Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü

Alumina ve silisyum karbürün mukavemet özellikleri üzerine üretim şartları ve bileşimin etkisi

The effect of composition and manufacturing methods on the strength properties of silicon carbide

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 143074 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

En yaygın kullanımı ile ileri teknoloji seramikleri olarak bilinen, yüksek performans seramikleri, ince seramikler, teknik seramikler, yapısal seramikler, mühendislik seramikleri olarak da isimlendirilen; alumina (AI2O3), silisyum karbür (SiC), zirkonyum dioksit (Zr02) silisyum nitrür (Sİ3N4) vb. oksit ve non-oksitler veya bunların bileşimlerinden meydana gelen seramiklerdir. Özellikleri itibarı ile, metallere nazaran daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilen, sertlik ve aşınma direnci avantajına sahip malzemelerdir. Bilinen ve yapılabilenlerinin 1950'lı yıllara kadar kısıtlı olmaları nedeni ile; tuğla, kiremit, sofra seramiği vb. gibi ihtiyaçlar için kullanılan bu malzemeler, günümüze kadar kaydettiği gelişimlerle mühendisler tarafından tüm alanlarında tercih edilmektedirler. Bu çalışma ile; A) A1203, B) B4C + Karbon katkıları ile sinterlenmiş silisyum karbür, C) AI2O3 + Y2O3 sıvı fazı ile mikronaltı silisyum karbürün sinterlenmesi, D) İri taneli SiC'ün (100 um) mikronaltı SiC ve AI2O3 + Y2O3 sıvı fazı kullanarak sinterlenmesi ile elde edilen numunelerin özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Deneylerin büyük çoğunluğu Avusturalyada bulunan, Commenwealth Scientific and Industrial Research Organization (C.S.I.R.O.) Manufacturing & Infrastructure Technology Araştırma Merkezine ait laboratuarlarda yapılmıştır. Deneylerde; ortalama, 0.4 um tane büyüklüğünde ve 5 m /gr. yüzey alanına sahip A1000 Alcoa alumina, 0.7- 0.9 um tane büyüklünde ve 17-22 m2/gr. yüzey alanına sahip HS Starck bor karbür, 0.4 um tane büyüklünde ve 22 m2/gr. yüzey alanına sahip İL 1392 Phenolic karbon bileşeni, 0.4 um tane büyüklünde ve 10-16 m2/gr. yüzey alanına sahip Lot Pl/87 starck yttrium oksit, 0.8 um tane büyüklünde ve 10,3 m2/gr. yüzey alanına sahip HP1 ve 100 um tane büyüklünde "Carborundum" silisyum karbür malzemeler kullanılmıştır. Yttrium oksit ve fenolik olarak karbon hariç kullanılan diğer malzemeler X - Işınları ile fazlan analiz edilmiştir. Deney karışımları; 35 MPa. basınçla tek yönlü pres kullanılarak şekillendirilmişlerdir. Şekillendirilen numunelerin kesitinin her yerinde aynı yoğunluğa sahip olması için; numuneler bir kez de 210 MPa. basınçla soğuk izostatik olarak preslenmişlerdir. Numunelerin, boyut ve kütle ölçümleri alınmış, yaş yoğunlukları hesaplanmıştır. A) Alumina seramik için; sinterleme süresi ve sıcaklığı değişken olarak alınmış, tane büyümesinin malzemenin özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmada, A 1000 üretici kodlu alumina kullanılmıştır. Ortalama 0,4 um tane büyüklüğüne ve 5 m2/gr. yüzey alanına sahip bu malzeme şekillendirildikten sonra numunelerin, boyut ve kütle ölçümleri alınmış, ortalama yaş yoğunluklarının, 2.25 gr/cm3 olduğu belirlenmiştir. Numuneler, 3,5 °C/dakika ısıtılarak 1560 °C'da İh, 1600 °C'da yarım, X111beş ve on saat bekletilmiş, 3,5 °C/dakika hızla kontrollü olarak soğutularak sinterlenmişlerdir. Bu numuneler çift taraflı olarak taşlanmış, yoğunluk, porozite, küçülme, sertlik, iki eksenli eğilme mukavemeti, kırılma tokluğu tane büyümesi, XRD ve SEM çalışmaları yapılmıştır. Numuneler, % 97 - 98 yoğunluğa sinterlenmiş ve bu esnada % 21 civarında lineer küçülme meydana gelmiştir. 1560 °C'da İh. sinterlendiğinde taneler 2,3 um büyüklüğüne ulaşırken, 1600 °C'da lOh sinterlenmesi ile 10,4 um'ye kadar büyümüştür. Yoğunluğun artması ile; sertlik, kırılma tokluğu ve iki eksenli mukavemet artmış, iki eksenli eğilme ve aşınma mukavemetleri ve kırılma tokluğunda tane büyümesine bağlı olarak; azalma gözlenmiştir. Silisyum karbürün sinterlenmesi üzerine yapılan literatür incelemelerinde, genellikle mikronaltı tozlar üzerine çalışmalar yapıldığı tespit edilmiştir. Milimetre mertebesinde ifade edilecek 100 um' den büyük tozların sinterlenmesi üzerine çalışmalara rastlanılmamış ve bu sebeple de konunun orijinal olduğu kanaatine vanlmıştır.Mikronaltı tozlara kıyasla çok daha ekonomik olan bu boyutlardaki tozlar ile yapılan çalışmasının basan ile tamamlanması neticesinde, malzemenin kullanılabilirliği daha da artacak bilime ve endüstriye büyük katkı sağlayacaktır. SiC seramik için; B4C ve AI2O3+Y2O3 olmak üzere iki farklı katkı malzemesi ile sinterleme amaçlanmıştır. Sinterleme esnasında SiC yapısında değişim olmaması için; bileşimlere karbon katılmış, Piroliz prosesi ara işlem olarak kullanılmıştır. B) B4C + Karbon katkıları ile 2150 °C'da silisyum karbürün çalışmasında elde edilen CAB 12 Kod'lu numuneler; 3,02 gr / cm3 değeri ile % 95 yoğunlukta % 17 lineer küçülerek, 2,4 um ortalama tane büyüklüğünü haiz olarak sinterlenmiştir. Sinterlenen bu numunelerin, 22,89 GPa. sertliğe, 272 MPa. iki eksenli gerilme mukavemetine, 4.57 MPa.m1/2 kırılma tokluğuna, 0,09 sürtünme katsayısına ve 4.3 mm3 / m.10"6 aşınma hızına sahip olduğu tespit edilmiştir. C) CAJ09 Kod'lu SiC karışım, AI2O3 + Y203 + Karbon katkıları ile 2000 °C'da sinterlendiği çalışmada elde edilen numuneler, 3,15 gr/cm3 değeri ile % 95 yoğunluğa, 5,2 um ortalama tane büyüklüğünü haiz olarak sinterlenmiştir. Bu numuneler, AI2O3 ve Y203'ün oluşturduğu sıvı fazın tesiriyle sinterlendiğinden, B4C katkılı çalışmaya kıyasla tane büyümesi artmıştır. AI2O3 ve Y2O3 sinterleme esnasında reaksiyona girerek Y5AI3 fazının meydana gelmesine sebep olmuştur. Elde edilen numunelerin, 21,97 GPa sertliğe, 268,44 MPa. iki eksenli gerilme mukavemetine, 4,39 MPa.m1/2 kırılma tokluğuna, 0,07 sürtünme katsayısına ve 3.4 mm3/ m.106 aşınma hızına sahip olduğu tespit edilmiştir. D) CAK01 Kodu verilen numuneler, karışımdaki #70 kod'lu 100 um ortalama tane büyüklüğündeki SiC toz, A1203 + Y2O3 dan oluşan katkılarla sinterlenmeye çalışılmıştır. Sinterleme esnasında AI2O3 ve Y2O3, reaksiyona girerek, AI5.Y3.O12 (Alüminyum Gamet) fazı meydana gelmiştir. Arşimet prensibi ile ölçülen; 2,48 gr/cm3 yoğunluk değeri; sinterlemenin % 75,24 oranında gerçekleştiğini ve bünyede % 24,76 porozitenin kaldığım göstermektedir. E) CAK03 - CAK07 Kodlan verilen numuneler, #70 SiC tozun, mikronaltı silisyum karbür toz ve AI2O3 + Y2O3 + Karbon katkılan ile 2000 °C'da sinterlendiği çalışmadır. Sinterleme esnasında, AI2O3 ve Y203; reaksiyona girerek; AI5.Y3.O12 (Alüminyum Gamet) fazını meydana getirmiştir. Arşimet prensibi ile; 2,49 - 2,62 gr/cm3 yoğunluk ile % 75,60 - 79,39 oranında sinterlenebilen numunelerin bünyesinde % 24,40 -% 20,61 oranında porozitenin kaldığını göstermektedir. Bünyesinde büyük oranda porozite içeren bu numunelerin sertlik ve kınlma tokluğu deneyleri yapılamamıştır.Bu tezin deneysel çalışmalarının büyük bir kısmı Avusturalyada bulunan, Commenwealth Scientific and Industrial Research Organization (C.S.I.R.O.) kurumuna ait laboratuarlarda yapılmıştır. Bu çalışmada dört grupta, seramik üretimi gerçekleştirilmiş ve elde edilen numunelerin özellikleri üzerine bileşenlerin etkisi incelenmiştir. Bu araştırma sonucunda; 1) Sinterleme sıcaklığının ve süresinin artması ile, alumina tane büyümesinin arttığı, tane sınırlarında bulunan porozitenin genişleyerek büyüdüğü, 2) Sinterleme sıcaklığının sabit tutularak süresinin uzaması ile, alumina sinterleme yoğunluğunun orantılı artmadığı, optimum sinterleme süresini aştıktan sonra; tanelerde kaviteler, taneler arasında ise porozite arttığı için; cismin artan hacmine bağlı olarak yoğunluğun düşebileceği, 3) Sinterleme süresinin uzamasına bağlı olarak alumina taneler aşın büyümüş, tanelerde kaviteler ve tane sınırlarında da artan porozite gözlenmiştir. Buna bağlı olarak, Vickers ucun muhtemelen bu boşluklara denk geldiği ve bu sebeple ucun daha çok batmış olabileceği için sertlik ve kırılma tokluğunun düştüğü, yine aynı sebeplerden dolayı aşınma hızının arttığı ve iki eksenli eğilme mukavemetinin düştüğü, 4) AI2O3 ve YaCVin sıvı faz olarak kullanılması durumunda, AI2O3 ve Y2Û3, reaksiyona girerek, AI5.Y3.O12 fazını meydana getirdiği, 5) İri taneli Silisyum karbür tozların sinterlenmesinde, yoğunluğun % 80' den daha fazla olabilmesi için karışım bünyesinde sadece mikronaltı tozun yetersiz kaldığı, 2 um, 5 um, ve hatta 10 um büyüklüğündeki tozların kullanılmasının faydalı olacağı, kanaatine ulaşılmıştır.

Summary:

The so-called advanced ceramics, or fine, or technical, or structural ceramics are materials such as alumina (AI2O3), silicon carbide (SiC), zirconium dioxide (Zr02) and silicon nitride (Sİ3N4) etc.. These materials have been developed to provide the predictable and reproducible physical properties, allowing their use in applications such as seals in automobiles, electronic substrates, wear and high temperature components. Ceramics can be used at high temperature applications compared to metals because of their physical properties. Many researches have been performed during last half century for the improvement of advanced ceramics. Yet in the minds of many engineers, advanced ceramics are perceived as still being in the laboratory. In this research, sintering of A) Alumina (AI2O3) in different temperature and time, B) Silicon carbide with boron carbide addition (CAB 1 2), C) Silicon carbide with A1203 + Y203 addition (CAJ09), D) Coarse silicon carbide powder (#70 SiC with 100 um particle sized) with fine silicon carbide and A1203 + Y203 addition (CAK01 - CAK07) were the main aims to reveal the effect of process parameters and sintering conditions on the ceramics produced. Most of the experiments have been performed in C.S.I.R.O. (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Australia) Manufacturing & Infrastructure Technology Laboratories. A 1000 Alcoa alumina, 0.4 um average particle sized with 5 m2/gr. surface area, HS Starck B4C, 0.7 - 0.9 um average particle sized with 17-22 m2/gr. surface area, IL 1392 Phenolic Carbon, 0.4 um average particle sized with 22 m2/gr. surface area, Lot Pl/87 Starck Y203, 0.4 um average particle sized with 10-16 m2/gr. surface area, "HP1" Coded silicon carbide, 0.8 urn average particle sized with 10,3 m2/gr. surface area and 100 um average particle sized carborundum silicon carbide materials have been used in this research. XRD analyses have been performed on alumina, silicon carbide, yttrium oxide and sintered ceramic materials. All the samples have been isostatically pressed at 210 MPa. in order to obtain uniform green density following uni-axially pressing at 35 MPa. Samples have been measured and weighed to obtain green density and sintering characterization. A) In alumina research; sintering time and the temperature were parameters affecting. The effects of grain growth on the hardness, biaxial-flexural strength, indentation fracture toughness and wear have been studied. xviAlumina samples have been measured and weighed following isostatically pressing. Green density of alumina was 2.25 gr/cm3. Samples were heated with the speed of 3,5 °C/minute to the sintering temperature. Samples were sintered at 1560 °C for one hour and at 1600 °C for XA hour, 5 hours and 10 hours. Sintered samples have been grinded from their both surfaces. After sintering, sintered sample's density, porosity, shrinkage, hardness, biaxial-flexural strength, indentation fracture toughness were measured. XRD analyses and Scanning Electron Microscopy studies on the samples were performed. 97 - 98 % density have been achieved and 21 - 21,2 % shrinkage have been observed after sintering of alumina samples. The grain size of sintered samples have been calculated by lineal intercept method as "2.3", "3.4", "6.7" and 10.4 um for; 1560 °C lh., 1600 °C lA h., 5h. and 10 h. sintered alumina samples respectively. Grain growth has been observed whenever increasing of sintering temperature and time. Hardness, biaxial-flexural strength, indentation fracture toughness and wear coefficient decreased with grain growth. Most of the researchers have concentrated on fine silicon carbide powders. To our knowledge no research has been done on coarse silicon carbide powder sintering. Sintering of coarse powder is normally reliable and original subject for science and industry. It will be a good source for users since the coarse powder is cheaper than fine powder is when it is sintered to around 95 % theoretical density; In the course of studying of silicon carbide, sintering of silicon carbide with boron carbide (B4C) and (AI2O3+Y2O3) additions has been performed. Phenolic resins have been used to avoid the decomposition of silicon carbide and stabilize the structure. Prolyses process is used as pro-process for carbonizing the Phenolic resins. B) HP1 coded SiC has been sintered with B4C + carbon additives at 2150 °C and the density of samples have been measured as 3,02 gr / cm3 by Archimedes method. Sintered sample's grain size was calculated as 2,4 um by lineal intercept method. 95 % theoretical density, 17 % shrinkage, 22.89 GPa Hardness, 272 MPa. Biaxial fiexural strength, 4.57 MPa.ml/2 indentation fracture toughness, 0.09 friction coefficient and 4.3 mm3/m.l0"6 wear rate values were obtained after sintering. C) CAJ09 Coded composition (HP1 SiC + A1203 + Y203 + carbon additives) has been sintered at 2000 °C. The density of sintered samples was measured as 3,12 gr/cm3 by Archimedes method and the average grain size was calculated as 5,2 um by lineal intercept method. 95 % theoretical density, 17 % shrinkage, 21,97 GPa. Hardness, 268,44 MPa. Biaxial Fiexural strength, 4,39 MPa.m1/2 indentation fracture toughness', 0.07 friction coefficient and 3,4 mm3 / m.10"6 wear coefficient values were obtained after sintering. AI2O3 and Y2O3 reaction resulted in a phase being Y5AI3 observed by XRD analysis. D) CAK01 Coded composition (#70 SiC + HP1 SiC + Al203 + Y203 + carbon additive) has been sintered at 2000 °C. Green density of the samples was calculated as 2,40 gr/cm3 and sintered density was measured as 2,48 gr/cm3 by Archimedes method. Samples have been sintered to 75,24 % theoretical density with 1.76 % shrinkage. Average grain size (100 um) was not changed after sintering due to no grain growth Biaxial-flexural strength was obtained 36,44 MPa. after sintering. Hardness andfracture toughness cannot be measured due to the 24.76 % porosity of the sample. AI2O3 and Y2O3 additives caused to liquid phase sintering. AI2O3 and Y2O3 reaction resulted in a phase being AI5.Y3.O12 observed by XRD analysis. E) CAK03 - CAK07 Coded sample (#70 SiC + HP1 SiC + A1203 + Y203 + carbon additive) have been sintered at 2000 °C. Green densities of samples have been calculated around 2,26 - 2,46 gr/cm3. Densities of the sintered samples were measured between 2,49 - 2,62 gr/cm3 by Archimedes method. Samples have been sintered to 75,24 - 79,39 % the theoretical density with 2,11 - 5,59 % shrinkage. Average grain size (100 um) was not changed after sintering due to no grain growth occurred in sintering. Biaxial-flexural strength was between 45,34 - 73,86 MPa after sintering. Hardness and fracture toughness tests cannot be performed because of the porosities being more than 20,61 - 24.40 %. AI2O3 and Y2O3 addition caused to liquid phase sintering and AI2O3 + Y2O3 reaction resulted in obtaining a new phase being AI5.Y3.O12 observed by XRD analysis. It was obtained in this research; 1) Increasing both sintering time and sintering temperature resulted in grain growth and larger porosities among grain boundaries. 2) The change in the density is not linearly dependent on the increase in the length of sintering time at constant temperature. Beyond a critical sintering time, larger porosities among grains and cavities inside of grains were observed, so that the density of material decreases. 3) Depending on the increase in the length of sintering time; grain growth, cavities inside of grains and porosities among grains were observed. Due to cavities and porosities, mechanical properties such as hardness, fracture toughness, biaxial- flexural strength and wear properties were decreased. 4) In the liquid phase sintering the reaction of alumina and yttria caused to obtain a new phase AI5.Y3.O12, 5) To obtain the density more than 80% during coarse grained SiC carbide sintering, submicron size were not helpful, instead powders at least with 2 urn is necessary.