Investigation of the Effect of Liquid Phase on Hot Pressed Bronze-Nickel-Cobalt Matrices

Abstract

In this study, a metal matrix composite material consisting of 80% bronze, 15% nickel (Ni), and 5% cobalt (Co) was produced. Bronze is commonly known as a copper-tin alloy and offers high corrosion resistance and mechanical durability. Nickel enhances corrosion and oxidation resistance in metal matrix composites, while cobalt improves hardness and wear resistance. The composite material was further enriched with AgCd alloy in proportions of 2%, 4%, and 6%. The material production process involved the application of the liquid phase sintering technique using hot pressing. This method enables the achievement of high density and good mechanical properties. Sintering was conducted at different temperatures (650, 700, 750°C), and the effect of temperature on the microstructural characteristics of the material was investigated. During the analysis phase, the microstructure of the material was examined using SEM and elemental analysis was performed using EDS. Hardness testing was employed to evaluate the mechanical durability of the material. Density, defined as the mass-to-volume ratio, provided information about the material's internal structure. Three-point bending tests measured the bending strength of the material, while fracture surface analysis revealed the material's fracture behavior. XRD was used to determine the crystalline structure and phase composition of the material. The results demonstrated the effects of temperature variations and Ag-Cd addition ratios on the microstructure and mechanical properties of the composite material. Significant improvements in the material's durability, hardness, and other physical properties were observed due to the liquid phase sintering and hot pressing processes.

Keywords

• Metal matrix composites
• Powder metallurgy
• Liquid phase sintering
• Hot pressing

Sıcak Preslenmiş Bronz-Nikel-Kobalt’lı Matrislere Sıvı Fazın Etkisinin İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada, %80 bronz, %15 nikel (Ni) ve %5 kobalt (Co) içeren bir metal matris kompozit malzeme üretilmiştir. Bronz, genellikle bakır ve kalay alaşımı olarak bilinir ve yüksek korozyon direnci ile mekanik dayanıklılık sunar. Nikel, metal matris kompozitlerde korozyon ve oksidasyon direncini artırırken, kobalt ise sertliği ve aşınma direncini iyileştirir. Bu kompozit malzeme, %2, %4 ve %6 oranlarında AgCd alaşımı ile zenginleştirilmiştir. Malzeme üretim sürecinde sıcak presleme yöntemiyle sıvı faz sinterleme tekniği uygulanmıştır. Bu yöntem, yüksek yoğunluk ve iyi mekanik özellikler elde edilmesine olanak tanır. Çalışmada farklı sıcaklıklar (650, 700, 750)kullanılarak sinterleme işlemi gerçekleştirilmiş ve malzemenin mikroyapısal özellikleri üzerinde sıcaklığın etkisi incelenmiştir. Analiz aşamasında SEM kullanılarak malzemenin mikro yapısı incelenmiş ve EDS ile elementel analizler yapılmıştır. Sertlik testi, malzemenin mekanik dayanıklılığını değerlendirmek için kullanılmıştır. Yoğunluk, malzemenin kütlesinin hacmine oranı olarak belirlenmiş ve malzemenin içyapısı hakkında bilgi vermiştir. Üç noktalı eğme testi, malzemenin eğilme mukavemetini ölçerken, kırık yüzey analizi malzemenin kırılma davranışlarını ortaya koymuştur. XRD ise malzemenin kristal yapısını ve faz bileşimini belirlemek için kullanılmıştır. Sonuçlar, sıcaklık değişimlerinin ve Ag-Cd katkı oranlarının, kompozit malzemenin mikro yapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini göstermiştir. Sıvı faz sinterleme ve sıcak presleme süreçlerinin, malzemenin dayanıklılığı, sertliği ve diğer fiziksel özellikleri üzerinde önemli iyileşmeler sağladığı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Metal matris kompozitleri
• Toz metalurjisi
• Sıvı faz sinterleme
• Sıcak presleme

Kaynakça

1. [1] Ersoy, H.Y.,2001. Kompozit Malzeme, iç. Kompozit Malzemeler, Savaş Ciltevi, 11-13, Edi. Özkal, S., Literatür Kitabevi, İstanbul, Türkiye
2. [2] Donald, R.A., 1988. Composite materials, The Science and Engineering of materials, SI edition, Van Nostrand Reinhold.Co.Ltd., 507-546
3. [3] Kınayyiğit, F., 2007. Cam Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitler Ders Notları
4. [4] Çelik E., Tunç B., 2024, Bronz-Nikel-Kobalt matrisli kompozitlerde SiC oranlarının mikroyapı ve mekanik özelliklerine etkisi, Munzur 6. Uluslararası Uygulamalı Bilimler Kongresi, Tunceli, 217-225.
5. [5] Yavuz, N., Güner, R., 2002. Demir Esaslı Toz Metal Parçaların Elektrik Direnç Kaynağından Optimum Kaynak Şartlarının Belirlenmesi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik- Mimarlık Fakültesi Dergisi, 7(1), 221-228
6. [6] Kurgan, N., 2005. T/M Paslanmaz Çelik İmplantlarının Üretimi ve Teknolojik Özelikleri Üzerine Bir Araştırma, Celal Bayer Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa, Doktora Tezi, 9, 25-46.
7. [7] Nas, E., Gökkaya, H., ve Sur, G., 2013. Sıcak presleme yöntemi kullanılarak kompozit malzemelerin üretilebilirliği üzerine bir değerlendirme, Karaelmas Science and Engineering Journal 3 (2), 56-65.
8. [8] Hussain, M., Mahmoud, M.H.H, Rasheed, A., H. El Azab, I., Anwar, M., M. El-Bahy, Z., 2024, Silver-doped cadmium aluminate and its MXene based composite for visible-light driven photocatalytic degradation of organic pollutants, Optical Materials, 155 115824,

9. [9] Çelik E., Tunç B., 2024, Alan destekli sinterleme yöntemi (FAST) ile üretilen bronz esanslı matrisin mekanik ve mikroyapı özelliklerine SiC’in etkisi, Al Farabi 12th International Scientific Research and Innovation Congress, Kazakistan, 654-663.
10. [10] Çelik, E., 2011. Elmaslı Kesici Takımlarda Alternatif Bağlayıcılar. Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü [11] Lee, D. W., Ha, G.H., Kim, B.K., 2001. Synthesis of Cu-Al2O3 nano composite powder, Scripta Materialia, 44(8-9), 2137-2140.
11. [12] Min, K.H., Lee, B.H., Chang, S.Y., Kim, Y.D., 2007. Mechanical properties of sintered 7xxx series AI/SiCp composites, Materials Letters, 61, 2544-2546.
12. [13] Dewidar, D., Abdel-Jaber, G.T., Bakrey, M., Badry, H., 2010. Effect of Processing Parameters and amount of additives on the Mechanical Properties and Wear Resistance of Copper-based Composite, International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, 10-3, 25-40.
13. [14] Kim, H.S., 2000. On the rule of mixtures for the hardness of particle reinforced composites, Materials Science and Engineering A, 289, 30-33. [15] Kumar, G.B.V., Rao, C.S.P., Selvaraj, N., 2011. Mechanical and tribological behavior of particulate reinforced aluminum metal matrix composites–a review, Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 10, 59-91.
14. [16] Efe, Ç.G., Altınsoy, İ., İpek, M., Zeytin, S., Bindal, C., 2011. Some properties of Cu- SiC composites produced by powder metallurgy method, Kovove Metallic Materials, 49(2), 131-136.
15. [17] German, R.M., 2005. Powder metallurgy and particulate materials processing, Metal Powder Industries Federation, USA.
16. [18] Rahaman, M. N., 2003. Ceramic Processing and Sintering, 2nd Ed. CRC, 880, New York.
17. [19] Lima, W.M., Velasco, F.J., Abenojar, J., Torralba, J.M., 2003. Numerical approach for estimating the elastic modulus in MMCs as a function of sintering temperature, Journal of Materials Processing Technology, 143-144, 698-702.
18. [20] Kang, S.J.L., 2005. Sintering, Butterworth-Heinemann, Oxford.
19. [21] Ageev S. V. and Girshov V. L., (2015). Hot Isostatic Pressing of Metal Powders, Metallurgist, 59 (7-8), 647–652.
20. [22] Dwan, J.D., 2007. Fracture toughness determination of diamond impregnated PM cobalt, Industrial Diamond Review, 1, 33-36.
21. [23] Arık, H., Semerci, P., Kırmızı, G., 2017, Sıcak presleme ile alüminyum matrislive Al2O3 takviyeli toz metal kompozit malzeme üretimi ve aşınma davranışının araştırılması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 5 (4): 87-97,
22. [24] Çolak, N. Y., Turhan, H.,2016, Toz Metalurjisi yöntemi ile Al-Si/B4C kompozit malzemenin mikroyapı ve mekanik özelliklerinin araştırılması, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28 (2): 259-266.