Otomotiv sanayisi için alümina ile toklaştırılmış zirkonya- zirkonyum diborür (ATZ-ZrB2) kompozitlerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Günümüzde fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri daha üst seviyelere çıkarılmış malzemelere olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu malzemelerin üretiminde ise geleneksel yöntemlerin ve kullanılan hammaddelerin yetersiz kaldığı noktalarda ileri teknolojik malzemeler ve üretimleri devreye girmektedir. İleri teknolojik malzemeler havacılık, askeriye, enerji, haberleşme ve otomotiv sanayisi gibi birçok endüstriyel alanda kullanılmaktadır. Endüstrinin giderek artan ihtiyaçları üstün performanslı yeni malzemelerin geliştirilmesini zorunlu hale getirmiştir. Bunun sonucunda ileri teknolojik malzemeler arasında yer alan polimer, seramik ve kompozitlerin mühendislik uygulamalarındaki kullanım oranı artmıştır. İleri teknolojik malzemelerin en önemli özelliği ise bu malzemelerin üretimlerinde kullanılan ham maddelerin yapay yollarla elde edilmiş, yüksek saflıkta ve nano boyutta tanecik yapısına sahip tozlardan oluşmasıdır. İleri teknoloji seramiklerinden, son yıllarda endüstride kullanımı ile dikkat çeken malzemelerden biride Zirkonyadır. Zirkonya (ZrO2) sahip olduğu yüksek aşınma direnci, tokluk, sertlik, biyouyumluluk gibi fiziksel ve mekaniksel özellikleri ile ileri teknolojik seramikler grubuna girmiştir. Otomotiv sektöründe de kullanılan zirkonya yüksek tokluk değerlerine sahip olsa da kısmen orta seviyede bir sertlik değerine sahiptir. Bu değer yüksek yük altındaki uygulamaları için uygun değildir. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için zirkonyanın sert takviyeler ile güçlendirilmesi gerekir. Bunun için yüksek sertliğe sahip TiB2 ve ZrB2 kullanılır. Bu noktada tezimizin konusu olan ZrB2 ortaya çıkmaktadır. Ultra yüksek sıcaklık seramiği (UHTC) olan ZrB2 üstün özelliklerinden dolayı son yıllarda endüstriyel uygulamalarda takviyeli kompozit malzeme üretiminde tercih edilmektedir. Bu amaçla hem tokluk hem de sertlik değeri açısından otomotiv sektörünün ihtiyaçlarına cevap verebilecek seramik kompozit elde etmek için bu tez çalışmasında alümina ile toklaştırılmış zirkonya-Zirkonyum diborür (ATZ-ZrB2) seramik kompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. ATZ-ZrB2 kompozit malzeme üretimi için eşit mol oranlarında hazırlanan Mg-Y-TZP (%3 mol Y2O3 ve %8 mol MgO) karışımına, ağılıkça %1 Alümina (Al2O3) ve ağırlıkça %0,5 - %1 - %1,5 - %2 oranlarında ZrB2 tozları ilave edilmiştir. Hazırlanan karışımda homojenliği sağlamak için bağlayıcılar ilave edilerek alkol ortamında gezegensel değirmende karıştırılmıştır. Elde edilen toz karışımı sırasıyla kurutma, eleme ve şekillendirme (tek eksenli pres ve CIP) aşamalarından sonra bağlayıcı uzaklaştırma ve belirlenen sıcaklık değerlerinde sinterleme işlemi yapılmıştır. Elde edilen numunelerin yoğunluk, sertlik-tokluk , XRD ve SEM analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, istenen mekaniksel özelliklere sahip ATZ-ZrB2 kompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen bu kompozit malzemenin otomotiv sektöründe sürtünmenin ve sıcaklığın fazla olduğu parçaların yapımı veya kaplanması gibi endüstriyel uygulamalarda kullanılabileceği kanısına varılmıştır.

Today, the need for materials with higher physical, chemical and mechanical properties is increasing day by day. In the production of these materials, high-tech materials and productions come into play when traditional methods and raw materials used are insufficient. Advanced technological materials are used in many industrial fields such as aviation, military, energy, communication and automotive industries. The growing needs of the industry have made it necessary to develop new high performance materials. As a result, the rate of usage of polymer, ceramic and composites in the engineering applications has increased. The most important feature of the high-tech materials is that the raw materials used in the production of these materials are made of artificial particles obtained with high purity and nano-sized granules. Zirconia (ZrO2) is one of the most remarkable materials of high technology ceramics. With its high wear resistance, toughness, hardness and biocompatibility, Zirkonya has entered into advanced technological ceramics with its physical and mechanical properties. Zirconia, which is used in the automotive industry, has a high hardness value although it has high toughness values. This value is not suitable for high load applications. To overcome these limitations, zirconia must be reinforced with rigid reinforcements. For this, high hardness TiB2 and ZrB2 are used. At this point, ZrB2 is the subject of our thesis. ZrB2, which is ultra high temperature ceramic (UHTC), is preferred in the production of reinforced composite materials in industrial applications in recent years due to its superior properties. For this purpose, in order to obtain a ceramic composite which can meet the needs of the automotive sector in terms of both toughness and hardness value, in this study, zirconia-Zirconium diboride (ATZ-ZrB2) ceramic composite production was performed. For the production of ATZ-ZrB2 composite material in equal molar amounts of Mg-Y-TZP (3 mol% Y2O3 and 8 mol% MgO) mixture, 1% Alumina (Al2O3) by weight and 0,5%- 1% - 1.5%- 2% by weight ZrB2 powders were added. In order to ensure homogeneity of the prepared mixture, the binders were added and mixed in the alcohol environment in the planetary mill. The resulting powder mixture was separated from the drying, sieving and shaping (uniaxial press and CIP) steps, followed by binder removal and sintering at the determined temperature values. Density, hardness-toughness, XRD and SEM analyzes of the samples were performed. According to the results, ATZ-ZrB2 composite production with desired mechanical properties was realized. It is concluded that this composite material produced can be used in industrial applications such as friction in automotive sector and construction or coating of parts with high temperature.