PASLANMAZ ÇELİK VE BAKIRIN DİFÜZYON KAYNAĞINDA KIRKENDAL ETKİSİNİN KULLANILMASIYLA GERÇEK DİFÜZYON SABİTLERİNİN HESAPLANMASI

Transkript

1 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ : 53 PASLANMAZ ÇELİK VE BAKIRIN DİFÜZYON KAYNAĞINDA KIRKENDAL ETKİSİNİN KULLANILMASIYLA GERÇEK DİFÜZYON SABİTLERİNİN HESAPLANMASI *Osman YILMAZ **Mustafa AKSOY ÖZET Bu çalışmada, paslanmaz çelik ve bakmn difüzyon kaynağında farklı metotlar kullanılarak kirkendal etkisi ve bu etkinin kullanılmasıyla gerçek difüzyon sabitleri hesaplanmaya çalışılmıştır. Deney malzemeleri olarak, AISI 304 kalite paslanmaz çelik ve elektrolitik bakır seçilmişlerdir. Kaynak işlemleri 700, 800,900 0C sıcaklıklarda, 0,2,0,6,1,2 Mpa basınçlarda ve 5,15, 30 dakika sürelerde gerçekleştirilmişlerdir. Elde edilen numunelerden metalografik incelemelerle çatlak ve yapı kontrolü, EDS analizleri ile difüzyon mesafesi ve faz tayini incelemeleri yapılmıştır. Ayrıca, bir kısım numune çekme deneyine tabi tutularak kırık incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu incelemeler neticesinde, farklı kaynak şartlarında gerçekleştirilen kaynaklarda gerçek difüzyon sabitlerinin oranları tespit edilmiş, kaynak şartına göre Kirkendall etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır. 1. GİRİŞ Difüzyon kaynağı, uygulamaları seramikler ve kompozitler gibi birleştirilmeleri ergitme kaynağı ile mümkün olmayan metal olmayan malzemelerin biri biriyle ve metallerle birleştirilmesinde uygulandığı gibi metal ve alaşımlarının birleştirilmesinde de yaygın halde kullanılmaktadır [1, 2]. Bu metod, ergitme kaynağı ile birleştirilmesi mümkün olmayan veya zor olan malzemelerin birleştirilmesine de imkan sağlamıştır [3,4]. Difüzyon kaynağı, silah ve nükleer [3,4], mikro elektronik, plastik endüstrisinde, referans ve kalibrasyon bloklarının üretilmesi [5] gibi alanlarda uygulanmaktadır. Uygulama alanları dikkate alındığında hatasız bir kaynağın ne kadar önemli olduğu görülmektedir. Özellikle farklı difüzyon karakteri taşıyan metal ve alaşımlarının difüzyon kaynağında gerçek difüzyon katsayılarının farklı olması Kirkendall etkisi denilen bir etkiyi ortaya çıkarmaktadır [6]. Kirkendall etkisinin bulunduğu kaynak şartlarında bu etki sebebiyle kaynak bölgesinde mikro boşluklar ve mikro çatlaklar oluşmaktadır. Bu çatlakların varlığı sebebiyle kaynak bağlantısının fiziksel ve mekanik özellikleri olumsuz yönde etkilenmektedir [7]. Kirkendall etkisi, birleşme ara yüzeyinden metal çiftlerine doğru atomik akının farklı olmasından kaynaklanmaktadır [8]. Bu etkinin tespiti amacıyla birçok teorik ve deneysel çalışmalar [9, 10, 11] yapılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneylerde, biri AISI 304 kalite paslanmaz çelik, diğeri de elektrolitik bakır olmak üzere iki çeşit malzeme kullanılmıştır. Kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimi Tablo 1 de verildiği gibidir. * Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Malzeme ve Metalürji Müh. Bölümü, ELAZIĞ ** Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Malzeme ve Metalürji Müh. Bölümü, ELAZIĞ

2 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 54 Tablo 1. Deneylerde kullanılan malzemeler. MaL (AISI 304) Cu C 0.1 Si 0.6 /.Alasfim elemanı miktarı MD 1.9 Ni 9.4 Mo 0.2 Cr 18.8 Elektrolitik bakır. Cu 0.1 Fe Ka. Difüzyon kaynak işlemine tabi tutulacak bakır ve paslanmaz çelik numuneler 10x10x20 boyutlarında hazırlanmışlardır. Deneyler, yatay bir tavlama fınmnda atmosfer kontrollü bir tüp içinde argon gazı atmosferinde ve izostatik yük altında gerçekleştirilmiştir. Kaynak öncesi birleştirilecek numunelerin yüzeyleri ' ' meşlik zımparalar "ile ve 6 ym lik elmas pasta ile parlatılmış, yüzey pürüzlülüğü Mitutoyo Sufset 211 profilometresi ile ölçülmüştür. Kaynak, birleştirme basıncı, kaynak sıcaklığı, kaynak süresi değiştirilerek gerçekleştirilmiştir. Kaynak uygulanan numuneler ve kaynak şartları Tablo'3'te topluca verilmiştir. Tablo 2. Difüzyon kaynağında uygulanan kaynak şartlan. Nu. No Sİ S2 S3 S4 S5 S6 S7 Kav. Sic (*Q Kay.Bas. (Mpa) Caz Yüz. Pür. Kzftı) , ,5 Kay.Sfir. (Dak.) Kaynak tamamlandıktan sonra numuneler durgun havada, oda sıcaklığında soğutulmuşlardır. Kaynak yapılmış numuneler boyuna kesilerek parlatılmış ve '% 27 NHO 3 - %24 HC1 - % 49 H 2 O' ile dağlanarak metalografi incelemeleri yapılmıştır. Kaynak bölgesindeki fazlar ve elementlerin difüzyon mesafeleri EDS ile tespit edilmiştir. Ayrıca EDS sonuçlanndan giderek muhtemel fazlar, hesaplanarak bulunmuştur [1, 12]. 1. SONUÇLAR ve TARTIŞMA 1.1. Metalografi ve EDS Sonuçlan 700, 800 0C Sıcaklık, 5,15 Dakika ve 0.25,0.65 Mpa basınç altında birleştirilen bütün numunelerde birleşme bölgesinde çatlaklar görülmüş ve birleşme bölgesinde yer yer boşluklara rastlanılmıştır. Bu durum S7 nolu numunede Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil l'den de görüleceği gibi bakır tarafında tane sınırlarında küçük boşluklar ve çatlaklara rastlanılmıştır. Çatlaklar küçük boşluklann birleşmesiyle meydana gelmektedir [13].

3 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 55 Şekil 1. S7 numunesi SEM mikrografı Çekme deneyleri sonucunda adı geçen numuneler birleşme bölgesinden kopmayıp bu boşlukların bulunmuş olduğu bölgeden kopmuştur. Birleşme yüzeyinden itibaren bakır ve çelik tarafında yapılan EDS analizleri sonuçlarına göre paslanmaz çelik tarafında Fe, Cr, Ni, Si, O görülmüş, bakır tarafında ise Cu, Ni, Si, Fe, Cr tespit edilmiştir. Çelik tarafında görülen oksijen elementi Cu ve Çeliğin başlangıç yüzeyindeki oksitlerden, Si elementi SiC aşındırıcılardan gelebilmektedir [8,14,15,16]. Şekil 2'de S5 nolu numunenin Cu ve paslanmaz çelik taraflarındaki EDS grafikleri verilmiştir.

4 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 56 Şekil 2. SS numunesinin arayüzeyinden 0,5 (m uzaklıkta a) bakır, b) Paslanmaz* çelik tarafından alınan EDS grafikleri - Sözü edilen EDS grafiği bakır tarafında 0,5 pim mesafede tespit edilmiştir. EDS sonuçlanndan yararlanarak birleşme bölgesinde bulunabilecek fazlar Tablo 3 ve bütün numunelerin arayüzeyden itibaren bulunabilecekleri mesafeler Tablo 4 te verilmiştir. Fazların tespitinde B. Alleman'nıh [1] izlediği, ve benzer çalışmalarda görülen [2,7,8] yöntem kullanılmıştır.

5 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 57 Tablo 3. Paslanmaz çelik ve, bakır ikilisinde ara bölgedeki kimyasal kompozisyon ve fazlar. Tablo 4. Kaynak şartlarına göre kaynak bölgesindeki fazların genişlikleri Gerçek Difüzyon Katsayılarının Hesaplanması Gerçek difüzyon katsayısı birçok araştırmacı tarafından Kirkendal etkisi kullanılarak hesaplanmıştır [2, 8,17,18,19,20,21]. Hesaplamada arayüzeye bir belirleyici koyarak veya başlangıç yüzeyinden gelen oksitlerin hareketi veya yüzey temizleme işlemi sırasında aşındırıcılardan gelen karbürlerin [7, 14, 15, 22] arayüzeyden itibaren hareket ettikleri mesafe tespit edilerek hesaplama yoluna gidilmiştir. Bu çalışmada birleştirilen numunelerden paslanmaz çelik tarafında Şekil 4'te gösterildiği gibi oksijen ve Si elementine rastlanılmıştır. Oksijenin oksitlerden, Si'un ise aşındırıcılardan geldiği açıktır. Şekil 3'te tespit edilen Si ve oksijen elementine birleştirme yüzeyinden 0,5 pim mesafede rastlanılmıştır. Dolayısıyla arayüzeyden itibaren oksit ve SiC'ün ilerleme mesafesi 0,5 ym olarak alınmıştır. Buna göre D ÇeI > D Bakır olduğu sonucuna varılmıştır. D Çel. ve D Bakır sabitleri, markerlerîn hareketlerinden ve kimyasal difüzyon sabitinden (Dk) bulunabileceği bilinmektedir [7,23]. D k ise, Kirkendal düzlemindeki deneysel konsantrasyon eğrilerinden bulunabilmektedir [7].

6 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 58 Dçei. ve D Bakır sabitleri bulunabilmesi için öncelikle n değerleri (at % / Q (nnr 3 )) [24,25] bulunmuş ve difüzyon mesafesine göre n'nin değişimi grafik halinde çizilmiştir, n'nin bulunmasında kullanılan Q değerleri Tablo 5'te verilmiştir. Tablo 5. Birleşme bölgesinde bulunabilen fazların atomik hacimleri [24, 25] Bütün deney şartlan için ayrı ayrı 'n - difüzyon mesafesi' grafikleri çıkartılmıştır. Hesaplamanın yapılışı S5 numunesinin 'n-difüzyon mesafesi' grafiği üzerinde Şekil 3'te gösterilmiştir. Şekil 3. S2 numunesinde n'nin difüzyon mesafesine göre değişimi. Şekilde görüldüğü gibi Matano ve Kirkendal düzlemleri şekil üzerine yerleştirilmiştir. Matano düzlemi ve Kirkendall düzlemlerinin yerleştirilmesinde SiC karbürlerinin durumu dikkate alınmıştır. Numune yüzeyinde rastlanan SiC'lerin boyutları 0,2-0,6 (m arasında değişmektedir. SiC taneciklerinin ortalama boyutları 0,3 pim olarak alınarak Matano ve Kirkendal düzlemleri yerleştirilmiştir. Bakır ve paslanmaz çelik tarafında meydana gelen gerçek difüzyon oranları Heumann T.'nin kullandığı yönteme göre [22] (1) eşitliği ile elde edilmiştir n A J - J NHCr+Ft _ ^Ft+O+Nu d) Bu eşitlikte D değerleri çelik ve bakır tarafındaki elementlerin gerçek difüzyon katsayılarıdır. A değerleri ise Matano ve Kirkendal düzlemlerinin eğrileri kestiği noktaların altında kalan alanları ifade edilmektedir. Bütün deney şartlan için bulunan n-difüzyon mesafesi eğrilerinden yararlanarak D Fe+ cr+ni_ j e ğ er ı er i bulunmuş ve bu değerler deney şartlarına göre Tablo 6'da toplu halde verilmiştir. D r Cu (

7 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 59 Tablo 6. Kaynak şartlarıyla D Fe+Cr+Nİ /D Cu oranının değişmesi. Değerlerin 1,0 değerine yaklaşması halinde taneler arası mikro boşluksuz kaynak yapılacağı [7] dikkate alınırsa basıncın çatlak oluşumundaki etkisi diğer değişkenlere göre daha fazla olduğu görülmektedir. Çünkü, kaynak basıncı yüzey pürüzlerinin plastik şekil değişimini sağlayarak gerçek temas süresini kısaltır, çözünmesi mümkün olmayan oksitleri kırar ve temas alanını artırır. Ayrıca birleşecek yüzeylerdeki atomlar arası mesafeyi azaltarak atomlar arası çekim kuvvetlerinin faaliyete geçmesini sağlar ve difüzyon için kimyasal potansiyeli artırır [26]. Birleştirme süresinin dikkate değer bir etkisi görülmezken, sıcaklığın zamana göre daha etkili olduğu görülmüştür. Çünkü, sıcaklık malzemenin akma gerilmesini azaltarak ilk plastik deformasyonu sağlar. Yüzey pürüzlerini gidererek gerçek temas alanını elde etme zamanım kısaltır. Ayrıca sürünme ile şekil değiştirme oranını artırır [4]. Oluşan boşlukların ve çatlakların büyüme ve ilerlemesinde tane sının çökeltileri ve gerilme yoğunlaşmaları etkili olmaktadır [27]. Bu çalışmada Tablo 3'te verildiği gibi tane sınırı fazlan bulunmaktadır. Heumann metodu ile bulunan sonuçları Darken metoduna göre bulunan sonuçlarla doğrulamak maksadıyla S5 numunesi için Darken metodu uygulanmış ve D Fe + cr+ni oranı 1,46 olarak bulunmuştur. Darken metoduna göre Fe+Cr+Ni oranının bulunmasında aşağıdaki yol takip edilmiştir [8, 17]. Öncelikle (2) eşitliğinden yararlanılarak kimyasal difüzyon katsayısı D k = 2.45x10" CmV bulunmuştur D* ~2t tf^'^xdn *L dx x=0,t/an (2) Q Tablo 5'ten ve n değerleri Şekil 3'ten alınarak (3) ve (4) eşitliğinde yerine konulmuş, gerçek difüzyon sabitleri bulunarak oranlanmıştır. Hesaplamalar sonucunda D Fe+Cr+Nİ = 3,87xlO 15 CmV ve D Cu = 5,68x10 ' 5 CmV, bunların oranlan ise 1.46 olarak bulunmuştur. Dfc - ^O, W O. A*+O+Arf + ^Ä W A+O+JW A* ( 3 ) İ--O (D -D \ dn P e+cr+ni M

8 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 60 2, 3 ve 4 eşitliklerinde; Q, : atomik hacim Ç : Kirkendall düzlemiyle Matano düzlemi arasındaki mesafe t: Difüzyon zamanı n: % at konsantrasyon / Q. (nnr 3 ) D k : Kimyasal difüzyon sabiti dir 1,46 değeri Heumann metoduyla elde edilen 1,54 değerine yakındır. 3. ve 4. Denklemlerin kullanılmasıyla istenilen süre, sıcaklık ve mesafedeki kimyasal difüzyon sabitleri hesaplandığında % : 0.5 ym, t: 30 dak. Olarak alınıp ve ayrıca 0.5 mikron mesafede n değerinin türevi alınarak 2. ve 3. denklemlerde yerine konduğunda, D Fe+Cr+Nİ = 3,87 xlo" CmV ve D Cu = 5,68x10" CmV olarak bulunur. Bu değerlerin oram ise 1.46 dır. Bu değer alan metoduyla elde edilen sonuca çok yakındır. Gerçek difüzyon sabitleri arasındaki bu fark, atomların paslanmaz çelikten bakıra doğru akımı ve atom düzlemlerinin karbür partiküllerinin ters yönde hareket etmesine sebebiyet vermesiyle gerçekleşmiştir. S2 numunesinin paslanmaz çelik kesiminde Kirkendall düzlemi üzerinde teorik olarak hata fonksiyonu kullanılarak kimyasal difüzyon sabiti (3. Denklem kullanılarak) 2.45 x 10"" olarak bulunmuştur. Hata fonksiyonlu kimyasal difüzyon sabiti hesaplanırken, D Fe+Cr+Nİ = 4.14 xlo 12 CmV ve D Cu = 3,93x10" CmV olarak alınmıştır [13, 24]. Teorik ve deneysel kimyasal difüzyon sabitlerinin bu derece biri birilerine yakın çıkması beklenen bir durumdur. Çünkü bakır ve paslanmaz çeliğin atom hacimleri biri birilerine çok*yakmdır. Sonuçta Kirkendair etkisiyle karbürler paslanmaz çeliğe doğru çok az bir mesafe kat ederek yürümüştür (0.8 pim). Gerçek difüzyon sabitlerinin oranları, her numunenin kaynak şartları için difüzyon hızı ve oranlarının kıyaslanmasında kullanılmıştır [2]. 2. GENEL SONUÇLAR 1. Elektrolitik bakır ve paslanmaz çeliğin difüzyon kaynağında Kirkendall etkisinin olduğu görülmüştür. Çünkü Heumann ve Darken metotlanyla bulunan gerçek difüzyon sabitleri oranı l'den büyük çıkmıştır. Bu sonuç, çelik tarafından bakır tarafına olan atom akısının daha fazla olduğunu gösterir. Ayrıca EDS sonuçlannda da, paslanmaz çelik tarafında 0,5 pim mesafede oksit ve Si atomlan bulunmuştur. 2. Difüzyon kaynaklı metal çiftin ara yüzeyindeki fazlamı oluşturduğu karışıklık ve zorluğa karşın, Kirkendal etkisinin kullamlması gerçek difüzyon sabitlerinin hesaplanmasına imkan vermiştir. Elde edilen sonuçlar teorik literatür değerlerine yakın çıkmıştır. 3. Bu çalışmada, gerçek difüzyon sabitlerinin oranı olarak en düşük değer S5 numunesinin kaynak şartında elde edilmiştir.

9 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ ' 61 REFERANSLAR 1. Aleman, B., Guterrez, I. and Urcola, J.J., (1993 ). Interface Microstructures in Diffusion Bonding of Titanium Alloys to Stainless and Low Alloy Steels, Materials Science and Technology, Augustin, vol.9, Aleman, B., Guterrez, I. and Urcola, J.J., (1997). The Use of Kirkendall Effect for Calculating Intrinsic Diffusion Coefficients in A 316I7Tİ6242 Diffusion Bonded Couple, Acta metallurgica vol.36,no. 5, pp Guo, Z.X., Ridley, N., (1987)., Modelling of Diffusion Bonding of Metals. Materials Science and Technology. 3:11: Salehi, M.T., (1990). Isostatic Diffusion of Some Superplastic Alloys. Ph-D Thesis. UMIST. Manchester. \ 5. Riches, S. T., (1989). Micro Joining for elektronics. Production Engineering 6. S. Hinotani and Y. Ohmori, (1988), Trans. Jpn.Inst.met., 29, n2, O. Yılmaz, (1999), The effect of welding parameterss on the joining of stainless steel with copper by diffusion welding.phd Thesis, Fırat University, Elazığ, Turkey. 8 Adda Y. And Philbert, (1966), La diffusion dans le solides, Institute National de Sciences et Techniques Nucléaires, Paris. 9. J. E. Morral, Yoon-Ho Son and S.thompson, (1988), A. Model for the Kirkendal effect, Acta Metall, vol: 36, No: 8, pp M.C.Petri and D.D. Keiser, Jr.,(1997), Analysis of Interdiffusion in Multi-phase Systems, Scriptamateriala, vol:37, No: 6, pp ; ç 11. J.S. Kirdalay and G.Savva, (1997) Correlation Between Coherency strain Effects and The kirkendal Effect in Binary Infinite Diffusion Couples, Acta mater. Vol. 45, No. 8, pp: Yu. S. Kaganovskip, L.N. Paritkaya, (1997), Intermetalic Phase Formation During Diffusion Along A Free Surface. Acta Mater Ukraine. 13. Askeland, D.R., (1989). The Science and Engineering of Materials. Van Nostrand. Reinhold Co. Ltd. Hong Kong. 14. V.F.Sauer and V.Freise, (1962),.Z.Electrochem, 66, K.A. Gschneider, N.A., Kippenhan and O.D.Mcmasters, (1973),.Thermochemistry of the rare earths,p37,molybdenum Corporation of America, Ny 16. D.r. Gaskell, (1983), Physical Metallurgy, Ed. R.W.Chan and P.Haasen, J.P. Stark, Acta metali. (1986), 14,228.

10 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ R.W. Balluffi, (1960), Açta metali., 8, FJJ.Van Loo, (1970), Açta metali., 18, L.E. Trimble, D.Finn and A.Cosgerea, Jr., (1956), Açta metali., 13, A.Van Craeynest (1964), et D. Calais, mem.sci.rev. Metall., 61, no6, C. Motano,(1933), Jpn ehem. Inst. Met., 29, n2, T. Heumann, (1952), Z.Phys.Chem., 201, Brandes, E.A., (1983). Metals Reference Book. 6 th edition. Butterworths, London. 25. Pearson, W.B.,, (1984), A handbook of Lattice Spacing and Structures of metals and Alloys, Pergamon press, New York. 26. Calvo, F.A.., (1983). Special Features of the Formation of the Diffusion Bonded Joints between Copper and Aluminum. Journal of Material Science. 27. Fukomoto S.,Hirose A., Kobayashi K., F., (1992), Materials Science and Technology, Diffusion Bonding of SIC/Tİ-6A1-4V Composite to Tİ-6A1-4V Alloy and Fracture Behaviour of Joint, vol. 9, pp