Yeniden Ergitilmiş A356 Alüminyum Alaşımı Hurdasının Çekme Dayancı Üzerine Olan Etkileri

Transkript

1 Yeniden Ergitilmiş A356 Alüminyum Alaşımı Hurdasının Çekme Dayancı Üzerine Olan Etkileri ÖZET Çağlar Yüksel 1, Eray Erzi 2, Özge Tamer 1, Derya Dışpınar 2, Mustafa Çiğdem¹ ¹Yıldız Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü ²İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü A356 alüminyum alaşımı döküm alaşımlarında hem kokil hem de kum kalıpta en geniş ölçüde kullanılan alaşımlardan bir tanesidir. Bu yaygın kullanımla birlikte hurda miktarı da oldukça fazla meydana gelmektedir. Bu hurdanın tekrar ergitilmesi ile enerji, maliyet gibi detaylardan oldukça göz önüne alındığında epeyce önem arz etmektedir. Ergitmede %100 birincil külçe, %50hurda+%50 birincil külçe ve %100 talaş kullanılarak yeniden ergitilerek önce vakum altında katılaştırma cihazı ile (RPT) Bifilm İndeksi tayin edilerek metal kalitesi belirlenerek kum kalıptan hazırlanmış çekme numunesi kalıbına dökülmüştür. Elde edilen numunelerden Bifilm İndeksi ile çekme dayancı arasındaki ilişki incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Bifilm İndeksi, Ergiyik Kalitesi, Bifilm, Çift Katlı Oksit Filmler Effects of Remelted of A356 Aluminium Alloy Scraps on Tensile Strength ABSTRACT A356 is one of the widely used aluminum casting alloy that has been used in both sand and die molds. Large amounts of scrap metal occur due to its extensive usage. Using scrap aluminum is quite important because of the advantages like energy efficiency and cost reduction in the final product. Three types of charges were prepared for casting. %100 primer ingot, %100 scrap aluminum and fifty fifty scrap aluminum and primer ingot mixture were used. Melt quality was determined by calculating bifilm index by using reduced pressure test. By using different mixtures, tensile test specimens were produced by casting both from sand and die molds. Relationship between bifilm index and tensile strength were examined from the obtained tensile test specimens. Keywords: Bifilm Index, Melt Quality, Bifilm, Double oxide films 1. GİRİŞ Son zamanlarda döküm sanayii alüminyum ve alaşımlarının özelliklerine etki eden unsurlara odaklanmıştır. Çalışmaların çoğu gözeneklilik üzerinedir [1]. Alüminyum dökümlerindeki bu gözeneklerin teşvik edici etkeni bifilmler olarak kabul edilir ise bifilmlerin denetimi ile gözenek yapısının oluşumu kontrol edilebilir [2-4].

2 Alaşımın ergitme safhasında mevcut olan veya döküm işlemi süresince oluşan bifilmler nihai içyapıda bulunabilirler ve döküm parçasının ömrünü azaltabilirler. Bu yüzden döküm parçasının kalitesinin denetiminin ergiyik kalitesiyle başladığı aşikârdır. Eğer döküm sırasında yüzey türbülansı ile hapsolmuş ise bifilmler dahili türbülans hareketleri ile sıkı yığınlar haline dönüşürler. 0,1 1,0 mm çaplarındaki bilfilmler oldukça zararlıdırlar. Fakat katılaşma sırasındaki durgun koşullar kıvrımlı halinin yenden şekillenerek düz bir çatlak formuna sahip bifilmlerin açılmasına imkan verir. Bu hareketi ile bifilmler zararlı etkilerini 10 kat daha fazla arttırlar. Bu kusurlar bifilmlerin oldukça ince bir yapıda (sıklıkla nanometre mertebesinde) olmasından dolayı şüphelenilmeyen ve genellikle fark edilemeyen bir hale dönüşmesini sağlar [1]. Sıkı bir yapıdan açık bir çatlağa dönüştüren birkaç mekanizma vardır; (i) (ii) (iii) (iv) filmler arasında hava tabakasına hidrojenin çökelmesi, çekinti (filmler üzerinde basınç azaltıcı etkisi), demir (beta fazı şeklinde) ve diğer metaller arası (intermetalik) çökeltiler, iri tane boyutu Hidrojen gözenekliliği, çekinti gözenekliliği, demir seviyeleri ve kaba tane boyutunun sünekliliği düşürdüğü iyi bilinmektedir. Bu durumların hepsi bifilmlerin sıkı yapısını açarak uzun düzlemsel çatlaklara neden olmaktadır [5]. Bu yüzden döküm metalinin mekanik özelliklerini denetim altına alabilmek için belki de bifilm en önemli unsurdur [1]. Bu sebeple bifilmlerin ölçümünü kolaylaştıran vakum altında katılaştırma testi (RPT) devreye girmektedir. Bu çalışmada da RPT kullanılarak mekanik özellikler ile Bifilm İndeksini arasındaki olası ilişki irdelenmiştir. Bifilm İndeksi miktar olarak veri sağlamak üzere sunulmuştur [3]. Bifilm İndeksi = (Gözenek Uzunluğu) = L b Bu indeks milimetre cinsinden ölçülen bir değerdir ve sanayide uygulaması ve tekrarlanabilirliği oldukça basit bir yöntem olarak dökümhanelerin işlerini fazlasıyla kolaylaştırmaktadır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada otomotiv endüstrisinde de oldukça yaygın olarak kullanılan A356 alüminyum alaşımının birincil külçeleri ve talaşları kullanılmıştır. A356 alüminyum malzemesinin kimyasal bileşimi Çizelge 1. de verilmiştir. Çizelge 1. A356 alüminyum alaşımının kimyasal bileşimi Si Mg Cu Fe Mn Ti Al Bu çalışmada %100 birincil külçe, %50 birincil külçe + %50 talaş ve %100 talaş olmak üzere 3 farklı kombinasyonda A356 alüminyum alaşımı kullanılarak kum kalıba döküm yapılmıştır. Kullanılan külçeler ve talaşlar Şekil 1. de gösterilmektedir. Bu farklılığın sebebi ergitme esnasında doğal olarak oluşabilecek oksit miktarlarının Bifilm İndeksi üzerine etkisini kıyaslanmaktır.

3 (a) (b) Şekil 1. (a) birincil külçe (b) talaş Dökümler 20 kg silis kumu, 1 kg bentonit ve 0,66 kg su kum karıştırıcı makinesi yardımıyla karıştırılarak hazırlanan kalıp kumuna yapılmıştır. Ahşap modellerle hazırlanan kalıbın resmi Şekil 2. de verilmiştir. (a) (b) Şekil 2. Çekme çubuğunun (a) ahşap modeli ve (b) hazırlanmış kum kalıbı.

4 Ergitme işlemi 50 kw lık indüksiyon ocağı yardımıyla yapılmıştır. Her bir döküm işleminde 4 kg lık bir şarj hazırlanmıştır. İlk şarjda 4 kg lık birincil külçe, ikinci şarjda 2 kg birincil külçe ile 2 kg talaş ve üçüncü şarjda ise 4 kg lık talaş ergitilmiştir. Üç farklı malzemenin de döküm sıcaklıkları 740 C olarak belirlenmiştir. Dökülecek malzemelerin ergime karakteristikleri birbirinden farklı olduğu için sürekli olarak ısıl-çift yardımıyla ergiyik sıcaklığı ölçülmüştür. Her dökümde şarj sıvı faza geçtiğinde Bifilm İndeksinin ölçülebilmesi için RPT numuneleri alınmıştır. Dökümlerden sonraki çekme testi için Mohr-Federhaff 10 tonluk çekme cihazı kullanılarak döküm malzemelerin çekme dayanımları tespit edilmiştir. Bifilm İndeksi için numuneler ikiye kesilip zımparalama işlemlerinden sonra tarayıcı vasıtasıyla bilgisayara aktarılmıştır. Aktarılan numuneler görüntü analiz yazılımları kullanılarak kesit alanındaki gözenek sayısı hesaplanmıştır. 3. SONUÇLAR Doğal olarak çekme numuneleri döküm malzemelerinin metal kalitelerini belirlemektedir. Elde edilen değerler ile Bifilm İndeksi karşılaştırılarak ergiyik kalitesi yorumlanmıştır. Şekil 3. de Bifilm İndeksi hesaplamak için kullanılan RPT numunelerinin görüntüleri verilmiştir. Görüntüden de anlaşılacağı üzere %100 talaşın ergitildiği durumdaki numune üzerinde neredeyse kesit alanının yarısına yakın oranda gözenek mevcuttur. Aynı şekilde %50 talaş ve %50 birincil külçe ergitilen numunede de gözenekler bulunmaktadır. Ancak %100 birincil külçe ergitilme işleminde bu gözeneklere rastlanılmamıştır. Kalıp ve yolluklandırma şartlarının sabit olduğu bu üç koşul için artan talaş miktarı ile oksitlenmenin artması arasında nispeten doğrusal bir ilişki olduğu aşikardır. (a) (b) (c) Şekil 3. Farklı ergitme koşulları için RPT numuneleri. (a) %100 talaşın (b) %50 birincil külçe + %50 talaş (c) %100 birincil külçe Şekil 4. de Bifilm İndeksi ile farklı döküm şartlarına sahip ergiyikler için karşılaştırmalı grafik verilmiştir. Bu grafikten de anlaşılacağı gibi 5,8 mm lik bir Bifilm İndeksi ne sahip olan %100 birincil külçe en temiz ergiyiktir ve 221,5 mm lik bir Bifilm İndeksi ne sahip %100 talaş ise en düşük kalitedeki ergiyiktir.

5 Bifilm İndeksi (mm) Şekil 4. Farklı şarjlardaki Bifilm İndeksleri Şekil 5. de ise Bifilm İndeksi ile çekme dayançları arasındaki ilişkiyi gösteren grafik mevcuttur. Burada ise artan Bifilm İndeksi ile çekme dayançları düşmektedir. %100 birincil külçenin dökümünden elde edilen yaklaşık 190 MPa değerleri ,8 95,1 221,5 Çekme Dayanımı (MPa) 4. TARTIŞMA Şekil 5. Bifilm İndeksi ile çekme dayançları arasındaki ilişki. 1. RPT numuneleri Bifilm İndeksi sonuçlarını ve olası ilişkileri rakamsal olarak ortaya koymuştur. 2. Bifilm uzunluğu ile nispeten mekanik özellikler arasında bir doğrusal bir ilişki bulunmaktadır. Artan Bifilm İndeksi ile çekme dayançları düşmektedir. Bunun olası nedeninin malzemenin üniformluğunun bozulmasıdır.

6 3. Toplam bifilm uzunluğu için şöyle bir aralık belirtilebilir; iyi bir döküm için indeks aralığı 0 70 mm kabul edilebilir ancak mm kötü bir ergiyik olduğuna işaret etmektedir [1]. Teşekkür Bu yayın 114M100 no lu TÜBİTAK projesi tarafından desteklenmiştir. Talaşlar ve külçelerin temini için CMS Jant Sanayi ne ve çalışma grubumuz Ceyhun Kuru, Mert Gülver, Emre Petek, İlknur Akyar ve Kübra Kayın a verdikleri destek ve emeklerinden dolayı teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. D.Dispinar and J.Campbell, Int. J. Cast Met. Res., 19 (5), 5-17, J. Campbell: Castings, 2E; 2003, Oxford, UK, Butterworth-Heinemann. 3. D.Dispinar and J.Campbell: Int. J. Cast Met. Res., 17 (5), , D.Dispinar and J.Campbell: Int. J. Cast Met. Res., 17 (5), , J.Campbell: Proc. ASM Conference JT Staley, M. Divandari and J. Campbell, Aluminum Transaction, 2 (2), , 2002.