INVESTIGATION OF ADHESIVE WEAR BEHAVIOUR OF PRODUCED COUNTER GRAVITY CASTING PROCESS Al ALLOY

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye YERÇEKİMİNE TERS DÖKÜM YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN Al ALAŞIMININ ADHESİF AŞINMA DAVRANIŞININ İNCELENMESİ INVESTIGATION OF ADHESIVE WEAR BEHAVIOUR OF PRODUCED COUNTER GRAVITY CASTING PROCESS Al ALLOY Hasan HASIRCI a, * Ferhat GÜL a a, * Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Döküm Eğitimi A.B.Dalı, Teknikokullar, Ankara. E-posta: hasirci@gazi.edu.tr, fgul@gazi.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, Al-10Si alaşımının adhesif aşınma davranışı üzerine yerçekimine ters döküm yönteminin etkisi araştırılmıştır. Numuneler, yerçekimine ters ve geleneksel (yerçekimi ile) yaş kum kalıba 600, 640 ve 690 C sıcaklıkta, 100, 250 ve 500 mmhg vakum şartlarında dökülmüştür. Bu numuneler modife edilmiş disk üzerinde pim adesif aşınma cihazında test edilmiştir. Adhesif aşınma testleri 20 ve 60 N yükler altında ve 1 m/s kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Adhesif aşınma test sonuçları; düşük yük (20N) altında sertlik sonuçları ile benzer bir eğilim gösterirken, yük arttığında (60N) ise sertlik artışı kötü adhesif aşınma direncinin meydana geldiğini göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Mikroyapı, Yerçekimine Ters Döküm, Adhesif aşınma ABSTRACT In this study, effect of counter gravity casting method on the adhesive wear behaviours of Al-10Si alloy was investigated. The counter gravity sand casting and gravity sand casting specimens were poured at 600, 640 and 690 C, 100, 250 and 500 mmhg vacuum level. These specimens were tested on the modified pin on disk adhesive wear tester. Adhesive wear tests were performed on the under normal loads of 20 and 60 N, and sliding speed of 1 m/s. Adhesive wear test results showed that the specimens have similar wear trend under low load (20N) with hardness results, when the load increased (60N), the specimen with highest hardness exhibited the worst adhesive wear resistance. Key Words: Microstructure, Counter gravity casting, Adhesive wear 1. Giriş Yerçekimine ters döküm yöntemi basit bir ifadeyle; sıvı metalin farklı şekillerde (basınç, vakum) yerçekiminin tersi yönünde kalıba doldurulması esasına dayanır. Sıvı metal; basınçlı gaz, elektromanyetik pompa ve vakum yardımı ile kalıp içerisine doldurulmaktadır. Dökümü özel ve kontrollü yapılması gereken ve özellikle çok ince kesitli parçaların üretiminde başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Yöntemin yapılışı, işlemin yapıldığı düzenek, kalıp malzemelerinin (kabuk kalıp, seramik kalıp, yaş kum kalıp gibi) değişik uygulamaları daha önceki çalışmalarda çok sınırlı da olsa değerlendirilmiştir [1-9]. İşlemin yapılışı şematik olarak Şekil 1 de verilmiştir. 1) Hazırlanan kalıp vakum haznesine yerleştirilir 2) Kalıbın yolluğu ergitme ocağına daldırılıp sıvı metal vakum ile kalıp içerisine doldurulur (emdirilir) 3) Döküm parça katılaştıktan sonra ise vakumun kesilmesi ile yolluktaki sıvı metal ocağa geri boşaltılarak döküm işlemi tamamlanır. 4) Dökülen parçalar kalıptan çıkarılır. Şekil 1. Vakum ile yapılan yerçekimine ters döküm yönteminin işlem aşamaları Yerçekimine ters döküm konusundaki yayınlar [1-17] incelendiğinde; özellikle döküm basıncı ve sıcaklığının yapı ve özellikler üzerine etkileri konusunda çalışma bulunmamaktadır. Yapılan bazı yayınlarda [1-4,12,13]; sadece basınç uygulaması ile özelliklerin geliştiği ifade edilmekte, farklı sıcaklık ve vakum uygulaması sonucunda elde edilmiş veriler için vakum miktarları konusunda bilgiler bulunmamaktadır. Ancak belirtilen çalışmalardaki şartların, bu çalışmadan oldukça farklılık göstermesinden dolayı elde edilen sonuçların değerlendirilmesinde referans olarak kullanılması doğruluk arz etmemektedir. Elde edilen bu sonuçların mevcut çalışmanın kendine has özelliklere bağlı olarak meydana gelebileceği de düşünülmektedir. Döküm sıcaklığına bağlı olarak malzeme özellikleri değişmekte, sıcaklığın azalması ile mekanik özellikler iyileşmektedir. Yapılan bir çalışmada [16], döküm sıcaklığının artışına bağlı olarak mekanik özelliklerin kötüleştiği belirtilmektedir. Üretilen döküm parçalar kullanım yerlerinde genellikle bir aşındırıcı veya bir metale temas ederek çalışmak zorundadır. Bu nedenle döküm parçaların mekanik özelliklerinin yanında aşınma özelliklerinin de iyi bilinmesinde yarar bulunmaktadır. Bu yöntemle üretilen parçaların aşınma özellikleri, parçaların kullanılacakları yerlerde ömürleri bakımından önem taşımaktadır. Ancak literatürde bu amaçla yapılmış hiçbir çalışma bulunmamaktadır. İfade edilen nedenlerden dolayı, 600, 640 ve 690 C sıcaklık ve 100, 250 ve 500 mmhg vakum uygulanarak yaş kumdan hazırlanan kalıplara IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 Al -% 10 Si döküm alaşımının dökümü sonucunda yapı-mekanik özellikler ile adhesif aşınma özelliklerinin birbirleriyle ilişkilerinin tespit edilmesi amacıyla bu çalışma yapılmıştır. 2. Deneysel Çalışmalar Yerçekimine ters döküm yöntemi ile numune üretimi için elektrik direnç ergitme ünitesi kullanılmıştır. Ergitme sırasında; ocak ve sıvı metalin sıcaklık kontrolü K-tipi ısıl çiftler yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Döküm işlemlerinde, kimyasal bileşimi Çizelge 1 de verilen % 10 Si içeren ticari ETİAL-171 Al-Si döküm alaşımı kullanılmıştır. Çalışmada vakum ile yerçekimine ters döküm yapılabilmesi için çelik malzemeden özel olarak hazırlanmış olan boru tipi dereceler kullanılmıştır. Yerçekimi döküm işlemlerinde ise dökümhanelerde kullanılan geleneksel (çerçeve tipi) dereceler kullanılmıştır. Döküm işlemi yapılan kalıplar yaş kum malzemeden üretilmiştir. ø 20 x 200 mm boyutlarında çubuk şeklindeki silindirik parçalar döküm yolu ile üretilmiş ve bu parçalara sertlik testi uygulanmıştır. Ancak, geleneksel yöntemle 600 C sıcaklıkta metal akıcılığının yeterli olmaması nedeniyle döküm işlemi gerçekleştirilememiştir. Hazırlanan numuneler kullanılarak modife edilmiş disk üzerinde pim adhesif aşınma cihazında testler gerçekleştirilmiştir. Adhesif aşınma testleri 20 ve 60 N yükler altında ve 1 m/s kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Çizelge 1. Döküm işlemlerinde kullanılan ETİAL-171 malzemesi kimyasal bileşimi Si Fe Cu Mn Mg 9,42 0,38 0,05 0,431 0,36 Cr Ni Zn Ti Pb 0,015 0,04 0,06 0, Al (Kalan) 3. Sonuçlar ve Tartışma 3.1. Mikroyapı Üretilen numunelerden elde edilen bir kısım mikroyapı görüntüleri Şekil 2 de verilmektedir. Değişen döküm sıcaklığı ve vakum miktarına bağlı olarak Si faz boyut ve şeklinin de değiştiği görülmektedir. Al - % 10 Si döküm alaşımının mikroyapısı incelendiğinde; genel katılaşma karakteristiğinin ötektik katılaşma şeklinde α-al ve çubuk biçimindeki Si fazından oluştuğu görülmektedir. Vakum ile yerçekimine ters dökümde ötektik görünümde değişim meydana geldiği görülmektedir. Yapıdaki α-al fazının şekli büyümekte ve yuvarlak bir biçime dönüşmektedir. Si fazının ise kaba ve büyük görüntüsü değişerek; faz boyutunda küçülme ve aynı zamanda düz şeklinin kaybolarak yuvarlaklaşmalar görülmektedir. Ancak bu çalışmada Si faz miktar ve boyutu ölçümleri ile α fazı içersindeki Si un çözünebilirliğindeki değişimin tespiti yapılamamıştır. İleride yapılacak çalışmalarda bu konudaki incelemelerin yapılması ile işlem şartlarına bağlı olarak Si fazının boyut, şekil ve eriyebilirlik oranı konularında bazı eksikliklerin giderilebileceği düşünülmektedir. Şekil 2. Farklı sıcaklık ve vakum şartlarında geleneksel ve yerçekimine ters döküm yöntemleri ile üretilen döküm numunelerin mikroyapı görüntüleri (X 280) 3.2. Mekanik Özellikler ve Aşınma 600, 640 ve 690 C sıcaklık ile 100, 250 ve 500 mmhg vakum şartlarında geleneksel ve yerçekimine ters yaş kum kalıba döküm ile üretilen numunelerin sertlik ve aşınma miktarları Çizelge 2 de verilmektedir. Sonuçlar; vakum uygulamasına bağlı olarak sertlikte önemli oranda değişimin meydana geldiğini göstermektedir. Vakum uygulaması sonucunda üretilen malzeme özelliklerinin geleneksel yöntemle üretilen parça özelliklerine kıyasla önemli oranda geliştiği tespit edilmiştir. Vakum ile üretilen numunede yapılan işlem sonucunda katılaşma hızının artması sonucunda; oluşan Si fazının boyut ve şekilleri ile tane boyutunun küçülmesi malzeme sertliğini artırmıştır (Çizelge 2). Adhesif aşınma testleri 20 ve 60 N yükler altında ve 1 m/s kayma hızında gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar aşağıda Çizelge 2 ve Şekil 3 de verilmiştir. Sonuçlar genel olarak; uygulanan yükün artışına bağlı olarak aşınma miktarının arttığını göstermektedir. Aşınma miktarları numunelerin üretimleri sırasında uygulanan işlemler dikkate alındığında; vakum ile döküm ve buna bağlı olarak daha hızlı katılaşma sonucunda Si faz boyutu ve şeklinin değişime uğrayarak küçüldüğü (Şekil 2), özellikle sertliğin (Çizelge 2) arttığı numunelerde aşınma miktarının geleneksel yerçekimi ile üretilen numunelere kıyasla daha az olması gerektiği bu çalışma başlangıcında düşünülmüştü. Fakat elde edilen sonuçlar neticesinde; durumun tam olarak bu şekilde olmadığı tespit edilmiştir. Genel olarak; 600 C sıcaklıkta 20 ve 60 N yükler altında uygulanan her iki yükte de vakum

3 miktarının artışına bağlı olarak artan sertliğin etkisiyle aşınma miktarı azalmıştır. 640 C sıcaklıkta üretilen numunelerde 60 N yükte aşınma sırasında artan sertlikle birlikte 250 mmhg vakum seviyesine kadar aşınma da artmış, daha sonra ise sertlikle paralel olarak aşınma miktarı da azalmıştır. Diğer yandan 20 N yükte ise, sertliğin artmasıyla aşınma miktarı azalmıştır. 690 C sıcaklıkta üretilen numuneler incelendiğinde 20 N yük uygulaması sonucunda vakum miktarındaki artışa bağlı olarak aşınma miktarı da artmıştır. 60 N yük uygulandığında ise, 100 mmhg vakuma kadar sertlik ve aşınma birlikte artmış, ancak sertlik 250 mmhg vakuma kadar artarken aşınma miktarı azalma eğilimi göstermiştir. Çizelge 2. Döküm sıcaklığı ve basıncına bağlı olarak sertlik ve adesif aşınma miktarlarının değişimi Numune Sertlik (BHN) Ağırlık Kaybı (mg) (Yük: 20 N) Ağırlık Kaybı (mg) (Yük: 60 N) 1 (100 mmhg-600 C) 64 13, (250 mmhg-600 C) 72 8,9 37,9 3 (500 mmhg-600 C) ,1 4 (640 C) 65 14,4 32,6 5 (100 mmhg-640 C) 71 11,1 33,8 6 (250 mmhg-640 C) ,9 7 (500 mmhg-640 C) 68 10, (690 C) 58 6,5 32,4 9 (100 mmhg-690 C) 63 7,2 36,8 10 (250 mmhg-690 C) 67 9,4 35,2 11 (500 mmhg-690 C) 61 10,9 25,9 Ağırlık Kaybı, mg 80 Sertlik N yük N yük Sertlik, BSD Şekil 3. Aşınma testleri sonucunda elde edilen malzeme ağırlık kaybı ve sertlik ilişkisi Metal ve alaşımların katılaşmaları sırasında, oluşan fazların şekil ve boyutlarında meydana gelen değişimler, mekanik özellikler ve aşınma gibi özellikleri doğrudan etkilemektedir. Bu çalışmada geleneksel yönteme kıyasla vakum ile üretilen numunelerde elde edilen mikroyapı görüntülerinden, Si faz boyutunun küçüldüğü tespit edilmiştir (Şekil 2). Literatür incelemeleri sırasında; mikro ve makro yapı ile mekanik özelliklere bağlı olarak malzemelerin aşınma miktarlarının değişim gösterdiği bir çok araştırmacı tarafından ifade edilmektedir [18-24]. Bu çalışmaların bir kısmında yapıda bulunan fazların ve tane boyutlarının küçülmesi neticesinde sertliğin arttığı ve buna bağlı olarak aşınma miktarının azaldığı belirtilmektedir. Ancak yapılan bu çalışma sonuçları, yukarıda ifade edilen çalışmaların aksine vakum uygulaması sonucunda oluşan tane ve fazların boyutlarının küçülmesine karşın, aşınma miktarının arttığını göstermiştir [23,24]. Bu nedenlerle elde edilen aşınma sonuçlarının daha iyi değerlendirilmesi düşünülmüş ve bu amaçla aşınma yüzey görüntüleri çekilmiştir (Şekil 4). Aşınma yüzeyleri incelendiğinde; genel olarak düşük yük uygulaması sonucunda aşınan yüzeyde yapışma ve ardından oyuklaşma şeklinde kopmaların olduğu aşınma tipi, yüksek yükte ise yapışma ve ardından yüksek deformasyon nedeniyle sıvanarak aşınmanın olduğu yüzeyler meydana gelmiştir. Diğer yandan aşınan yüzeyler sertlik değerleri ile kıyaslandığında ise, sertlik artışı ile birlikte deformasyon mesafesinin azalması nedeniyle numune yüzeylerinde yüksek oranda oyuklaşmaların meydana geldiği görülmüştür. Özellikle yüksek yük uygulamaları

4 ile gerçekleştirilen aşınma testleri sırasında, matriste bulunan sert fazların boyutunun küçülmesi ve dağılım sertleşmesinin arttığı durumlarda aşınma miktarı da artmaktadır. Şekil 4. Farklı sıcaklık ve vakum şartlarında geleneksel ve yerçekimine ters döküm yöntemleri ile üretilen döküm numunelerin 20 ve 60 N yük uygulanması sonucunda elde edilen adhesif aşınma yüzey görüntüleri (X2,5) 3. Sonuçlar Geleneksel yöntemde elde edilen sonuçlara kıyasla vakum uygulanan dökümlerde yapısal özelliklerin değiştiği tespit edilmiştir. Vakum uygulaması sonucunda meydana gelen fazların şekil ve boyutları ile tane boyutlarının küçüldüğü görülmüştür. İfade edilen değişimlerin neticesinde, sertlik ve yoğunluğun da geleneksel yöntemle üretilen numuneye kıyasla vakum ile üretilen numunenin gelişim gösterdiği tespit edilmiştir. Yük miktarının artması ile birlikte aşınma miktarı artmıştır. Genel olarak; geleneksel yöntemle üretilen numune düşük mekanik özelliklere sahip olmasına karşın, vakumla üretilen numuneye oranla daha az aşınmıştır. Aşınma sırasında daha kaba fazların bulunmasından dolayı aşınmanın daha az olduğu düşünülmektedir. 4. Kaynaklar [1] Chandley, G.D., Counter Gravity Casting of Aluminum in Investment and Sand Molds, AFS Transactions 86-39, pp: , [2] Anon, Turning the Gating World Upside Down, Thecnical Paper, Hitchiner Manufacturing Co., ( (Erişim Tarihi: Kasım 2004). [3] Ripkin, F. and Lipson, S., Counter Gravity Casting of Aluminum Alloys in Green Sand Molds AFS Transactions 67-70, pp: , [4] Lipson, S. and Ripkin, F., Effect of Sections Thickness osn The Tensile Properties of Thin-Section Aluminum Alloy Sand Casting AFS Transactions 69, pp: , 1969.

5 [5] Chandley, G.D. and Flemings, M.C., Gating Premium Quality Casting AFS Transactions 88-37, pp: , [6] Flemings, M.C., Conrad, H.F.and Taylor, H.F., Aluminum Alloys Fluidity Test AFS Transactions 93-59, pp: , [7] Katzarov, I.H. and others, Porosity Formation in Axisymetric Castings Produced by Counter-Pressure Casting Method, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol:44, pp: , [8] Stefanescu, D.M. and others, In Situ Resource Utilization for Processing of Metal Alloys on Lunar and Mars Bases, www. science.nasa.gov/newhome/ headlines/ space98pdf/insitu.pdf,, (Erişim Tarihi: Kasım 2004). [9] Chandley, G.D., Use of Vacuum for Counter Gravity Casting of Metals Materals Res. Innovant, pp:14-23, [10] Chandley, G.D., Making casting without ladles or sprues the CLA process AFS Transactions 76-28, pp:37-42, [11] Campbell, J., Reliable Castings Suppluy a report, / auto2001/book/campbell.pdf, (Erişim Tarihi: Kasım 2004). [12] Chendley, D. and others, Development of Thin-Wall Stanless Steel Castings Using Countergravity Process for Automobile Application AFS Transactions 96-82, pp: , [13] Bakhtiyarov, S.I. and others, Advances in Countergravity Lost Foam Casting Process AFS Transactions 00-49, pp: , [14] Westendorf, T.M. and others, Countergravity Casting of Thin-Wall Al A356, Part I: A Castability Study AFS Transactions , pp: , [15] Shenefelt, J.R. and others, Countergravity Casting of Thin-Wall Al A356, Part II: Result of Casting Characterization Studies AFS Transactions , pp: , [16] Chandley, G.D., Automatic Counter Gravity Casting of Shell Molds, AFS Transactions 83-23, pp: , [17] Anon, Metal casting and molding process, American Foundryman s Society publications, Illinois, USA, pp:,1981. [18] S. Sawla, S. Das, Combinet effect of reinforcement and heat treatment on the two body abrasive wear of aluminum alloy and aluminum particle composites, Wear 257, p: , [19] L. Lasa and J.M. Rodriguez-Ibabe, Effect of composition and processing route on the wear behaviour of Al-Si alloys, Scripta Materialia 46, p: , [20] Y. Sun, M. Baydoğan and H. Çimenoğlu, The effect of deformation before ageing on the wear resistance of an aluminum alloy, Materials Letters 38, p: , [21] Q.C. Jiang, C.L. Xu, M. Lu and H.Y. Wang, Effect of new Al-P-Ti-TiC-Y modifier on primary silicon in hypereutectic Al-Si alloys, Materials Letters 59, p: , [22] C. Meriç, E. Atik and H. Kaçar, Effect of aging on the abrasive wear properties of AlMgSi1 alloy, Materials and Design xx, p: xxx-xxx, 2005, (Article in press - Short Cominication: (Erişim tarihi: ). [23] O. Yılmaz and S. Buytoz, Abrasive wear of Al 2O 3 reinforced aluminum based MMCs, Composites Science and Technology 61, p: , [24] S.W. Kim, U.J. Lee, S.W. Han, D.K. Kim and K. Ogi, Heat treatment and wear charecteristics of Al/SiCp composites fabricated by dublex process, Composites Part B: engineering: 34, p: , 2003.