Comparison of Structural and Thermal Properties of AgCu Alloys Produced by Mechanical Alloying and Newly Developed Gas Atomization Methods

Abstract

In this study, Ag92.5Cu7.5 metal powders used in 3D (3D) metal printer fusion machines were produced by two different methods. Firstly, Ag92.5Cu7.5 ingot alloys were obtained by normal solidification method, and rod strips were produced after the drawing process in the wire machine. A powder alloy was obtained using Ag92.5Cu7.5 rod strips by using the newly developed gas atomization (YGGA) method by dropping it into liquid nitrogen. As the second method, Ag92.5Cu7.5 powder metal alloy was produced by mechanical alloying (MA) technique using pure Cu powder metal and pure Ag powder metals produced by hydrometallurgy (HM) method. The structural properties of the alloys produced by two different methods were examined by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy-energy dispersive x-ray spectroscopy (SEM-EDX) and their thermal behavior by differential thermal analysis (DTA). It has been determined that the alloys obtained by both methods have a crystal structure in the XRD pattern. It was determined that the average size of the dust grains in SEM images was 10 µm. With the EDX results, it was determined that the Ag92.5Cu7.5 alloy was compatible with the nominal composition. As a result of DTA analysis, an endothermic peak was observed at 931 C, the melting point of silver. As a result, Ag92.5Cu7.5 alloy has been successfully produced in powder form by newly developed gas atomization and mechanical alloying.

Keywords

• AgCu alloy
• 3D metal printing
• XRD
• SEM
• DTA

Mekanik Alaşımlama ve Yeni Geliştirilen Gaz Atomizasyon Yöntemleri ile Üretilen AgCu Alaşımlarının Yapısal ve Isısal Özelliklerinin Karşılaştırılması

Abstract

Bu çalışmada, 3B (3 boyutlu) metal yazıcı füzyon makinelerinde kullanılan Ag92.5Cu7.5 metal tozları iki farklı metot ile üretilmiştir. İlk olarak normal katılaştırma yöntemi ile Ag92.5Cu7.5 külçe alaşımlar elde edilerek tel makinasında çekme işlemi sonrasında çubuk şeritler üretilmiştir. Ag92.5Cu7.5 çubuk şeritler kullanılarak yeni geliştirilen gaz atomizasyon (YGGA) yöntemi ile sıvı nitrojen’e düşürülerek toz alaşım elde edilmiştir. İkinci yöntem olarak hidrometalurji (HM) yöntemi ile üretilen saf Cu toz metali ve saf Ag toz metalleri kullanılarak Ag92.5Cu7.5 toz metal alaşımı mekanik alaşımlama (MA) tekniği ile üretilmiştir. İki farklı yöntem ile üretilen alaşımların yapısal özellikleri X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu-enerji dağıtımlı x-ışını spektroskopisi (SEM-EDX) ve ısısal davranışları diferansiyel termal analiz (DTA) ile incelenmiştir. Her iki yöntemle elde edilen alaşımların XRD deseninde kristal yapıda olduğu tespit edilmiştir. SEM görüntülerinde toz tanelerinin ortalama büyüklüklerinin 10 µm olduğu belirlenmiştir. EDX sonuçları ile Ag92.5Cu7.5 alaşımının nominal kompozisyon ile uyumlu olduğu belirlenmiştir. DTA analizleri sonucunda gümüşün erime noktası olan 931 ºC’de endotermik bir pik gözlenmiştir. Sonuç olarak Ag92.5Cu7.5 alaşımı yeni geliştirilen gaz atomizasyonu ve mekanik alaşımlama ile toz şeklinde başarılı bir şekilde üretilmiştir.

Keywords

• AgCu alaşımı
• 3B metal yazıcı
• XRD
• SEM
• DTA

References

1. Kang J. W., Ma Q. X. 2017. The role and impact of 3D printing technologies in casting, China Foundry, 14 (3):157-168.
2. Ramya A., Vanapalli S. L. 2016. 3D printing technologies in various applications, International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 7 (3): 396-409.
3. Reinman S. L. 2013. Patent research, Information literacy instruction that works: a guide to teaching by discipline and student population. Chicago (IL): Neal-Schuman, 299-311.
4. Shahrubudin N., Lee T. C., Ramlan R. 2019. An overview on 3D printing technology: Technological, materials, and applications, Procedia Manufacturing, 35: 1286-1296.
5. Yükçü S., Atağan G. 2014. Anadolu’da İlk Paranın Ayar ve Alaşımı, Muhasebe ve Finans Tarihi Araştırmaları Dergisi, 7: 28-48.
6. Yan X., Hao L., Xiong W., Tang D. 2017. Research on influencing factors and its optimization of metal powder injection molding without mold via an innovative 3D printing method, RSC advances, 7 (87): 55232-55239.
7. Oğuz Ş., Öztürk Z., Uzun E., Kurt A., Boz M. 2011. Gaz Atomizasyonu Yöntemi ile Kalay Tozu Üretiminde Gaz Basıncının Toz Boyutu ve Şekline Etkisi, 6th International Advanced Technologies Symposium, 565-568.
8. Zhao X., Xu J., Zhu X., Zhang S. 2009. Effect of atomization gas pressure variation on gas flow field in supersonic gas atomization, Science in China Series E: Technological Sciences, 52 (1): 3046-3053.

9. Uslan İ., Küçükarslan S. 2010. Kalay tozu üretimine gaz atomizasyonu parametrelerinin etkisinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 25 (1): 1-8.
10. Barış A. 2019. Nanokristal Co70Si15B15 Toz Alaşımların Yapısal, Termal ve Manyetik Özelliklerinin İncelenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23 (1): 83-89.
11. Akkaş M., Çetin T., Mustafa B. 2018. Gaz atomizasyonu yöntemi ile Al12Si tozu üretimi ve karakterizasyonu, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 9 (2): 795-804.
12. Shafiei B., Shahabpour J. 2012. Geochemical aspects of molybdenum and precious metals distribution in the Sar Cheshmeh porphyry copper deposit, Iran, Mineralium Deposita, 47 (5): 535-543.
13. Wallner S. 2019. Powder Production Technologies, BHM Berg-und Hüttenmännische Monatshefte, 164 (3): 108-111.
14. Rai G., Lavernia E., Grant N., 1985. Powder size and distribution in ultrasonic gas atomization, JOM, 37 (8): 22-26.
15. Hong S.J., Chun B.S. 2003. Extrusion behavior of gas atomized nanostructured Al88. 7Ni7. 9Mn3. 4 alloy powders, Materials Science and Engineering: A, 348: 262-270.
16. Ulate Kolitsky E., Tougas B., Neumann B., Schade C., Huot J. 2020. First hydrogenation of mechanically processed TiFe-based alloy synthesized by gas atomization, International Journal of Hydrogen Energy, 46: 7381-7389.
17. Ellis T., Anderson I., Downing H., Verhoeven J., 1993. Deformation-processed wire prepared from gas-atomized Cu-Nb alloy powders, Metallurgical Transactions A, 24 (1): 21-26.
18. Shen H., Li Z., Günther B., Korznikov A., Valiev R. 1995. Influence of powder consolidation methods on the structural and thermal properties of a nanophase Cu-50wt% Ag alloy, Nanostructured Materials, 6 (1-4): 385-388.
19. Enzo S., Cocco G., Macrí P. 1993. Phase Analysis in Materials Prepared by Mechanical Alloying, Trans Tech Engineering Materials, 81: 49-58.
20. Ghosh P., Kormout K., Todt J., Lienert U., Keckes J., Pippan R. 2019. An investigation on shear banding and crystallographic texture of Ag–Cu alloys deformed by high-pressure torsion, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 233 (3): 794-806.
21. Pu M., Li X., Liu H., Zhou J. 2018. The experimental investigation and modeling on the mechanical behavior of dual-phase approximate equiaxial nanocrystalline AgCu alloy, Materials Science and Engineering: A, 734: 129-138.
22. Nouri A., Chen X., Li Y., Yamada Y., Hodgson P. D., 2008. Synthesis of Ti–Sn–Nb alloy by powder metallurgy, Materials Science and Engineering: A,. 485 (1-2): 562-570.
23. Wang, P., Xu, S., Liu, J., Li, X., Wei, Y., Wang, H., Yang, W. 2017. Atomistic simulation for deforming complex alloys with application toward TWIP steel and associated physical insights. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 98: 290-308.