COMPARISON OF THE EFFECTS OF GRAPHENE AND GRAPHITE ADDITION ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF IRON MATRIX METALS VIA POWDER METALLURGY

Abstract

ÖZET

Toz metalürjisi (TM) yöntemiyle, döküm gibi geleneksel çelik üretim yöntemlerine kıyasla, karmaşık geometriye sahip parçalar daha düşük maliyet ile üretilebilmektedirler. Ayrıca, TM yöntemi, farklı alaşım kompozisyonlarının hassas olarak hazırlanmasına imkân vermektedir.

Çeliklerin mekanik özelliklerini etkileyen önemli faktörlerden biri, içerdikleri alaşım elementlerinin türü ve miktarıdır. Dolayısıyla, dayanım/ağırlık oranı daha yüksek olan çeliklerin geliştirilmesi için alaşımlama üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Ayrıca, tribolojik performanslarını iyileştirmek için de yumuşak metal malzemelere sert partikül takviyesine ek olarak, bazı katı takviyelerin kendi kendini yağlama özelliğinden yararlanmak da mümkündür. Son yıllarda, grafenin metal matrisli kompozitlerin hem mekanik hem de tribolojik özelliklerini iyileştirdiği görülmüştür.

Bu tez çalışmasında, TM yöntemiyle farklı oranlarda (%0,25, %0,5 ve %0,75) grafit ve grafen ilave edilen demir matrisli metal malzemeler üretilmiştir. Üretim aşamasında, belirlenen kompozisyonlarda, turbula marka üç eksenli karıştırıcı ile 2 saat karıştırılan tozlar, 700 MPa presleme basıncında sıkıştırılmış ve ardından 1200⁰C’de argon atmosferinde sinterleme gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunelerin mikroyapıları optik mikroskop ve elektron mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Yoğunluk ölçümü gerçekleştirilmiş ve porozite miktarları hesaplanmıştır. Çekme ve aşınma testleri uygulanmıştır. Ayrıca, çekme ve aşınma test sonuçları ile ilişki kurmak adına numunelerin sertlik değerleri belirlenmiştir. Sonuçlar, toz metalurjisi (PM) yoluyla çelik üretiminde, grafen kullanımının ağırlıkça %0,5 takviye oranına kadar grafite kıyasla daha etkili olabileceğini göstermektedir. Ancak grafen üretimi oldukça zor ve maliyetlidir. Bu nedenle, maliyet-fayda analizi yapıldıktan sonra, grafenin daha yüksek mukavemetli PM çelik ürünleri için umut verici bir malzeme olabileceği düşünülmektedir.

ABSTRACT

By powder metallurgy (TM) method, parts with complex geometry can be produced at a lower cost compared to traditional steel production methods such as casting. In addition, the TM method allows precise preparation of different alloy compositions.

One of the important factors affecting the mechanical properties of steels is the type and quantity of alloying elements they contain. Therefore, alloying studies are being carried out to develop steels with a higher strength-to-weight ratio. In addition to solid particle reinforcement to soft metal materials, it is also possible to take advantage of the self-lubricating property of some solid reinforcements to improve their tribological performance. In recent years, graphene has been used to improve both the mechanical and tribological properties of metal matrix composites. In this thesis study, iron matrix composites which added graphite and graphene in different proportions (0.25%, 0.5% and 0.75%) were produced via TM method. For production, powders mixed with three-axis mixer for 2 hours were compressed at a pressing pressure of 700 MPa and then sintered in an argon atmosphere at 1200 ℃. The microstructures of the produced samples were studied using an optical microscope and electron microscope. Density measurement was performed and porosity amounts were calculated. Tensile test and abrasion test were applied. In addition, hardness values of the samples were determined to relate to tensile and wear test results.

Results show that using graphene in steel production via powder metallurgy (P/M) could be effective compared to graphite up to 0.5 wt.% reinforcement ratio. However, graphene production is quite difficult and costly. Therefore, it is tought that graphene can be a promising material for higher strength P/M steel products after the cost-benefit analysis was made.