BİR ZA ALAŞIMI DÖKÜMDE YAŞLANDIRMA İŞLEMİNİN MİKROYAPI VE FAZ DÖNÜŞÜMLERİNE ETKİLERİ

Transkript

1 BİR ZA ALAŞIMI DÖKÜMDE YAŞLANDIRMA İŞLEMİNİN MİKROYAPI VE FAZ DÖNÜŞÜMLERİNE ETKİLERİ Mehmet KAPLAN 1, Mustafa Güven GÖK 2 1 Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. Metal Eğitimi Bölümü, 23119, Elazığ, E-posta: mkaplan@firat.edu.tr 2 Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. Metal Eğitimi Bölümü, 23119, Elazığ, E-posta: mguvengok@gmail.com ÖZET Literatür araştırmalarından da anlaşıldığı gibi ZA alaşımlarının döküm sonrası parça boyutlarının kararlı hale gelebilmesi için uzun bir süre beklenmesi gerekebilir. Bu dezavantajı nedeni ile ZA alaşımlarının endüstride kullanımı sınırlı sayılabilir. Ancak ZA alaşımlarının boyutsal kararsızlıkları geleneksel ısıl işlemlerle önemli derecede değiştirilebilmektedir. Fakat bu defa da sertlik ve çekme dayanımında azalma görülmektedir. ZA alaşımının, (Zn-Al) faz diyagramı dikkate alındığında özellikle ötektik bölge dışında, yüksek Zn içeriklerinde ve o C sıcaklıklarda; iki fazlı dubleks bir yapı olması beklenmektedir. Literatürde, artan %Al ve Cu içeriği ile mukavemetin de arttığı bildirilmektedir. Ancak bu durumda mikroyapının daha kararsız olacağı yine denge diyagramlarından anlaşılmaktadır. Fakat ilave alaşımlarla ve ısıl işlem teknikleriyle bu alaşımın mikroyapısının kararlı hale getirilebilmesi ve mukavemetinin arttırılabilmesinin mümkün olabileceği düşünülmektedir. Bu amaçla çalışmada; belirli bir miktarda Cu ve Si içeren bir ZA alaşımı malzeme kokil kalıp döküm yöntemiyle üretilmiş ve daha sonra servis şartları da dikkate alınarak belirli sıcaklıklarda ve sürelerde yapay yaşlandırma işlemi uygulanmıştır. Alaşımın mikroyapı, faz dönüşüm sıcaklıkları ve mekanik özeliklerinde meydana gelen değişiklikler; SEM, DTA, sertlik ve çekme testi ölçüm teknikleriyle incelenmiş ve elde edilen sonuçlar değerlendirilerek malzeme bilimi ve teknolojisi açısından anlamlı olabilecek tespitler yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Çinko-alüminyum, ZA alaşımı, ZA döküm, SEM, DTA 1. GİRİŞ 1970 li yıllarda, yüksek alüminyum içerikli hiperötektik ve pratikte zamak alaşımları olarak adlandırılan, çinko alüminyum alaşımlarının yeni bir ailesi geliştirilmiştir [1]. Günümüzde, literatürde bu alaşımlar; içerdikleri % alüminyum miktarına göre ZA8, ZA12, ZA22 ve ZA27 olarak adlandırılmaktadırlar. Bu alaşımların dökümleri, özellikle kokil kalıpta ve ön ısıtma yapılarak gerçekleştirilmektedir. ZA alaşımları küçük parçaların ve özellikle kaymalı yatakların üretiminde yıllardan beri kullanılmaktadır [2, 3 ve 4]. Bu alaşım sistemi ağır yük/düşük hız uygulamalarında kullanılan kaymalı yatak üretiminde oldukça önemli bir yer tutmaktadır. Alaşımın pazar gücünü, geleneksel metal dökümlerin pahalı ve az olması arttırmıştır [3]. Literatür araştırmasından da anlaşıldığı gibi ZA alaşımlarıyla ilgili yapılan araştırma çalışmalarında şimdiye kadar; bu alaşımların korozyon, aşınma, mikroyapı ve mekanik özellikleri ve ilave alaşım elementleriyle geliştirilmiş olan yeni versiyonları üzerinde durulmuştur [3, 5, 6, 7 ve 7]. Ancak bu alaşımlarda, özelikle C arası servis şartlarının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkilerinin ne olduğu konusunda yeterli derecede açıklama yapılmadığı anlaşılmıştır. Bu nedenle çalışmada özellikler C arası yapay yaşlandırma işlemlerinin mikroyapı ve faz dönüşümlerine etkilerinin tespit edilmesi amaçlanmıştır. 237

2 2. MATERIAL VE METHOD 2.1. Numunelerin Üretimi ve Yapılan Çalışmalar Deneysel çalışmalar için, Tablo 2.1 de % kimyasal bileşimleri verilen iki farklı bileşimdeki malzemelerin ergitilmesinde yüksek saflıkta (% 99.99) Zn, (% 99.99) elektrolitik bakır ve alüminyum kullanıldı. Ergitme işlemi elektrikli fırın içerisinde ve bir potada gerçekleştirildi. Ergitilen alaşımlar bileşimlerine uygun bir sıcaklıkta ( o C), 300 o C a kadar önceden ısıtılan bir kokil kalıba dökülerek katılaştırıldı. Tablo 2.1. Deney malzemelerinin % ağırlıkça bileşimleri Numune No/Adı Zn Al Cu Si N N Daha sonra numune yüzeyleri ayna gibi parlatılıp kimyasal dağlayıcı ayıracı [240 gr sodyumtiosülfat (Na 2 S 2 O 3 ), 24 gr kurşunasetat Pb (CH 3 COO) 2. 3H 2 O, 30 gr sitrikasit (C 6 H 8 O 7.H 2 O), 300 ml saf su] ile dağlanarak taramalı elektron mikroskop (SEM) incelemesi yapıldı. Bu numunelere Tablo 2.2 de belirtilen düzende önce 380 o C de dört gün süre ile çözelti ısıl işlemi uygulanmıştır. Daha sonra fırın ortamında soğutulmuş ve Tablo 2.2 de gösterilen farklı sıcaklıklarda dörder gün süre ile yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmış ve bu sürenin sonunda numuneler direkt olarak suda soğutulmuştur. İşlemler Tablo 2.2. Numunelere Uygulanan Isıl İşlemler Çözelti ısıl İşlem Sıcaklığı Yaşlandırma Sıcaklıkları ve Süreleri ve Süresi 380 o C / 4 gün 150 o C / 4 gün 250 o C / 4 gün 350 o C / 4 gün Numune No Tüm Numunelere Uygulandı N1.1 N1.2 N1.3 N2.1 N2.2 N2.3 Scanning Electron Microscopy (SEM) ile numune yüzeylerinin fooğrafları çekildi ve mikro yapıdaki farklı faz bölgelerinin noktasal analizleri, Electron Dedector Shot (EDS) ile gerçekleştirildi. Ayrıca deney malzemelerinden alınan toz numunelerinin Differantial Thermal Analysis (DTA) incelemeleri yapıldı. Deney numunelerinin sertlikleri, Brinell sertlik ölçme yöntemi ile Instron Wolpert adlı cihazda 1839 N yükleme yükü ile 5 sn yükleme zamanı ve 2.5 mm çapında elmas uç kullanılarak gerçekleştirildi. 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA 3.1. Sertlik Ölçüm Sonuçları Numunelerin farklı yaşlandırma sıcaklıklarındaki ve farklı bölgelerden alınan sertlik ölçüm değerlerinin ortalamaları Tablo 3.1 de ve Şekil 3.1 de karşılaştırılmalı bir şekilde verilmiştir. Buradan numunelerin 150 o C de sertliklerinin minimum a düştüğü ve 250 o C de maksimum a çıktığı anlaşılmıştır. Özellikle silisyum katkılı N2 numunesinin, 250 C deki yaşlandırma işlemi sonucunda sertliğinin döküm sonrası sertlik değerinden daha yüksek çıktığı dikkat çekmektedir. 238

3 N1 N2 Brinel Sertliği (HB) Döküm Sonrası Uygulanan Isıl İşlem Sıcaklığı ( C) Şekil 3.1. ZA alaşımında yaşlandırma sıcaklığının sertlik (HB) değişimine etkisi 3.2. Mikroyapı İncelemeleri Şekil 3.2 a,b,c ve d de N1 numunesinin sırasıyla döküm sonrası, 150 C, 250 C ve 350 C sıcaklıklarında 4 gün süreyle ısıl işlem sonrası mikroyapı fotoğrafları verilmiştir. Ayrıca bu fotoğraflardan alınan noktasal EDS analizlerinin değerleri sırasıyla Tablo 3.2, 3.3, 3.4 ve 3.5 de verilmiştir. a) b) c) d) Şekil 3.2. N1 numunesinin SEM fotoğrafları, döküm sonrası (a), 150 de yaşlandırılmış (b), 250 de yaşlandırılmış (c), 350 de yaşlandırılmış (d), 239

4 Tablo 3.2. N1 numunesinin döküm sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N1-Bölge A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi Zn Al Si Cu Tablo 3.3. N1 numunesinin 150 C yaşlandırma sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N1(150 0 C), Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi D Bölgesi Zn Al Si Cu Tablo 3.4. N2 numunesinin 250 C yaşlandırma sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N1 (250 0 C) Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi Zn Al Si Cu Tablo 3.5. N3 numunesinin 350 C yaşlandırma sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N1 (350 0 C) Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi Zn Al Si Cu Şekil 3.2 a daki N1 numunesinin SEM mikro görüntüsünden alınan noktasal yüzey analizi EDS sonuçlarında A noktasında Al ve Zn oranları birbirine yakın, Cu içeriği az olan bir faz oluşu mevcuttur. B noktası hemen hemen tamamen saf Zn den oluşan βzn fazından ibarettir. C noktası A noktasına yakın bileşimde, Cu oranı A noktasına göre daha fazla olan bir alaşım olup yaklaşık formülü Zn 3 Al 2 olup, çözünmemiş (γ) fazıdır. 150 C de 4 gün yaşlandırılan N1 numunesinin Şekil 3.2 b deki SEM fotoğrafında A noktası alüminyumca zengin αal fazını, B noktası çinkoca zengin βzn fazını, C noktası Al ve Zn dengeli dağıldığı fazı ve D noktası da çinkoca zengin AlZn alaşımını göstermektedir. Bu fazlardan hemen hemen tamamı aynı miktarlarda Cu içermektedir, ancak B noktasının Cu ve Si oranının diğer noktalardan daha yüksek olduğu dikkati çekmektedir. 250 o C de yapılan yaşlandırma ile elde edilen ve Şekil 3.2 c de verilen resimdeki A noktasında alüminyumca zengin bir faz oluşmuştur. B noktasında Zn ve Al içerikleri dengeli bir Al Zn alaşımı oluşurken Cu ve Si oranının B noktasında daha yüksek olduğu görülmüştür. C noktasında Zn oranı artmış Al oranı ile birlikte Si ve Cu oranları düşmüştür. Bu da bu bölgedeki alaşımın daha az Cu ve Si erittiğini göstermektedir. Şekil 3.2 d de görülen N1 numunesinin 350 o C de 4 gün yaşlandırılması ile A noktasında Zn/Al oranları dengeli ve birbirine yakın Cu oranı yüksek, Si çok az olan bir faz yapısı elde edilmiş, B noktasında ise Si oranı az miktarda yükselmiş, Cu oranı biraz 240

5 düşmüştür. C noktasında ise Cu oranı yeniden artma göstermiştir. AlZn içeriği ise her üç noktada homojen bir dağılım sergilemektedir. Bunun anlamı Al Zn difüzyon işlemi tüm kesitte gerçekleşmiştir. Şekil 3.3 a,b,c ve d de N2 numunesinin sırasıyla döküm sonrası, 150 C, 250 C ve 350 C sıcaklıklarında 4 gün süreyle ısıl işlem sonrası mikroyapı fotoğrafları verilmiştir. Ayrıca bu fotoğraflardan alınan noktasal EDS analizlerinin değerleri sırasıyla Tablo 3.6, 3.7, 3.8 ve 3.9 da verilmiştir. a) b) c) d) Şekil 3.3. N2 numunesinin SEM fotoğrafları, döküm sonrası (a), 150 de yaşlandırılmış (b), 250 de yaşlandırılmış (c), 350 de yaşlandırılmış (d), Tablo 3.6. N2 numunesinin döküm sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N1 (350 0 C) Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi D Bölgesi Zn Al Si Cu

6 Tablo 3.7. N2 numunesinin 150 C yaşlandırma sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N2 (150 0 C) Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi D Bölgesi Zn Al Si Cu Tablo 3.8. N2 numunesinin 250 C yaşlandırma sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N2 (250 0 C) Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi Zn Al Si Cu Tablo 3.9. N2 numunesinin 350 C yaşlandırma sonrası noktasal bölgelerin yüzey analizi (EDS) sonuçları N2 (350 0 C) Bölgeler A Bölgesi B Bölgesi C Bölgesi Zn Al Si Cu Sn Şekil 3.3 a da görülen, döküm sonrası N2 numunesinin mikroyapı fotoğrafında belirtildiği gibi, A noktasında Al ve Zn dengeli halde bulunurken Si daha az oranda bulunmaktadır. B noktası tamamen silisyumca zengin adacıkları oluşmuştur. C noktasında çinkoca zengin β fazı hakimdir. Ancak çinko, bakırı bünyesine alarak bu noktada CuZn alaşımını oluşturmuştur. Yani burada CuZn ε fazı halinde bulunmaktadır. Bünyede çok az oranda Al erimiştir. D noktasında ZnAl arasında % 65.59, % Al içeren, % 3.8 Cu bulunduran ve bakırı bünyesinde toplayan bir CuZnAl alaşımı oluşmuştur. Burada oluşan ZnAl alaşımının bileşimi yaklaşık (γ) fazı bileşimi olup formülü Zn 3 Al 2 dir. Şekil 3.3 b de verilen N2 numunesinin 150 o C de 4 gün yaşlandırılmasıyla elde edilen alaşımda, A noktası Si adacığı şeklinde bir bölge oluşturmaktadır. Bu, silisyumun alaşım içerisinde tam olarak çözünmediğini göstermektedir. B noktasında çinkoca zengin ve bünyesine A noktası ve D noktasına göre daha fazla Cu alan ZnAlCu alaşımı oluşmuştur. C noktası alüminyumca zengin ve en çok Cu içeren AlCuZn üçlü alaşımından oluşmaktadır. D noktasında Zn oranı yüksek olup ZnAl ikili alaşımı içerisinde önemsiz miktarda Si ve Cu bulunmaktadır. 250 o C de yapılan 4 günlük yaşlandırma işleminden sonra Al ve Zn oranlarının tüm alaşımda biraz daha dengeli hale geldiği görülmektedir (Şekil 3.3 c). A noktasında Si oranı oldukça yüksek değer almaktadır, ancak burada Si oranı daha önceki işleme oranla azaldığı ve Si adacığının küçüldüğü dikkati çekmektedir. Bir başka ifadeyle, silisyumun bir kısmı yaşlandırma süresince yapıda çözünmüştür. Bu alaşım içerisinde Zn miktarı, Al dan daha fazla bulunmaktadır. B ve C noktalarında ise, Al ve Zn oranları birbirine yakındır. 250 o C de yapılan 4 günlük yaşlandırma sonucunda elde edilen Şekil 3.3 d deki fotoğrafta, küçülmüş A noktasında Si oranı en büyük değerini almaktadır. B noktasında Zn ve Al oranları yaklaşık olarak aynı değerlerde bulunmaktadır. Cu ve Si oranı yüksektir. B noktasında alaşım ayrıca bir miktar kalay da içermektedir. C noktasında da yine Zn ve Al birbirine yakın bileşimlerde bulunmaktadır. Ayrıca bu alaşım Si ve Sn içermektedir. 242

7 3.3. DTA Analizi Sonuçları Deney numuneleri N1.3 ve N2.3 den (350 0 C de dört gün süreyle yaşlandırma ısıl işlemi yapılmış olan) alınan 0,1 mm çapındaki metal tozlarının; Setaram TGA-DTA 92 cihazında termal analizleri yapılmıştır. Numunelere Argon gazı (inert) ortamda 10 0 C/dk ısıtma hızı ile C lik fırın rejimi uygulanmış olup bunlarla ilgili elde edilen analiz sonuçları sırasıyla Şekil 3.4 ve 3.5 de verilmiştir. Şekil 3.4. N1 numunesinin C de dört gün yaşlandırıldıktan sonraki DTA eğrisi Şekil 3.5. N2 numunesinin C de dört gün yaşlandırıldıktan sonraki DTA eğrisi DTA analiz sonuçlarından; piklerin 300 o C ve o C aralığında gerçekleştiği belirlenmiştir. Buna göre 300 o C dolaylarında gerçekleşen dönüşüm AlZn ikili faz diyagramında ötektoid reaksiyona ait dönüşümü ve 508 o C deki dönüşüm peritektik dönüşüme ait reaksiyonları göstermektedir. Böylece 300 o C de γ katı eriyik fazı ötektoidik reaksiyonla α+β ya ve 508 o C civarında da sıvı+α dan peritektik reaksiyonla γ fazı oluşmaktadır Genel Sonuçlar 1. ZnAlCuSi dörtlü alaşımının mikro yapısı, alüminyumca zengin α dendritleri, çinkoca zengin β fazı ve kısmen (ε) CuZn 5 intermetalik bileşiğinden oluşmaktadır. Ayrıca mikro yapıda az oranda çözünmemiş silisyum adacıkları görülmüştür. Bu da silisyum ve bakırın çinko ve alüminyum içerisinde çözünürlüğünün az olduğunun bir sonucudur. 243

8 2. Metallerden alüminyum ve bazıları kristal kafes yapıları kübik yüzey merkezli olduğundan bu metal ve alaşımlarının yönlendirilmiş katılaşma yapıları buna bağlı olarak dendritik olmaktadır. Aynı zamanda numunelerden alınan optik mikroskop ve SEM fotoğrafı incelemelerinden de malzeme yapısının dendritik olduğu saptanmıştır C de aşırı yaşlandırma söz konusu olmaktadır C deki yaşlandırma ısıl işlemleri sonucunda alaşımların düzensiz yapıya, C de homojen bir yapıya sahip oldukları anlaşılmaktadır C de yapı homojenliği sağlanmış, ancak tane sınırları belirginliğini büyük ölçüde yitirmiştir. Metal atomları, difüzyonla homojen denebilecek bir dağılım gösterdiğinden sertlik ve mukavemet değerleri azalmaktadır. 5. Bakır ve silisyumun bu katkıları, alaşımın sertliğini olumlu yönde etkilemiştir. Bakır ve silisyum elementleri alüminyum ve çinkoya göre daha çabuk katılaştıkları ve intermetalik bileşikler oluşturabildikleri çekirdek görevi üstlenmiş ve tanelerin daha ince bir şekilde oluşmasına katkıda bulunmuş oldukları düşünülmektedir. 6. Yapılan yaşlandırma işleminin faz dönüşüm sıcaklıklarını değiştirmediği, yaşlandırma öncesinde olduğu gibi 300 C de γ fazının ötektik reaksiyonla α+β ya ve 508 C de de α+β nın da peritektik reaksiyonla γ fazına dönüştüğü sonucuna varılmıştır. 4. TEŞEKKÜR Bu araştırmanın gerçekleşmesinde maddi destek sağladığı için yazarlar, Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkürlerini sunar. 5. KAYNAKLAR 1. Gervais, E., Lever H., Bess, M., The Development of Zinc Foundry Alloys, APS Transaction, Vol. 88, , Calayag, T., Zinc Alloys Replace Bronze in Mining Equipment Bushing and Bearings Mining Eng., , Calayag, T., Ferres, D., High Performance, High Aluminum Zinc Alloys for Low Speed Bearings a Bushings, Proceedings of the SAE Annual Conference , Savaşkan, T., Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, , Beraha, E., Shpigler, B., Color Metallographic, vol , ASM, Metals Park, Ohio, 8-1, Lorimer, G.W., Russel, K.C., Aoron H.I., Precipitation in Solids Newyork, USA, Meterial Soc. AIME. Chapter 3, Polmear I. J., Control of precipitation processes and properties in aged aluminum alloys by trace element additions. Proc. 6th Intl Conf on Aluminum Alloys, The Japan Inst. of Light Metals, Tokyo, Japan,75 86, Yıldırım, M.M., Nursoy, M., Çinko-Alüminyum Esaslı Yatak Malzemelerinin Yorulma Davranışları, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, , ÖZGEÇMİŞLER Mehmet KAPLAN 1955 yılında Elazığ da doğdu. Lisans eğitimini Gazi Üniversitesi Makina ve Konstrüksiyon Bölümünde, Yüksek Lisans ve ardından Doktora eğitimini de Fırat Üniversitesi Makine Bölümünde aldıktan sonra 1997 yılında doktora derecesini alarak mezun oldu. Dökerek şekillendirme ve makine modelciliği konusunda uzman olup ayrıca sanayii ve yurt dışı deneyimleri de vardır. Dr. KAPLAN, halen Fırat Üniversitesi Metal Eğitimi Bölümü nde Öğretim Üyesi (Doç.Dr.) olarak çalışmaktadır. Mustafa Güven GÖK 1984 yılında Gaziantep te doğdu. Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi metal eğitimi bölümü lisans programından 2008 yılında bölüm birincisi olarak mezun oldu ve ara vermeden yine 2008 yılın Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Metalurji Eğitimi anabilim Dalı nda yüksek lisans eğitimine başladı. Mustafa Güven GÖK, elektrik kontak malzemeleri ve elmaslı kesici takım üretimi konularında bilgi sahibi olup bu alanda imalata yönelik çalışmaları devam etmektedir. 244