Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemi ile üretilen Al matrisli B4C parçacık takviyeli kompozitlerin kuru kayma koşullarındaki aşınma davranışları incelenmiştir. Kompozitlerin karekterizasyonu mikroyapı incelemeleri, sertlik ölçümleri ve abrasif aşınma deneyleri ile yapılmıştır.  Abrasif aşınma testleri, 180 ve 400 Mesh Al2O3  zımpara kullanılarak 10 N ve 20 N yük altında 0,2 m s-1 kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Sertlik B4C parçacık ilavesi ile birlikte artmıştır. % 20 B4C parçacık takviyeli kompozit en yüksek sertlik gösterirken, % 10 B4C parçacık takviyeli kompozit en yüksek aşınma direnci göstermiştir

Ferhat Gül

Hasan Hasırcı

Bilgi Merkezi

B4c /Al Kompozitlerin Takviye Hacim Oranına Bağlı Olarak Abrasif Aşınma Davranışlarının İncelenmesi 
 
Volume 2 No 1 February 2010 
15
15
SDU International Technologic Science  
Vol. 2, No 1, February 2010                       
pp. 15-21 
 
 
B4C /Al KOMPOZİTLERİN TAKVİYE HACİM ORANINA BAĞLI 
OLARAK ABRASİF AŞINMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ 
 
Hasan HASIRCI∗,  Ferhat GÜL∗∗ 
 
 
Özet 
 
Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemi ile üretilen Al matrisli B4C parçacık takviyeli kompozitlerin kuru kayma 
koşullarındaki aşınma davranışları incelenmiştir. Kompozitlerin karekterizasyonu mikroyapı incelemeleri, sertlik 
ölçümleri ve abrasif aşınma deneyleri ile yapılmıştır.  Abrasif aşınma testleri, 180 ve 400 Mesh Al2O3  zımpara 
kullanılarak 10 N ve 20 N yük altında 0,2 m s-1 kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Sertlik B4C parçacık ilavesi 
ile birlikte artmıştır. % 20 B4C parçacık takviyeli kompozit en yüksek sertlik gösterirken, % 10 B4C parçacık 
takviyeli kompozit en yüksek aşınma direnci göstermiştir.  
 
Anahtar Kelimeler: Abrasif aşınma, B4C, Al matris, mikroyapı, sertlik, kompozit. 
 
INVESTIGATION OF ABRASIVE WEAR BEHAVIOURS IN B4C /Al 
COMPOSİTES DEPENDING ON REINFORCEMENT  VOLUME 
FRACTION 
 
Abstract 
 
In this study, wear behavior of B4C particle reinforced Al matrix composites produced by powder metallurgy 
technique has been investigated under dry sliding conditions. Characterization of composites were determined by 
microscopic examinations, hardness measurements and abrasive wear tests. Abrasive wear tests were conducted 
with 180 and 400 Mesh Al2O3 paper under 10 N and 20 N load 0,2 m s
-1 sliding speed. Hardness increased by 
addition of B4C particles. While 20 % B4C particles reinforced composites have shown the highest hardness 
values, 10 % B4C particles reinforced composites have shown ultimate wear resistance.  
 
Key Words: Abrasive wear, B4C, Al matrix, microstructure, hardness, composite 
 
 
1. GİRİŞ 
 
Kompozit malzemeler, farklı amaçlarla çok farklı kullanım alanlarına sahip malzemelerin 
başında gelmektedir. Bu nedenlerle farklı beklentilere sahip kompozitlerin üretimi 
gerekmektedir. Bu malzemeler sıvı karıştırma ve toz metalurjisi gibi bazı yöntemler ile 
üretilmekte ve gerektiğinde ısıl işlemle daha üst beklentileri karşılayabilecek hale 
getirilebilmektedirler  [1-4]. Metal matrisli kompozitler içinde düşük yoğunluk nedeniyle Al 
matrisli kompozitler genellikle tercih edilmektedir. Bu kompozitlere takviye elemanı olarak 
                                                 
∗ E-posta: h55hasirci@hotmail.com 
 
∗∗ E-posta: fgul@gazi.edu.tr 
 
 
Mechanical  Technology 
 
Hasan HASIRCI,  Ferhat GÜL 
 
SDU International Journal of Technologic Sciences 
16
16
SiC ve Al2O3 ilave edilerek yüksek mekanik özellikler sağlanabilmektedir. Bu bağlamda 
ülkemizde  de  bol miktarda bulunan bor türevlerinin (B4C gibi) Al matrisli kompozitlere 
ilave edilerek ifade edilen genel maksatlara ulaşılması hedeflenmektedir [2,3]. Al matrisli 
kompozitlerin üretimi döküm (ezme döküm, infiltrasyon v.b.) yada toz metalurjisi teknikleri 
ile gerçekleştirilmektedir. Ancak döküm yoluyla üretimde takviyenin ana matriste ya hiç yada 
homojen biçimde karışmama gibi bazı problemlerin bulunması nedeniyle toz metalurjisi 
üretim kolaylığı bakımından tercih edilmektedir [2,3]. 
 
Bu çalışmada toz metalurjisi yöntemiyle üretilen Al matrisli B4C parçacık takviyeli 
kompozitlerin yapı, mekanik ve abrasif aşınma özelliklerinin takviye hacim oranına bağlı 
olarak değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. 
 
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 
 
Bu çalışmada toz metalurjisi ile kompozit üretimi için ortalama 25 µm boyuta sahip Al ve 
B4C tozları kullanılmıştır. Bu amaçla parçacıklar bir karıştırıcı içerisinde 2 saat süreyle 
karıştırılmıştır. Bu karışım daha sonra 700 MPa basınç altında preslemek suretiyle 10 mm 
çapında silindirik kompozit numuneler üretilmiştir. Preslenen numuneler 570 °C sıcaklıkta 
açık atmosferde 12 saat süreyle sinterlenmiştir. Yukarıda ifade edilen şartlar altında üretilen 
numuneler aşağıda Tablo 1’de takviye hacim oranına göre sırasıyla özetlenmiştir. 
 
Tablo1. Deneylerde kullanılan numunelerin takviye oranı 
 
Numune no B4C Takviye Hacim Oranları 
N1 Saf Al 
N2 % 5 B4C-Al 
N3 % 10 B4C-Al 
N4 % 20 B4C-Al 
 
Numuneler üretimlerinin ardından standart metalografik işlemlerden sonra optik mikroskop 
yöntemi kullanılarak mikro yapısal incelemeye tabi tutulmuştur. Diğer yandan aşınma 
sonuçlarının yorumlanmasında kullanılmak ve malzemeyi kısmen karakterize etmek amacıyla 
bütün numunelerin sertlikleri ölçülmüştür. Abrasif aşınma testleri, disk üzerinde pim aşınma 
test cihazında (Şekil 1) 180 ve 400 Mesh Al2O3 zımparalar kullanılarak 10 ve 20 N yükler 
altında, 0.2 m s-1 kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Testler sırasında meydana gelen ağırlık 
kaybı değerleri ölçülerek tespit edilmiş ve  aşınan yüzeyler görüntülenerek numuneler aşınma 
açısından karakterize edilmiştir. Her bir deney şartı ve numune için 3 adet ölçüm yapılmıştır. 
 
Şekil 1. Disk üzerinde pim aşınma cihazının şematik gösterimi 
 
B4c /Al Kompozitlerin Takviye Hacim Oranına Bağlı Olarak Abrasif Aşınma Davranışlarının İncelenmesi 
 
Volume 2 No 1 February 2010 
17
17
3. DENEYSEL SONUÇLAR 
 
3.1. Mikro Yapısal Özellikler  
 
Farklı takviye hacim oranlarına sahip numunelerin mikro yapıları Şekil 2’de verilmiştir. 
Mikroyapı görüntülerine bakıldığında; saf Al malzemenin yapısı olağan TM ile üretim sonucu 
elde edilen bir yapı görünümüne sahiptir (Şekil 2.a).  Diğer  yandan Şekil 2.b, c ve d ise B4C 
takviyesi yapılmış numuneler görülmektedir. Görüntüler incelendiğinde takviye yapılan 
parçacıkların homojen bir şekilde yapı içerisinde dağıldığı açıkça görülmektedir. Takviye 
elemanları, mikroyapı görüntülerinde gri renkli parçacıklar şeklinde görülmektedir. 
 
  
 
 
 
Şekil 2. Deneysel şartlara bağlı olarak kompozit malzemenin mikroyapısında meydana gelen 
değişimler; a) N1, b) N2, c) N3 ve d) N4,  
 
Kompozit numunelerin mikro yapılarına bakıldığında takviye miktarının artmasına bağlı 
olarak kısmen parçacıklar belirli yerlerde  toplanma izlenimi vermektedir. Ancak döküm 
yoluyla kompozit üretimde özellikle takviye elemanının dağılım problemi bu yönteme göre 
çok daha fazla olmaktadır [1,2,4]. Bu açıdan bakıldığında oldukça başarılı bir kompozit 
üretimi gerçekleştirilmiştir. 
 
3.2. Sertlik ve Aşınma Test Sonuçları  
 
Üretilen numunelerde üretim şartları ve takviye miktarının sertliğe etkilerinin belirlenmesi 
amacıyla sertlikleri ölçülmüş ve sonuçlar Şekil 3’te verilmiştir. Sonuçlara bakıldığında N1 
kodlu saf Al malzemesinin en düşük sertliğe sahip olduğu görülmektedir. Diğer yandan 
takviye elemanının etkileri incelendiğinde (N2, N3 ve N4 numuneleri) takviye miktarının 
artması ile birlikte sertliğin de sürekli şekilde arttığı görülmektedir. Bu sonuç kompozit 
malzemelerin üretim amaçlarından biri olan yeni malzemenin mekanik özelliklerinin 
geliştirilmesi açısından tutarlı bir sonuçtur. Bu doğrultuda en yüksek sertlik değeri % 20 B4C 
takviye edilmiş N4 kodlu numunede elde edilmiştir.  
 
c d
a b
Hasan HASIRCI,  Ferhat GÜL 
 
SDU International Journal of Technologic Sciences 
18
18
0
10
20
30
40
50
60
N1 N2 N3 N4
Se
rt
lik
, H
V
 
Şekil 3. Takviye hacim oranına bağlı olarak sertliğin değişimi 
 
Bu sonuçların kompozit malzemeler konusunda yapılan çalışmalarla [1-5] paralel olduğu 
görülmektedir. Metal matrisli ve parçacık takviye edilen kompozitler incelendiğinde, 
genellikle yapılan ilavenin kompozit yapmanın amacına uygun bir şekilde takviye hacim 
oranındaki artışa bağlı olarak sertlikte artışa neden olduğu görülmektedir. Çünkü genellikle 
takviye elemanı katılmasının amacı, ana matris malzemenin dayanım ve sertliğini artırmaktır. 
Bu bağlamda üretilen numunelerin amaca uygun olduğu görülmektedir. 
 
Üretilen numunelerinin mikroyapı ve sertlik özeliklerinin incelenmesinin ardından üretilen bu 
numuneler disk üzerinde pim aşınma test cihazında abrasif aşınma testine tabi tutulmuş ve 
sonuçlar Şekil 4’te verilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, genel olarak takviye miktarındaki 
artışa bağlı olarak saf Al malzemeye kıyasla kompozit malzemelerde aşınma miktarlarının 
genel olarak azaldığı görülmüştür. Öte yandan uygulanan yükün artması ve aşındırıcı parçacık 
boyutunun büyümesiyle birlikte aşınma miktarı artmıştır.  
 
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
N1 N2 N3 N4
Numune No
A
şı
nm
a 
M
ik
ta
rı,
 m
g
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Se
rt
lik
, H
V
Sertlik
10N-180 Mesh
20N-180 Mesh
10N-400 Mesh
20N-400 Mesh
 
 
Şekil 4. Uygulanan yük ve kullanılan zımpara boyutuna bağlı olarak aşınma miktarının 
değişimi   
 
B4c /Al Kompozitlerin Takviye Hacim Oranına Bağlı Olarak Abrasif Aşınma Davranışlarının İncelenmesi 
 
Volume 2 No 1 February 2010 
19
19
Metal matrisli kompozitler üretilirken, matris içerisine sertlik ve dayanım gibi özellikleri 
artırmak amacıyla daha yüksek sertlik ve dayanıma sahip farklı biçimlerde (kısa ve uzun fiber 
ya da parçacık) takviye elemanları ilave edilmektedir. Bu nedenle kompozit malzemeler ana 
malzemeye kıyasla daha üstün özelliklere sahip olmaktadır. Bu nedenle burada olduğu gibi 
genellikle takviye miktarıyla bilinen mekanik özelliklerin artması sonucunda ilk bakışta 
aşınma özelliğinin de olumlu yönde gelişeceği düşünülmektedir. Ancak N4 numunesinin 
takviye oranı en fazla ve en sert kompozit malzeme olmasına rağmen aşınma miktarının yine 
de arttığı tespit edilmiştir. Öyle ise aşınma özelliklerinin sadece sertlikle doğrudan 
ilişkilendirilmesinin doğru olmayacağı açıktır.  
 
Bu durumda aşınmanın farklı yönlerden ele alınması gerekmektedir. Çünkü sert malzemelerin 
daha az aşınacağı düşünülebilir. Ancak yapılan diğer çalışmalar [1-6], aşınma sırasında 
meydana gelen olaylar ve mekanizmalar incelendiğinde bu ilk yargının tam olarak doğru 
olmadığı açıkça görülmektedir. Aşınma sadece sertliğe doğrudan bağlı değildir. Aynı 
zamanda; malzeme yapısı içerisinde meydana gelen fazların şekil, dağılımı ve varsa takviye 
elemanının durumu ile ilgili olduğu bazı çalışmalarda ortaya konulmuştur [6-12]. Aşınma 
işlemi aşındırıcı yüzey ile temas eden malzemenin uygulanan yük ve ilerleme (hareket) 
kuvveti nedeniyle çizilmeye (aşınma) zorlanması sonucunda aşındırılacak malzeme yüzeyinde 
meydana gelen deformasyon ile başlamaktadır [13]. Yumuşak malzemelerde, sert 
malzemelere kıyasla daha kolay deformasyon meydana geldiği görülmektedir. Bunun 
sonucunda, malzeme şekil değişimine uğramaktadır. Bu sırada mekanik etkiler (sürükleme ve 
çizik oluşumu) nedeniyle daha yumuşak ve deforme olan malzeme yüzeyinde aşınma kolayca 
başlamaktadır. Doğal olarak numune sertliğinin artması ile aşındırıcının yüzeye batarak 
deformasyon oluşturması ve çiziklerin (aşınma) başlaması güçleşecektir (Şekil 5). Bu durum 
saf Al malzeme ile kompozit malzemeler birlikte incelendiğinde açıkça görülmektedir. Bu 
amaçla, aşınma yüzeylerinin incelenmesi faydalı olacaktır (Şekil 6). Aşınan numune yüzeyine 
bakıldığında (Şekil 6.a) kompozitlere oranla saf Al numunesinde mikro kesme mekanizması 
nedeniyle sürekli çizikler bulunan bir yüzeyin oluştuğu tespit edilmiştir. Sürekli çiziklerin 
varlığı saf Al malzemenin kolayca aşındığını göstermekte ve böylece en fazla aşınmanın bu 
malzemede meydana geldiği görülmektedir. Yumuşak malzemelerde genellikle abrasif 
aşınmada mikro kesmenin yanında yüksek deformasyon nedeniyle takozlama (sürükleme) 
mekanizmasıyla aşınma meydana gelmekte ve bunun sonucunda sürekli ve geniş çizikler 
oluşmaktadır (Şekil 5.a).   
 
Şekil 5. Metal ve kompozit malzemelerin abrasif aşınma sırasındaki davranışının değişimi [8] 
Hasan HASIRCI,  Ferhat GÜL 
 
SDU International Journal of Technologic Sciences 
20
20
 
 
 
 
Şekil 6. Deneysel şartlara bağlı olarak saf Al ve farklı oranlarda B4C ilave edilmiş kompozit 
malzemelerinin 400 Mesh zımpara ile 20 N yük altında aşındırılmış yüzeylerinin 
görüntüleri; a) N1, b) N2, c) N3 ve d) N4, (X 10)  
 
Kompozit malzemeler kendi aralarında incelendiğinde ise, saf Al malzemeye kıyasla artan 
takviye miktarına bağlı olarak artan sertliğin de etkisiyle aşınma miktarı azalmıştır. Ancak % 
20 B4C takviye edilmiş numunede sertlik en yüksek değerde olmasına karşın, aşınmanın da 
arttığı görülmektedir. Bu sonuç elde edilen aşınma yüzeyleri (Şekil 6.c) ile birlikte 
değerlendirildiğinde % 20 B4C takviye edilmiş numunede aşınma sırasında kompozit 
üretimindeki en önemli problemlerden birisi olan kısmen takviye elemanlarının topaklanma 
eğiliminde olması nedeniyle ve numune yüzeyinde takviyenin çevrelendiği matris hacminin 
azalmasına bağlı olarak kolayca aşındırılabilmesi, bir başka deyişle yerinden sökülüp 
çıkarılması nedeniyle oldukça fazla çizik ve büyük oyuklaşmaların bulunduğu görülmüştür. 
Kompozit malzemeler saf malzemeye kıyasla daha dayanıklı ve sert olduklarından aşınmaya 
dirençleri oldukça fazladır. Ancak abrasif aşınma sırasında gevrek ve kırılgan bir davranış 
sergilemektedirler. Numune yüzeyine batan aşındırıcı malzeme bu gevreklik nedeniyle hem 
önündeki alanı hem de yan kısımlardaki alanları zorlamaktadır (Şekil 5.b). Bu zorlama 
sırasında takviye miktarı yüksek olduğunda azalan matris alnının uygulanan zorlamaya karşı 
koyamaması ve gevrek davranış nedeniyle aşınmada artış meydana gelmektedir. Aşınan 
yüzeyde çizikler daha ince ve derinliği az, ancak çevredeki zorlamalara bağlı olarak kütlesel 
kopmaların meydana geldiği açıkça görülmektedir (Şekil 6.c). İşte bu nedenlerle bu çalışmada 
% 20 B4C ilave edilen kompozit malzeme bu çalışmadaki en yüksek sertliğe sahip olmasına 
karşın, aşınma direnci azalmış ve neredeyse saf Al malzeme kadar aşınma direnci 
gösterebilmiştir. Bu çalışma şartları içerisinde % 10’a kadar B4C parçacık ilavesinin üretilen 
yeni malzemenin sertliğini % 41 ve aşınma direncini % 55  geliştirdiği tespit edilmiştir. Öte 
yandan % 5 B4C ilavesinin kompozit malzemede yeterli oranda sertlik ve aşınma direnci 
sağlanması açısından yetersiz kaldığı çalışma sonucunda açıkça görülmüştür. Diğer taraftan, 
b
c d
a
B4c /Al Kompozitlerin Takviye Hacim Oranına Bağlı Olarak Abrasif Aşınma Davranışlarının İncelenmesi 
 
Volume 2 No 1 February 2010 
21
21
yük miktarının 10N’dan 20N’a artışı sonucunda aşınma miktarı oransal olarak; 180 Mesh 
zımparada % 135, 400 Mesh de ise % 47 oranında artmıştır.  
 
4. SONUÇLAR  
 
¾ Öncelikle üretilen numuneler incelendiğinde, Al matris içerisine ilave edilen B4C 
parçacıklarının iyi bir şekilde dağıldığı görülmüştür. Bu dağılım düzeni takviye 
miktarındaki artışla birlikte bir miktar azaldığı yapısal incelemelerden gözlenmiştir. 
¾ Al malzemeye ilave edilen B4C parçacıkları nedeniyle üretilen yeni malzemenin sertliği 
artmıştır. Aynı zamanda takviye miktarının artmasıyla sertliğin de sürekli bir artış 
gösterdiği görülmüştür. 
¾ Genel olarak, en iyi aşınma direnci % 10 B4C parçacık takviye edilmiş kompozit 
malzemede elde edilmiştir. 
¾ Yük miktarının 10N’dan 20N’a artışı sonucunda aşınma miktarı oransal olarak; 180 Mesh 
zımparada % 135, 400 Mesh de ise % 47 oranında artmıştır.  
 
Kaynaklar  
 
1. Toptan, F. ve Kerti, I., “B4C ile takviye edilen Alüminyum matrisli kompozitlerin döküm 
yöntemi ile üretimi”, 12. Uluslar arası Metalurji-Malzeme Kongresi, 808-812, İstanbul, 
Kasım-2006. 
2. Akın, G., Mindivan, H., Çimenoğlu, H. ve Kayalı, E. S., “Toz metalurjisi yöntemiyle 
üretilen Alüminyum matrisli bor karbür takviyeli kompozitlerin aşınma davranışının 
incelenmesi”, 12. Uluslar arası Metalurji-Malzeme Kongresi, 735-740, İstanbul, 
Kasım-2006. 
3. Abenojar, J., Velasco, F. and Martinez, M. A., “Optimization of processing parameters for 
the Al + 10 % B4C system obtained by mechanical alloying”, Journal of Materials 
Processing Technology, 18, 441-446, 2007. 
4. Kennedy, A. R. and Brampton, B., “The reactive wetting and incorporation of B4C 
particles into molten aluminum”, Scripta Materialia, 44, 1077-1082, 2001. 
5. Yılmaz, O. and Buytoz, S., “Abrasive wear of Al2O3 – reinforced aluminum – based 
MMCs”, Composites Science and Technology, 61: 2381-2392, 2001. 
6. Saheb, N., Laoui, T., Daud, A.R., Harun, M., Radiman, S., “Yahaya, R., “Influence of Ti 
addition on wear properties of Al–Si eutectic alloys”, Wear, 249, 656–662, 2001. 
7.  Prasada, A.K., Das, K., Murty, B.S., Chakraborty, M., “Effect of grain refinement on wear 
properties of Al and Al–7Si alloy “, Wear, 257, 148-153, 2004. 
8. ZumGahr, K.-H., “Wear by hard particles”, Tribology International, Vol. 31, No. 10, pp. 
587–596, 1998. 
9. Sawla, S. and Das, S., “Combinet effect of reinforcement and heat treatment on the two 
body abrasive wear of aluminum alloy and aluminum particle composites”, Wear, 257: 
555-561, 2004. 
10. Lasa, L. and Rodriguez-Ibabe, J.M., “Effect of composition and processing route on the 
wear behaviour of Al-Si alloys”, Scripta Materialia, 46: 477-481, 2002. 
11. Sun, Y., Baydoğan, M. and Çimenoğlu, H., “The effect of deformation before ageing on 
the wear resistance of an aluminum alloy”, Materials Letters, 38: 221-226, 1999. 
12. Jiang, Q.C., Xu, C.L., Lu M. and Wang, H.Y., “Effect of new Al-P-Ti-TiC-Y modifier on 
primary silicon in hypereutectic Al-Si alloys”, Materials Letters, 59, p: 624-628, 2005. 
13. Berger, M., Wiklund, U., Eriksson, M., Engqvist, H., Jacobson, S., “The multilayer effect 
in abrasion— optimising the combination of hard and tough phases”, Surface and 
Coatings Technology, 116–119, 1138–1144, 1999. 


B4C /Al KOMPOZİTLERİN TAKVİYE HACİM ORANINA BAĞLI OLARAK ABRASİF AŞINMA DAVRANIŞLARININ  İNCELENMESİ

http://edergi.sdu.edu.tr/index.php/utbd/article/download/1346/1710

B4C /Al KOMPOZİTLERİN TAKVİYE HACİM ORANINA BAĞLI OLARAK ABRASİF AŞINMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Bilgi Merkezi