1.GİRİŞ
Hafif metal alaşımlarının günümüz teknolojisindeki uygulaması ve önemi giderek artmaktadır. Bu tür alaşımlardan olan alüminyum döküm alaşımları kolay dökülebilmeleri, özgül ağırlık ve ısıl genleşmelerinin düşük, ısıl iletkenliklerinin yüksek olması ve uygun mekaniksel özellikler göstermeleri nedeni ile teknolojik bir öneme ve çekiciliğe sahiptirler. Tarihsel olarak tane inceltme yöntemi titanyum ve bor ihtiva eden tuz flaksların sıvı metale ilavesiyle başlamıştır. Tane inceltici olarak kullanılan flakslar verimli olmalarına rağmen birçok dezavantaja sahiptirler. Tuz flakslar sıvı metalin hidrojen içeriğini arttırmaya, korozif gazlar üretmeye ve inceltici elementlerin özelliklerini tam olarak gösterememesine neden olmaktadır. Alüminyum döküm endüstrisinde verimli tane inceltme Al-Ti ve Al-Ti-B ön alaşımlarının ilavesiyle başarılmıştır.
Al-Ti ve Al-Ti-B ihtiva edene ön alaşımların ilavesi ile yapılan tane inceltme sıcak yırtılmalara karsı dirençteki artış, gelişmiş mekaniksel özellikler, mikro yapıların homojenliği ve makro porozitedeki azalma, bu yönteminin uygulanmasında önemli nedenlerdendir.
Alüminyum döküm alaşımlarında tane boyutunun kontrolü mikro yapının katılaşma sırasında ve katılaşmadan sonra kontrol altında bulunması ve amaçlara göre yönlendirilmesi ile sağlanabilir. Mikro yapı ile alüminyum döküm gereçlerin mekanik özellikleri arasındaki ilişki göz önünde bulundurularak kullanım amacına en uygun mikro yapının oluşumu sağlanmalıdır. Alüminyum dökümlerde tane inceltmenin verimliliği silisyumun morfolojisi, soğuma hızı ve döküm sıcaklığı gibi diğer üretim parametrelerinin çeşitliliği ile arttırılabilir[1].
Bu çalışmada Alüminyum-%4 Mangan alaşımına ticari tane inceltici olan Batu1 kullanılarak borun zamana bağlı değişimi incelenmiştir.
2
2.ALÜMİNYUM VE ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI
Alüminyum, varlığı 1808’de İngiliz kimyager H. Davy tarafından kanıtlanan genç bir metaldir ve yer kabuğunda en fazla bulunan elementlerden bir tanesidir. En önemli kaynağı boksit cevheridir. Gümüş beyazı rengindedir ve Al simgesiyle gösterilir. Atom numarası 13 olup kütle numarası 27’dir. Atomik ağırlığı 26,98 gr/mol’dür ve yüzey merkezli kübik kristal kafes yapısına sahiptir. Ergime sıcaklığı 660 ºC’dir [2].
Alüminyum 2,7 g/cm3 bir yoğunluğa sahiptir ki bu değer neredeyse çeliğin (7,8 g/cm3) ve bakırın (8,93 g/cm3
) üçte biridir. Düşük yoğunluğa sahip olmasına rağmen çok iyi mukavemet özellikleri sergiler. Alüminyum atmosferik, sulu, petrokimyasal ve kimyasal sistemler içeren bir çok çevrede mükemmel bir korozyon direnci gösterir. Bu mükemmel korozyon direnci yüzeyde oluşan ince alüminyum oksit tabakasından dolayıdır. Anodize etmek, boyamak gibi farklı yüzey işlemleri ile bu özelliği geliştirilebilinir. Sünek bir malzemedir, düşük yoğunluğa ve ergime sıcaklığına sahiptir. Bundan dolayı kolaylıkla makine ile islenebilir, dökülebilir ve ekstrüze edilebilir. Alüminyum mükemmel termal ve elektriksel iletkenlik gösterir. Elektrik iletkenliği eşdeğer ağırlıktaki bakırın iki katı kadardır. Alüminyum ferromanyetik değildir. Havada kendiliğinden tutuşmaz. Alüminyum ayrıca toksik değildir ve yemek-içki kaplarında kullanılabilinir [2].
2.1 Alüminyum Alaşımlarının Sınıflandırılması
Alüminyum alaşımları döküm ve dövme alaşımları olarak iki guruba ayrılmıştır. Bu guruplar alüminyum dövme ve alüminyum döküm alaşımlarıdır.
2.1.1 Alüminyum dövme alaşımları
Amerikan Alüminyum Birliği’ne göre, alüminyum dövme alaşımları dört basamaklı bir sayı ile gösterilmektedir:
1XXX: Saf alüminyum: Genellikle elektrik ve kimya endüstrisinde kullanılmaktadır. 2XXX: Al-Cu alaşımları: Esas alaşım elementi bakırdır. Başta magnezyum olmak
üzere, diğer alaşım elementleri de bulunabilir. Yüksek mukavemet istenen havacılık sektöründe yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
3XXX: Al-Mn alaşımları: Esas alaşım elementi mangandır. Boru, sıvı tankları ve mimari uygulamalarda kullanılmaktadır.
3
düşük, aşınma direnci ve korozyon dayanımı yüksek alaşımlardır. Kaynaklı yapılarda, levha üretiminde, otomobil parçaları üretiminde kullanılmaktadır.
5XXX: Al-Mg alaşımları: Esas alaşım elementi magnezyumdur. Magnezyum oranı arttıkça sertlik ve mukavemet artar, fakat süneklik azalır. Deniz suyu korozyonuna karşı direnci yüksek olduğundan, bu ortamda çalışacak yapıların imalatında kullanılmaktadır.
6XXX: Al-Mg-Si alaşımları: Esas alaşım elementi magnezyum ve silisyumdur. Şekillendirme kabiliyeti yüksek olan bu alaşımlar, özellikle ekstrüzyon ile üretilen parçaların imalatında sıklıkla kullanılır.
7XXX: Al-Zn alaşımları: Çinko esas alaşım elementi olup, Mg, Cr ve Zr ilave alaşım elementleridir. Alüminyum alaşımlarının en yüksek mukavemete sahip olanıdır. Uçak parçaları yapımı ve diğer yüksek dayanım istenen yerlerde kullanılır.
8XXX: Al-Li alaşımları: Esas alaşım elementi lityum olup, kalay eklentisi de yapılabilmektedir. Özellikle uçak ve uzay yapılarında kullanılmaya başlanan bu malzeme, iyi yorulma direnci ve iyi tokluk özelliklerine sahiptir. Fakat diğer Al alaşımları ile karşılaştırıldığında, üretim maliyetleri yüksektir.
2.1.2 Alüminyum döküm alaşımları
Döküm alüminyum alaşımları ise aşağıdaki şekilde sınıflandırılmaktadır: 1XX.X: Saf alüminyum
2XX.X: Esas alaşım elementi bakırdır.
3XX.X: Alaşım elementleri silisyum, bakır ve magnezyumdur. Sanayide kullanılan döküm alaşımlarının %90’ı 3XX.X serisidir.
4XX.X: Esas alaşım elementi silisyumdur. 5XX.X: Esas alaşım elementi magnezyumdur. 6XX.X: Bu seri numarası kullanılmamaktadır. 7XX.X: Esas alaşım elementi çinkodur. 8XX.X: Esas alaşım elementi kalaydır [3].
2.2 Alüminyum Alaşımlarına Alaşım Elementlerinin Etkileri
Alüminyum alaşımlarında kullanılan başlıca alaşım elementleri; bakır, silisyum, mangan, çinko, krom, kalay, magnezyum, demir, nikel, titanyum, zirkonyum, fosfor, kurşun, berilyum ve bor gibi elementlerdir.
4 2.2.1 Alüminyum alaşımlarına silisyumun etkisi
Döküm alaşımlarında, silisyum, esas katkı metalini teşkil etmektedir. Silisyum; döküm alaşımına, kalıbın ince kanallarına kolaylıkla nüfuz etme özelliğini sağlamaktadır. Özellikle, kum ve gravite dökümlerinde birinci planda önem taşır. Pres dökümde fazla önemli olmamakla beraber yine de fayda sağlar.
%5 veya daha yukarı silisyumlu alüminyum alaşımlarının, kalıpta katılaşma esnasında meydana gelen çatlaklara karşı mukavemeti artmaktadır. Nitekim %10-13 silisyumlu alaşımların katılaşma esnasında çatlaklar meydana getirmesi mümkün olmamaktadır.
Silisyum katkılı metalin sağladığı diğer bir avantaj da; artan silis yüzdesi oranında lineer termik çekmeyi azaltmasıdır. %10 veya daha fazla silisyum ihtiva eden alaşım diğer döküm alaşımlarına nazaran daha az lineer termik çekme göstermekte olup silisyumlu alüminyum alaşımlarının korozyon direnci de oldukça yüksektir [3].
5 2.2.2 Alüminyum alaşımlarına bakırın etkisi
Alaşım alaşımlarında en çok kullanılan alaşım elementlerinden biridir. Bakır ilavesi alüminyum alaşımına sağlamlık, sertlik ve daha iyi işlenebilme özelliği kazandırır.
Şekil 2. 2 Alüminyum bakır denge diyagramı
2.2.3 Alüminyum alaşımlarına magnezyumun etkisi
Magnezyum elementi alüminyum'a yüksek mukavemet, iyi süneklik, iyi korozyon direnci ve kaynak kabiliyeti sağlar. Bu tür alaşımların, mekanik özellikleri çok üstün olmasına rağmen, genellikle kullanılmakta olan döküm özelliklerine sahiptirler.
Alüminyum-Silisyum-Bakır alaşımlarına belirli bir miktarda magnezyum ilavesiyle alaşımın sertlik ve sağlamlığı arttırılabilmektedir.
6
Şekil 2. 3 Alüminyum magnezyum denge diyagramı
2.2.4 Alüminyum alaşımlarına manganez etkisi
Alüminyum-silisyum-demirden meydana gelen iğne şekilli yapı, manganez ilavesiyle daha az zararlı duruma getirilmektedir.
Mangan, genellikle kum ve metal döküm uygulamalarında arzu edilen bir alaşım maddesi olarak tanımlanmaktadır. Manganezin bulunması, belirli miktarda demir ilavesine de imkan sağlamaktadır.
Kum ve metal kalıba dökümde, pres dökümdeki kadar hızlı bir soğuma olmadığı için manganeze ihtiyaç duyulmaktadır. Fakat pres dökümde, manganez ilavesi gerekmemektedir.
7
Şekil 2. 4 Alüminyum manganez denge diyagramı
2.2.5 Alüminyum alaşımlarına çinkonun etkisi
Çinko ilavesinin, alaşımın sıcak şekil almada gevreklik meydana getirmesi ve korozyona dayanıklı olmayışı görüşü uzun yıllar yoğunluk kazanmıştır. Fakat, yakın zamanlarda yapılan çalışmalar, %2.5'a kadar çinko ilavesiyle mekanik özelliklerin hiç değişmediği veya çok az değiştiği ve korozyona karşı dayanıklılığında da bir fark olmadığını ortaya koymuştur. Çinko ilavesi, işlenme özelliğini daha da iyileştirmektedir [4].
8
Şekil 2. 5 Alüminyum çinko denge diyagramı
2.2.6 Alüminyum alaşımlarına titanyumun etkisi
Alüminyum alaşımlarında tane küçültücü bir etki gösterir. %0.05 - 0.2 limitleri arasında ilave edilebilir. Basınçlı döküm alaşımlarında Ti ilavesi zararlıdır. Çünkü Ti ilavesi akışkanlığı azaltır, bu durum ise döküm sırasında zorluk çıkartır.
9
Alüminyum alaşımına demir ilavesiyle, alaşımın metalik kalıba yapışma eğilimi azaltılmış olur. Al-Fe alaşımları pek kullanılmazlar. Demir bazı uygulamalarda mukavemeti, yüksek sıcaklıklarda sertliği arttırma gibi alaşım özelliklerini iyileştirici özelliğe sahiptir.
Demirli, sıvı alüminyum-silisyum ve magnezyum alaşımı yavaş yavaş soğutulduğu zaman geri kalan kısmı sıvı alaşımın halini korurken demirin bu alaşım metalleri ile bağlı olan bileşimi katılaşıp fırının veya potanın dibine çöker. Şayet sıcaklık tekrar arttınlsa dahi, bu katı kısım sıvılaşmaz. İyi bir karışma sağlanmadıkça tabanda kalır. Bu katı bileşimler, sıvı metal ile birlikte döküm kalıbına gittiği zaman, ileride işleme esnasında sert noktaların meydana çıkmasına sebebiyet vermiş olurlar. Bunu önlemek için sıvı metal sıcaklığının 700 °C'nin altına düşürülmemesi, metalin iyi karışması, ve herbir katı alaşım maddesi ilavesinden sonra iyi bir karıştırma işleminin yapılması gerekmektedir.
Şekil 2. 7 Alüminyum demir denge diyagramı
2.2.8 Alüminyum alaşımlarına nikelin etkisi
Nikel alüminyum alaşımlarına yüksek olmayan yüzdelerde katıldığı takdirde tıpkı bakır gibi dayanım ve sertliği arttırır. Alaşıma parlaklık ve yansıtıcılık vererek yüzey kalitesini yükseltir.
10
Şekil 2. 8 Alüminyum nikel denge diyagramı
2.2.9 Alüminyum alaşımlarına kalay etkisi
Metal ergidikten sonra ilavesi oldukça kolaydır. Alüminyum alaşımlarında kalay, düşük ve yüksek sıcaklıklarda dayanımı düşürür. Kalay, yatak olarak kullanılan alüminyum alaşımlarının en önemli bileşenlerinden biridir.
11
Şekil 2. 9 Alüminyum kalay denge diyagramı
2.2.10 Alüminyum alaşımlarına kurşunun etkisi
Özellikle kalay ve bizmut ile kullanıldığında alaşımın işlenebilme kabiliyetim arttırır. %0.5'den aşağı miktarlar da ilave edilir. Alüminyum içerisindeki erirliği çok düşüktür.
12 2.2.11 Alüminyum alaşımlarına kromun etkisi
Kromun alüminyum içerisindeki erirliği çok düşüktür. Burada ikinci faz çökelmesi görülmez. Genellikle %0.1-0.6 oranlarında ilave edilir.
Şekil 2. 11 Alüminyum krom denge diyagramı
2.2.12 Alüminyum alaşımlarına borun etkisi
13
Şekil 2. 12 Alüminyum bor denge diyagramı
2.2.13 Alüminyum alaşımlarına berilyum etkisi
Yüksek magnezyumlu (%4 ve daha fazla) döküm alaşımlarında cüruflaşmayı azaltmak ve yeniden ergime esnasında magnezyumun yanarak kaybolmasını önlemek için berilyum ilave edilir.
14 2.3 Alüminyum Alaşımlarının Özellikleri
Alüminyum metalinin elektriksel uygulamalar haricinde saf olarak kullanımı oldukça sınırlı olup, daha çok saf alüminyum; elektrik iletiminin istenildiği yerlerde, ambalaj sanayinde ve dekoratif amaçlı uygulamalarda kullanılmaktadır. Alüminyum metali demir ve bakıra göre yaklaşık olarak 3 kez daha hafif, elektrik iletiminde yoğunluğuna göre oldukça yüksek olup saf alüminyum'un özellikleri Tablo 1’de gösterilmiştir.
Kristal Yapısı Yüzey Merkezi Kübik
Yoğunluk 2.7 gr/cm3
Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı 150-300 °C
Isı İletkenliği (25 °C) 645-660 Kcal/Sa/cm/°C
İşlem Sıcaklığı 300-500 °C Ergime Sıcaklığı 660 °C Çekme Dayanımı 4-9 kg/mm2 Akma Dayanımı 1-3 kg/mm2 Sertlik (BHN 2.5) 12-20 kg/mm2 Elastik Modül 7.2 x 105 kg/cm2 Kayma Modülü 2.7 x 103 kg/cm2
Çentik Darbe Tokluğu 10 kg/cm2
Kopma Uzaması % 30-40
15
Otomotiv ve uçak endüstrisinde ağırlıktan tasarruf önemli bir konudur. Çünkü; • Güç tasarrufu olur.
• Hareketli parçalan olan makinalarda verim yükselir. • Teçhizatın elle idaresinde işçi daha az yorulur. • Nakliye işlerinde tonaj düşmektedir.
Pik mamuller, alüminyumdan yaklaşık 2.5 defa, çelik mamuller ise 3 defa daha ağırdır. Bu nedenler, alüminyum alaşımlarının kullanılma işlevini artırmaktadır.
2.3.2 Mekanik özellikler
Çeşitli alüminyum alaşımları ısıl işlemler sonucu arzu edilen şekilde mukavemet, sertlik, tokluk ve diğer mekanik özellikleri geliştirilebilir. Mekanik özelliklerin böyle değişebilir olması alüminyum alaşımları için büyük bir avantaj olup, kullanım alanını genişletmektedir.
2.3.3 Korozyon davranışı
Alüminyum alaşımları korozyona karşı oldukça dayanıklıdırlar. Ayrıca birçok kimyasal maddelere dayanıklı olduklarından petrol ve kimya endüstrisinde kullanılmaya elverişlidir.
2.3.4 Isıl ve elektirik iletkenliği
Alüminyum alaşımları ısı ve elektriği çok iyi iletirler. Pistonlar, silindir kafaları, çeşitli mutfak eşyaları, kalorifer radyatörleri gibi ismin hızla iletilmesi istenen yerlerde geniş uygulama alanları bulmuşlardır.
2.3.5 İşlenebilme Kabiliyeti
Alüminyum alaşımlarının sıcak ve soğuk işlenebilme özelliği vardır. Çok iyi hadde özelliğine sahiptirler. Ayrıca bazı alüminyum alaşımlarının döküm özellikleri de iyidir.
2.3.6 Düşük son maliyet
Alüminyum alaşımlarının birim ünite maliyetinin diğer metallere göre daha ekonomik oluşu bir tercih sebebi olmaktadır.
2.4 Alüminyum Alaşımlarının Kullanım Alanları
Alüminyum alaşımlarının birçok kullanım yeri vardır. Bunlardan başlıcaları:
16
Son yıllarda inşaat tekniğinde ve mimari stilde meydana gelen gelişmeler alüminyum ve alaşımları lehinedir. Alüminyum ve alaşımlarının kullanılma sahalarının fazlalığı düşük maliyetli, iyi görünümlü ve inşasının hızlı olmasındandır.
2.4.2 Uçak endüstrisinde
Alüminyum ve alaşımları 1908 yılında yaşlanma sertleşmesinin bulunmasıyla uçak sanayine girmiştir. Bugün uçak sanayinde düralüminyum tipi alaşımlar kullanılmaktadır. Alüminyum alaşımları uçakların gövde kısmında kullanılmaktadır.
2.4.3 Gemi sanayisinde
Günümüzde küçük araştırma gemileri, yat, yelkenli ve feribot gibi küçüklü büyüklü gemilerin yapımında alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Yolcu gemileri ve şileplerde hafif oldukları için tercih edilen alüminyum alaşımları, büyük askeri gemilerde, düşük manyetik geçirgenlikleri sayesinde bir avantaj daha sağlamaktadırlar.
2.4.4 Elektirik sanayisinde
Bir alüminyum iletken, düşük yoğunluğu nedeniyle bakır bir iletkenden daha hafiftir. Bu nedenle 1930 yılından beri enerji nakil hatlarında kullanılmaktadır. Yurdumuzda da "Türkiye Elektrik Kurumu" enerji nakli ve iç hatlarda alüminyum kablolar kullanmaktadırlar.
2.4.5 Ambalaj ve konserve sanayisinde
Alüminyum, paketleme (ambalaj) malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Ayrıca nüfus artışıyla ortaya çıkan beslenme problemi konserveciliği geliştirmiş ve alüminyumdan yapılmış kutular ön plana geçmiştir. Bunlar diğer malzemelere göre daha iyi özellik ve düşük maliyet sağlarlar. Kullanılan kutular atıldığı için bu durum önemli bir avantajdır. Ayrıca bu kutular hurda olarak da kullanılabilir.
2.4.6 Demiryolu sanayisinde
Alüminyum ve alaşımları pahalı olmasına rağmen işletme masraflarının az olması, korozyona dayanıklı ve hafif olması nedeniyle demiryolu araçlarında kullanılmaktadır. Son yıllarda vagon, treyler, lokomotif yapımında alüminyum alaşımları kullanılmaya başlanmıştır.
17
miktarda kullanılmaktadır.
Taşıt araçları ne kadar hafif olursa, hareket etmeleri için daha az enerjiye gerek duyulur. Alüminyum alaşımları demir çelik grubu malzemelere nazaran daha düşük yoğunluğa sahip olduğundan otomotiv endüstrisinde her geçen gün daha da kullanımı artmaktadır [4,5].
BÖLÜM.3 ALÜMİNYUM ALAŞIMLARINDA TANE İNCELTME
Mikroyapının çalışmalar ve deneyimler sonucunda, birçok faktörlerden etkilendiği tespit edilmiştir. Dökümde kullanılacak alaşımın mikroyapı kontrolü ise kontrollü katılaşmanın yanı sıra temel olarak pratikleri ile sağlanabilmektedir.
Alüminyum – Silisyum alaşım sistemlerinde mikroyapı kimyasal kompozisyon ve döküm prosesinin özelliklerine göre değişkenlik göstermektedir. Örneğin, ince şekilli ötektik yapı basınçlı dökümde hızlı soğutulma ile elde edilirken, aynı zamanda dendrit kol uzunluklarının ve dolayısıyla dendritik hücrelerin daha kısa oluşmasına sebep olmakta, bununla birlikte tane
18
boyutunun küçülmesine yardımcı olmaktadır. Öncelikli olarak tane inceltme ve modifikasyon gibi iki önemli süreç ve etkileşim mekanizmaları iyi şekilde anlaşılmalıdır.
3.1 Tane İnceltme Prosesi
Döküm alaşımının yapısal özelliklerini belirleyen faktörlerin başında gelen tane inceltme prosesi; sıcak yırtılma eğilimi, porozitenin dağılımı ve beslemenin iyileştirilmesi açısından büyük bir önem arz etmektedir. Tane inceltme işlemi sonucu, parçada daha az yapısal döküm kusuru görülürken buna mukabil olarak, çok daha iyi mekanik değerler elde edilebilecektir.
Tane inceltme işleminin alaşımın yapısında nasıl geçekleştiğinin anlaşılabilmesi için, öncelikle döküm parçasının temel yapı taşı olan çekirdek teorileri ve tane oluşumu incelenmelidir. Bu sayede, tane inceltme mekanizmaları kolayca görülebilecektir.
3.1.2 Tane yapısı
Tane boyutunun yapısal ve mekanik değerler üzerindeki etkisi çoklu fazlarda tam olarak bilinmemesine rağmen, tekli fazların özellikleri bilinmektedir. Sektörde yaygın bilgi ve deneyimlere göre, ince tane yapısı iri tanelere göre tercih edilir. Ancak Al – Si alaşımlarında bu durum esas yapısal özellikleri belirleyen ötektik silisyum fazı dolayısıyla özellikle modifikasyon ve tane inceltme terimlerinin birbirleriyle karıştırılmaması gerekliliğini doğurmaktadır.
Pratik uygulamaların kazandırdığı deneyimler ışığında, Al – Si döküm alaşımlarının yapısına etki eden faktörlerin başında gelen ötektik silis morfolojisi, boyutları ve dendrit kol uzunluğu gelmektedir. Ancak, bu faktörler incelenirken birbirinden ayrı ele alınması gerekmektedir. Örneğin, bir döküm alaşımında ince ya da iri taneler modifiye edilmiş ve yahut edilmemiş, daha geniş veya daha kısa dendrit kol uzunluklarında görülebilirler. Örneğin, bir döküm alaşımında ince ya da iri taneler modifiye edilmiş ve yahut edilmemiş, daha geniş veya daha kısa dendrit kol uzunluklarında görülebilirler.
Alaşımın yapısında bulunan ve tane olarak adlandırılan yapıda, aynı çekirdekten oluşan alüminyum dendritleri bulunmaktadır. Bu dendritlerin uzunluğu ise en başta katılaşma hızı ile belirlenmekte, katılaşma hızı yavaşladıkça dendritlerin uzunluğu artmaktadır. Bahsi geçen dendrit kollarının arasında ise, modifiye edilebilir ötektik silisyum fazı yer almaktadır.
20
