INVESTİGATİON OF WEAR MECHANİSMS İN NİCKEL-ADDED B₄C/ALUMİNUM MATRİX COMPOSİTE BRAKE DİSCS

Öz

In this study, aluminum matrix composites reinforced with a constant amount of B₄C and varying contents of Ni were fabricated using the powder metallurgy technique. The primary objective of this research was to systematically investigate the effects of Ni addition and sintering atmosphere (air and vacuum) on the density, hardness, and wear behavior of the produced composites. The prepared powder mixtures were compacted by cold pressing and subsequently sintered under air and vacuum atmospheres. After sintering, the densities of the composite samples were determined using the Archimedes method, while hardness measurements were conducted employing the Vickers technique. The wear behavior of the composites was evaluated under dry sliding conditions. The experimental results revealed that increasing Ni content significantly enhanced the interfacial bonding between the aluminum matrix and reinforcement phases, leading to notable improvements in density and hardness. Moreover, the incorporation of Ni effectively reduced wear loss and improved the wear resistance of the composites. In terms of sintering atmosphere, samples sintered under vacuum conditions exhibited superior density, hardness, and wear resistance compared to those sintered in air, which was attributed to suppressed oxidation and enhanced diffusion mechanisms during sintering. Overall, the findings demonstrate that optimized Ni content combined with vacuum sintering conditions plays a crucial role in improving the mechanical and tribological performance of Al–B₄C based composites, making them promising candidates for advanced structural and wear-resistant applications.

Anahtar Kelimeler

• Aluminum matrix composites
• B₄C reinforcement
• nickel addition
• powder metallurgy
• vacuum sintering
• Wear behavior

Destekleyen Kurum

This study did not receive any financial support from public, commercial, or not-for-profit organizations.

Proje Numarası

Herhangi bir proje kapsamında yapılan bir çalışma değildir.

Etik Beyan

This study does not involve any human participants or animals, and therefore no ethical approval was required.

Teşekkür

The authors would like to thank the Department of Metallurgical and Materials Engineering, Faculty of Engineering, Alanya Alaaddin Keykubat University, for providing the laboratory facilities and technical support used in this study.

NİKEL İLAVESİYLE MODİFİYE EDİLMİŞ B₄C/ALÜMİNYUM MATRİKSLİ FREN DİSKLERİNDEKİ AŞINMA MEKANİZMALARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

Öz

Bu çalışmada, sabit oranlarda B₄C ve değişken oranlarda Ni ile takviye edilmiş alüminyum matrisli kompozitler toz metalurjisi yöntemiyle üretilmiştir. Çalışmanın temel amacı, Ni ilavesinin ve sinterleme ortamının (hava ve vakum) kompozitlerin yoğunluk, sertlik ve aşınma davranışları üzerindeki etkisini sistematik olarak incelemektir. Hazırlanan toz karışımları soğuk presleme ile şekillendirilmiş ve ardından hava ile vakum atmosferlerinde sinterlenmiştir. Sinterleme sonrası üretilen kompozit numunelerin yoğunlukları Arşimet yöntemiyle belirlenmiş, sertlik ölçümleri Vickers yöntemiyle gerçekleştirilmiş ve aşınma davranışları kuru kayma koşulları altında değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlar, artan Ni içeriğinin matris-takviye fazları arasındaki bağlanmayı iyileştirerek kompozitlerin yoğunluk ve sertlik değerlerinde anlamlı artış sağladığını ortaya koymuştur. Bununla birlikte, Ni ilavesinin aşınma kaybını azalttığı ve aşınma direncini önemli ölçüde artırdığı belirlenmiştir. Sinterleme ortamı açısından değerlendirildiğinde, vakum atmosferinde sinterlenen numunelerin, oksidasyonun baskılanması ve daha etkin difüzyon mekanizmaları nedeniyle hava ortamında sinterlenen numunelere kıyasla daha yüksek yoğunluk, sertlik ve aşınma direnci sergilediği gözlemlenmiştir. Elde edilen bulgular, uygun Ni içeriği ve vakum sinterleme koşullarının, Al–B₄C esaslı kompozitlerin mekanik ve tribolojik performansının geliştirilmesinde kritik öneme sahip olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Alüminyum matrisli kompozitler
• B₄C takviyesi
• Nikel ilavesi
• Toz metalurjisi
• Vakum sinterleme
• Aşınma davranışı

Destekleyen Kurum

Bu çalışma kapsamında herhangi bir kamu kurumu, özel kuruluş veya kâr amacı gütmeyen organizasyondan mali destek alınmamıştır.

Proje Numarası

Herhangi bir proje kapsamında yapılan bir çalışma değildir.

Etik Beyan

Bu çalışma, herhangi bir insan katılımcı veya hayvan içermemekte olup, bu nedenle etik kurul onayı gerektirmemektedir.

Teşekkür

Bu çalışmanın yürütülmesi sırasında kullanılan laboratuvar altyapısı ve teknik olanakların sağlanmasından dolayı Alanya Alaaddin Keykubat Üniversitesi R.K.Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü’ne teşekkür ederiz.

Kaynakça

1. ASM Handbook (1998). Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials.
2. AzahnerCompany.(2023.).Metalhardnessknowledgebase. https://www.azahner.com/knowledge-base/ZKB08-metal-hardness
3. Blau, P. J. (2001). Compositions, functions, and testing of friction brake materials and their additives. Oak Ridge National Laboratory.
4. Booker, P. H., Gaspervich, J., & German, R. M. (Eds.). (1992). Powder injection molding symposium proceedings.
5. Callister, W.D. (2014).Materials Science and Engineering: An Introduction.
6. Cheriaf, M., Rocha, J. C., & Pera, J. (1999). Pozzolanic properties of pulverized coal combustion bottom ash. Cement and Concrete Research, 29, 1387–1391.
7. Eriksson, M., Jacobson, S., & Olofsson, U. (2020). Tribological surfaces of organic brake pads. Tribology International, 150, 106358. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106358
8. European Powder Metallurgy Association. (1989). Official website. https://www.epma.com

9. German, R. M. (1996). Sintering theory and practice. Wiley.
10. Grigoratos, T., & Martini, G. (2015). Brake wear particle emissions: A review. Environmental Science and Pollution Research, 22, 2491–2504. https://doi.org/10.1007/s11356-014-3696-8
11. Hashim, J., Looney, L., Hashmi, M.S.J. (1999).Metal matrix composites: Production by stir casting method. Journal of Materials Processing Technology.
12. Kainer, K. U. (Ed.). (2006). Metal matrix composites. Wiley-VCH.
13. Kok, M. (2005).Production and mechanical properties of Al₂O₃ particle reinforced 2024 aluminium alloy composites. Journal of Materials Processing Technology.
14. Kumar, S., Prakash, J., & Singh, R. (2021). Wear and mechanical behavior of Al–B₄C composites fabricated by powder metallurgy. Journal of Materials Research and Technology, 15, 4200–4212.https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.012
15. Prasad,S.V., & Asthana,R.(2004).Aluminum metal-matrix composites for automotive applications. Tribology Letters.
16. Rajkumar, K., & Aravindan, S. (2011). Tribological behavior of nickel-based composites. Tribology International, 44(4), 347–358.https://doi.org/10.1016/j.triboint.2010.10.018
17. Sak, N., Zeren, M., & Yamanoğlu, R. (2018). Characterization of alumina-reinforced and nickel-alloyed aluminum-based composites. Kocaeli University Journal of Science, 1(1), 1–7.
18. Schneider, H., & Komarneni, S. (Eds.). (2005). Mullite. Wiley-VCH.
19. Shackelford, J. F., & Doremus, R. H. (2008). Ceramic and glass materials: Structure, properties and processing. Springer.
20. Souto, P. M., Menezes, R. R., & Kiminami, R. H. G. A. (2009). Sintering of commercial mullite powder: Effect of MgO dopant. Journal of Materials Processing Technology, 209, 548–553.
21. Straffelini, G., & Maines, L. (2013). Wear of friction materials. Wear, 302(1–2), 123–129. https://doi.org/10.1016/j.wear.2012.12.021
22. Surappa, M.K. (2003).Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities. Sadhana.
23. Suresh, S., Mortensen, A., & Needleman, A. (2019). Fundamentals of metal-matrix composites. Elsevier. Suryanarayana, C. (2004). Mechanical alloying and milling. CRC Press.
24. Topcu, İ. (2018). Karbon nanotüp takviyeli AlMg/KNT kompozitlerinin mekanik davranışlarının incelenmesi. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 4(1), 1–4.
25. Topcu, İ. (2019). Çok duvarlı karbon nanotüp takviyeli Ti6Al–4V kompozitlerin aşınma davranışları. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7, 1249–1260.
26. Topcu, İ. (2020). Determination of the mechanical properties of Al/MWCNT composites. Materiali in Tehnologije, 54(5), 689–695.
27. Topcu, İ. (2021). Examination of wear properties of Al/B₄C composites. Journal of Ceramic Processing Research, 22(3), 276–282.
28. Topcu, İ. (2022). H-boron nitride reinforced titanium metal matrix composites. İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 22(44), 248–257.
29. Topcu, İ., & Ceylan, M. (2020). Wear behavior of CNT reinforced Ti6Al4V powders. Journal of Ceramic Processing Research, 21(5), 539–546.
30. Topcu, İ., Gülsoy, H. O., & Güllüoğlu, A. N. (2019). Evaluation of CNT reinforced Ti6Al4V composites. Gazi University Journal of Science, 32(1), 286–298.
31. Topcu, İ., Çetiner, B. N., Güllüoğlu, A. N., & Gülsoy, Ö. (2020). Investigation of creep behavior of CNT reinforced Ti6Al4V under dynamic loads. Journal of the Chemical Society of Pakistan, 42(1), 70–80. Torralba, J. M., da Costa, C. E., & Velasco, F. (2020). Powder metallurgy of aluminum matrix composites. Journal of Materials Processing Technology, 282, 116699. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116699
32. Wahlström, J. (2015). A review of particle emissions from brakes. Atmospheric Environment, 111,13–26.https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2015.03.044
33. Zhang, Y., Li, X., & Wang, H. (2022). Effect of Ni addition on sintering and wear behavior of aluminum-based composites. Materials Today Communications, 31, 103359. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103359