Dökme demir atıklarından elde edilen kompozit malzemelerin farklı sinterleme yöntemleri kullanılarak mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi

Abstract

Sinterleme günümüz teknolojisinde seramik, porselen ve ileri teknoloji seramik çalışmalarında oldukça çok kullanılan bir tekniktir. Son 15 yılda geleneksel sinterleme (GS) işlemi yerini daha farklı teknolojilere bırakmıştır. Bu teknolojilerin en önemli ve bu çalışmada kullanılanı flaş sinterlemedir (FS). FS ile sinterlenen malzemeler sıcaklık, süre, enerji, maliyet başta olmak üzere çevre kirliliği ve insan sağlığı göz önüne alınarak yapılmış çalışmalardır. Konya bölgesinde 2023 yılı ikinci çeyreğinde bulunan dökümhanelerin sayısının 300 olduğu ancak her geçen gün arttığı bilinmektedir. Dökümhanelerden çıkan atıklar üretilen malzemelerin içeriğine göre çeşitlilik göstermektedir. Konya sanayisinin özellikle demir-çelik ve alüminyum sektörüne hitap eden ürünler üretmektedir. Bu üretimlerden artık kalan oldukça çok miktarda metal oksit içerikli metal atıkları dökümhanelerde yığın halinde biriktirilmekte ancak değerlendirilme kapsamı ise oldukça kısıtlıdır. Bu sebeple, bu tez çalışmasında, çevreye zarar verecek olan döküm atıklarının değerlendirilmesi ile çevreye bir kazanım ve bir ürün geliştirme potansiyeli araştırılmıştır. Çalışmada dökme demir cüruf atıkları (DDCA) toz formunda kullanılarak köpek kemiği şeklindeki kalıplarda, yeni sinterleme yöntemi olan FS ile sinterlenmiştir. Bu yöntem ile geleneksel olarak yapılan sinterleme işlemi sonuçları fiziksel, kimyasal ve mekanik dayanımı açısından değerlendirilmiştir. FS yöntemi ile üretilen malzemelerin daha düşük sıcaklıklarda ve kısa sürede gerçekleştirilerek enerji tasarrufu da sağlanmıştır. Kullanılan bu metotta numune üzerine uygulanan elektrik alan ve sıcaklık sayesinde atomlar arası boşlukların daraldığı gözlenmiştir. FS deneyleri, 20, 25 ve 30 V/mm elektrik alan altında gerçekleştirilmiştir. Sinterlenen malzemelerin fiziksel, kimyasal ve mekanik testleri (3-nokta eğme ve sertlik) yapılmıştır. Bu verilerden elde edilen deneysel sonuçlar ise 1000 ºC'de sinterlenen DDCA'nın 20V/mm elektrik alan içerisinde FS ile 517 ºC'de 15 s içerisinde gerçekleşebildiğini ve en iyi mekanik dayanımları da gösterdiği kanıtlanmıştır. 30 V/mm elektrik alan altında tüm FS işlemleri daha düşük sıcaklıklarda (474 ºC) gerçekleşmesine rağmen mekanik özellikleri daha düşük olduğu gösterilmiştir. Bu sebeple, DDCA'larından elde edilen bu ürünün yer ve duvar karolarında kullanılabileceği ISO 10545 standartlarına göre mekanik dayanımlarının 20 V/mm elektrik alan altında FS ile diğer tüm sinterleme işlemlerinden daha iyi dayanımlara sahip olduğu kanıtlanmıştır.

Sintering is a technique that is widely used in ceramic, porcelain, and high-tech ceramic works in today's technology. In the last 15 years, the conventional sintering (CS) process has been replaced by different technologies. The most important of these technologies used in this study is flash sintering (FS). Materials sintered by FS are carried out considering temperature, time, energy, cost, environmental pollution, and human health. It is known that the number of foundries in the second quarter of 2023 in the Konya region is 300, but it is increasing day by day. Waste from foundries varies according to the content of the materials produced. It produces products that appeal to the iron-steel and aluminum sectors of the Konya industry. A large amount of metal oxide-containing metal wastes left over from these productions are collected in bulk in foundries, but the scope of the evaluation is very limited. For this reason, in this thesis study, the potential of an environmental benefit and product development has been investigated by evaluating the casting wastes that will harm the environment. In the study, cast iron slag waste (DDCA) is used in powder form and sintered in dog bone-shaped molds by FS, a new sintering method. The results of the CS process with this method were evaluated in terms of physical, chemical, and mechanical strength. The materials produced by the FS method is produced at lower temperatures and in a short time, thus saving energy. In this method, it is observed that the interatomic spaces narrowed due to the electric field and temperature applied to the sample. FS experiments were carried out under an electric field of 20, 25, and 30 V/mm. Physical, chemical, and mechanical tests (3-point bending and hardness) of the sintered materials are carried out. The experimental results obtained from these data, on the other hand, have proven that DDCA sintered at 1000 ºC can be achieved by flash sintering in 20V/mm electric field at 517 ºC within 15 s and it also shows the best mechanical strengths. Although FS processes under 30 V/mm electric field take place at lower temperatures (474 ºC), it has been shown to have lower mechanical properties. For this reason, it has been proven that the mechanical strength of this product obtained from DDCAs, according to ISO 10545 standards, where it can be used in floor and wall tiles, has better strengths than all other sintering processes with FS under 20 V/mm electric field