Investigation of tribological performance of B4C reinforced aluminium matrix composites

Abstract

Aluminium, on account of its easy accessibility and superior metallic characteristics, has a wide variety of applications. Increasing demand on the use of aluminium in areas such as automobile, aviation and space industries which requires high performance has led to development of aluminium metal matrix composites. For this purpose, the ceramic reinforcing particles are mostly preferred to provide better mechanical and tribological properties than their conventional counterparts. In this study, aluminium metal matrix composite (AMC) reinforced with 5 wt.%, 10 wt.% and 15wt.% of B4C were fabricated using the powder metallurgy method. In order to obtain the optimum processing parameters necessary for efficient fabrication, several trials, at first place, were studied under different conditions by changing milling parameters such as milling time, milling medium, milling speed and process control agent, and sintering process parameters such as sintering time, sintering temperature. The production of composite powders was carried out using a planetary ball mill in a wet medium for 7 hours with 0.05 wt.% of stearic acid process control agent which helps to avoid contamination and cold welding of ductile Al particle. The milled powders were pressed at 314 MPa at RT and composite samples with a diameter of 30 mm and a height of 4 mm were obtained. The samples were sintered at 550, 575, 600 and 625ºC for one hour under argon atmosphere. The micro-structures of samples were analysed by scanning electron microscopy and the X-ray diffraction techniques. The wear behaviour of sintered composite samples with ball-on-disc dry wear tester and the mechanical behaviour of the samples with Vickers hardness test were investigated.

Alüminyum kolay ulaşılabilirliği ve üstün metalik özellikleri ile birçok alanda yaygın kullanıma sahiptir. Yüksek performans gerektiren otomotiv, havacılık ve uzay sanayi gibi alanlarda alüminyum kullanımına olan talebin artması, alüminyum metal matrisli kompositlerin üretilmesine ve geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Bu amaçla, geleneksel rakiplerinden daha iyi mekanik ve aşınma özelliklerine sahip alüminyum matrisli komposit malzeme üretimi için çoğunlukla seramik takviye elemanı tercih edilir. Bu çalışmada, ağırlıkça %5, 10 ve 15 oranında bor karbür takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemeler toz metalurjisi yöntemiyle üretilmiştir. İlk etapta gerekli olan optimum üretim parametrelerini belirlemek için; öğütme parametreleri (öğütme süresi, öğütme ortamı, öğütme hızı ve proses kontrol ajanı) ve sinterleme parametreleri (sinterleme süresi, sinterleme sıcaklığı) değiştirilerek farklı koşullarda çalışılmıştır. Kompozit tozların üretimi, gevrek Al tozları arasındaki kaynaşmayı ve kontaminasyonu azaltmak için kullanılan ağırlıkça %0.05 oranında stearik asit proses kontrol ajanı ile, 7 saat boyunca gezegen tipi bilyalı öğütücü kullanılarak ıslak bir ortamda gerçekleştirilmiştir. Öğütme işleminin ardından kompozit tozlar 30 mm çapında olan sıkıştırma kabında 314 MPa basınçta oda sıcaklığında sıkıştırılmıştır. Presleme sonrası çapı 30 mm ve yüksekliği 4 mm olan numuneler elde edilmiştir. Üretim süresince belirlenen optimum parametreler ile hazırlanan kompozit numuneler, oksidasyonu azaltmak için argon gazı ortamında, atmosfer kontrollü sinterleme fırınında 550, 575, 600 and 625 ºC sıcaklık değerlerinde 60 dakika boyunca sinterleme prosesine tabii tutulmuştur. Üretilen numunelerin mikro-yapıları taramalı elektron mikroskobu ve X ışınları kırınımı ile analiz edilmiştir. Sinterlenen kompozit numunelerin ball-on-disk aşınma test cihazı ile aşınma davranışları ve Vickers sertlik testleri ile mekanik davranışları incelenmiştir.