Effect of Zinc Stearate and Pre-Compaction Pressure on Sintering of Alumix123 Powder

Year 2021, Volume: 24 Issue: 2, 703 - 710, 01.06.2021

Tuğçe Şahin , Yusuf Özçatalbaş

https://doi.org/10.2339/politeknik.745113

Abstract

Lubricants used in the Powder Metallurgy (PM) method significantly affect the compressibility, flowability and apparent density of metal powder and also strength of sinter parts. In this study, sintered powder metal (P/M) materials were produced by hot pressing of pre-mixed Alumix 123 powder with w.t. 1.5% zinc stearate (ZnSt) lubricant. The pre-mixed Alumix 123 powder with lubricant were mixed for 40 minutes in the three-dimensional mixing device and pre-compression was carried out at pressures of 100, 300 and 500 MPa. Then, the die temperature was increased by 50°C and kept for 15 minutes in between 300-450°C. By this way, a total of 1 hour lubricant removal process was performed. Subsequently, hot pressing active sintering was applied for 30 minutes under a pressure of 50 MPa at 540°C. The same processes were applied to the pre-mixed Alumix123 powders without lubricant, except the mixing process. Diffusion annealing (DA) with eutectic temperature change (548C10C) was applied to the produced P/M materials. Density measurements according to Archimedes principle and hardness measurements of P/M materials were made. Metallographic examinations of these produced parts were carried out. At the same time optical microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM/XRF) and also X-Ray Diffraction (XRD) analyzes were performed. Increasing the pre-compression pressure in lubricant-free P/M materials decreased the pore density and increased the relative density. The lubricant removal effect with increasing pre-compression pressure and the relative density of P/M materials reduced. It has been determined that the density, hardness and alloying rate of the samples produced without lubricant are higher than those with lubricant.

Keywords

Alumix 123, powder metallurgy, pre-compaction, sintering, zinc stearate

Çinko Stearat ve Ön Sıkıştırma Basıncının Alumix123 Tozun Sinterlenmesine Etkisi

Abstract

Toz metalurjisi yönteminde (TM) kullanılan yağlayıcılar, metal tozların sıkıştırılabilirliğini, akıcılığını, görünür, ham ve sinter parçların yoğunluğunu ve mukavemetlerini önemli miktarda etkilemektedir. Bu çalışmada, ön karışımlı Alumix 123 tozuna ilave edilen ağırlıkça % 1,5 çinko stearat (ZnSt) yağlayıcı katkılı karışım tozun sıcak preslenmesi ile toz metal (T/M) malzemeler üretilmiştir. Yağlayıcı katkılı ön karışımlı Alumix 123 tozlar, üç boyutlu karıştırma cihazında 40 dakika süreyle karıştırılmış ve 100, 300 ve 500 MPa basınçlarda ön sıkıştırma gerçekleştirilmiştir. Daha sonra 300-450 °C arasında kalıp sıcaklığı 50 °C artırılıp 15 dakika sürelerle bekletilerek toplam 1 saat yağlayıcı giderme işlemi yapılmıştır. Devamında, 540 °C sıcaklıkta 50 MPa basınç altında 30 dakika süreyle sıcak presleme aktif sinterleme işlemi uygulanmıştır. Yağlayıcı katkısız ön karışımlı Alumix 123 tozlarına da karıştırma süreci hariç aynı işlemler uygulanmıştır. Üretilen T/M malzemelere ötektik sıcaklık değişimli (548C10C) difüzyon tavlaması (DT) uygulanmıştır. T/M malzemelerin Arşimed prensibine göre yoğunluk ölçümleri ve sertlik ölçümleri yapılmıştır. Aynı zamanda üretilen bu parçaların metalografik inceleme yapılarak optik mikroskop, Taramalı Elektron Mikroskop (SEM/XRF) ve X-Işınları Kırınımı (XRD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Yağlayıcısız T/M malzemelerde ön sıkıştırma basıncının artması, gözenek yoğunluğunu azaltarak bağıl yoğunluğu artırmıştır. Ancak yağlayıcı içeren numunelerde artan ön sıkıştırma basıncıyla azalan yağlayıcı giderme etkisi, T/M malzemelerde gözenek miktarını artırarak bağıl yoğunluğu düşürmüştür. Yağlayıcısız üretilen numunelerin yoğunlukları, sertlikleri ve alaşımlanma oranının yağlayıcılı malzemelerden daha yüksek olduğu belirlenmiştir.

Keywords

Ön sıkıştırma, Sinterleme, çinko stearat, Ön karışımlı Alumix 123, toz metalurjisi yöntemi

References

• ASM International Handbook Committee, “Powder Metal Technologies and Applications”, Metals Handbook, ASM International, Vol. 7, p:2084-2086, (1999).
• Li Y. Y., Ngai T. L., Zhang D. T., Long Y., Xia W., “Effect Of Die Wall Lubrication On Warm Compaction Powder Metallurgy”, Journal of Materials Processing Technology-129, China, p:354-358, (2002).
• Özgün Ö., “Toz Metalürjisi ile Üretilen Alaşımlı Çeliklerin Mikroyapı ve Mekanik Özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2007).
• Altuntaş O., “Yüksek Karbonlu Toz Metal Çeliklerin Mikro Yapı ve Darbe Tokluğu Özelliklerine Küreselleştirme Isıl İşlemleri Etkilerinin Araştırılması ”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2013).
• Yılmaz R., “Fe-Cu-C Kompaktlarda Presleme Basıncı ve Toz Karışım Oranlarının Sertliğe ve Çekme Mukavemetine Etkisi”, 4. Uluslararası Toz Metalurjisi Konferansı, Sakarya, 795-806, (2005).
• Lefebvre L.P., Thomas Y., White B., “Effects Of Lubricants And Compacting Pressure On The Processability And Properties Of Aluminum P/M Parts”, Journal of Light Metals, 2:239-246, (2002).
• Bedir F.,, “Characteristic Properties of Al–Cu–SiC and Al–Cu–B4C Composites Produced by Hot Pressing Method Under Nitrogen Atmosphere”, Materials and Design, 28:1238-1244, (2007).
• Upadhyaya G. S., “Powder Metallurgy Technology”, 96, Cambridge International Science Publishing, 19-29, Hindistan, (2002).
• Şahin T., Delibalta C. N., Özçatalbaş Y., “Sıcak Presleme ile üretilen T/M Parçaların fiziksel özelliklerine sıkıştırma basıncı ve yağlayıcı giderme parametrelerinin etkisi”, 2nd International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’17), Nevşehir, 472-475 (2017).
• Veljovic D., Jokic B., Petrovic R., E., Palcevskis E., Dindune A., Mihailescu I. N., Janackovic D., “Processing of dense nanostructured HAP ceramics by sintering and hot pressing”, Ceramics International, 35:1407-1413, (2009)
• Huang L. J., Geng L., Li A. B., Yang F. Y., Peng H. X., “In situ TiBw/Ti–6Al– 4V composites with novel reinforcement architecture fabricated by reaction hot pressing”, Scripta Materialia, 60:996-999, (2009).
• Mondal A., Upadhyaya A., “Microwave and Conventional Sintering of Premixed and Prealloyed Tungsten Heavy Alloys”, Materials Science &Technology (MS&T) 2008 Conference & Exhibition, Pennsylvania, Pittsburgh, October 5-9, (2008).
• Ekici E., Gülesin, M., ve Özçatalbaş, Y., “Ön Karıştırılmış ve Sıcak Preslenmiş Al-Cu Alaşımı Toz Metal Parçalarda Kirkendall Etkisi ve Fiziksel Özelliklerinin Araştırılması”, 6. Uluslar arası Toz Metalurjisi Konferansı ve Sergisi, Ankara, ODTÜ, 456-460, 05-09 Ekim (2011).
• M. L., Guang, L. L., Yan, T. H., Ting, C., Zheng, ‘‘Phase field crystal study on the grain boundary porosity induced by the Kirkendall effect’’, Modelling and simulation in materials science and engineering, 24, (2016).
• Gökçe, A., F., Findik, A. O., Kurt, “Effects of Sintering Temperature and Time on the Properties of Al-Cu PM Alloy”, Practical Metallography, 54, 8 (2017).
• Meluch L., Chang I. T. H., “Study of warm compaction of Alumix 123L”, Powder Metallurgy, 53(4):323-327, (2002).
• Lawrence A. I., Luk S. H., Hamill, J. A., “A performance comparison of current P/M lubricants and routes to improvement”, PM2 I'EC '97 International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials, Chicago, IL USA, June 29 - July 2, (1997).
• Machio C., Machaka R., Chikwanda H.K., “Consolidation of titanium hydride powders during the production of titanium PM parts: The effect of die wall lubricants”, Materials and Design, 90:757-766 (2016).
• Larsson M., Ramstedt, M., “Lubricants for compaction of P/M components”, Höganäs Technical Paper, AB, Sweden (2003).
• Chiu W. S., Yaghoubi, A., “Self-assembly and secondary nucleation in ZnO nanostructures derived from a lipophilic precursor”, Cryst Eng Comm, 16:6003-6009 (2014).
• McQuaig K., Schade C., Sokolowski P., “Development of a lubricant system for improved performance of premixes”, Höganäs Technical Paper, Conference Proceedings, (2013).
• Saha D., Apelian, D. “Control Strategy for the De-lubrication of P/M Compacts”, International Journal of Powder Metallurgy, 38(3):71-79, (2002).
• Köprülü K., Mutlu N., Kurt A., Gülenç B., Özçatalbaş Y., “Al + % 4,5 Cu Ön Karışımlı Tozların Alaşımlanmasına Isıl İşlemlerin Etkisi”, GU J Sci, Part C, 6(2):33-43 (2018).
• Anyalebechi P., Hogarth, J., “Effect of supereutectic homogenization on incidence of porosity in aluminum alloy 2014 ingot”, Metallurgical and Materials Transactions B, 25(1):111-122, (1994).
• Shim S.Y., “Statistical Analysis for Influence of Factors on Morphological Evolution in Semi-Solid Al-6Zn-2.5 Mg-0.5 Cu Alloy by Cooling Plate Method”, Materials transactions, 52(5): 862-867 (2011).
• Showaiter N., Youseffi M., “Compaction, sintering and mechanical properties of elemental 6061 Al powder with and without sintering aids”, Materials and Design, 29:752–762 (2008).