of Eu. The best eutectic Si aspect ratio was obtained with the addition of Eu with the heat treatment. The mechanical properties were improved with the addition of alloying elements. The best mechanical properties were obtained by heat treatment and the addition of alloying elements. The hardness value decreased with the addition of alloying elements, although the heat treatments increased. In SEM examinations, acicular Fe intermetallic phases in unalloyed structure were observed. With the addition of the alloying element, there wer acicular intermetallic phases containing Er or Er, Eu elements together in accordance with the alloying element. The frequency of intermetallic phases in the structure increased with the addition of alloying element. Although these intermetallic phases shortened after heat treatment, they could not be fully spheroidized.
Titanyum diborür ve grafen nano plaka takviyeli silisyum karbür seramiklerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Özkan, Büşra ; Şahin Çınar, Filiz ; 807149 ; Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı

Silisyum karbür seramikleri, mükemmel yüksek sıcaklık dayanımına, iyi oksidasyon ve termal şok direncine, yüksek sertlik, aşınma direnci ve düşük özgül ağırlığa sahiptir. Zorlu ortamlarda yüksek sıcaklık, sürünme direnci ve mükemmel aşınma özellikleri elde etmek için yüksek yoğunluklu, SiC seramiklerin geliştirilmesi gerekir. Silisyum karbür (SiC), diğer oksit olmayan seramiklerin çoğu gibi, katkısız yoğunlaştırılması son derece zor bir malzemedir. Bununla birlikte güçlü kovalent bağ karakteri ve yüksek ergime sıcaklığı nedeniyle, SiC'nin sinterleme katkı maddeleri ve dış basınç olmadan yoğunlaştırılmasının zor olduğu kanıtlanmıştır. SiC seramikleri monolitik olarak genellikle basınçsız sinterleme, sıcak presleme, sıcak izostatik presleme teknikleriyle sinterlenseler de, uygulanan yüksek sıcaklık sebebiyle tane büyümesi meydana gelmekte ve SiC esaslı seramiklerin mekanik özellikleri bozulmaktadır. Bu nedenle son yıllarda tane büyümesine neden olmaksızın yüksek ısıtma hızları ile kısa sürede yüksek sıcaklıklara ulaşma imkanı sağlayan Spark Plazma Sinterleme (SPS) yöntemi bu tür kovalent bağlı ve zor sinterlenen seramiklerin yoğunlaştırılmasında alternatif bir yöntem olarak denenmektedir. Titanyum diborür (TiB2) yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik, aşınma direnci, iyi kimyasal stabilite, yüksek termal şok direnci, düşük özgül ağırlık, yüksek kırılma tokluğu ve elektriksel iletkenlik özellikleri gösterir. Bu özellikleri ile TiB2 kesici takımlardan, zırh malzemelerine ve elektrod uygulamalrından, nükleer kontrol çubuklarına kadar yaygın bir kullanım alanına sahiptir. TiB2, SiC'e benzer şekilde kovalent bağ karakteri sebebiyle, sinterlemede yüksek sıcaklık ve basınç uygulamalarını gerektirir. Ancak bir çok karbür esaslı seramik malzeme ile ötektik oluşturduğundan yanlız başına yüksek sinterleme sıcaklığı gerektirirken, diğer bazı karbürlerle daha düşük sıcaklıklarda yüksek yoğunluklar elde edilebilmesi açısından katkı malzemesi olarak tercih edilir. TiB2, SiC gibi bir çok seramik malzemenin sinterlenme sıcaklığını düşürürken, söz konusu yapıların sertlik ve kırılma tokluğunun yükselmesinde önemli bir etki sağlar. Son yıllarda önemli bir gelişme olarak, seramik malzemelerde mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla grafen nano partikül (GNP) gibi nano boyutlu karbon yapıları ilave katkı malzemeleri olarak tercih edilir. Bu çalışmada SiC'nin sinterlenebilirliğinin ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla SiC ana fazının içerisine TiB2 ve grafen nano plaka (GNP) ilave edilerek, SiC-TiB2 ikili ve SiC-TiB2-GNP üçlü kompozitleri üretilmiş ve bu kompozitlerin bazı fiziksel, mekanik, faz ve mikroyapısal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında SPS sistemi kullanılarak üretilen 50 mm çapında 4 mm kalınlığında üretilen kompozitlerin rölatif yoğunluk, Vickers mikrosertlik ve kırılma tokluğu değerleri ölçülmüş, faz ve mikroyapı analizleri yapılmıştır. Üretim aşamasında öncelikle hacimce %10, 20, 30 TiB2 katkısı ile hazırlanan SiC matrisli tozlar bilyalı değirmende 24 saat boyunca öğütülmüş ve etüvde 24 saat bekleme süresi ile kurutulmuştur. SiC kompozitlerinin üretimi spark plazma sinterleme yöntemi kullanılarak 50 MPa basınç altında 5 dakika sinterleme süresiyle gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların başlangıcında %10 TiB2 katkılı kompozit üretimi için SPS sıcaklığı 1700 °C olarak gerçekleştirilmesine rağmen, elde edilen yoğunluk değerlerinin arttırılabilmesi için, SPS sıcaklığı 1750 °C'a yükseltilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında sinterlenen SiC- TiB2 ikili kompozitlerinin rölatif yoğunluk değerlerinin TiB2 oranının %10'dan %30'a yükselmesiyle %92,49'dan % 97,42'ye yükseldiği belirlenmiştir. İlave edilen TiB2 miktarı artışının yoğunluk değerini arttırdığı belirlenmiştir. SiC- TiB2 ikili kompozitlerinin sertlik değerlerinin 17,09-24,13 GPa arasında değiştiği belirlenmiştir. İlave edilen TiB2 miktarı ile artan rölatif yoğunluk sebebiyle sertlik değerinin arttığıda görülmüş ve en yüksek sertlik değerine (24,13 GPa) %30 TiB2 ilavesinde ulaşılmıştır. SiC- TiB2 ikili kompozitlerinin kırılma tokluğu değerleri incelendiğinde en yüksek rölatif yoğunluk değeri elde edilen % 30 TiB2 katkılı numunede kırılma tokluğunun 3,79 MPa•"m" ^"1/2" olduğu belirlenmiştir. SiC- % TiB2-GNP üçlü kompozitleri, SiC'e TiB2 ilavesiye en yüksek yoğunluğun elde edildiği hacimce % 30 oranına % 0.5, 1, 2 ve 3 oranında GNP katılarak hazırlanan tozların 1750ºC'da 40MPa basınçta 5 dakika sinterlenmesi ile üretilmiştir. SiC-%30 TiB2-GNP kompozitlerinde yoğunluk değerlerinin %95,36-96,85 arasında değiştiği belirlenmiştir. İlave edilen GNP miktarı ile yoğunluk değerlerinde önemli bir değişim gözlemlenmemiştir. SiC-TiB2-GNP üçlü kompozitlerinin sertlik değerlerinin 18,40-22,59 GPa arasında değiştiği belirlenmiştir. Kompozitte artan GNP miktarı ile sertlik değerlerinde düşüş kaydedilmiştir. En düşük sertlik değerine (18,40 GPa) %2 GNP ilavesinde, en yüksek sertlik değerine (22,59 GPa) %1 GNP ilavesinde ulaşılmıştır. SiC- TiB2-GNP üçlü kompozitlerinin kırılma tokluğu değerlerinin 4,35-4,64 MPa•"m" ^"1/2" arasında değiştiği belirlenmiştir. İlave edilen GNP miktarı ile kırılma tokluğu değerlerinde önemli bir değişim gözlemlenmemiştir. En yüksek kırılma tokluğu değerine (4,64 MPa•"m" ^"1/2" ) %2 GNP ilavesinde ulaşıldığı belirlenmiştir. Ölçülen kırılma tokluğu değerlerinin yorumlanması ve mikroyapı içerisinde TiB2 ve GNP ilavelerinin nasıl dağıldığını görmek amacıyla üretilen kompozitlerin kırık ve parlak yüzey görüntüleri alan taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir.
Nadir toprak element oksitlerinden ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle nadir toprak elementlerinin sentezi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Özer, Osman Can ; Timur, Servet İ. ; 820513 ; Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı

Nadir toprak elementleri (NTE), atom numaraları 57 ile 71 arasındaki toplam 15 element (lantanit grubu, Ln) ve 3B grubunda yer alan skandiyum ve itriyum olmak üzere periyodik tablodaki 17 elementi tanımlamaktadır. Son derece benzer atomik yapı, iyon yarıçapı ve elektron konfigürasyonuna sahip olmaları nedeniyle çok benzer kimyasal, fiziksel ve metalurjik davranışlar göstermektedirler. Nadir cevher yataklarının sayısının sınırlı olmasına karşın elementlerin bolluğu fazladır. En yaygın nadir toprak elementi seryumdur (60 ppm) ve Dünya yer kabuğundaki 27.elementtir. 10 ppm kabuk bolluğuna sahip olan 37.element kurşundan daha fazla bolluğa sahiptir. Nadir toprak elementleri içerisinde en az yaygınlığa sahip olan 0,5 ppm kabuk bolluğuna sahip olan lutesyum, altına (0,0031 ppm) kıyasla yaklaşık iki yüz kat kabuk bolluğuna sahiptir. Bu nedenle, NTE'lerin 'nadir' olarak nitelendirilmesi zenginleştirme yöntemleri ile seçimli olarak birbirlerinden ayrılmalarının ve saf halde elde edilmelerinin zorluğundan kaynaklanmaktadır. Nadir toprak elementleri, lantanit grubu, skandiyum ve itriyum elementlerinden oluşmaktadır. Lantanitler, aktinit serisi ile benzerlik göstermesine rağmen, diğer elementlerden farklı atomik yapıya sahip özel bir element grubu oluşturmaktadırlar. Lantanit serisi boyunca benzer fizikler özellikler görülmektedir. Kristal bileşiklerde 3+ oksidasyon basamağına sahiptirler. Ancak, bazı NTE'ler 2+ ve 4+ oksidasyon basamağına sahiptirler. Bileşiklerindeki koordinasyon numaraları genellikle 6'dan büyüktür ve seri boyunca koordinasyon sayısı azalmaktadır. Oksijen ve flor gibi güçlü elektronegatif elementler ile bağ oluşturmaktadır. Nadir toprak elementleri elektron konfigürasyonlarına bağlı olarak eşsiz özelliklere sahiptir. Genel olarak artan atom numarası ile her bir atomun dış elektron kabuğuna bir elektron daha eklenmekte ve böylece atomik çap büyümektedir. Lantanitler için artan atom numarası ile eklenen yeni elektron sadece en dış elektron kabuğuna değil aynı zamanda daha içeride yer alan 4f orbitallerini doldurmaktadır. 4f orbitallerinin zayıf koruyucu etkisi nedeniyle, etkili nükleer yük, lantanit serisi boyunca artış göstermektedir. Bu da iyon yarıçapının seri boyunca kademeli olarak azalmasına neden olmakta ve lantanit daralması olarak adlandırılmaktadır. Nadir toprak elementlerinin temel olarak dört farklı yatak oluşumundan söz edilmektedir. Bu yatak türleri karbonit, alkali-volkanik, iyon adsorpsiyon killer ve plaser yatak olarak sınıflandırılabilmektedir. Mineral oluşumuna göre hafif nadir toprak elementleri, Seryum grubu, loparit, bastnazit, parisit, monazit, eshipit ve ortit minerallerinde bulunurken, ağır nadir toprak elementleri, İtriyum grubu, itriyoparisit, samarskit, priyorit, ksenotim, gadolinit gibi minerallerde yer alabilmektedir. Dünya'da ticari üretimin %95'i bastnazit, monazit ve ksenotim minerallerinden gerçekleştirilmektedir. Modern toplumda insanların karşılaştığı birçok teknolojik ürün, nadir toprak elementleri ile yakından ilişkilidir. Nadir toprak elementleri, örneğin, metalik formda kalıcı mıknatıs alaşımlarında, şarj edilebilir pil elektrotlarında ve magnezyum alaşımlarında, oksitler olarak parlatma tozlarında, katalizörlerde, camlarda, lüminesans ve optik malzemelerde, florür, nitrat, fosfat ve diğer bileşikleri olarak floresan lambalar, ışık yayan elektrotlar vb. gibi geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Nadir toprak elementleri genel olarak klasik ekstraktif metalurjik prensiplere uygun olarak üretilmektedirler. Ancak, grup olarak hareket etme eğilimleri üretimde hidrometalurjik çözümlendirmeyi takiben çok adımlı işlemler silsilesini zorunlu kılmaktadır. Nadir toprak metallerinin üretimi genelleştirildiğinde cevher/minerallerin elde edildiği madencilik adımını fiziksel zenginleştirme işlemleri ve kavurma, liç gibi kimyasal işlemler takip etmektedir. Solvent ekstraksiyonu gibi yöntemlerle gerçekleştirilen ayırma adımını ise son adım olarak NTE oksitlerinin metallere redüksiyonu ve saflaştırılmaları takip etmektedir. Nadir toprak elementlerinin çoğu, ara hammadde olarak kullanımları nedeniyle saf nadir toprak metali üretimini zorunlu kılmaktadır. Nadir toprak metali üretimindeki yöntemler metalotermik redüksiyon ve yüksek sıcaklıkta ergimiş tuz elektrolizi olarak ikiye ayrılmaktadır. Nadir toprak elementlerinin Ca, La ve Ce gibi aktif metal redüksiyon ajanları tarafından yüksek sıcaklıklarda metallere redüksiyonunu metalotermik redüksiyon ifade etmektedir. Sm, Eu, Yb ve Tm'un orta derecede ergime noktası ve göreceli olarak yüksek buhar basıncına sahip olması nedeniyle metalotermik redüksiyonlarda reaktan olarak göreceli olarak düşük buhar basıncına sahip olmaları nedeniyle redüksiyon/biriktirme ürününü kirletmeyen La veya Ce kullanılmaktadır. Kesintili üretim süreci, yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle yüksek enerji tüketimi ve genellikle elektrolitik olarak üretilen nadir toprak metallerinden daha yüksek safsızlık konsantrasyonu gibi dezavantajları nedeniyle metalotermik redüksiyon yerine ergimiş tuz elektrolizi tercih edilmektedir. Ergimiz tuz elektro-kazanımında amaç elektrolitik ekstraksiyon yoluyla ergimiş tuz elektrolitinde çözünmüş bir metal bileşiğinden metali saf veya yarı saf formda elde etmektir. Bir elektrolitik proseste kullanılacak herhangi bir ergimiş tuz solventi düşük buhar basıncı, düşük ergime noktası, yüksek elektriksel iletkenlik, düşük viskozite, yüksek parçalanma potansiyeli, düşük koroziflik, kolay saflaştırılabilirlik, çevreyi kirletmeme ve düşük maliyet gibi özelliklere sahip olmalıdır. Ergimiş tuz elektrolizinde kullanılan en yaygın tuzlar klorürler, florürler ve klorür-florür karışımlarıdır. Klorürler daha düşük çalışma sıcaklığı, daha fazla sayıda elektrot ve pota seçeneği sunmaktadır. Klorürlü elektrolitlerin dezavantajları klorürlerin nem ile reaksiyona girmesi, bazılarının higroskopik, bazılarının ergimeye/çözünmeye eğilimli olması ve diğerlerinin ise hidroliz ile parçalanmasıdır. Florürler, nemle daha az reaktif olma avantajına sahiptir. Ayrıca, oksitleri doğrudan çözebilmeleri nedeniyle florlama prosesinin gerekliliğini ortadan kaldırmaktadır. Oksit esaslı bir hücre beslemesinin kullanılması proses akış şemasını basitleştirerek sermaye ve işletme maliyetlerini azaltmaktadır. Ancak, florürler hücre malzemelerinin seçimini ciddi bir şekilde sınırlandıran daha yüksek ergime noktaları ve daha yüksek korozyon özelliklerine sahiptirler. Diğer bir dezavantajları ise, refrakter metal oksitlerin florürlerdeki düşük çözünürlüğüdür. Bu tez kapsamında, florür esaslı elektrolitler içerisinde nadir toprak oksitlerinin çözünürlüklerinin molce %3'ten düşük olması, klorür esaslı elektrolitler ile gerçekleştirilen ETE sistemlerinin, florür esaslı elektrolitler ile gerçekleştirilen ETE sistemlerine göre maliyetinin düşük oluşu, grafit anot kullanımı sonucunda düşük anodik akım yoğunluklarında CO2, daha yüksek anodik akım yoğunluklarında ise elektrolitteki florür türlerinin grafit anot ile reaksiyona girmesi sonucu kapalı atmosferde gerçekleştirilecek ETE için son derece tehlike oluşturan sera gazlarının (CF4 ve C2F6 gibi perflorokarbonlar) emisyonu gibi dezavantajları nedeniyle klorür esaslı elektrolitler ile nadir toprak metallerinin üretimi üzerine çalışılmıştır. Bu tez çalışmasının amacı, literatürde yer almayan iki farklı metal klorür ile gerçekleştirilecek ETE ile metalik NTE üretim olanaklarının incelenmesi ve akım yoğunluğu, elektroliz süresi, banyo sıcaklığı, banyo bileşimi gibi ETE parametrelerinin nadir toprak metali üretim verimliliği üzerine etkilerinin incelenmesidir.

Gözat

Son Başvurular